Software para el dimensionamiento de redes WLAN

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Software para el dimensionamiento de redes WLAN Autor: Eladio González Rodríguez. Tutor: MSc. David Beltrán Casanova. Santa Clara Curso 2010-2011 "Año 53 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Software para el dimensionamiento de redes WLAN Autor: Eladio González Rodríguez e-mail: [email protected]. Tutor: MSc. David Beltrán Casanova Prof. Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica Facultad de Ing. Eléctrica. UCLV. e-mail: [email protected]. Santa Clara Curso 2010-2011 "Año 53 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. “Es una mentira decir que este mundo no se mueve con ciencia y tecnología, pero también es mentira pensar que con ellas encontraremos la felicidad”.. i.

(5) DEDICATORIA. A mis padres, por brindarme todo el apoyo necesario para salir adelante en los momentos difíciles. A mi maravillosa familia, por animarme cuando parecían muchos los obstáculos. .. ii.

(6) AGRADECIMIENTOS. A mis padres por su confianza, apoyo y contribuciones; gracias papi y mami por haber dedicado sus vidas a mi educación y formación, guiándome siempre por el buen camino.. A mi hermano, por ser mi guía y ejemplo. A mi familia, por estar siempre dispuestos y quererme tanto. A mi novia Lisandra, por su paciencia durante estos 5 años. A mi tutor David, por su incondicional ayuda. A mis compañeros de cuarto, por todo lo compartido durante este periodo. Al excelente claustro de profesores de la FIE, en especial a los del departamento de Telecomunicaciones y Electrónica.. A todos los que hicieron suyos mis desvelos y comparten hoy mis logros y satisfacciones. ¡Gracias!. iii.

(7) TAREA TÉCNICA. 1. Revisión y estudio bibliográfico sobre la actualidad de las redes inalámbricas en el mundo, incluido el equipamiento más usado y en particular el que se comercializa en Cuba. 2. Estudio de los mecanismos de propagación de la onda en este tipo de enlace. 3. Selección del lenguaje de programación a emplear. 4. Implementación del software con las prestaciones que se definan.. Firma del Autor. Firma del Tutor. iv.

(8) RESUMEN. En el presente trabajo se hace un estudio de los diferentes estándares y tecnologías usadas en las WLAN, además se exponen conceptos básicos y principios generales de propagación de las ondas en este tipo de redes. Para darle cumplimiento a los objetivos propuestos se desarrolló un software con fines docentes para el dimensionamiento de enlaces de redes inalámbricas punto a punto en entornos exteriores, atendiendo a las normas vigentes y a los equipos que se encuentran hoy en el mercado de las telecomunicaciones. El trabajo constituye un importante aporte a los contenidos de la asignatura de Sistemas Inalámbricos que se imparte en la Maestría de Telemática que aborda entre sus temas las redes WLAN y el dimensionamiento de ellas. Finalmente se logró crear una herramienta de software eficaz para el dimensionamiento de enlaces punto a punto en redes WLAN, la cual cuenta con una base de datos de equipos y accesorios que se usan en el país.. v.

(9) TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1. Conceptos generales de redes inalámbricas .............................................. 4. Tecnologías usadas a lo largo del desarrollo de las WLAN .................................... 4. 1.1.1. Espectro extendido (SS).................................................................................... 4. 1.1.2. Espectro Extendido por Secuencia Directa (DSSS) ......................................... 5. 1.2. Otras tecnologías de radio de redes WLAN ............................................................. 6. 1.2.1. Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM) ................ 7. 1.2.2. Conmutación de Códigos Complementarios (CCK) ...................................... 10. 1.2.3. Conmutación de Códigos Complementarios/Mutliplexación por División de. Frecuencias Ortogonales (CCK/OFDM) ...................................................................... 11 1.2.4. Codificación Convolucional de Paquetes Binarios (PBCC) ........................... 11. 1.2.5. MIMO ............................................................................................................. 11. 1.3. Estándares WLAN ................................................................................................. 13. 1.4. Estándares IEEE ..................................................................................................... 14. 1.4.1. IEEE 802.11b .................................................................................................. 14. 1.4.2. IEEE 802.11a .................................................................................................. 16. 1.4.3. IEEE 802.11g .................................................................................................. 17. 1.4.4. IEEE 802.11n .................................................................................................. 18. CAPÍTULO 2.. Fundamentos de Radio propagación para las redes Wireless LAN......... 21 vi.

(10) 2.1. Características de propagación de las ondas de radio ............................................ 21. 2.2. Factores que afectan la propagación ...................................................................... 23. 2.2.1. Pérdidas en el espacio libre ............................................................................. 23. 2.2.2. Atenuación ...................................................................................................... 24. 2.2.3. Multitrayecto ................................................................................................... 24. 2.2.4. Ruido ............................................................................................................... 26. 2.3. Modelos de propagación ........................................................................................ 27. 2.3.1. Modelo de propagación en línea de vista........................................................ 29. 2.3.2. Modelo de espacio libre .................................................................................. 31. 2.3.3. Modelo de propagación de los 2 rayos o de plano de tierra ........................... 32. 2.3.4. Okumura, Hata y sus modelos relacionados ................................................... 33. 2.3.5. Método de Okumura ....................................................................................... 34. 2.3.6. Modelo Okumura-Hata ................................................................................... 35. 2.3.7. Modelo Hata extendido (COST231) ............................................................... 36. 2.3.8. Modelo de Ikegami ......................................................................................... 37. 2.3.9. Modelo Walfisch-Bertoni ............................................................................... 38. 2.3.10. Modelo COST-Walfisch-Ikegami................................................................... 39. CAPÍTULO 3.. Software propuesto .................................................................................. 42. 3.1. Pantalla principal del software ............................................................................... 43. 3.2. Dimensionamiento ................................................................................................. 43. 3.2.1. Selección de la norma ..................................................................................... 44. 3.2.2. Canal ............................................................................................................... 44. 3.2.3. Distancia ......................................................................................................... 45. 3.2.4. Antenas ........................................................................................................... 45. vii.

(11) 3.2.5. Cables.............................................................................................................. 47. 3.2.6. Margen ............................................................................................................ 49. 3.2.7. Señal recibida .................................................................................................. 49. 3.2.8. Distancia ......................................................................................................... 50. 3.2.9. Pérdidas de espacio libre................................................................................. 51. 3.2.10. Cálculo de la velocidad del enlace .................................................................. 52. 3.2.10.1. Ejemplo: .................................................................................................. 52. 3.3. Agregar Modelo ..................................................................................................... 56. 3.4. Agregar Antena ...................................................................................................... 57. 3.5. Agregar cable ......................................................................................................... 57. 3.6. Ayuda ..................................................................................................................... 57. 3.7. Aspectos que se deben tener en cuenta .................................................................. 57. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 59 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 60 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 61. viii.

(12) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN El crecimiento acelerado de internet y las redes de datos en el mundo, junto a la necesidad cada vez mayor de los usuarios de tener una conexión disponible en cualquier momento y lugar, han devenido en la convergencia de las redes de telecomunicaciones hacia las redes móviles inalámbricas. Las WLAN son muy utilizadas como alternativas a las redes LAN cableadas o como extensión de las mismas. Cada día van adquiriendo más importancia en diversos campos y aplicaciones, por ello la necesidad de su estudio para lograr el mejor desempeño posible. En la actualidad existen varios software que permiten el dimensionamiento de redes de micro ondas en entornos exteriores, entre ellos se puede citar Radio Mobile, Maxwell, entre otros. Con la ayuda de estos software se pueden dimensionar redes inalámbricas pero no con un enfoque docente como el que se pretende lograr con el que está implementado. La asignatura Sistemas Inalámbricos que se imparte en la Maestría de Telemática aborda entre sus temas las redes WiFi (Wireless Fidelity) y el dimensionamiento de ellas, el software propuesto será de gran importancia para el estudio de esta asignatura, porque podrá dar una idea práctica, a los estudiantes y docentes, de la incidencia que tiene en los diferentes parámetros del enlace los cambios que se pueden realizar. No se cuenta con una herramienta de software que ayude a la implementación de un enlace WLAN punto a punto y sea capaz de brindar una medida de lo efectivo que puede llegar a ser este; lo que constituye el problema de investigación del presente trabajo de diploma. El sistema será diseñado, implementado y explotado en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central de Las Villas, dedicada a la formación de profesionales y se utilizará para suplir las necesidades en las prácticas de asignaturas relacionadas con el tema.. 1.

(13) INTRODUCCIÓN. El siguiente trabajo tiene como objetivo general confeccionar un software con fines docentes para el dimensionamiento de enlaces de redes WLAN punto a punto en entornos exteriores, atendiendo a las normas vigentes y equipos que se encuentran hoy en el mercado de las telecomunicaciones. Con la realización de este proyecto se pretende contribuir al desarrollo de los conocimientos que se adquieren en la asignatura de Sistemas Inalámbricos. Para darle cumplimiento al objetivo general, se trazaron las siguientes tareas de investigación: 1. Revisión y estudio bibliográfico sobre la actualidad de las redes inalámbricas en el mundo incluido el equipamiento más usado y en particular el que se comercializa en Cuba. 2. Estudio de los mecanismos de propagación de la onda en este tipo de enlace. 3. Selección del lenguaje de programación a emplear. 4. Implementación del software con las prestaciones que se definan. Los posibles resultados a alcanzar son: Con la realización de este proyecto se pretende contribuir al desarrollo de los conocimientos que se adquieren en la asignatura de Sistemas Inalámbricos. Con el software los estudiantes de la facultad contarán con una herramienta que les permita apreciar como variando determinados parámetros en los equipos y en las antenas como pueden ser su altura y tipo, varían las características del enlace. La implementación de esta herramienta de simulación le permitirá a los especialistas e investigadores realizar estudios y análisis comparativos que en función de la disponibilidad de recursos, logren ajustarse a las necesidades del entorno de trabajo. Para alcanzar los objetivos, este trabajo se ha estructurado en: introducción, desarrollo compuesto de tres capítulos, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. A continuación se describe brevemente el contenido de los diferentes capítulos.. 2.

(14) INTRODUCCIÓN. Organización del informe CAPITULO I: Se dedicará a la caracterización de los diferentes estándares que se emplean en WLAN y de los dispositivos que se utilizan en estas aplicaciones. CAPITULO II: Mecanismos y modelos de propagación en esta banda de frecuencias. CAPITULO III: Se dedica al software diseñado y a expresar los resultados de la validación mediante la comparación con ejemplos de la efectividad del método y la calidad del producto.. 3.

(15) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas Las Redes de Área Local Inalámbricas, conocidas por sus siglas WLAN o por WiFi, son un sistema flexible de transmisión de datos, que utilizan como medio de transmisión el aire. Este sistema puedes ser implementado como una extensión o una alternativa de una red LAN cableada dentro de un edificio o de un campus. Están diseñadas, para proveer acceso a redes de diferentes localizaciones entre dispositivos de computación. 1.1. Tecnologías usadas a lo largo del desarrollo de las WLAN. Las WLAN hacen uso de las ondas electromagnéticas para transmitir información de un punto a otro sin la existencia de conexiones físicas. Existen varias posibilidades empleadas en las WLAN para lograr esa transmisión. Una de ellas es por ondas infrarrojas (Infra Red, IR), pero este método se limita a la línea de vista o a distancias cortas, la otra es por ondas electromagnéticas (RF, radio frecuencia) que son más usadas debido a que poseen más poder de penetración a través de los objetos que las IR. En las primeras normas de WLAN fue utilizada la tecnología de Espectro Extendido (SS, Spread Spectrum) para modular las ondas de RF. 1.1.1. Espectro extendido (SS). Esta técnica está estipulada por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC, Federal Communications Comission) con el objetivo de minimizar la interferencia, tiene potencia de transmisión máxima de un Watt y opera en la banda ISM. La tecnología de SS, consiste en difundir la señal de información a lo largo del ancho de banda disponible, es decir, en vez de concentrar la energía de las señales alrededor de una portadora concreta, lo que se hace es repartirla, por toda la banda disponible. Así, la densidad promedio de energía es menor en el espectro equivalente que en la señal original. Este ancho de banda total se comparte con el resto de usuarios que trabajan en la misma banda de frecuencia. El receptor 4.

(16) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. del espectro extendido usa el conocimiento de cómo se hizo para comprimir la señal recibida y recuperar la señal de dato original. Proporciona gran robustez con respecto a la interferencia y al desvanecimiento resultante de la propagación multitrayecto. Esta técnica tiene a su vez dos variantes: Salto de Frecuencia (FHSS) y Secuencia Directa (DSSS). En este trabajo solo se explicará la variante de Secuencia Directa ya que Salto de Frecuencia no es utilizado en los estándares que se abordaran en el mismo. 1.1.2 Espectro Extendido por Secuencia Directa (DSSS) La técnica de secuencia directa es usada para la transmisión de una señal sobre una banda amplia de frecuencias. El concepto básico es la dispersión de la energía de radiofrecuencia sobre una banda ancha de manera controlada. Los receptores usarán la correlación para recuperar la señal (ver figura 1.1).. Figura 1.1: Base de la técnica DSSS [13]. La correlación brinda a las transmisiones de frecuencia protección contra la interferencia. El ruido tiende a tomar forma de pulsos relativamente estrechos, lo cual no produce efectos coherentes con la banda de frecuencia. Por lo tanto, la función de correlación dispersa el ruido a través de las bandas, y la señal se recupera limpiamente (ver figura 1.2).. Figura 1.2: Dispersión del ruido durante el proceso de correlación [13]. Para el uso de esta tecnología se necesita un procesador de señal digital para correlacionar la señal de entrada. Esta técnica, consiste en la generación de un patrón de bits redundante. 5.

(17) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. llamado señal de chips para cada uno de los bits que componen la señal de información y la posterior modulación de la señal resultante mediante una portadora de RF. En el receptor es necesario realizar el proceso inverso para obtener la señal de información original, solo los receptores a los que el emisor haya enviado previamente la secuencia podrán recomponer la señal original. Además, al sustituir cada bit de datos a transmitir, por una secuencia de 11 bits equivalente, aunque parte de la señal de transmisión se vea afectada por interferencias, el receptor aún puede reconstruir fácilmente la información a partir de la señal recibida. Esta secuencia proporciona 10.4 dB de aumento del proceso, el cual reúne los requisitos mínimos para las reglas fijadas por la FCC. La secuencia de bits utilizada para modular cada uno de los bits de información es la llamada secuencia de Barker (también conocida como código de dispersión). Es una secuencia rápida diseñada para que aparezca aproximadamente la misma cantidad de unos que de ceros. Un ejemplo de esta secuencia es el siguiente: +1 –1 +1 +1 –1 +1 +1 +1 –1 –1 –1 –1 Para prevenir la interferencia entre canales adyacentes, el primer producto de intermodulación debe ser filtrado a 30 dB por debajo de la potencia del centro de la frecuencia, y los demás productos de intermodulación a 50 dB, (ver figura 1.3). Esto solamente permite tres canales no interferentes espaciados 25 MHz en la banda de 2.4 GHz [13].. Figura 1.3: Forma de onda del canal de transmisión [13]. 1.2. Otras tecnologías de radio de redes WLAN. Las WLAN no sólo utilizan las técnicas de espectro extendido, sino también emplean: OFDM, CCK, CCK/OFDM, la Codificación Convolucional de Paquetes Binarios (PBCC,. 6.

(18) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. Packet Binary Code Convolutional) y Múltiple Entrada Múltiple Salida (MIMO, Multiple Input Multiple Output); las dos primeras son de carácter obligatorio, mientras que las dos restantes son opcionales. Antes de caracterizar cada una de ellas es necesario explicar en qué. consisten. los. campos. que. conforman. estas. técnicas:. Preamble/Header. (Preámbulo/Cabecera) y Payload (Carga) (Ver Figura 1.4).. Figura 1.4: Partes principales del paquete de datos. El Preámbulo/Cabecera sirve para alertar a todos las estaciones que comparten un canal determinado, que la transmisión de los datos empieza. Es una secuencia de unos y ceros que permite un tiempo para que los radios estén listos para recibir datos. Cuando el preámbulo está completo el receptor debe estar listo para recibir datos. La cabecera inmediatamente sigue al preámbulo y lleva varios segmentos importantes de información. Entre estos está la longitud de la carga. La carga, puede variar significativamente en longitud, dependiendo de la razón de datos y el número de bytes que están siendo transmitidos. La carga puede ser muy corta (un poco menos de 64 bytes) o muy larga (hasta 1500 bytes). En la mayoría de los casos, el Preámbulo/Cabecera y la carga son enviados empleando el mismo formato (por ejemplo CCK). Sin embargo hay excepciones de esta regla en los elementos opcionales del estándar IEEE 802.11g [32]. 1.2.1 Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM) El sistema de multiplexación por división de frecuencias ortogonales está muy relacionado con la técnica de Multiplexación por División en la Frecuencia (FDM), puesto que ambos distribuyen la información en varios subcanales dentro de un canal de mayor ancho de banda [10]. OFDM es una técnica de modulación que utiliza múltiples portadoras ortogonales, cada una modulada en amplitud y fase para la transmisión de datos [2], esta tecnología fue presentada hace más de 30 años pero no es hasta finales de la década de 1980 que los 7.

(19) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. avances tecnológicos en áreas como el procesamiento de señales y los circuitos integrados a gran escala hicieron factible su implementación [22]. Con la aparición de las redes de acceso de banda ancha inalámbricas, OFDM se convirtió en una tecnología prometedora pues permite lograr altas razones de datos e incrementa la robustez de las comunicaciones inalámbricas frente al desvanecimiento causado por el multitrayecto [22]. La tecnología OFDM hace uso de dos herramientas esenciales, la primera es la técnica de modulación de múltiples portadoras y la segunda, el principio de ortogonalidad [23]. La técnica de modulación de múltiples portadoras divide un flujo de alta tasa de transferencia de datos en varios flujos paralelos de tasas de transferencia menores para después modular cada uno en una subportadora. Un sistema de datos paralelos clásico divide la banda de frecuencia de la señal en N subportadoras no solapadas, donde cada subportadora es modulada y multiplexada en frecuencia. El uso de subportadoras no solapadas logra evitar la interferencia entre estas pero conlleva a un uso ineficiente del espectro [14]. Para eliminar esta ineficiencia OFDM propuso el uso del criterio de ortogonalidad entre las subportadoras. Haciendo uso de ese criterio se implementó un sistema de datos paralelos multiplexados en frecuencia utilizando subportadoras solapadas, donde la ortogonalidad evitaría que las subportadoras se interfirieran entre ellas [23]. La Figura 1.5 muestra la diferencia entre la técnica de múltiples portadoras sin solapamiento y la técnica de múltiples portadoras utilizando solapamiento. Como se puede apreciar con esta última se puede salvar cerca del 50% del ancho de banda.. 8.

(20) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. Figura 1.5: Técnicas de múltiples portadoras. a) Técnica de múltiples portadoras convencional. b) Técnica de modulación ortogonal con múltiples portadoras. Como ventaja, simplifica el problema de propagación multitrayecto. En OFDM la longitud del preámbulo, es la más corta comparada con otras tecnologías; un preámbulo corto es deseable porque resulta menos overhead en la red. Esta tecnología es utilizada por diferentes sistemas entre los que se destacan: la Televisión Digital Terrestre (DVB-T, Digital Video Broadcasting-Terrestrial), la Radio Digital (DAB, Digital Audio Broadcasting), el protocolo de enlace Línea de Subscriptor Digital Asimétrico (ADSL, Asymetric Digital Subscriber Line), el sistema de transmisión inalámbrica de datos WiMAX, Hiperlan 2 y en específico por las WLAN. En este último caso, la utilizan específicamente los estándares IEEE 802.11a, IEEE 802.11g e IEEE 802.11n aunque puede coexistir e interoperar con dispositivos 802.11b. En el caso del estándar IEEE 802.11a, las señales de datos son divididas en 52 subportadoras, separadas para proveer velocidades de transmisión de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, ó 54 Mbps. Para cada una de las subportadoras se utilizan técnicas de modulación como: BPSK, QPSK y QAM, en dependencia de la tasa de transmisión de los datos seleccionados como se puede apreciar en la tabla 1.1.. 9.

(21) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. Tabla 1.1: Modulación y Codificación para razones de datos OFDM. Razones de datos (Mbps). Modulación. Razón de Código. Códigos de. Códigos de Bit Datos de Bit. Bit por. por símbolo. por Símbolo. Subportadora. OFDM. OFDM. 6. BPSK. 1/2. 1. 48. 24. 9. BPSK. 3/4. 1. 48. 36. 12. QPSK. 1/2. 2. 96. 48. 18. QPSK. 3/4. 2. 96. 72. 24. 16 QAM. 1/2. 4. 192. 96. 36. 16 QAM. 3/4. 4. 192. 144. 48. 64 QAM. 1/2. 6. 288. 192. 54. 64 QAM. 3/4. 6. 288. 216. Fuente: CommsDesign En el caso de la norma IEEE 802.11g, la técnica OFDM cambia a la frecuencia a 2.4 GHz. La exactitud en la frecuencia es de ±25 ppm. El máximo nivel para la señal de entrada es de -20 dBm. El slot time es de 20 µs de acuerdo a 802.11b, opcional 9 µs. El Tiempo Entre Tramas (SIFS, Short Inter Frame Space), es de 10 µs de acuerdo a IEEE 802.11b. 1.2.2 Conmutación de Códigos Complementarios (CCK) Es un sistema de una sola portadora, donde todos los datos son transmitidos por la modulación de una sola frecuencia de radio o portadora. Constituye una variante a la modulación por conmutación de M alternativas ortogonales (M-ary orthogonal keying) y se basa en una constelación de portadoras fase y cuadratura, utilizando símbolos complejos. Es un método de codificación o la forma básica de modulación de la técnica DSSS usado en el estándar 802.11b para velocidades de 5.5 y 11 Mbps. CCK, consiste en 64 símbolos de 8 chips de codificación modulados con DQPSK, comparado con la codificación de Barker que usa solo uno. Los bits de datos son codificados de forma diferente para las velocidades de 5.5 Mbps y 11 Mbps. Para la primera, 4 bits de datos son enlazados con una palabra de código, mientras que para la. 10.

(22) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. segunda son de 8 bits de datos. Cuando se utiliza CCK, el Preámbulo/Cabecera y la carga son transmitidos empleando CCK [26]. 1.2.3 Conmutación de Códigos Complementarios/Mutliplexación por División de Frecuencias Ortogonales (CCK/OFDM) Constituye un método híbrido de codificación de espectro extendido. Está diseñado para facilitar el uso de las formas de onda de OFDM soportando compatibilidad con CCK. Además transmite el Preámbulo/Cabecera en una sola frecuencia de radio mediante CCK y la carga en múltiples frecuencias por medio de OFDM. Este híbrido representa una opción en el estándar IEEE 802.11g que está diseñado para evitar colisiones con las redes 802.11b que utilizan el método CCK. Cuando se opera en presencia de dispositivos WiFi existentes, la cabecera CCK es transmitida para alertar a todos los dispositivos, que la transmisión está por empezar y para informar a estos dispositivos de la duración de la misma. La carga puede ser transmitida a una razón mucho mayor usando OFDM. 1.2.4 Codificación Convolucional de Paquetes Binarios (PBCC) Es una solución de simple portadora apoyada por Texas Instruments (TI). Emplea una señal de constelación más compleja 8-PSK comparada con la BPSK/QPSK utilizada por CCK. Posee una estructura de codificación convolucional en comparación con la estructura de codificación de bloque utilizada en CCK. Así, el mecanismo de decodificación, es completamente diferente. Al igual que CCK/OFDM, PBCC, se describe como un híbrido, utilizando CCK para transmitir la porción Preámbulo/Cabecera de cada paquete y PBCC para transmitir la carga. La máxima razón de datos que incluye PBCC para el estándar 802.11g, es de 33 Mbps. Se debe señalar que PBCC fue incluido como un elemento optativo del estándar original IEEE 802.11b [32]. 1.2.5 MIMO La tecnología Múltiple Entrada Múltiple Salida arriba a WiFi como una tecnología de punta, esta tiene la capacidad de aprovechar lo que hasta ahora era una desventaja en las tecnologías anteriores, el multitrayecto.. 11.

(23) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. En un sistema MIMO cada equipo transmisor tiene asociado un número de antenas N, y cada receptor otro, igual o diferente al del transmisor, denotado como M. Desde el punto de vista de la propagación, el canal de radio no es único ya que existe un canal entre cada antena transmisora y cada antena receptora, lo que obliga a representar la propagación mediante una matriz H (NxM) [15].. Antenas. Antenas. Transmisoras. Receptoras. Figura 1.6: Esquema de MIMO. Un sistema de antenas MIMO, desde el punto de vista matemático, se representa según la ecuación (1.1) donde Y representa el vector de las señales recibidas, x el vector de señales transmitidas y n el vector de ruido Gaussiano introducido por el medio [19].. (1.1) Esta es una tecnología que ofrece la posibilidad de resolver la información proveniente de señales multitrayecto, de forma coherente, mediante antenas receptoras separadas espacialmente. Generalmente la señal multitrayecto es considerada como interferencia, reduciendo la capacidad de recuperar la información en el receptor, sin embargo MIMO utiliza este fenómeno en su beneficio para mejorar la calidad y capacidad del enlace [20]. De forma más específica, esta mejora del enlace viene dada por la ganancia del arreglo de antenas, la ganancia por diversidad, la ganancia por multiplexación y cancelación de interferencia [31], como resultado de estos efectos se logra una ganancia en el enlace del orden de los 6 dB.. 12.

(24) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. En general hay dos categorías importantes en los sistemas MIMO: Sin realimentación o de lazo abierto: El transmisor no tiene la información del estado del canal y envía los datos directamente hacia el receptor sin recibir ningún tipo de información por parte de este [31]. Este tipo de sistema es capaz de manejar comunicaciones con receptores en movimiento y mantener la simplicidad en los circuitos pero es poco eficiente en el uso de los recursos del enlace [17]. Con realimentación o de lazo cerrado: El transmisor conoce de forma completa o parcial la información del estado del canal para adaptar la transmisión y mejorar el comportamiento del enlace [31]. Conocer esta información se logra mediante el envío por parte del transmisor de señales de “entrenamiento” al receptor quien la recibe y analiza. Luego la información es enviada al transmisor que selecciona la potencia y el esquema adecuado que mejor se acomode a esa ruta. Esta categoría mejora la eficiencia de los recursos del enlace, pero hace más complejo los circuitos necesarios para su implementación [17]. Los sistemas de lazo cerrado serán adecuados para escenarios de baja movilidad (canal de realimentación menos rápido) mientras que los de lazo abierto son más adecuados en escenarios de alta movilidad. 1.3. Estándares WLAN. Las redes WLAN cumplen con los estándares genéricos aplicables al mundo de las LAN cableadas (IEEE 802.3 o estándares equivalentes); pero necesitan una normativa específica adicional, que defina el uso y acceso de los recursos radioeléctricos. Varios organismos internacionales han desarrollado una amplia actividad en la estandarización de normativa de WLAN y han generado un gran número de estándares. Entre ellos se puede citar el IEEE que ha realizado una serie de estándares 802.11 y en Europa el Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeo (ETSI, European Telecomunication Standard Institute) que con sus actividades en HiperLAN-BRAN (Broadband Radio Access Networks) ha desarrollado estándares como Hiperlan tipo 1 y tipo 2, así como Hiperacces e Hiperlink. De esta manera se pueden diferenciar entre dos tipos de redes WLAN, las procedentes de IEEE y las de ETSI.. 13.

(25) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. 1.4. Estándares IEEE. Como todos los estándares IEEE 802, el IEEE 802.11 centra su funcionamiento en las dos capas inferiores del modelo de referencia de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI, Open System Interconection): el Nivel Físico (PHY, PhysicLayer) y el Nivel de Enlace de Datos (DLL, Data Link Layer), este último se subdivide en la capa de Control de Acceso al Medio (MAC, Medium Access Control) y Control del Enlace de Datos (DLC, Data Link Layer), estas capas regulan la conexión vía radio. La norma IEEE 802.11, se divide en estándares desarrollados por grupos de trabajo independientes, los cuales se identifican por medio de letras agregadas tras la última cifra. Cada vez que surge la necesidad de nuevas técnicas para solucionar un determinado problema, el IEEE crea un nuevo grupo de trabajo incluido en el 802.11 e identificado por una nueva letra. Hoy en día las especificaciones más populares corresponden a la letra a, b, g y n [17]. 1.4.1 IEEE 802.11b La primera modificación realizada al estándar original apareció en 1999 y fue designada como IEEE 802.11b. Utiliza como técnica de radio DSSS y Conmutación de Códigos Convolucionales (CCK, Complementary Code Keying). Tiene una velocidad máxima de transmisión de 11 Mbps y se ratifica CSMA/CA como método de acceso al medio [8]. Debido al espacio ocupado por la codificación del protocolo CSMA/CA, en la práctica, la velocidad máxima de transmisión de este estándar es de aproximadamente 5.9 Mbps sobre Protocolo de Control de Transporte (TCP, Transport Control Protocol) y 7.1 Mbps sobre Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP, User Datagrama Protocol). Utiliza la banda de los 2.4 GHz, operando dentro de los rangos de frecuencia de los 2.42.485 GHz, dividiendo el espectro en 14 canales solapados de 22 MHz de ancho de banda, a una distancia de 5 MHz cada uno. La canalización para este tipo de redes se realiza de acuerdo al país donde se utilice. En Estado Unidos se utilizan 11 canales dando lugar a un grupo de tres canales no solapados (ver figura 1.7), en Europa se emplean 13 canales con tres grupos de tres canales no solapados y Japón utiliza los 14 teniendo cuatro grupos de tres canales no solapados. Este tipo de canalización adquiere importancia vital a la hora de. 14.

(26) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. configurar la red ya que utilizar los grupos de canales no solapados permite evitar interferencias en celdas adyacentes [4].. Figura 1.7: Canalización DSSS en USA. Un grupo de tres canales no solapados (1, 6 y 11). Este estándar tuvo aceptación internacionalmente al transmitir en una banda (2.4 GHz) que se encuentra disponible casi universalmente y no requiere de licencia, soporta hasta 32 usuarios por punto de acceso. Tiene incluido el esquema de Selección de Velocidad Adaptable (ARS, Adaptive Rate Selection), que permite bajar la velocidad de transmisión desde 11 a 5.5, 2, 1 Mbps respectivamente si hay un aumento en la interferencia o el nivel de señal se atenúa [12]. Los primeros equipos basados en esta norma aparecieron rápidamente ya que como técnica de modulación utilizaba una extensión a la modulación DSSS del estándar original. El aumento de la velocidad, el reducido costo de implementación, así como la compatibilidad entre los productos de diferentes proveedores permitieron un crecimiento de usuarios de esta tecnología. Ofrece una mejor penetración a través de las paredes y otros obstáculos, al igual que mayor distancia de operación en la oficina, en el hogar y en otros entornos encerrados. Los productos IEEE 802.11b de diferentes productores tienen compatibilidad entre ellos, gracias a la Alianza de Compatibilidad Ethernet Inalámbrica (WECA, Wireless Ethernet Compatibility Alliance) [16]. Sus principales desventajas radican en la falta de Calidad de Servicio (QoS, Quality of Service) y en la velocidad, en la actualidad se necesita de altas velocidades que admitan los altos volúmenes de información que se procesan, además de otros problemas como la masificación de la frecuencia en la que transmite y recibe, en los 2,4 GHz funcionan. 15.

(27) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. teléfonos inalámbricos, teclados y ratones inalámbricos, hornos microondas, dispositivos Bluetooth, lo cual puede provocar interferencias. 1.4.2 IEEE 802.11a En el mismo año 1999 se publica también la revisión 802.11a del estándar original pero no es hasta el 2001 que empiezan a aparecer los primeros equipos basados en esta especificación, empezándose a utilizar en Estados Unidos y Japón, mientras que en Europa no fue admitido hasta el 2003 [17]. El estándar IEEE 802.11a, también conocido como WiFi 5, utiliza el mismo juego de protocolos de base que el estándar original y opera en la banda de 5 GHz, lo que le otorga una menor probabilidad de interferencia aunque condiciona las instalaciones a disponer de línea de vista y disminuye su alcance debido a que sus ondas se absorben fácilmente. El uso del rango de 5 GHz no permite la interoperabilidad con los dispositivos 802.11b ya que éstos operan dentro de los 2,4 GHz. Utiliza Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) como tecnología de radio. El estándar disfruta de una operatividad con 12 canales no solapados, 8 para red inalámbrica y 4 para conexiones punto a punto. Sus transmisiones son relativamente limpias por ser recientemente habilitada esta banda y no existen otras tecnologías (bluetooth, microondas, etc.) que la estén utilizando, por lo tanto hay muy poca interferencia [12]. Llega a alcanzar velocidades de hasta 54 Mbps dentro de los estándares del IEEE y hasta 72 y 108 Mbps con tecnologías de desdoblamiento de la velocidad ofrecidas por diferentes fabricantes pero su velocidad real de datos es aproximadamente 20 Mbps. Esta variante utiliza el mismo juego de protocolos de base que el estándar original, utilizando 52 subportadoras OFDM [2], de ellas 48 son usadas para la transmisión de datos y las 4 restantes son usadas como subportadoras pilotos, la separación entre subportadora es 0.3125 MHz y el ancho de banda del canal es de 20 MHz de donde 4 MHz se utilizan para la banda guarda [12]. Para cada una de las subportadoras utiliza técnicas de modulación como: BPSK, QPSK y QAM, en dependencia de la tasa de transmisión de datos seleccionada, como se puede apreciar en la tabla 1.2. 16.

(28) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. Tabla 1.2. Modulación y Codificación para razones de datos OFDM. Razón de datos (Mbps). Modulación. Razón de código. 6. BPSK. 1/2. 9. BPSK. 3/4. 12. QPSK. 1/2. 18. QPSK. 3/4. 24. 16 QAM. 1/2. 36. 16 QAM. 3/4. 48. 64 QAM. 1/2. 54. 64 QAM. 3/4. Fuente: CommsDesign Sus principales desventajas radican en la incompatibilidad con los estándares IEEE 802.11b e IEEE 802.11g, además de la no incorporación a la misma de QoS (posibilidades de asegurar Calidad de Servicio, lo que en principio impediría ofrecer transmisión de voz y contenidos multimedia online), además de la no disponibilidad de esta frecuencia en Europa dado que está reservada a la HyperLan2 y la parcial disponibilidad de la misma en Japón. Sin embargo, la utilización de esta banda también tiene otras desventajas, dado que restringe el uso de los equipos IEEE 802.11a a únicamente enlaces de puntos en línea de vista, con lo que se hace necesario la instalación de un mayor número de puntos de acceso [12]. 1.4.3 IEEE 802.11g Surgió en 2003, como la evolución del estándar 802.11b. Denominada también WiFi 2.0, utiliza la banda de frecuencia de 2.4 GHz, utilizando el rango de frecuencia de 2,4 GHz 2.485 GHz. Ofrece una velocidad teórica máxima de 54 Mbps. En la realidad puede alcanzar cerca de 24.7 Mbps de velocidad de datos. Otro aspecto importante es que permite la interoperatividad con la norma 802.11b, limitándose a utilizar 3 canales sin solapamiento de igual ancho de banda. Sin embargo, en 17.

(29) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. redes bajo el estándar g la presencia de estaciones bajo la norma b reduce la velocidad de transmisión máxima a la de esta última (11 Mbps) [3]. La variedad de esquemas de modulación para IEEE 802.11g permite velocidades de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, y 54 Mbps usando OFDM, para 5.5 y 11 Mbps usa Codificación de código Complementario (CCK), y para 1 y 2 Mbps usa DBPSK/DQPSK+DSSS. Desde hace algunos años algunas compañías han añadido una característica adicional o protocolo propietario a sus equipos, lo cual permite que redes diseñadas bajo 802.11g dupliquen sus velocidades de transmisión, pero al usar protocolo propietario y no una solución generalizada, ocasiona conflictos con otros equipos provocando que en muchos casos no sean compatible con redes inalámbricas actuales [17]. Actualmente se venden equipos con esta especificación, con potencias de hasta medio Watt, que permite hacer comunicaciones de hasta 50 km con antenas parabólicas apropiadas. También algunos fabricantes han desarrollado puntos de acceso que permite que los dispositivos 802.11b y 802.11a coexistan en la misma WLAN. Estos puntos de acceso brindan servicios de Gateway que permiten que estos dispositivos, que de otra manera serían incompatibles, se comuniquen. Sus principales desventajas radican en la falta de QoS, además de otros problemas como la masificación de la frecuencia en la que transmite y recibe, pues como se había visto anteriormente en los 2,4 GHz funcionan un gran número de equipos inalámbricos los cuales pueden provocar interferencias [12]. 1.4.4 IEEE 802.11n El estándar 802.11n fue ratificado por la organización IEEE el 11 de septiembre de 2009, con el fin de mejorar a sus estándares anteriores en velocidad de transmisión, ancho de banda y cobertura. El estándar 802.11n es la generación más reciente de WiFi, capaz de ofrecer el alcance y la capacidad para la mayoría de las aplicaciones actuales con un amplio ancho de banda, como reproducción de vídeos de alta definición, voz y música [27]. A diferencia de las otras versiones de WiFi, 802.11n puede trabajar en dos bandas de frecuencias: 2,4 GHz (la que emplean 802.11b y 802.11g) y 5 GHz (la que usa 802.11a). 18.

(30) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. Gracias a ello, 802.11n es compatible con dispositivos basados en todas las ediciones anteriores de WiFi, además, es muy útil que trabaje en la banda de 5 GHz, ya que está menos congestionada y permite alcanzar un mayor rendimiento. La norma 802.11n aprovecha muchas de las enmiendas previas pero la gran diferencia es la introducción de la tecnología MIMO que permite utilizar varios canales a la vez para enviar y recibir datos gracias a la incorporación de varias antenas tanto en el trasmisor como en el receptor. Otra mejora considerable es la posibilidad de utilizar canales de 40 MHz, el doble de las especificaciones precedentes. Este crecimiento en ancho de banda permite el doble de la capacidad alcanzada para canales típicos de 20 MHz [30]. Continúa usando OFDM y un símbolo de 4 microsegundos, similar a IEEE 802.11a y IEEE 802.11g. Sin embargo, aumenta el número de subportadoras de 48 a 52 en cada canal de 20 MHz y eliminó la redundancia presente en otras especificaciones utilizando una razón de código de 5/6, además al trabajar con una tasa de código más alta y escasamente más ancho de banda, mejora la máxima velocidad alcanzable de datos a 65 Mbps de 54 Mbps en los estándares existentes; también se introdujo una opción para reducir el intervalo de guarda a 400 ns de los 800 ns utilizados en especificaciones previas, incrementando la velocidad hasta 72 Mbps [30]. Otra de las mejoras introducidas en este estándar es la agregación de tramas, que consiste básicamente en poner dos o más tramas juntas en una sola transmisión (ver figura 1.8); para la cual existen dos técnicas A-MSDU y A-MPDU lo que consiste básicamente en eliminar los espacios entre tramas y ubicar una trama a continuación de otra, ofreciendo de esta manera un mejor rendimiento.. 19.

(31) CAPÍTULO 1. Conceptos generales de redes inalámbricas. Figura 1.8: Utilización de agregación de trama. Ambos métodos de agregación reducen la sobrecarga a un solo preámbulo de radio para cada trama de transmisión. Debido a que múltiples tramas son enviadas ahora en una sola transmisión, el número de potenciales colisiones y el tiempo de pérdida de backoff se reducen significativamente. El tamaño máximo de la trama también se incrementa en 802.11n, para dar cabida a estas tramas agregadas. El tamaño máximo de la trama se incrementa de 4 KB a 64 KB. Una limitación de la agregación de trama es que todas las tramas que son agrupadas en una transmisión deberían ser enviadas al mismo destino; esto es, todas las tramas en el agregado de trama deberían ser direccionadas al mismo cliente móvil o access point [27]. Así, con todos los puntos vistos anteriormente el estándar puede alcanzar una capacidad teórica en el canal de 600 Mbps.. 20.

(32) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. CAPÍTULO 2.. Fundamentos de Radio propagación para las redes Wireless LANs. El estándar IEEE 802.11 utiliza el medio inalámbrico para el envío y recepción de tramas de datos. Las señales de radiofrecuencia por las que viaja la información de las redes inalámbricas cumplen con las características fundamentales de las ondas de radio y por lo tanto están sujetas a disímiles fenómenos durante su recorrido a través del espacio libre, a diferencia de las comunicaciones cableadas donde las ondas viajan a través de un cable como pueden ser el par trenzado, el cable coaxial o la fibra óptica, entre otros. Los cables confinan las señales dentro de sí, a diferencia de las ondas emanadas de una tarjeta inalámbrica, que sufren efectos físicos como reflexión, refracción, absorción y otros fenómenos que serán tratados. 2.1. Características de propagación de las ondas de radio. La propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio libre es extremadamente compleja. Su trayectoria depende mucho de la frecuencia de operación. En la figura 2.1 se pueden observar las diferentes trayectorias.. Figura 2.1: Diferentes trayectorias de propagación de las ondas de radio. En el caso de las ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio, la velocidad V es la velocidad de propagación de la luz C = 300.000 km/s = 3*108 m/s quedando 21.

(33) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. c = f × λ, ahora la longitud de onda para una frecuencia de 2,4 GHz será: (2.1) Las ondas de frecuencias para aplicaciones de redes inalámbricas (entre las que se incluyen la banda de ISM, utilizada en los estándares IEEE 802.11b, a, g y n) se propagan como ondas directas, y consecuentemente solo pueden ser recibidas dentro del horizonte geométrico [23]. El medio de transmisión influye en la propagación de las ondas radioeléctricas fundamentalmente mediante tres fenómenos físicos: reflexión, difracción y dispersión. Reflexión: La reflexión ocurre cuando la onda electromagnética incide sobre un objeto de grandes dimensiones comparadas con la longitud de onda, produciéndose un rayo reflejado cuyo ángulo respecto a la dirección normal del plano de reflexión es igual al del rayo incidente. En dependencia de la permeabilidad del objeto y el ángulo de incidencia sobre el que incide y del que proviene la onda, una parte de la energía se reflejará y otra se transmitirá. Las ondas reflejadas pueden o no tener un efecto negativo en el receptor. Difracción La difracción ocurre cuando el camino entre transmisor y receptor se halla parcialmente obstruido por una superficie que presenta bordes o irregularidades. Es el comportamiento de las ondas cuando al incidir en un objeto dan la impresión de doblarse. Debido a este mecanismo las ondas de radio pueden ser captadas detrás de un obstáculo. Dispersión La dispersión ocurre cuando el frente de onda de una señal, encuentra en su trayectoria obstáculos de pequeñas dimensiones, comparados con la longitud de onda de la señal viajera. Como resultado, el frente de onda se rompe o dispersa en múltiples direcciones. Las ondas dispersas son producidas por superficies desiguales, pequeños objetos y otras irregularidades presentes en el canal.. 22.

(34) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. 2.2. Factores que afectan la propagación. Las ondas de radiofrecuencia que han sido moduladas para contener información son conocidas como señales de radiofrecuencia. Estas señales tienden a debilitarse durante su recorrido por el medio inalámbrico debido al efecto de múltiples factores que debilitan en mayor o menor grado el nivel de la señal. 2.2.1. Pérdidas en el espacio libre. En un sistema de radiocomunicaciones siempre interviene en alguna medida el medio de propagación. El caso ideal de propagación en espacio libre se toma como marco de referencia, además se utiliza para determinar la pérdida de propagación mínima que se espera en un enlace. La reducción de la fuerza de la señal sigue un comportamiento logarítmico. Por ejemplo, una señal de 2.4 GHz usada en los dispositivos IEEE 802.11, se atenuará aproximadamente 80 dB en los primeros 100 metros y 6 dB en los próximos 100 metros. (2.2) Donde: d: distancia [m]. λ: longitud de onda [m] Expresándolas en términos de dB: (2.3) Donde: d: distancia [Km] f: frecuencia [MHz] La atenuación depende de la frecuencia de trabajo y de la distancia, pero en el caso de las redes inalámbricas donde la frecuencia varía poco entre un canal y otro, su aliada principal es la distancia. A mayores distancias aumenta la atenuación y disminuye el rango de la señal, así se evidencia en los resultados de la tabla 2.1.. 23.

(35) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. Tabla 2.1: FSL en dB para distintas distancias. Distancia (Km). 2,4 GHz (dB). 0,5. 93,98. 1. 100,00. 1,5. 103,53. 2. 106,02. 2,5. 107,96. 3. 109,50. 5. 113,98. 10. 120,00. La razón de la atenuación de la onda durante su trayecto por el espacio libre se debe a que la onda se propaga esféricamente, y por lo tanto, la energía se distribuye en un área en continua expansión, disminuyendo así su densidad en cada punto [13]. 2.2.2 Atenuación El proceso de reducción de la amplitud de la señal de radiofrecuencia se conoce como atenuación. Esta se ve muy marcada por las condiciones climáticas, que producen cambios en la atmósfera que afectan las condiciones de propagación de las ondas. El grado de atenuación de la señal depende de su frecuencia, para valores elevados el efecto de atenuación es más pronunciado. Por ejemplo, para frecuencias superiores a los 12 GHz la atenuación es considerable cuando hay condiciones ambientales de niebla o lluvia debido a la dispersión y absorción de las ondas electromagnéticas por las gotas de agua [10]. 2.2.3 Multitrayecto Cuando la señal transmitida rebota ya sea por reflexión, refracción, difracción o dispersión se crea un efecto conocido como multitrayecto. Este crea múltiples señales que arriban al receptor a través de diferentes caminos, y por consiguiente en tiempos diferentes, este 24.

(36) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. fenómeno juega un papel muy importante en las redes inalámbricas por los retardos e interferencia que provocan en las comunicaciones inalámbricas. En sistemas donde una estación base brinda servicio a múltiples clientes, como la WLAN y los sistemas de comunicaciones móviles, los usuarios están ubicados en campos con objetos tridimensionales. En tal caso, todos estos objetos se vuelven obstrucciones de la zona de Fresnel y posibles obstáculos de la línea de visión directa. Esto conlleva a un ambiente donde el multitrayecto puede ser producido por un gran número de fuentes (ver figura 2.2), por lo que muchos vendedores de access point incluyen múltiples antenas para lidiar con este problema. El efecto de multitrayecto también existe en exteriores donde la señal puede reflejarse sobre edificios, vehículos, carreteras, árboles, etc.. Figura 2.2: Multitrayecto. Dependiendo de la fase de cada una de las señales que lleguen al receptor, el efecto total puede resultar en interferencia constructiva (la misma fase), destructiva (180° de desfasaje) o en una señal distorsionada por el efecto total de señales con distintas fases (ver figura 2.3). Los diferentes tiempos de demora de las componentes de ondas provocan el ensanchamiento de la respuesta al impulso del canal. Esta dispersión puede causar interferencia entre los símbolos transmitidos, lo cual degrada la calidad de la señal y aumenta la probabilidad de errores en el receptor [8].. 25.

(37) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. Figura 2.3; Efectos del multitrayecto [25]. Para reducir la distorsión conocida como pérdidas por multitrayecto debido a reflexiones se utilizan los sistemas de diversidad [11]. Algunas señales ayudarán a la trayectoria directa (interferencia constructiva), mientras que otras señales restarán del recorrido directo de la señal (interferencia destructiva). Existen dos clases de multitrayectoria: la multitrayectoria especular y la multitrayectoria difusa. Ambas formas de multitrayectoria son malas para las comunicaciones por radio. La multitrayectoria difusa proporciona un tipo de nivel de ruido de fondo de interferencia, mientras que el multitrayectoria especular puede causar interrupciones en la señal o puntos muertos de radio dentro de un edificio (hasta de 40 dB en algunos casos). Este problema es especialmente difícil en callejones subterráneos, túneles y habitaciones pequeñas. El funcionamiento apropiado del acoplamiento de la comunicación por radio requiere que el multitrayectoria sea reducida al mínimo o eliminada. 2.2.4 Ruido El ruido es el fenómeno que se produce por una mezcla aleatoria de ondas electromagnéticas, producidas por una o varias fuentes, que ocasionan perturbaciones en la señal deseada. En teoría de la información, el término ruido designa una señal que no contiene información. Debido a esto el ruido constituye un problema grave en todos los sistemas de comunicaciones por ondas de radio. Hay diferentes tipos de ruido:. 26.

(38) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. Ruido Natural: Las fuentes de ruido se deben a la radiación producida por elementos naturales (tierra, cielo) considerados como cuerpos negros y los efectos del medio (lluvias, gases atmosféricos sobre esta radiación, descargas eléctricas). Las tormentas que generan energía electromagnética producen descargas eléctricas dando origen así al ruido atmosférico. El ruido atmosférico suele ser de carácter impulsivo, con fluctuaciones de gran intensidad y rapidez. Ruido Industrial: Es considerado un ruido de carácter artificial y como bien sugiere su nombre, es el ruido proveniente de los diversos aparatos con motores eléctricos (vehículos, aviones, maquinarias industriales en zonas aledañas, etc.). A menudo se caracteriza por tener polarización vertical, lo que trae como consecuencia que las antenas con polarizaciones horizontales son menos sensibles a esta clase de ruido que las polarizadas verticalmente. Ruido Térmico: Este tipo de ruido es producido por el movimiento de las cargas libres en los conductores debido a su agitación térmica, se presenta en amplificadores, atenuadores y en cuadripolos, además, de que puede ser captado por la antena [16].. 2.3 Modelos de propagación Un modelo de propagación es un conjunto de expresiones matemáticas, diagramas y algoritmos usados para representar las características de radio de un ambiente dado. En el mundo físico, los niveles de señales recibidas varían en tiempo debido al cambio de las condiciones atmosféricas y varían en espacio debido a las condiciones del terreno. Es esta variabilidad, la que los modelos tratan de describir dando al ingeniero la magnitud de desviación esperada a partir del nivel de potencia de la señal original. Los modelos de predicción se pueden clasificar en: empíricos (también llamados estadísticos), teóricos (también llamados determinísticos) o una combinación de estos dos (semi-empíricos). Mientras que los modelos empíricos se basan en mediciones, los modelos teóricos se basan en los principios fundamentales de los fenómenos de propagación de ondas de radio. En los modelos empíricos, todas las influencias ambientales se tienen en cuenta implícitamente, sin importar que ellas puedan identificarse por separado. Esta es la 27.

(39) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. principal ventaja de estos modelos. Por otro lado, la precisión de estos modelos no sólo depende de la exactitud de las mediciones, sino también de las similitudes entre el ambiente para ser analizado y el ambiente dónde las mediciones se llevan a cabo. La eficiencia computacional de estos modelos es generalmente satisfactoria. Los modelos determinísticos están basados en los principios de la física y, debido a eso, pueden aplicarse a ambientes diferentes sin afectar la exactitud. En la práctica, su implementación requiere normalmente una base de datos grande de características ambientales que a veces son imprácticas o imposibles de obtener. Los algoritmos usados por los modelos determinísticos normalmente son muy complejos y carecen de eficiencia computacional. Por tal razón, la aplicación de los modelos determinísticos, normalmente se restringe a áreas más pequeñas o interiores. No obstante, si los modelos determinísticos son implementados correctamente, puede esperarse mayor exactitud de la predicción que en el caso de los modelos empíricos. Existen diversos métodos que se utilizan para calcular el nivel medio de la intensidad del campo en un determinado punto de interés; en general todos ellos se basan en el cálculo de pérdidas en la propagación de las ondas electromagnéticas. Dentro de estos modelos se puede hacer la siguiente clasificación: Los que dan los resultados de forma gráfica, mediante curvas o ábacos referidos a un caso concreto, posteriormente se aplican diversas correcciones al modelo general en virtud de las características especiales de cada caso particular. Ejemplo de ellos son los métodos de Okumura, Bullington, Epstein-Peterson. Los que dan una fórmula empírica donde aparecen los diversos factores que influyen en la propagación. Por ejemplo: Hata, Egli, Ibraim-Parsons y Longley-Rice. Los que emplean ordenadores y por lo tanto poseen una gran potencia de cálculo matemático así como la posibilidad de utilizar las bases de datos. Por ejemplo: JRC, BBC, Ericsson, GRAND. Respecto al ambiente de radio propagación, los modelos de predicción pueden clasificarse en dos categorías principales: modelos de propagación en interiores (indoor) y modelos de propagación en exteriores (outdoor).. 28.

(40) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. Entre los modelos de propagación que se utilizan a la frecuencia de 2.4 GHz se pueden citar: Modelo en línea de vista. Modelo de espacio libre Modelo de los 2 rayos o de plano de tierra Modelo Okumura Modelo Hata Modelo Hata - Extendido Otros Modelos de Propagación que son utilizados por algunos programas para estos fines en la actualidad mundialmente son: Modelo NBS 101 Modelo 3D-Completo Modelo ITU-R P.370 Modelo Longley-Rice o Terreno irregular Modelos “2-Ray” Ground Reflection Modelo 3D-Rápido Urbano Modelo Wojnar Modelo Viena 93 Modelo MOD_370_7 2.3.1 Modelo de propagación en línea de vista En las frecuencias en la banda VHF y superiores, el modo dominante de propagación es la línea de vista, como se ilustra en la figura 2.4. En general, el área de cobertura de este tipo de propagación está limitada por la curvatura de la tierra.. 29.

(41) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. Figura 2.4: Propagación en línea de vista. Los sistemas WLAN punto a punto (PTP) con antenas altamente direccionales permiten la conectividad sobre miles de metros y hasta decenas de kilómetros. Por ello es importante incluir en el diseño de una red PTP consideraciones sobre la curvatura de la tierra como una de las posibles obstrucciones. Aunque es importante considerar la curvatura de la tierra para mantener la línea de vista entre los dos puntos remotos, se deben tener en cuenta otras consideraciones que podrían constituir una obstrucción en la recepción, como por ejemplo: árboles, otros edificios, montañas y lomas. Cuando se calcula la elevación mínima para la colocación de la antena con el objetivo de asegurar la línea de vista, se debe tener en cuenta otra consideración de suma importancia. La propagación de las ondas de radio entre los dos puntos no se propaga en línea recta, sino que debido a consideraciones de dispersión, la propagación se realiza en un área elíptica por encima y debajo de la línea recta del pasaje visual entre los dos puntos a interconectar. Esta zona elíptica conocida como la Zona Fresnel. Como consecuencia, las obstrucciones en el paso de la Zona Fresnel deterioran la calidad de la transmisión (caracterizada por la velocidad de transmisión), como también la reducción de la distancia operacional entre los dos puntos. El estándar de la industria es el de mantener alrededor del 60% de la Zona Fresnel libre de cualquier obstáculo. La zona Fresnel se puede calcular y debe ser tomada en cuenta cuando se diseña un enlace inalámbrico. Se refiere a la altura por encima de cualquier obstáculo ubicado en el medio del pasaje RF. De no haber obstáculo, es la distancia que hay que tener en cuenta por encima de la superficie terrena plana. Teniendo en cuenta que la condición de tierra plana en que: (2.4). 30.

(42) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. El radio de la Zona de Fresnel en cualquier punto del enlace estará determinado en metros por: (2.5). Figura 2.5: Zona de Fresnel. Donde d1 y d2 son las distancias en metros del obstáculo (o punto de observación) a los dos extremos de la transmisión como se ve en la figura 2.5. Si la distancia entre los puntos excede el valor d, la superficie terrena se considera esférica y se tendría que añadir al radio de la primera zona de Fresnel, la altura necesaria para compensar lo que crece el obstáculo por la curvatura de la tierra que se aproxima a la expresión en metros. (2.6) Donde: Considerando una atmósfera estándar.. x: posición del obstáculo en Km. d: distancia entre el transmisor y el receptor (Km). 2.3.2 Modelo de espacio libre El modelo de espacio libre es el más simple de todos, asume que el canal de RF está libre de cualquier obstáculo que puede afectar a la propagación como absorción, difracción, reflexión o dispersión.. 31.

(43) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. Figura 2.6: Modelo espacio libre. Cuando se trata de un enlace punto a punto, se calcula la atenuación en el espacio libre entre antenas isótropas, denominada también pérdida básica de transmisión en el espacio libre de la manera siguiente: (2.7) Donde: d: distancia [m]. λ: longitud de onda [m]. Puede también escribirse en función de la frecuencia en vez de la longitud de onda: (2.8) Donde: f : frecuencia [MHz]. d: distancia [km]. 2.3.3 Modelo de propagación de los 2 rayos o de plano de tierra El campo electromagnético puede ser modelado por 3 diferentes componentes, el rayo directo, el reflejado y la onda de superficie como se puede observar en la figura 2.7. La onda superficial puede ser despreciada para las frecuencias utilizadas en las comunicaciones móviles. Surge de esta manera el modelo de 2 rayos o de plano de tierra.. 32.

(44) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. Figura 2.7: Modelo de dos rayos. Dada las distancias comprendidas entre transmisor y receptor se puede considerar a la tierra como plana. Asumiendo reflexión perfecta y si hb*hm << λ*d/18, se deduce: (2.9) Reemplazando Lb por la Ecuación 2.7: (2.10) Donde: hb: altura antena estación base (transmisor) [m]. hm: altura antena estación móvil (receptor) [m]. d : distancia entre antena transmisora y receptora [m].. El modelo es apropiado para estimaciones de atenuación cuando no hay obstrucciones entre transmisor y receptor y la distancia no es demasiado grande pues si la misma se incrementa es necesario considerar la curvatura de la tierra. En la Ecuación 2.10 se puede ver que la pérdida de trayectoria se incrementa con potencia 4 en función de la distancia (lo cual se ajusta mejor a la realidad que la potencia 2 de espacio libre). Por otra parte no hay una dependencia explícita con la frecuencia en este modelo. 2.3.4 Okumura, Hata y sus modelos relacionados Los modelos anteriormente presentados son de baja importancia en las comunicaciones móviles dado que éstas se desarrollan en su mayor parte en ambientes urbanos. Los. 33.

(45) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. primeros estudios en esta dirección surgieron en Japón hacia finales de los 60, teniendo como principal precursor a Okumura. 2.3.5 Método de Okumura El modelo de Okumura es el más difundido. Es completamente empírico basado en una gran cantidad de mediciones realizadas en el área de Tokio. Los resultados son analizados estadísticamente y son mostrados en una serie de curvas que muestran el nivel de señal en función de la distancia para diferentes alturas de antenas y frecuencias. Dado que todas las mediciones fueron realizadas en terreno casi plano y área urbana, Okumura introdujo factores de corrección para ajustar la predicción en áreas abiertas y diferentes tipos de terreno: montaña, mar, sierra, etc. Este modelo es válido para frecuencias entre 150-1920 MHz, pero puede ser extrapolado sobre los 3000 MHz; distancias de 1-100 km y altura de antenas de estación base entre 30 y 1000 m. En las figuras 2.8 se pueden ver algunas de las curvas de registradas por Okumura luego de sus mediciones.. Figura 2.8: Curva Okumura. El modelo puede ser expresado como: (2.11). 34.

(46) CAPÍTULO 2. Fundamentos de Radiopropagación para las redes Wireless LAN. Donde: Lb: atenuación de espacio libre [dB]. A: atenuación relativa, obtenida de las curvas. hb: altura antena transmisora [m]. hm: altura antena receptora [m]. G: ganancia de acuerdo al tipo de morfología. Y donde: (2.12). (2.13). El modelo se ajusta bien en regiones urbanas pero no así en áreas abiertas, además, tiene la gran desventaja de depender de la interpretación de curvas para obtener el resultado. 2.3.6 Modelo Okumura-Hata Hata, continuando las investigaciones de Okumura, intentó en 1980 obtener las fórmulas empíricas a partir de los conjuntos de curvas presentados. Restricciones: Frecuencia, f (150-1500 MHz). Distancia, d (1-20 km). Altura antena estación base, hb (30-200 m). Altura antena estación móvil, hm (1-10 m). Terreno casi plano (∆h < 20 m). Ecuación: (2.14). 35.