INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA

MECNICA Y ELCTRICA UNIDAD CULHUACAN

PROPUESTA DE ANLISIS Y DISEO DE LA RED INALMBRICA EN LA

DCYC DEL INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

Seminario de Titulacin para obtener el ttulo de: Licenciado en Ingeniera en Informtica

TESINA QUE PRESENTAN C. Mariana Arguello Fajardo C. Jaime Mata Cecilio C. Israel Navarrete Vaquero

DIRECTOR DE SEMINARIO M. en C. Raymundo Santana Alquicira

ASESORES M. en C. Raymundo Santana Alquicira Ing. Eduardo Martinez Corona

Mxico D.F., Junio de 2009

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD CULHUACAN

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE INGENIERO EN INFORMTICA POR LA OPCIN DE TITULACIN SEMINARIO DE INTERCONECTIVIDAD Y SEGMENTACIN EN REDES DE ALTA VELOCIDAD DEBER DESARROLLAR: ARGUELLO FAJARDO MARIANA MATA CECILIO JAIME NAVARRETE VAQUERO ISRAEL

PROPUESTA DE ANLISIS Y DISEO DE LA RED INALMBRICA EN LA

DCYC DEL INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

I. FUNDAMENTOS DE REDES II. FUNDAMENTOS DE REDES INALMBRICAS III. WIRELESS LAN IV. PROPUESTA DE ANLISIS Y DISEO DE LA RED INALMBRICA PARA

LA DIRECCIN DE CMPUTO Y COMUNICACIONES VIGENCIA: DES/ESIME-CUL/5052005/16/08

Mxico, D.F. a Junio de 2009.

M. en C. Raymundo Santana Alquicira Director del Seminario

Ing. Eduardo Martnez Corona Asesor

M. en C. Luis Carlos Castro Madrid Jefe de Carrera de Ingeniera en

Computacin

ndice Objetivo 1 Problema 1 Justificacin 1 Alcance 1 Captulo I Fundamentos de Redes 2 1.1 Introduccin a las redes 2 1.2 Concepto de red 2 1.2.1 Caractersticas generales de una red 2 1.2.2 Ventajas y desventajas de una red LAN 3 1.3 Clasificacin de las redes 4 1.3.1 Por su alcance 4 1.3.1.1 Redes de rea Local (LAN) 4 1.3.1.2 Redes de rea extendida (WAN) 4 1.3.1.3 Redes de rea metropolitana (MAN) 4 1.3.2 Por el tipo de enlace 5 1.3.2.1 Punto a punto 5 1.3.2.2 Multipunto o difusin 5 1.4 Topologas de red 5 1.4.1 Topologa en bus 5 1.4.2 Topologa en anillo 6 1.4.3 Topologa en estrella 6 1.4.4 Topologa en rbol 7 1.5 Transmisin de una seal a travs de una red 7 1.5.1 Transmisin en banda base 7 1.5.2 Transmisin en banda ancha 8 1.6 Modelo OSI 8 1.7 Dispositivos de una red 10 1.7.1 Tarjeta de red NIC/MAU 10 1.7.2 Repetidor 10 1.7.3 Concentrador (Hub) 10 1.7.4 Puentes 10 1.7.5 Switch (Conmutador) 11 1.7.6 Routers (Encaminadores) 11 1.8 Ethernet 11 1.8.1 Formato de la trama Ethernet 13 1.9 Protocolos 13 1.10 Direccionamiento IP 13 1.10.1 Puerta de enlace 14

1.10.2 Mscara de red 14 Captulo II Fundamentos de Redes Inalmbricas 2.1 Introduccin 16 2.1.1 Frecuencia, Periodo y Longitud de Onda 16 2.1.2 Bel 17 2.1.3 Relacin Seal Ruido (S/N) 17 2.2 Fundamentos de Radio Frecuencia 18 2.3 Clasificacin de los Sistemas Inalmbricos 19 2.3.1 Telefona Celular 20 2.3.2 Sistemas Satelitales para Voz y Datos 21 2.3.3 Sistemas de Posicionamiento Global 22 2.4 Propagacin de la Seal 23 2.5 Modelos de Propagacin 24 2.5.1 Modelo COST 231 de paredes mltiples 25 2.5.2 Modelo de propagacin en espacio libre 26 2.5.3 Modelo de prdida en la trayectoria para interiores 27 Captulo III Wireless LAN 3.1 Introduccin a las WLAN 28 3.2 Definicin de red inalmbrica 28 3.3 Organizacin IEEE 28 3.4 Estndar IEEE 802 29 3.4.1 Las capas de IEEE 802 29 3.5 Estndar 802.11 30 3.6 Bandas de Frecuencias usadas en WLANs 30 3.6.1 2.4 GHz 30 3.6.2 5 GHz 31 3.7 Clasificacin del estndar 802.11 31 3.8 La capa fsica de IEEE 802.11 34 3.9 Sistemas de modulacin inalmbrica 35 3.9.1 FHSS 35 3.9.2 DSSS 36 3.9.3 BPSK 37 3.9.4 QPSK 37 3.9.5 OFDM 37 3.9.6 MIMO 38 3.9.7 Comparacin de esquemas de modulacin inalmbrica 38 3.10 Topologas de la red inalmbrica 39 3.10.1 WPAN 39 3.10.2 WLAN 39 3.10.3 WMAN 39 3.10.4 WWAN 40 3.11 Topologas de 802.11 40

3.11.1 Topologa ad-hoc 40 3.11.2 Topologa en infraestructura (AP) 41 3.11.3 Topologa mesh 41 3.12 Dispositivos inalmbricos de red. 42 3.12.1 Puntos de acceso 42 3.12.1.1 Puntos de acceso robustos 43 3.12.1.2 Puntos de acceso bsico 43 3.12.2 Adaptadores inalmbricos de red 43 3.12.2.1 Tarjetas PCMCIA 44 3.12.2.2 Tarjetas PCI o ISA 44 3.12.2.3 Unidades USB 44 3.12.3 Wireless bridge 44 3.13 Clculo de usuarios por access point 45 3.14 El nacimiento de Wi-Fi 45 Captulo IV Propuesta de Anlisis y Diseo de la Red Inalmbrica para la Direccin de Cmputo y Comunicaciones 4.1 Anlisis de necesidades 47 4.2 Estado actual 47 4.2.1 Distribucin de planta de la DCyC 48 4.2.2 Descripcin de la estructura de los pisos y paredes del edificio 48 4.3 Modelo de propagacin terico 48 4.4 Mediciones con software (valores empricos) 49 4.4.1 Descripcin de pantalla del software utilizado 50 4.4.2 Valores obtenidos con el software 51 4.5 Obstculos o barreras de transmisin 52 4.6 Diseo de la red inalmbrica 52 4.6.1 Ubicacin de APs 52 4.7 Medicin de la capacidad para cada usuario 53 4.8 Anlisis del equipo disponible 53 4.8.1 Roam About Wireless Switch 8500 54 4.8.2 Access Point MP-422A 54 4.8.3 Switch A2H124-24P 54 4.8.4 Distribucin del equipo 55 4.9 Configuracin del equipo 55 Conclusiones 57 Anexos Anexo 1. Estado actual de la planta baja de la DCyC 58 Anexo 2. Estado actual del primer piso de la DCyC 59 Anexo 3. Planta baja de la DCyC 60 Anexo 4. Primer piso de la DCyC 61 Anexo 5. Pantalla principal del software Wirelessmoon 62 Anexo 6. Valores de ganancia obtenidos a un metro del AP1 62

Anexo 7. Valores de ganancia obtenidos a tres metros del AP1 63 Anexo 8. Valores de ganancia obtenidos a cinco metros del AP1 63 Anexo 9. Valores de ganancia obtenidos a diez metros del AP1 64 Anexo 10. Valores de ganancia obtenidos a quince metros del AP1 64 Anexo 11. Valores de ganancia obtenidos a veinte metros del AP1 65 Anexo 12. Figura de Roam About Wireless Switch 8500,Access Point

MP-422A, Switch A2H124-24P respectivamente 65 Anexo 13. Figura pantalla inicial de RASM 65 Anexo 14. Asignacin del nombre al AP y tipo de conexin 66 Anexo 15. Nmero de serie del AP 66 Anexo 16. Seleccin del modelo del AP y de los radios de salida 66 Anexo 17. Configuracin del radio 802.11g 67 Anexo 18. Configuracin del radio 802.11a 67 Anexo 19. Asignacin de nombre a la VLAN 67 Anexo 20.Diagrama de interconexin de equipos para la WLAN en la DCyC 68 ndice de Figuras 69 ndice de Tablas 70 ndice de Formulas 71 Acrnimos 72 Glosario 74 Bibliografa 76

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Objetivo Es necesario realizar un anlisis y diseo de la red inalmbrica que brinde un servicio de calidad de acceso a Internet basado en perfiles creados con permisos especficos para cada perfil, para los usuarios externos (ponentes, proveedores) y comunidad politcnica que visite la Direccin de Computo y Comunicaciones, as como a los usuarios internos que colaboran para el Instituto Politcnico Nacional.

Problema El Instituto Politcnico Nacional tiene la necesidad de un anlisis de ubicacin y administracin de la red inalmbrica de cada una de las unidades profesionales, escuelas de nivel medio superior y centros de investigacin. Es por esto que llevaremos a cabo un proyecto piloto en la Direccin de Cmputo y Comunicaciones del IPN para satisfacer dicha necesidad.

Justificacin En esta unidad se centralizan las telecomunicaciones del IPN y dados los avances tecnolgicos es necesaria la instalacin de una red inalmbrica para brincar servicio de acceso a internet a la comunidad (alumnos, docentes, personal administrativo e investigadores) y usuarios externos. En un futuro, esta red ser administrada, llevando as el control de los usuarios que se conectan a travs de la red del politcnico mediante la asignacin de permisos especiales definidos por perfiles.

Alcance El anlisis y diseo solo contempla el servicio de de la red inalmbrica dentro de la Direccin de Computo y Comunicaciones del Instituto Politcnico Nacional ubicada en la Unidad Profesional Adolfo Lpez Mateos, Zacatenco, en zonas importantes como el lobby, auditorio, planta baja y primer piso.

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Captulo I Fundamentos de Redes

1.1 Introduccin a las redes Vivimos en un momento decisivo para extender y potenciar nuestras interacciones sociales, comerciales, polticas y personales con el uso adecuado de la tecnologa; actualmente el uso estratgico de Internet ha servido como punto de inicio para nuevos productos y servicios diseados especficamente para aprovechar las capacidades de la red. La necesidad de interactuar es fundamental y con el constante cambio y evolucin de los medios se han ampliado el alcance de nuestras comunicaciones. Las primeras redes de datos estaban limitadas a intercambiar caracteres entre sistemas informticos conectados. Las redes actuales evolucionaron para agregarle voz, video, texto y grficos. La naturaleza de las comunicaciones en Internet estimula la formacin de comunidades globales, estas comunidades motivan la interaccin social que depende de la ubicacin o el huso horario. Los nuevos avances tecnolgicos permiten que estas interacciones no se vean limitadas por el uso de un cable para estar comunicados. El enfoque de esta tesina es exclusivamente a las tecnologas inalmbricas que como describiremos, abren una nueva forma de comunicacin.

1.2 Concepto de red Este concepto es aplicado a muchas ramas de la ciencia, la definicin ms relacionada para nuestro fin es la siguiente: Un sistema en el que se conectan varios equipos y dispositivos entre si para compartir recursos. La palabra clave es compartir, esta capacidad le da a las redes su potencial y atractivo. Cada dispositivo activo conectado a la red se denomina nodo. Un dispositivo activo es aquel que interviene en la comunicacin de forma autnoma, sin estar controlado por otro dispositivo

1.2.1 Caractersticas generales de una red Las caractersticas ms representativas de una red de rea local son las siguientes:

Alcance. El rea de conexin se limita a una extensin moderada, generalmente desde unos pocos metros a unos pocos kilmetros.

Velocidad de transmisin. En estas redes, la velocidad es elevada en comparacin con otros circuitos de comunicacin, variando entre 1 y 100 Mbps.

Conectividad. Adems de que todos los dispositivos conectados a una red de rea local puedan comunicarse entre s, tambin se incluye la capacidad de conexin con otras redes

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locales o de rea extensa como pueden ser la red telefnica conmutada o las redes SNA, X.25, TCP/IP, etc.

Propiedad Privada. Una red de rea local es propiedad de la organizacin o empresa en lugar de ser un elemento pblico para otros usos externos. Por lo general, la organizacin es propietaria de la red y todo el conjunto de dispositivos conectados a ella.

Fiabilidad. Estas redes presentan una baja tasa de error en las transmisiones de datos en comparacin con el resto de modalidades de comunicacin.

Comparticin de recursos. Permiten la integracin en la misma red de una gran diversidad de dispositivos. Los recursos de almacenamiento, las impresoras y los elementos de comunicacin pueden ser utilizados por todas las estaciones de trabajo.

1.2.2 Ventajas y desventajas de una red LAN Las ventajas ms significativas que proporcionan las redes de rea local son:

Recursos compartidos. Los dispositivos conectados a la red comparten datos, aplicaciones, perifricos y elementos de comunicacin.

Conectividad a nivel local. Los distintos equipos que integran la red se encuentran conectados entre s con posibilidades de comunicacin.

Proceso distribuido. Las redes de rea local permiten el trabajo distribuido, es decir, cada equipo puede trabajar independientemente o cooperativamente con el resto.

Flexibilidad. Una red local puede adaptarse al crecimiento cuantitativo referido al nmero de equipos conectados, as como adaptarse a cambios cualitativos de tipo tecnolgico.

Disponibilidad y fiabilidad. Un sistema distribuido de computadoras conectadas en red local es inherentemente ms fiable que un sistema centralizado.

Cableado estructurado. Estas redes por sus cableados y conexiones, facilitan mucho la movilidad de los puestos de trabajo de un lugar a otro

Optimizacin. Las redes de rea local permiten la mxima flexibilidad en la utilizacin de recursos, estn estos en la computadora central, el procesador departamental o la estacin de trabajo, facilitando, por tanto, la optimizacin del coeficiente prestaciones/precio del sistema.

Entre las desventajas frente a un nico sistema multiusuario se pueden citar las siguientes:

Interoperatividad. La carencia de estndares bien definidos entre los datos que producen las aplicaciones, hace que una red local no garantice que dos dispositivos conectados a ella, funcionen correctamente entre s al comunicar aplicaciones de distinta naturaleza. Por ejemplo, si dos equipos trabajan con distintos procesadores de texto y pretenden transmitirse archivos de texto, posiblemente ser necesario algn tipo de conversin.

Por la naturaleza distribuida de una red local, la gestin de la red en cuanto a control de accesos, rendimientos y fiabilidad es ms compleja.

Integridad, seguridad y privacidad de la informacin. En todo sistema distribuido pueden surgir problemas de este tipo.

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1.3 Clasificacin de las redes A los distintos tipos de redes existentes en el mercado se las ha clasificado en grupos genricos, que son: por su alcance, por su pertenencia, por la tecnologa de conmutacin, por su aplicacin, por su topologa, por el tipo de enlaces que la conforman. La interrelacin de uno o varios grupos han creado las arquitecturas de redes.

1.3.1 Por su alcance 1.3.1.1 Redes de rea local (LAN) Una red de rea local o LAN (Local Area Network) es la interconexin de varios ordenadores y perifricos. Su extensin esta limitada fsicamente a un edificio o a un entorno de hasta 200 metros.

Velocidad binaria en el orden de decenas de Mbps Pertenecen a una sola organizacin o empresa Utilizan un canal de mltiple acceso.

1.3.1.2 Redes de rea extendida (WAN) Una Red de rea Amplia (Wide Area Network), es un tipo de red de computadoras capaz de cubrir distancias desde unos 100km hasta unos 1000 km, dando el servicio a un pas o un continente. Un ejemplo de este tipo de redes sera Red IRIS, Internet o cualquier red en la cual no estn en un mismo edificio todos sus miembros.

Pueden extenderse a pases enteros Velocidades binarios inferiores a los dos Mbps Pertenecen generalmente a varias organizaciones Se basan en enlaces punto a punto.

1.3.1.3 Redes de rea metropolitana (MAN) Una red de rea metropolitana (Metropolitan Area Network o MAN) es una red de alta velocidad (banda ancha) que dando cobertura en un rea geogrfica extensa, proporciona capacidad de integracin de mltiples servicios mediante la transmisin de datos, voz y vdeo, sobre medios de transmisin tales como fibra ptica y par trenzado, la tecnologa de pares de cobre se posiciona como una excelente alternativa para la creacin de redes metropolitanas, por su baja latencia (entre 1 y 50ms), gran estabilidad y la carencia de interferencias radioelctricas.

Se extiende a toda una rea urbana Tecnologa de LAN

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1.3.2 Por el tipo de enlace 1.3.2.1 Punto a punto Son aquellas que responden a un tipo de arquitectura de red en las que cada canal de datos se usa para comunicar nicamente dos nodos, los dispositivos en red actan como socios iguales, cada dispositivo puede tomar el rol de esclavo o la funcin de maestro.

1.3.2.2 Multipunto o difusin Se denominan redes multipunto a aquellas en las cuales cada canal de datos se puede usar para comunicarse con diversos nodos. En una red multipunto solo existe una lnea de comunicacin cuyo uso esta compartido por todas las terminales en la red. La informacin fluye de forma bidireccional y es discernible para todas las terminales de la red. En este tipo de redes las terminales compiten por el uso del medio (lnea) de forma que el primero que lo encuentra disponible lo acapara, aunque tambin puede negociar su uso.

1.4 Topologas de red La topologa de una red define nicamente la distribucin del cable que interconecta los diferentes ordenadores. A la hora de instalar una red, es importante seleccionar la topologa ms adecuada a las necesidades, teniendo en cuenta factores como la distribucin de los equipos a interconectar, tipo de aplicaciones que se van a ejecutar, inversin que se quiere hacer, coste que se quiere dedicar al mantenimiento y actualizacin de la red, trfico que debe soportar la red, capacidad de expansin, entre otros. Las topologas puras son tres: topologa en bus, en estrella y en anillo. A partir de estas tres se generan otras como son: anillo - estrella, bus - estrella, etc.

1.4.1 Topologa en bus Consiste en un cable al que se conectan todos los nodos de la red. Un nodo es cualquier estacin de trabajo, terminal, impresora o cualquier otro dispositivo que pueda ser conectado a la red, ya sea de forma directa o indirecta (estando a disposicin de la red al pertenecer a un dispositivo ya conectado a ella). Cuando se utiliza cable coaxial, aparecen unos elementos en los extremos del cable denominados "terminadores", y cuyo aspecto es similar al de un tapn. Cada cual acta como una resistencia que refleja las seales del cable. Su misin es indicar a la red cules son los extremos del bus. La topologa en bus resulta fcil de instalar y mantener, pero ofrece un problema bastante importante. Esta dificultad consiste en que cuando el bus se abre (el cable se rompe, se estropea una clavija, un mal contacto...), toda la red se cae y quedar completamente inoperativa. Si la distancia que cubre el cable es pequea, encontrar la avera resulta relativamente fcil; sin

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embargo, si la distancia es grande y/o los nodos conectados a ella son elevado, encontrar la avera puede llevar mucho tiempo, durante el cual, todo el sistema quedar inutilizado.

Figura 1.1. Topologa en Bus

1.4.2 Topologa en anillo Consiste en un cable en el que se juntan el origen con el extremo, formando un anillo cerrado. A l se conectan los nodos de la red. No requiere de terminadores, ya que el cable se cierra en s mismo. Esta topologa ofrece el mismo problema que la topologa en bus, es decir, si se abre el anillo, la red queda inoperativa en su totalidad.

Figura 1.2. Topologa en Anillo

1.4.3 Topologa en estrella En este caso, cada nodo de la red se conecta a un punto central, formando una especie de estrella. El punto es tan slo un dispositivo de conexiones, o uno del mismo tipo ms una estacin de trabajo. Dependiendo de s el dispositivo central es pasivo (nicamente servira de centralizador de conexiones) o activo (centralizando las conexiones y regenerando la seal que le llega), se tratar de una estrella pasiva activa. Este dispositivo central se llama "concentrador" (hub). La principal ventaja que esta topologa ofrece frente a las otras consiste en que cuando el cable de un nodo se desconecta o rompe, dicho nodo es el nico que queda desconectado de la red, mantenindose sta operativa.

Figura 1.3. Topolgica en Estrella

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1.4.4 Topologa en rbol La topologa en rbol se denomina tambin topologa en estrella distribuida. Al igual que suceda en la topologa en estrella, los dispositivos de la red se conectan a un punto que es una caja de conexiones, llamado HUB. Estos suelen soportar entre cuatro y doce estaciones de trabajo. Los hubs se conectan a una red en bus, formando as un rbol o pirmide de hubs y dispositivos. Esta topologa rene muchas de las ventajas de los sistemas en bus y en estrella.

Figura 1.4. Topologa en rbol

1.5 Transmisin de una seal a travs de una red Se pueden utilizar dos tcnicas para transmitir las seales codificadas a travs de un cable: la transmisin en banda base y la transmisin en banda ancha.

1.5.1 Transmisin en banda base Los sistemas en banda base utilizan sealizacin digital en un nico canal. Las seales fluyen en forma de pulsos discretos de electricidad o luz. La transmisin en banda base utiliza la capacidad completa del canal de comunicacin para transmitir una nica seal de datos. La seal digital utiliza todo el ancho de banda del cable, constituyendo un solo canal. El trmino ancho de banda hace referencia a la capacidad de transferir datos, o a la velocidad de transmisin, de un sistema de comunicaciones digital, medido en bits por segundo (bps). La seal viaja a lo largo del cable de red y, por tanto, gradualmente va disminuyendo su intensidad, y puede llegar a distorsionarse. Si la longitud del cable es demasiado larga, la seal recibida puede no ser reconocida o puede ser tergiversada. Como medida de proteccin, los sistemas en banda base a veces utilizan repetidores para recibir las seales y retransmitirlas a su intensidad y definicin original. Esto incrementa la longitud til de un cable.

Figura 1.5.Transmisin en Banda Base

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1.5.2 Transmisin en banda ancha Los sistemas de banda ancha utilizan sealizacin analgica y un rango de frecuencias. Las seales son continuas y no discretas. Las seales circulan a travs del medio fsico en forma de ondas pticas o electromagnticas. Con la transmisin en banda ancha, el flujo de la seal es unidireccional. Si el ancho de banda disponible es suficiente, varios sistemas de transmisin analgica, como la televisin por cable y transmisiones de redes, se pueden mantener simultneamente en el mismo cable. A cada sistema de transmisin se le asigna una parte del ancho de banda total. Todos los dispositivos asociados con un sistema de transmisin dado, por ejemplo, todos los equipos que utilicen un cable LAN, deben ser configurados, de forma que slo utilicen las frecuencias que estn dentro del rango asignado. Mientras que los sistemas de banda base utilizan repetidores, los sistemas de banda ancha utilizan amplificadores para regenerar las seales analgicas y su intensidad original. En la transmisin en banda ancha, las seales circulan en una sola direccin, de forma que debe existir dos caminos para el flujo de datos para que una seal alcance todos los dispositivos. Hay dos formas comunes de realizar esto:

A travs de una configuracin de banda ancha con divisin del medio, el ancho de banda se divide en dos canales, cada uno usan una frecuencia o rango de frecuencias diferentes. Un canal transmite y el otro recibe.

Configuracin en banda ancha con doble cable, a cada dispositivo se unen dos cables. Un cable se utiliza para enviar y el otro para recibir.

1.6 Modelo OSI El modelo OSI es un estndar creado por la Organizacin Internacional para la Estandarizacin (ISO). Define el modelo para un entorno de sistemas abiertos, en el cual un proceso que se ejecuta en una computadora se puede comunicar con un proceso similar en otra computadora si ambos implementan los mismos niveles de protocolos de comunicacin OSI. El nivel ms bajo del modelo define los componentes fsicos como conectores, cables adems transmisiones elctricas de bits de datos entre sistemas. Los niveles inmediatos por encima de ste definen los mtodos de empaquetamiento de los datos y direccionamiento. Siguiendo hacia arriba estn los mtodos para el mantenimiento de las sesiones de comunicacin. Finalmente, los niveles ms altos describen cmo utilizan las aplicaciones los sistemas de comunicacin subadyacentes para interactuar con aplicaciones en otros sistemas. El modelo OSI fue diseado para ayudar a los desarrolladores a crear aplicaciones compatibles a travs de diferentes lneas de productos y promover los sistemas abiertos e interoperables. Los protocolos se cargan en las computadoras como drivers. Cada nivel en el grupo de protocolos define un conjunto especfico de funciones. Una aplicacin del nivel ms alto acta con el nivel inmediatamente inferior cuando necesita enviar informacin a otro sistema de la red. La solicitud

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se desempaqueta en un nivel y se pasa al siguiente nivel hacia abajo, el cual aade informacin relacionada con las funciones realizadas en dicho nivel, creando un paquete dentro de otro paquete.

NIVEL NOMBRE FUNCIN 7 Aplicacin Datos Normalizados 6 Presentacin Interpretacin de datos, formato 5 Sesin Dialogo de control, trafico 4 Transporte Integridad de mensajes, manejo y control 3 Red Enrutamiento de los mensajes, Address 2 Enlace Deteccin de errores, acceso 1 Fsico Conexin de equipos, cables y conectores

Tabla 1.1. Modelo OSI

Despus se pasa este paquete al nivel inmediatamente inferior y el proceso continuo. Cada nivel aade informacin al paquete de mensaje y esta informacin es leda por el nivel correspondiente en el grupo de protocolos de sistema receptor. De esta manera cada nivel de protocolo se comunica con su correspondiente nivel de protocolo para facilitar la comunicacin. Cada nivel define reglas y procedimientos que deben observar los subsistemas de comunicacin para poder comunicarse con procesos equivalentes en otros sistemas. Se presentan a continuacin algunos ejemplos de procesos manejados por los subsistemas de comunicacin:

Interaccin e intercambio entre aplicaciones, adems de traduccin entre las diferentes reglas sintcticas y representacin de datos.

Gestin de intercambio de datos en modos Full-duplex o Hafl-duplex. Supervisin y mantenimiento de un canal de comunicacin entre dos sistemas. Procedimientos de direccionamiento y encaminamiento en una red. Descomposicin de los datos en la preparacin de su transmisin. Funciones de tarjeta de interfaz de red, transmisin de seales elctricas, pticas o de

radio sobre el medio de transmisin de red.

Figura 1.6. Comparacin del modelo OSI con TCP/IP

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1.7 Dispositivos de una red Los equipos que se conectan de forma directa a un segmento de red se denominan dispositivos. Estos dispositivos se clasifican en dos grandes grupos. El primer grupo est compuesto por los dispositivos de usuario final. Los dispositivos de usuario final incluyen los computadores, impresoras, escneres, y dems dispositivos que brindan servicios directamente al usuario. El segundo grupo est formado por los dispositivos de red. Los dispositivos de red son todos aquellos que conectan entre s a los dispositivos de usuario final, posibilitando su intercomunicacin. A continuacin mencionaremos los dispositivos de red ms comunes dentro de una red almbrica, estos son dispositivos de hardware que sirven para la interconexin de los nodos de una red.

1.7.1 Tarjeta de red NIC/MAU La NIC es una tarjeta de expansin de la computadora y proporciona un puerto al cual se conecta el cable de la red este brinda la posibilidad de transmitir y recibir informacin de una pc a otra. Hoy en da cada vez son ms los equipos que disponen de interfaz de red (Ethernet). A veces, es necesario, adems de la tarjeta de red, un transceptor. Este es un dispositivo que se conecta al medio fsico y a la tarjeta, esto debido a que a veces el medio fsico de la red es distinto del que utiliza la tarjeta.

1.7.2 Repetidor Es un equipo que actan a nivel fsico. Prolongando la longitud de la red uniendo dos segmentos y amplificando la seal, pero junto con ella amplifican tambin el ruido.

1.7.3 Concentrador (Hub) Es un dispositivo que permite estructurar el cableado de las redes. La variedad de tipos y caractersticas de estos equipos es muy grande. En un principio eran solo concentradores de cableado, pero actualmente estos equipos tienen incorporadas ms funciones de red.

1.7.4 Puentes Son equipos que unen dos redes actuando sobre los protocolos de bajo nivel, en el nivel de control de acceso al medio. Solo el trfico de una red que va dirigido a la otra atraviesa el dispositivo. Esto permite a los administradores dividir las redes en segmentos lgicos. Los puentes producen las seales, con lo cual no se transmite ruido a travs de ellos.

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1.7.5 Switch (Conmutador) Un switch es un dispositivo electrnico de interconexin de redes de ordenadores que opera en la capa 2 (nivel de enlace de datos) del modelo OSI. Un conmutador interconecta dos o ms segmentos de red, funcionando de manera similar a los puentes, pasando datos de un segmento a otro, de acuerdo con la direccin MAC destino. Los conmutadores se utilizan cuando se desea conectar mltiples redes, fusionndolas en una sola. Al igual que los puentes, dado que funcionan como un filtro en la red, mejoran el rendimiento y la seguridad de una red local.

1.7.6 Routers (Encaminadores) Son equipos de interconexin de redes que actan a nivel de los protocolos de red (capa 3). Permite utilizar varios sistemas de interconexin mejorando el rendimiento de la transmisin entre redes. Su funcionamiento es ms lento que los switch pero su capacidad es mayor. Permiten, enlazar dos redes basadas en un protocolo, por medio de otra que utilice un protocolo diferente, por esto se dice que el router es un dispositivo inteligente.

1.8 Ethernet La primera versin fue un intento de estandarizar Ethernet aunque hubo un campo de la cabecera que se defini de forma diferente, posteriormente ha habido ampliaciones sucesivas al estndar que cubrieron las ampliaciones de velocidad (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet y el de 10 Gigabits), redes virtuales, hubs, conmutadores y distintos tipos de medios, tanto de fibra ptica como de cables de cobre (tanto par trenzado como coaxial). Los estndares de este grupo no reflejan necesariamente lo que se usa en la prctica, aunque a diferencia de otros grupos este suele estar cerca de la realidad.

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ESTNDAR ETHERNET

FECHA DESCRIPCIN

Ethernet experimental

1972 (patentado en 1978)

2,85 Mbit/s sobre cable coaxial en topologa de bus.

IEEE 802.3 1983 10BASE5 10 Mbit/s sobre coaxial grueso (thicknet). Longitud mxima del segmento 500 metros - Igual que DIX salvo que el campo de Tipo se substituye por la longitud.

802.3a 1985 10BASE2 10 Mbit/s sobre coaxial fino (thinnet o cheapernet). Longitud mxima del segmento 185 metros

802.3c 1985 Especificacin de repetidores de 10 Mbit/s

802.3d 1987 FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link) enlace de fibra ptica entre repetidores.

802.3i 1990 10BASE-T 10 Mbit/s sobre par trenzado no apantallado (UTP). Longitud mxima del segmento 100 metros.

802.3j 1993 10BASE-F 10 Mbit/s sobre fibra ptica. Longitud mxima del segmento 1000 metros.

802.3u 1995 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX Fast Ethernet a 100 Mbit/s con auto-negociacin de velocidad.

802.3x 1997 Full Duplex (Transmisin y recepcin simultneos) y control de flujo.

802.3z 1998 1000BASE-X Ethernet de 1 Gbit/s sobre fibra ptica.

802.3ab 1999 1000BASE-T Ethernet de 1 Gbit/s sobre par trenzado no apantallado

802.3ac 1998 Extensin de la trama mxima a 1522 bytes (para permitir las "Q-tag") Las Q-tag incluyen informacin para 802.1Q VLAN y manejan prioridades segn el estandar 802.1p.

IEEE 802.3af 2003 Alimentacin sobre Ethernet (PoE).

802.3ah 2004 Ethernet en la ltima milla.

802.3an 2006 10GBASE-T Ethernet a 10 Gbit/s sobre par trenzado no apantallado (UTP)

802.3ap En proceso Ethernet de 1 y 10 Gbit/s sobre circuito impreso.

Tabla 1.2. Evolucin de Ethernet

13

1.8.1 Formato de la trama Ethernet

Trama IEEE 802.3

Prembulo SOF Destino Origen Longitud Datos Relleno FCS

7 bytes 1 byte 6 bytes 6 bytes 2 bytes 0 a 1500 bytes 0 a 46 bytes 4 bytes Tabla 1.3. Trama Ethernet

1.9 Protocolos El Protocolo de red o tambin Protocolo de Comunicacin es el conjunto de reglas que especifican el intercambio de datos u rdenes durante la comunicacin entre las entidades que forman parte de una red. Estndares de redes en capa 1 y 2:

IEEE 802.3, estndar para Ethernet IEEE 802.5, estndar para Token Ring IEEE 802.11, estndar para Wi-Fi IEEE 802.15, estndar para Bluetooth

MODELO OSI PROTOCOLOS 7 Aplicacin HTTP, FTP, POP3, etc. 6 Presentacin DNS, LDAP, XML, etc. 5 Sesin Comn DNS, LDAP, XML, etc. 4 Transporte UDP, TCP, etc. 3 Red IP, ICMP, RSVP, etc. 2 Enlace LLC, MAC, etc 1 Fsico IEEE 802 Coaxial, FO, radio, etc.

Tabla 1.4.Protocolos

1.10 Direccionamiento IP Todos los equipos que forman parte de Internet disponen de una direccin que se utiliza para identificarlo cuando transmite o recibe informacin. Estas direcciones se conocen como direcciones IP. Los nodos que forman parte de una red de rea local tambin disponen de su correspondiente direccin IP, pero mientras que Internet tiene un organismo internacional que regula la asignacin de sus direcciones (IANA, Internet Assigned Numbers Authority, Autoridad de nmeros asignados de Internet), las direcciones de cada red local las asigna arbitrariamente su administrador o usuarios (aunque cumpliendo ciertas reglas). Pues bien, a las direcciones ip de los equipos de una red locales las conoce como direcciones ip privadas, mientras que las direcciones ip de Internet se las conoce como direcciones ip pblicas. Ambos tipos de direcciones estn formadas por una cadena de cuatro cifras separadas por un punto. Cada una de esas cifras puede tomar un valor entre 0 y 255 (por ejemplo, 10.13.163.1).

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Las direcciones ip privadas estn reguladas por el documento RFC 1918. En este documento se define que, para que una direccin ip privada sea compatible con Internet, debe estar dentro de los siguientes rangos:

Figura 1.11. Clases de Red

Las direcciones ip privadas no son reconocidas por Internet. Esto quiere decir que ningn paquete de datos que tenga una de estas direcciones como identificacin origen o destino puede progresar por Internet. Esta particularidad impide que las direcciones ip privadas sean visibles directamente desde Internet. Por tanto, el administrador de una red de rea local es libre de utilizar cualquiera de estas direcciones dentro de su red. Todos los equipos que forman parte de una red local disponen de su correspondiente direccin ip (privada), incluido el router, quien dispondr de dos direcciones ip, una por cada red con la que est conectado. Esta segunda direccin ser privada si se trata de otra red local o publica si se trata de Internet. Las direcciones ip que utiliza cada equipo se configuran dentro de las propiedades TCP/IP de su tarjeta de comunicacin: tarjeta Ethernet en el caso de redes cableadas y tarjeta inalmbrica o adaptador de red en el caso de redes Wi-Fi.

1.10.1 Puerta de enlace Cuando se interconectan dos redes, los nodos de cada una de ellas necesitan conocer la direccin ip del router por el que enviar los datos dirigidos a los nodos de la otra red. Esta direccin ip se conoce con el nombre de puerta de enlace o Gateway. Por tanto, la puerta de enlace es el numero ip de router que interconecta ambas redes. Si se tuviera una red Wi-Fi conectada a una red Ethernet, que a su vez est conectada a Internet mediante ADSL, la puerta de enlace de los nodos de la red inalmbrica seria la direccin ip del punto de acceso, mientras que para el punto de acceso y el resto de nodos de la red Ethernet sera la del router ADSL. Por ultimo, para este router ADSL la puerta de enlace es la direccin ip del router del proveedor de acceso.

1.10.2 Mscara de red La mscara de red o mscara de subred es una forma de simplificar el trabajo de los equipos de red. Como se ha visto anteriormente, todos los equipos que forman una red local disponen de una

15

direccin ip formada por 32 bits (cuatro grupos de 8 bits). Cada paquete de informacin intercambiado dentro de la red obliga a los equipos de red (switches, router, etc.) a analizar la direccin completa del destinatario, cuando, en realidad, la mayora de los bits de la direcciones ip privadas son siempre los mismos. Por ejemplo, si las direcciones privadas de la red local son del tipo 192.168.0.1, 192.168.0.2, 192.168.0.3, etc., bastara con analizar la ltima cifra (8 bits) para identificar el destinatario (los otros 24 bits son idnticos). Al reducirla informacin a analizar se reduce el tiempo de anlisis y se aumenta la eficiencia del equipo.

NMERO DE USUARIOS MSCARA EN DECIMAL MSCARA EN HEXADECIMAL

EJEMPLO DE RANGO DIRECCIONES VALIDAS

1 + el router 255.255.255.252 FFFFFFFC x.x.x.1 / x.x.x.2

5 + el router 255.255.255.248 FFFFFFF8 x.x.x.1 / x.x.x.6

13 + el router 255.255.255.240 FFFFFFF0 x.x.x.1 / x.x.x.14

29 + el router 255.255.255.224 FFFFFFE0 x.x.x.1 / x.x.x.30

61 + el router 255.255.255.192 FFFFFFC0 x.x.x.1 / x.x.x.62

125 + el router 255.255.255.128 FFFFFF80 x.x.x.1 / x.x.x.126

253 + el router 255.255.255.000 FFFFFF00 x.x.x.1 / x.x.x.254

Tabla 1.5.Mscaras de Red

La tcnica de la mscara de red consiste en definir qu parte de la direccin ip es comn en toda la red (conocida como direccin de red), y qu otra es la que realmente identifica a cada equipo que forma la red (direccin del nodo). Esta definicin se consigue mediante un nmero conocido como mscara de red. La mscara de red tiene el aspecto de un nmero ip, pero realmente define el nmero de bits que son comunes en la red y los que se utilizan para identificar a los nodos. La mscara de red es un nmero binario formado por tantos unos como bits tenga la direccin de red y tantos ceros como bits tengan la identificacin del nodo. En el ejemplo, la mascar de red sera:

11111111.11111111.1111111.00000000 o lo que es lo mismo 255.255.255.0 Esta forma de representar la mscara permite averiguar la direccin de la red y del nodo simplemente haciendo una operacin Y lgica (and) con el nmero de la mscara y la direccin ip. Este tipo de operaciones son extremadamente sencillas de realizar para cualquier equipo electrnico. El nmero de la mascara de red lo decide el administrador de la red en funcin del nmero de usuarios de la misma. En redes pequeas suele ser habitual utilizar la mscara 255.255.255.0.

16

Captulo II Fundamentos de Redes Inalmbricas

2.1 Introduccin A principios de la dcada de los 90s un estudio de mercado dirigido por AT&T en EUA, arroj cifras importantes acerca de los servicios ofrecidos va inalmbrica en los cuales se estima que para el ao 2010 la mitad de todas las comunicaciones de negocios y personales se harn por esta va. Est ocurriendo un crecimiento acelerado de los sistemas inalmbricos como: TV Satelital (DBS), Redes de rea Local Inalmbricas (WLAN), Sistemas de Mensaje, Sistemas de Posicionamiento Global (GPS), Sistema de Identificacin por Radio Frecuencia (RFID), entre otros. Estos sistemas prometen proveer, por primera vez en la historia, conectividad a nivel global de voz, video y datos. Los logros tecnolgicos inalmbricos y los retos del futuro, hacen de este campo uno de los ms interesantes y remunerados para trabajar en ellos debido a sus caractersticas y ventajas.

2.1.1 Frecuencia, periodo y longitud de onda Se utiliza el trmino frecuencia para referirse a un nmero de oscilaciones peridicas u ondas que ocurren por unidad de tiempo. La figura 2.1 muestra varias ondas sinoidales oscilando a diferentes frecuencias o ciclos por segundo (cps), en general, este trmino ha sido remplazado por su sinnimo hertz, abreviado como Hz. El periodo de oscilacin de una onda es el tiempo empleado por la misma en completar una longitud de onda, es decir el periodo es el tiempo transcurrido entre dos crestas o valles sucesivos. Se conoce como longitud de onda a la distancia entre dos crestas consecutivas, en otras palabras, describe lo larga que es la onda; esta se obtiene dividiendo la velocidad de la luz c (3 x 108

m/s) entre la frecuencia de la seal en hertz (ver formula 2.1.)

( )Hz10 x 3)(

8

fm =

)GHz(30)(

fcm =

El periodo (T) es recproco de la frecuencia (f), en la figura 2.1 tambin se puede observar la relacin inversa con la longitud de onda.

Figura 2.1. Relacin entre Frecuencia, Periodo y Longitud de Onda

(2.1)

17

2.1.2 Bel Esta unidad usa logaritmos base 10 (log10

) para expresar la relacin entre potencia transmitida y la potencia recibida; la prdida o ganancia del circuito est dada por la frmula 2.3.

I

O10

PPlog

B =

donde B es la relacin de potencia en Bels, PO es la potencia de salida o recibida y PI

es la potencia de entrada o transmitida. La razn por la que el Bel utiliza logaritmos para su medicin es porque el odo humano percibe los sonidos en una escala logartmica, por ejemplo: si se estima que una seal ha duplicado su intensidad en volumen es porque en realidad el poder de transmisin se ha incrementado aproximadamente en un factor de 10. Como la potencia recibida, normalmente es menor a la que la transmitida, el denominador en la siguiente ecuacin es mayor que el denominador, por lo tanto se utiliza una de las propiedades de los logaritmos (logaritmo del inverso multiplicativo) para expresar la formula como:

XX 1010

log1log = 100

1log)1/100(

1logB 10

10 ==

Como log10 1/X = log10 X, el resultado es B = log10

100 = 2

Ntese que el valor negativo indica una prdida de seal y un valor positivo indica una ganancia. Por cuestiones de precisin en las medidas los estndares actuales utilizan como medida el deciBel (dB) ya que representa la decima parte de un Bel.

2.1.3 Relacin seal ruido (S/N) En todos los sistemas de comunicacin existen prdidas a causa del ruido, causadas por el movimiento de electrones, inducciones en lneas de poder, modulacin cruzada por pares de cables adyacentes y en comunicaciones inalmbricas, frecuencias en canales adyacentes. La relacin seal-ruido es usada para categorizar la calidad de un transmisor; est se mide en decibeles y es definida como la relacin entre el poder de seal dividi entre el poder del ruido en un medio de transmisin (S/N).

(2.2) T

f 1= f

T 1=

(2.3)

(2.4)

18

2.2 Fundamentos de radio frecuencia El termino Radio Frecuencia (RF) se refiere al campo electromagntico generado cuando una corriente alterna es aplicada al generador de una antena; este campo, tambin es llamado Campo RF u Onda de Radio. El rango menos energtico del espectro de radiacin electromagntica situada entre los 3KHz y los 300GHz se utiliza para transmisiones inalmbricas. A partir de 1GHz las bandas entran dentro del espectro de las microondas. Por encima de 300 GHz la absorcin de la radiacin electromagntica por la atmsfera terrestre es tan alta que la atmsfera se vuelve opaca a ella; conforme la frecuencia sobrepasa el espectro RF la energa electromagntica toma forma de luz infrarroja (IR), luz visible, ultravioleta (UV), Rayos X, Rayos Gamma. Muchos dispositivos inalmbricos (como radio, televisin, telefona celular, telfonos, sistemas de comunicacin satelital, redes inalmbricas de datos, etc.) utilizan campos RF. El espectro de RF est dividi en muchos rangos, o "Bandas", cada una de las bandas representan un incremento en la frecuencia. A nivel internacional el espectro RF es controlado por la International Telecommunication Union (ITU) para varias clases de servicios dependiendo la regin del planeta. La Federal Communications Commission (FCC) asigna frecuencias para usuarios de dependencias NO gubernamentales. La FCC permiti la operacin sin licencia de dispositivos que utilizan 1 Watt de energa o menos, en tres bandas de frecuencia:

BANDA DE FRECUENCIA DESCRIPCIN 900 MHZ Este rango de frecuencia comienza de los 902 MHz hasta 928 MHz.

Seguramente estamos ms familiarizados con esta banda ya que los telfonos inalmbricos operan en esta frecuencia. Al mismo tiempo podemos entender a que se refiere el trmino canal. Cuando iniciamos una conversacin telefnica y escuchamos ruido, esttica u otras conversaciones es porque el canal esta en uso, as que cambiamos de canal hasta encontrar uno libre.

2.4 GHz Este rango abarca desde 2.4000 hasta 2.4835 GHz y es utilizado por los estndares la 802.11, 802.11b, 802.11g y 802.11n de la IEEE. Para evitar interferencias se cuenta con 11 canales cada uno de ellos separado por 22MHz, la figura 2.2 muestra que los canales 1, 6 y 11 no tienen interferencias, es por esto que la mayora de los dispositivos utilizan estos canales. Se alcanzan velocidades de datos 1, 2, 5.5 y 11Mbps.

5 GHz Los estndares 802.11a y 802.11n radian en esta frecuencia, esta subdividido en canales separados por 20 MHz para formar un total de 23 canales sin traslapes alcanzando velocidades de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps.

Tabla 2.1. Bandas de Frecuencia sin licencia

Estas bandas de frecuencia, llamadas bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical), estaban anteriormente limitadas a instrumentos cientficos, mdicos e industriales, y a diferencia de la ARDIS y MOBITEX, estn abiertas para cualquiera. Para minimizar la interferencia, las regulaciones de FCC estipulan que una tcnica de seal de transmisin llamada spread-spectrum modulation, la cual tiene potencia de transmisin mxima de 1 Watt. y deber ser utilizada en la banda ISM.

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Figura 2.2. Canales de la frecuencia 2.4GHz

Desde el punto de vista de la velocidad se clasifican en banda estrecha o banda ancha en funcin del caudal de informacin que puede manejar por unidad de tiempo (ver tabla 2.2) sin embargo para completar esta clasificacin se define un grupo ms, la banda media, la cual engloba tecnologas hibridas entre las dos anteriores; cabe mencionar que los valores de ancho de banda no son fijos y podra n variar de acuerdo a la evolucin de las tecnologas.

DENOMINACIN ANCHO DE BANDA TECNOLOGA INALMBRICA Banda Estrecha 10 a 100 Kbps UWB, Zigbee Banda Media 100 a 2000 Kbps 3G, Zigbee, Bluetooth Banda Ancha 2 a 100Mbps (o ms) UWB y 802.11

Tabla 2.2. Anchos de banda de tecnologas inalmbricas

2.3 Clasificacin de los sistemas inalmbricos En el sentido ms amplio de la palabra, un sistema inalmbrico permite la comunicacin de informacin entre dos puntos sin el uso de conexiones alambicas, mediante el empleo de energa snica, infrarroja, ptica o radio frecuencia. Los sistemas inalmbricos pueden ser clasificados de acuerdo a la frecuencia en la que operan como lo muestra la Tabla 2.3.

SISTEMA INALMBRICO FRECUENCIA DE OPERACIN Advanced Mobile Phone Service (AMPS) T: 824849 MHz

R: 869894 MHz Global System Mobile (European GSM) T: 880915 MHz

R: 925960 MHz Personal Communications Services (PCS) T: 17101785 MHz

R: 18051880 MHz US Paging 931932 MHz Global Positioning System (GPS) L1: 1575.42 MHz

L2: 1227.60 MHz Direct Broadcast Satellite (DBS) 11.712.5 GHz Wireless Local Area Network (WLAN) 902928 MHz

2.4002.484 GHz 5.7255.850 GHz

Local Multipoint Distribution Service (LMDS) 28 GHz US Industrial, Medical, and Scientific bands (ISM) 902928 MHz

2.4002.484 GHz 5.7255.850 GHz

Tabla 2.3. Frecuencias utilizadas por los Sistemas Inalmbricos (T: Transmisin R: Recepcin)

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En un principio los controles remotos de televisin usaban seales Ultrasnicas con una pobre inmunidad a interferencias as como baja tasa de transferencia de datos, esta tecnologa fue descartada para futuras aplicaciones. Posteriormente las seales Infrarrojas facilitaron una tasa de transferencia de datos moderada con el inconveniente que la radiacin puede ser fcilmente bloqueada limitando su aplicacin a controles remoto y en laces de rea personal (PAN). De forma similar la propagacin de seales pticas en ambientes sin obstculos pueden brindar tasas de transferencia de moderadas a altas, pero se requiere de un campo de vista libre y no se pueden utilizar en ambientes con polvo, neblina o algo que bloquee la seal. Por estas razones los sistemas inalmbricos modernos se basan en seales de RF o Microondas ya que ofrecen mayor ancho de banda.

2.3.1 Telefona celular Creadas en la dcada de los 70s en respuesta a la necesidad de un servicio de radio mvil sin interferencias a un gran nmero de usuarios en zonas urbanas. El concepto de telefona celular fue introducido por los Laboratorios Bell usando la estrategia de dividir en reas geogrficas hexagonales no traslapadas llamadas clulas; cada clula cuenta con su estacin base (transmisor y receptor) para mantener la comunicacin de los usuarios ubicados en esa clula (Figura 2.3). Si en todas las clulas se emplearan los mismos canales sera imposible distinguir a los usuarios de cada una de ellas y el nivel de las interferencias hara imposible la comunicacin. Es por esto que las clulas adyacentes utilizan canales suficientemente separados en frecuencia para evitar interferencias, a esto le llamamos reutilizacin de frecuencias.

Figura 2.4. Reutilizacin de Frecuencias

Figura 2.3. Divisin en clulas

21

Hasta 1996 todos los telfonos celulares utilizaban el sistema AMPS (Advanced Mobile Phone System) basado en modulacin anloga FM, la cual divida la banda de frecuencia en varios cientos de canales, cada uno de estos canales soporta una conversacin telefnica. Los nuevos estndares digitales remplazaron el sistema AMPS con la Segunda Generacin Celular o PCS (Personal Communication System). Debido al rpido crecimiento en la demanda del servicio de telefona celular, al igual que los avances de tecnologa inalmbrica, se han propuesto estndares para la segunda generacin a nivel mundial. Estos estndares emplean mtodos de modulacin digital que proveen un servicio mejor y ms eficiente del espectro RF.

2.3.2 Sistemas satelitales para voz y datos Un satlite es un repetidor situado a cierta altura y que orbita alrededor de la Tierra, como repetidor, recibe la seal de una estacin en Tierra, la regenera y procesa para despus enviarla de vuelta a otra estacin en Tierra. Debido a su altitud la zona de cobertura (huella) es extensa, su principio de funcionamiento es sencillo: La seal de entrada es amplificada y reenviada a una frecuencia diferente, esta funcin la realiza el transpondedor que consiste en un transceptor y una antena.

Figura 2.5. Red Satelital

La ventaja de los sistemas satelitales radica en proveer cobertura a usuarios inalmbricos en casi cualquier ubicacin como ocanos, desiertos, montaas y otras reas en donde sera prcticamente imposible dar este servicio. Los satlites estn situados en una determinada rbita de la Tierra, si la rbita es circular es utilizada para telecomunicaciones, en cambio, si se trata de una rbita elptica se emplea para actividades de reconocimiento. Las orbitas descritas por los satlites pueden agruparse en dos categoras.

Geoestacionarias GEO (Geosynchronous Earth Orbit) son orbitas circulares con un periodo igual al de rotacin de la Tierra, situadas en el plano ecuatorial con una altitud cercana a los 36,000Km, estas caractersticas hace que parezcan estticos a un observador situado en Tierra y por tanto recibir seales mediante antenas receptoras fijas. Tericamente solo se necesitan unos cuantos satlites geosncronos para dar cobertura global pero la altitud de las orbitas geosncronas dificultan la comunicacin con los dispositivos debido a la baja potencia en la seal recibida.

No Geoestacionarias NGEO (Non GEO). Estas se dividen en dos.

22

o MEO (Medium Earth Orbit) situadas entre 10,000 y 20,000 Km de altura. Su huella es menor debido a la altitud y para tener una cobertura global se necesitan entre 8 y 12 satelites.

o LEO (Low Earth Orbit) con orbitas circulares, altura menor a los 2,000 Km y periodos orbitales entre los 90 y 120 minutos; con la aparicin de constelaciones de satlites LEO se soluciona este problema y ofrecen anchos de banda ideales para aplicaciones en tiempo real como voz y videoconferencia.

2.3.3 Sistemas de posicionamiento global Este sistema utiliza 27 satlites MEO (24 operativos y 3 de respaldo) se encuentran en orbitas de 20,200 Km con periodos orbitales de 12 horas para brindar informacin certera de posicin (latitud, longitud y elevacin). Cada uno de estos satlites cuenta con reloj de precisin atmica, con esto, en cada instante de tiempo, se conoce con exactitud la ubicacin de los satlites. Originalmente fue desarrollado como sistema NAVSTAR con fines militares con un costo cercano a los 12 billones de dlares. Los satlites, por su situacin privilegiada, son capaces de cubrir grandes reas de superficie, este hecho fue el que hizo pensar en su empleo para sistemas de navegacin y posicionamiento. Para determinar la ubicacin de un dispositivo GPS, basta con conocer su distancia a tres satlites geoestacionarios, tambin llamado triangulacin, aunque, en realidad, se emplean cuatro por motivos de precisin y disponibilidad, obteniendo as, la ubicacin con margen de error algunos metros.

Fig. 2.6. Funcionamiento de GPS

El clculo se obtiene mediante la medicin del retraso de la seal de propagacin del equipo receptor y el satlite, para aumentar la precisin se utiliza una estacin monitora, cuya posicin es bien conocida, en ella se centraliza la determinacin de los errores cometidos en la determinacin de las distancias a los satlites, estas correcciones se envan a los receptores y a partir de ellas compensan los errores originales consiguiendo un aumento en la precisin. Actualmente operan los sistemas GPS, GLONASS y GALILEO en la tabla 2.4 se comparan las caractersticas de estos tres sistemas:

23

GPS GLONASS GALILEO Pas de Origen EUA

Departamento de Defensa Rusia Agencia Aeroespacial Rusa

Unin Europea Agencia Aeroespacial Europea

Nmero de Satlites 24 MEO ~24 MEO 30 MEO Radio de Orbita 20,350 Km 19,140Km 23,616 Km Periodo Orbital 11 h 56 min 11 h 15 min 14h 5 min Enlace Descendente L1 (1,559 1,602.5 MHz)

L2 (1,215 1,240 MHz) L3 (1,164 1,188 MHz)

G1 (1,602.5 1,615.5 MHz) G2 (1240 1260 MHz)

E5 (1,188 1,215 MHz) E6 (1,260 1,300 MHz) C1 (5,010 5,030 MHz)

Enlace Ascendente 1,300 1350 MHz 5,000 5,010 MHz

Precisin Usuarios Libres

100 m en horizontal 156 m en vertical 340 ns en tiempo

70 m en horizontal 57 70 m en vertical

5 30 m en distancia 100 ns en tiempo

Precisin Usuarios Profesionales

6 m en distancia 20 ns en tiempo

Precisin Usuarios Militares

22 m en horizontal 27.7 m en vertical 200ns en tiempo

10 20 m 4 m 20 ns en tiempo

Tabla 2.4. Caractersticas de los Sistemas GPS Los sistemas GPS pueden encontrarse en aeronaves, barcos, automviles y dispositivos mviles, el avance de la tecnologa ha conllevado a reducir el tamao y costo de estos dispositivos.

2.4 Propagacin de la seal La propagacin de las seales RF es influida por ciertos factores como paredes, suelo, obstculos varios y el ruido en el ambiente que tienden a reflejar la seal, esto dificulta el proceso de demodulacin haciendo que las caractersticas del canal varen dinmicamente con el tiempo. Estos factores dificultan el clculo de un rango para el alcance mximo del rea de cobertura. Visto de otra forma, una vez que la seal ha sido transmitida viaja por el aire hasta alcanzar al receptor, durante el viaje, la seal va perdiendo potencia debido a dos factores: 1) La propia propagacin de la seal y 2) los obstculos que se encuentran en su camino. Una de las caractersticas de las ondas electromagnticas es su capacidad de atravesar ciertos materiales, esta penetracin depende de la naturaleza del material, espesor, frecuencia y potencia de la seal, as como tambin se ven afectadas por los siguientes mecanismos bsicos atenundola y/o generando versiones retardadas de la seal original.

Reflexin: Es producida cuando la onda propagada choca en cosas grandes, dichos objetos deben ser de varias longitudes de onda a la frecuencia de trabajo y de superficies planas. Las reflexiones en la atmosfera permiten que existan las comunicaciones, tambin tiene lugar en la superficie de la tierra, muros, edificios, etc.

Difraccin: Ocurre cuando la trayectoria entre el Tx y Rx es obstruida parcialmente por una superficie que tiene irregularidades. Cuando un obstculo bloquea parte del frente de onda, se altera necesariamente la direccin de propagacin del resto del frente y de la energa; este fenmeno hace que pueda existir seal til aun detrs de obstculos. La

24

frecuencia, amplitud, fase, polarizacin varan dependiendo de la onda incidente en el punto de difraccin.

Dispersin. Ocurre cuando el medio a travs del cual viaja la onda consiste de objetos con dimensiones menores comparadas con la longitud de onda y donde el nmero de obstculos por unidad de volumen es mayor. La dispersin es producida por superficies rugosas, pequeos objetos.

Figura 2.7. Fenmenos de Reflexin, Difraccin y Dispersin

Debido a las limitaciones del receptor, existe un valor minino de la potencia recibida requerido por ste para demodular la seal llamado sensibilidad del receptor. La relacin seal a ruido SNR (Signal to Noise Ratio) es la diferencia de potencia entre ambos niveles.

2.5 Modelos de propagacin Los modelos de propagacin son un conjunto de expresiones matemticas, diagramas y algoritmos usados para representar las caractersticas de radio en un ambiente dado. Generalmente los modelos de prediccin se pueden clasificar en empricos y tericos o una combinacin de estos dos (semiempricos). Mientras que los modelos empricos se basan en mediciones, los modelos tericos se basan en los principios fundamentales de los fenmenos de propagacin de ondas de radio. Los modelos de propagacin predicen la perdida por trayectoria que una seal de RF pueda tener entre una estacin base y un receptor sea mvil o fijo. La ventaja de modelar radio canales teniendo en cuenta las caractersticas de la trayectoria entre Transmisor (Tx) y Receptor (Rx), es conocer la viabilidad de los proyectos y permite decidir cmo y en dnde debemos colorar los Access Point (AP) para generar las clulas de cobertura utilizando la misma frecuencia en un rea comn sin causar interferencia entre ellos; adems de definir el umbral para conocer en qu momento una conexin dejara de ser til o no permitir un buen enlace entre el AP y el usuario. El desempeo de los modelos de propagacin se mide por la veracidad de los resultados en comparacin con medidas de campo reales. La mayora de los modelos de propagacin toman en cuenta transmisiones al aire libre, diferentes aplicaciones sobre diferentes terrenos, condiciones ambientales y algunos a situaciones especificas y no toman en cuenta la propagacin en espacios interiores; es importante resaltar que ningn modelo puede satisfacer todas las situaciones ambientales, la mayora de ellos predicen las perdidas por trayectoria promedio.

25

2.5.1 Modelo COST 231 de paredes mltiples Este modelo permite estimar la prdida en la trayectoria, as como la perdida en el espacio libre, las perdidas introducidas por las paredes y pisos que tiene que atravesar la seal en la trayectoria directa entre Tx y Rx. El modelo est definido por la frmula 2.5.

( )f

bnn

wiwicFS LnLKLLL *2

1

+

+

+++= donde: LFS L

= Perdida en el espacio libre entre Tx y Rx C

K = Constante de prdida

wi

L = Numero de paredes penetradas tipo i

wi

L = Prdidas en las paredes tipo i

f

n = Nmero de pisos penetrados = Prdidas entre pisos adyacentes

b = Constante emprica Nota 1: LC Nota 2: n = 4 para la mayora de los ambientes. Cuando se desee realizar el clculo para un ambiente muy difcil n puede ser igual a 3.

normalmente es igual a 37dB.

A continuacin se presentan los valores tpicos de las prdidas contempladas en el modelo.

TIPO DE PERDIDA DESCRIPCIN VALOR (DB)

L Tipos de pisos para oficinas f Concreto reforzado Piso delgado < 30cm Mosaicos y/o azulejos

18.3

L Paredes Internas Delgadas w1 Plafon Paredes con muchas ventanas

3.4

L Paredes Internas Gruesas w2 Concreto y/o Ladrillo

6.9

Tabla 2.5. Valores tpicos de prdidas en modelo COST 231 de paredes mltiples Sustituyendo valores de la formula 2.5

( )( ) dBnRRL n

n

++

++= 46.021

3.18)log(3037)(

donde: R = Distancia entre Tx y Rx en metros n = Cantidad de pisos en la trayectoria

cuando solo nos interesa calcular la propagacin en una sola rea interior sin paredes que la dividan la parte de penetracin entre paredes y pisos puede eliminarse quedando como sigue:

(2.5)

(2.6)

26

dBRRL )log(3037)( +=

2.5.2 Modelo de propagacin en espacio libre Este modelo puede ser utilizado en el diseo de WLANs en lugares donde no existen obstculos, tales como reas verdes, bibliotecas, salas de estar, etc. Se utiliza cuando entre el Tx y Rx hay una lnea de vista clara, y por lo tanto la potencia recibida disminuye en funcin de la distancia entre Tx y Rx a medida de que aumenta la distancia disminuye la potencia. Este modelo esta dado por la ecuacin de Friss (2.8):

( )( ) Ld

GGPdP rttr 222

4

=

donde: Pr P

(d) = potencia recibida t

d = separacin entre Tx y Rx = potencia transmitida

At o Gt A

= ganancia de la antena Tx (cantidad adimensional) r o Gr

L = factor de prdidas no relacionado con la propagacin (cuando L=1 significa que no hay prdida en el sistema)

= ganancia de la antena Rx

= longitud de onda La perdida en la trayectoria representa la atenuacin de la seal, medida en dB la ecuacin 2. nos hace ver que la potencia de la seal es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre Tx y Rx. Se pueden mencionar otros parmetros como la ganancia de la antena, cuya ecuacin est dada por:

2

4 eAG =

la apertura efectiva de la antena Ae

est relacionada directamente con el tamao de la antena y que es la longitud de onda (formula 2.1). Las prdidas por trayectoria en un sistema son

regularmente expresadas en unidades de decibeles (dB), estas prdidas pueden no incluir la ganancia de las antenas, lo cual provoca tener una ecuacin ms sencilla:

dBGGfddBL rtp 55.147log10log10log20log20)( += cuando se excluyen las ganancias de las antenas, se toma una ganancia unitaria para el sistema con lo que la ecuacin queda de la siguiente manera.

( )

=

= 22

2

)4(log10log10

dPPdBP

r

tL

(2.9)

(2.7)

(2.8)

(2.10)

(2.11)

27

Cuando la potencia recibida a una distancia (d0

dddPdP rr 00 log20)()( +=

= distancia de referencia) es conocida, la siguiente ecuacin puede usarse para encontrar la potencia a una distancia mucho mayor:

Esta ecuacin puede convertirse para calcular la prdida en la trayectoria:

00 log20)()( d

ddPdP +=

La ecuacin del modelo de Friss slo es vlida para predecir valores de la potencia recibida (Pr) para valores de distancia que se encuentran en la regin de far-field de la antena transmisora, la regin far-field o regin de Fraunhofer se define como la distancia ms lejana de la distancia df

la cual se relaciona con la dimensin mayor de la apertura numrica de la antena transmisora y con la longitud de onda de la seal portadora.

2.5.3 Modelo de prdida en la trayectoria para interiores Existe una relacin aparente entre los dos modelos antes mencionados. Ambos operan con un punto de referencia y tienen prdida logartmica desde el punto de referencia.

)log(3037)( log20)()(0

0 RRPdddPdP +=+=

La perdida en la trayectoria para el punto de referencia es:

El modelo de prdida en el espacio libre 20log(R) donde R= distancia en metros, si d0

El modelo de prdida en la trayectoria para interiores. 30log(R) = 1 metro

donde R= distancia en metros, si d0

= 1 metro

(2.12)

(2.13)

(2.14)

28

Capitulo III Wireless LAN

3.1 Introduccin a las WLAN Comenzaremos por definir las siglas WLAN que provienen del vocablo ingles y que tiene un significado de Wireless Local Area Network que en espaol se traduce como Redes de rea Local Inalmbricas. Estas redes en la actualidad proporcionan flexibilidad y movilidad al eliminar el uso de cables a diferencia de las redes de rea local (LAN siglas en ingles). Es importante mencionar que las redes WLAN no sustituyen a las redes LAN mas all de esto las WLAN son el complemento de las redes alambicas. Este tipo de redes ofrecen gran movilidad a los usuarios, ya que no es preciso estar en un mismo lugar sujeto a un cable sino que podemos desplazarnos con nuestro equipo en las reas donde se disponga de una red inalmbrica, satisfaciendo as nuestras necesidades de conexin. Hoy en da las redes inalmbricas son tan populares en universidades, oficinas, lugares de dispersin, etc.

3.2 Definicin de red inalmbrica Tal como su nombre lo indica, las redes inalmbricas son aqullas que carecen de cables. Gracias a las ondas de radio, se lograron redes de computadoras de este tipo. Estas redes pueden ampliar una red ya existente y facilitar el acceso a usuarios que se encuentren en un lugar remoto, sin la necesidad de conectar sus computadoras con un cable; estos usuarios podran acceder a la red de su empresa o a la computadora de su casa en forma inalmbrica, sin configuraciones adicionales. Las primeras redes inalmbricas conocidas fueron las infrarrojas, que trabajaba con frecuencias de radiacin electromagntica ms bajas que las actuales redes Wireless.

3.3 Organizacin IEEE Es la Abreviacin de Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos) fue formada en 1884 y es una organizacin compuesta de Ingenieros, cientficos y estudiantes. El IEEE es mayormente conocido por desarrollar estndares para computadoras y la industria electrnica. Hoy en da, el IEEE es la organizacin tcnica profesional ms grande y prestigiada del mundo, sus actividades se extienden mucho ms all de lo que sus predecesores podran haber previsto. Sigue siendo, sin embargo y justo como hace ms de un siglo, el vocero principal de los ms importantes y excitantes campos tecnolgicos de su tiempo.

29

La IEEE es una organizacin no lucrativa que tiene ms de 370,00 miembros a nivel mundial. Tiene 319 secciones en 10 reas geogrficas. Han definido ms de 900 estndares y tienen 400 en desarrollo.

3.4 Estndar IEEE 802 El estndar IEEE 802 para redes de rea local es ampliamente difundido y seguido. Como podemos observar en la tabla 3.1 el estndar IEEE 802 a su vez es un conjunto de estndares para redes.

ESTNDAR GRUPOS DE TRABAJO 802.0 Comit ejecutivo patrocinador, SEC

802.1 Interfaces de red de rea local de alto nivel (high-level LAN interfaces)

802.2 Control lgico de enlace, LLC (Logical Link Control)

802.3 CSMA/CD (Ethernet)

802.4 Token bus

802.5 Token ring

802.6 MAN (Red de rea metropolitana)

802.7 Emisin (Grupo tcnico de recomendacin)

802.8 Fibra ptica (Grupo tcnico de recomendacin)

802.9 Redes de rea local isosncronas

802.10 Seguridad de interoperacin de redes de rea local

802.11 Redes de rea local inalmbrica

802.12 Prioridad de demanda

802.14 Red de cable de comunicaciones de banda ancha

802.15 Redes personales inalmbricas WPAN

802.16 Acceso inalmbrico de banda ancha BWA

Tabla 3.1. Estndares segn la norma 802 para redes.

3.4.1 Las capas de IEEE 802 La norma IEEE 802 define exclusivamente los temas relacionados con las 2 primeras capas del sistema OSI: la capa fsica y la de enlace. Tomando en cuenta que la capa de enlace la divide en dos, por lo que el resultado son tres capas:

PHY (Physical Layer, Capa Fsica). Es la capa que se ocupa de definir los mtodos por los que se difunde la seal.

MAC (Medium Accsess Control, Control de acceso al medio). Es el mecanismo encargado del control de acceso de cada estacin al medio. Puede realizarse de forma distribuida cuando todas las estaciones cooperan para determinar cul es y cundo debe acceder a la red, para esto est un conjunto de protocolos. En el caso de Wi-Fi el medio fsico es el espectro radioelctrico.

30

LLC (Logical Link Control, Control del enlace lgico). Esta capa es la encargada de transmitir tramas entre dos estaciones sin tener que pasar por ningn nodo intermedio, define cmo pueden acceder mltiples usuarios a la capa MAC e identificar todos los posibles accesos a ella. TCP/IP OSI

IEEE

Capa 4 TCP Transporte Capa 3 IP Red 802.1

Enlace de

Datos

Control de Enlace Lgico (LLC) 802.2

Control

802.3

de 802.4 Fsica

Acceso 802.6 (PHY)

Medio 802.9

(MAC) 802.11

Capa 2

Capa 1

Fsica

Figura 3.1. Comparativo del protocolo 802.X con las capas del modelo OSI.

3.5 Estndar 802.11 En 1997 la IEEE aadi un nuevo miembro a la familia 802 que se ocupa de definir las redes de rea local inalmbricas. Este nuevo miembro es el 802.11 para WLAN. La primera norma 802.11 utilizaba infrarrojo como medio de transmisin y nunca tuvo una muy buena aceptacin en el mercado. Posteriormente salieron otras dos normas 802.11 basadas en el uso de radiofrecuencia en la banda de 2.4 Ghz. Ambas se diferencian en el mtodo de transmisin de radio utilizado. Una utiliza el sistema FHSS y la otra, el sistema DSSS. El mayor inconveniente de los sistemas inalmbricos definidos originalmente por 802.11 es que trabajan a velocidades de 1 y 2 Mbps. Esto, unido al alto coste inicial de los equipos, hizo que la tecnologa inalmbrica no se desarrollara hasta 1999. En ese ao aparecieron semiconductores de tecnologa de radio de 2.4 Ghz mucho ms baratos. Por otro lado, aparecieron tres nuevas versiones de la norma 802.11

CARACTERSTICAS Publicada 1997 Velocidad 1 y 2 Mbps Modulacin FHSS y DSSS Banda de Frecuencia 2.4 Ghz

Tabla 3.2. Caractersticas principales del protocolo 802.11

3.6 Bandas de Frecuencias usadas en WLANs 3.6.1 2.4 GHz

31

La gama de frecuencias de 2,4-GHz es probablemente el ms ampliamente utilizado en WLANs. Se utiliza por los estndares 802.11, 802.11b, 802.11g, y las normas de IEEE 802.11n. El rango de frecuencias de 2,4 GHz puede utilizarse en WLANs se subdivide en canales que van desde 2,4000 a 2,4835 GHz. En Estados Unidos se tienen 11 canales, cada canal tiene un ancho de 22 MHz. Unos canales se traslapan con los dems y causan interferencias. Por esta razn, los canales 1, 6, y 11 son los ms comnmente utilizados, ya que no se traslapan De hecho, muchos productos inalmbricos, estn sujetos a seleccionar solo uno de los tres canales. En la figura X.X se muestran los 11 canales, incluyendo los traslapes Como se puede observar los canales 1, 6, y 11 no se traslapan.

Figura 3.2. Canales de transmisin del las WLANs

3.6.2 5 GHz La gama de 5 GHz es utilizado por el estndar 802.11a y el nueva norma 802.11n. En el estndar 802.11a, velocidad de transmisin de datos puede variar desde 6 Mbps a 54 Mbps. Dispositivos con 802.11a nose vieron en el mercado hasta el ao 2001. El 5-GHz se subdivide en canales, 20-MHz de ancho cada uno. La gama de 5 Ghz cuenta con un total de 23 canales no traslapados. La frecuencia de 5-GHz utiliza la Multiplexin por Divisin de Frecuencia Ortogonal (OFDM por sus siglas en ingls Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

3.7 Clasificacin del estndar 802.11

IEEE 802.11b. Elev la velocidad de transmisin a los 11Mbps. Por este motivo se le conoci tambin como 802.11 HR (High data Rate, Alta Velocidad).

CARACTERSTICAS

Publicada 1999 Velocidad 1, 2, 5.5 y 11 Mbps Modulacin DSSS Banda de Frecuencia 2.4 Ghz Canal de operacin 1, 6 y 11

Tabla 3.3. Caractersticas principales del protocolo 802.11b

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VELOCIDAD RANGO

(AMBIENTES CERRADOS) RANGO

(AIRE LIBRE)

11 Mbit/s 50 m 200 m

5,5 Mbit/s 75 m 300 m

2 Mbit/s 100 m 400 m

1 Mbit/s 150 m 500 m

Tabla 3.4. Velocidad vs. Distancia en 802.11b.

IEEE 802.11a. Esta norma se diferencia de 802.11b en el hecho de que no utiliza la banda de los 2.4 Ghz, sino la de los 5Ghz y que utiliza una tcnica de transmisin conocida como OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Multiplexacin Ortogonal por divisin de frecuencia). La gran ventaja es que se consiguen velocidades de 54Mbps; llegndose a alcanzar los 72 y 108 Mbps con versiones propietarias de esta tecnologa (por ejemplo, la de Netgear). El mayor inconveniente es que la teora de semiconductores para 5 Ghz no est suficientemente desarrollada todava.

CARACTERSTICAS

Publicada 1999 Velocidad 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps Modulacin OFDM Banda de Frecuencia 5.0 Ghz Canal de operacin Cada banda tiene 4 canales, y la

mitad 8 son usados con 52 subcanales cada canal

Tabla 3.5. Caractersticas principales del protocolo 802.11a

VELOCIDAD RANGO

54 Mbit/s 10 m

48 Mbit/s 17 m

36 Mbit/s 25 m

24 Mbit/s 30 m

12 Mbit/s 50 m

6 Mbit/s 70 m

Tabla 3.6. Velocidad vs. Distancia en 802.11a en ambientes cerrados.

33

IEEE 802.11g. Esta norma surgi en el ao 2001 con la idea de aumentar la velocidad sin renunciar a las ventajas de la banda de los 2.4Ghz. Esta norma permite transmitir datos a 54Mbps. En cualquier caso, existen versiones propietarias de esta tecnologa que llegan a los 100Mbps (por ejemplo, la de USRobotics).

CARACTERSTICAS Publicada Junio 2003 Velocidad 1, 2, 5.5 y 11 Mbps con DSSS

6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps con OFDM

Modulacin DSSS y OFDM Banda de Frecuencia 2.4 Ghz Canal de operacin 1, 6 y 11

Tabla 3.7. Caractersticas principales del protocolo 802.11g

VELOCIDAD RANGO

(AMBIENTES CERRADOS)

RANGO (AIRE LIBRE)

54 Mbit/s 27 m 75 m

48 Mbit/s 29 m 100 m

36 Mbit/s 30 m 120 m

24 Mbit/s 42 m 140 m

18 Mbit/s 55 m 180 m

12 Mbit/s 64 m 250 m

9 Mbit/s 75 m 350 m

6 Mbit/s 90 m 400 m

Tabla 3.8. Velocidad vs. Distancia en 802.11g.

IEEE 802.11n. En enero de 2004 el IEEE anunci la formacin de un nuevo grupo de trabajo con el objetivo de desarrollar un nuevo estndar con el que alcanzar velocidades de transmisin ms elevadas que las actuales (se ha llegado a hablar de hasta 540Mbps). No obstante, algunos fabricantes han sacado ya algunos productos basados en el primer boceto de 802.11n con la promesa de actualizar el firmware cuando salga la versin definitiva. La caracterstica ms destacable de 802.11n es que incorpora varias antenas para poder utilizar varios canales simultneamente. Es lo que se conoce como MIMO (Multiple Input Multiple Output, Mltiple entrada Mltiple salida).

34

ESTNDAR AO DESCRIPCIN

802.11 1997 Especificaciones de la capa fsica y MAC de las redes de rea local inalmbricas (infrarrojo y radio 2.4Ghz)

802.11 a 1999 Especificaciones para redes inalmbricas de alta velocidad (54Mbps) en la banda de 5Ghz.

802.11 b 1999 Especificaciones de la capa fsica y MAC de las redes inalmbricas de rea local de rango de velocidad de 5.5 a 11 Mbps(radio 2.4Ghz)

802.11 c 1998 Define las caractersticas que necesitan los puntos de acceso para actuar como puentes (Bridges)

802.11 d 2001 Adaptacin a los requerimientos regionales (modo mundial) 802.11 e 2005 Calidad de servicio para aplicaciones de tiempo real (voz, video, etc.) 802.11 f 2000 Interoperatividad entre puntos de acceso de distintos fabricantes (Interaccess Point

Protocol, IAPP) para permitir la itinerancia 802.11 g 2003 Especificaciones para redes inalmbricas de alta velocidad (54Mbps) en la banda de

2.4Ghz 802.11 h 2003 Mejoras en la gestin del espectro (seleccin dinmica del canal y control de

potencia de transmisin) 802.11 i 2004 Mejoras para seguridad y autentificacin 802.11 j 2004 802.11 a con canales adicionales por encima de 4.9Ghz (802.11 a en Japn) 802.11 k 2002 Intercambio de informacin de capacidad entre clientes y puntos de acceso 802.11 m 2003 Estndar propuesto para mantenimiento de redes inalmbricas 802.11 n 2006 Nueva generacin para redes inalmbricas de alta velocidad (hasta 540Mbps

tericos). Existen propuestas para 2, 4 y 5 Ghz. 802.11 p 2009? Acceso inalmbrico para el entorno de vehculos (coches, ambulancias, etc.)

Tabla 3.9. Estndares de 802.11 para redes inalmbricas.

3.8 La capa fsica de IEEE 802.11 Como hemos visto, la capa fsica se ocupa de definir los mtodos por los que se difunde la seal. Para hacer esto, la capa fsica de IEEE 802.11 se divide en dos subcapas conocidas como PLCP (Physical Layer Convergence Procedure, Procedimiento de convergencia de la capa fsica) y PMD (Physical Medium Dependent, Dependiente del medio fsico). PLCP se encarga de convertir los datos a un formato compatible con el medio fsico, este formato es distinto si se trata de un medio fsico de infrarrojo o de radio, mientras que PMD es el que se encarga de la difusin de la seal. Aunque las especificaciones originales de IEEE 802.11 contemplan la opcin de utilizar infrarrojo como medio de transmisin, no obstante, nunca ha llegado a desarrollarse este sistema debido principalmente al corto alcance que ofrece y a que no es utilizable en el exterior debido a las interferencias producidas por agentes naturales como la lluvia y la niebla.

Figura 3.3. Normas de Capa Fsica 802.11

35

3.9 Sistemas de modulacin inalmbrica La tecnologa inalmbrica adems de sus diferentes estndares de comunicacin cuenta con algo que todos estos tienen en comn: esto es, la forma en que ordenan las seales de datos que se envan. En lugares donde el nmero de habitantes es muy alto, podemos llegar a encontrar un gran nmero de aparatos inalmbricos que estn enviando seales al mismo tiempo utilizando un grupo similar de frecuencias. Los dispositivos wireless usan diferentes tipos de estrategias para resolver este solapamiento de seales, de los cuales mencionaremos los ms utilizados.

3.9.1 FHSS La tcnica FHSS (Espectro Expandido por salto de frecuencia) consiste en dividir la banda de frecuencia en una serie de canales e ir transmitiendo la informacin saltando de un canal a otro de acuerdo con un patrn de salto (spreading code o hopping code) conocido tanto por el emisor como por el receptor. El tiempo mximo que se debe permanecer en cada frecuencia est regulado en 400mseg. El inconveniente de FHSS es que tiene la necesidad de sincronizar el emisor y el receptor en la frecuencia a utilizar en el momento. Este problema fue resuelto por los ingenieros de Sylvania Electronic Systems a finales de los aos 50. El estndar IEEE 802 .11 defini en 1997 que cada canal de FHSS tuviera un ancho de banda de 1 MHz dentro de la banda de frecuencia de 2.4 GHz. El ancho de banda total disponible y, por tanto, el nmero total de canales disponibles vara de acuerdo con el marco regulatorio de cada pas o rea geogrfica. En cualquier caso, siempre existen tres juegos de secuencia de saltos. La tcnica FHSS reduce las interferencias porque, en el peor de los casos, la interferencia afectar exclusivamente a uno de los saltos de frecuencia, liberndose a continuacin de la interferencia al saltar a otra frecuencia distinta. El resultado es que el nmero de bits errneos es extremadamente bajo. Otra de las ventajas de FHSS es que permite que coexistan varias comunicaciones en la misma banda de frecuencias. Para ello, cada comunicacin debe tener un patrn de saltos con distinta secuencia.

Figura 3.4. Correccin de errores FHSS.

36

A pesar de que el estndar original IEEE 802.11 inclua el sistema FHSS, no existe ninguna instalacin real que utilice este sistema. La razn es que la velocidad mxima que se consigue con la tcnica FHSS es de unos 3Mbps (aunque slo est normalizada la velocidad de 1Mbps). No obstante, es posible que en un futuro se consigan velocidades superiores. Se hable de hasta 15Mbps.

3.9.2 DSSS La tcnica DSSS (Espectro expandido de secuencia directa) se basa en sustituir cada bit de informacin por una secuencia de bits conocida como chip o cdigo de chip (chipping code en ingles). Estos cdigos de chip permiten a los receptores eliminar por filtrador las seales que no utilizan la misma secuencia de bits. Entre las seales que son eliminadas se encuentra el ruido y las interferencias. El cdigo de chip permite al receptor identificar los datos como pertenecientes a un emisor determinado. El emisor genera el cdigo de chip y slo los receptores que conocen dicho cdigo pueden descifrar los datos. Por tanto, en teora, DSSS permite que varios sistemas puedan funcionar en paralelo; cada receptor filtrar exclusivamente los datos que se corresponden con su cdigo de chip. Por otro lado, cuanto ms largo es el cdigo de chip, ms resistente ser el sistema a las interferencias y mayor nmero de sistemas podr coexistir simultneamente. La norma IEEE 802.11 especifica que la longitud minima del cdigo de chip debe ser de 11.

Figura 3.5. Transmisin DSSS.

En la prctica la coexistencia de varios sistemas no se obtiene por el uso de varios cdigos de chip, sino por el uso de distintas bandas de frecuencia. Un sistema DSSS de 11Mbps (IEEE 802.11b) necesita un ancho de banda de 22 MHz, siendo la distancia minima entre portadoras de 30 MHz. Como el ancho de banda disponible en la banda de 2.4Ghz (en el rea regulada por la FCC) es de 83.5 MHz, slo es posible la coexistencia de tres sistemas DSSS en el mismo lugar.

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3.9.3 BPSK La principal diferencia entre BSPK y QSPK es la forma de onda en la misma frecuencia. Si las formas de onda de pico estn al mismo tiempo, se dice que estn en fase, o de 0 grados. Si las dos ondas de pico estn en distintos momentos, se dice que estn fuera de fase. Phase-Shift Keying (PSK) representa informacin por el cambio la fase de la seal. BPSK es el mtodo ms simple de PSK. En BPSK, se utilizan dos fases que estn separadas por 180 grados. BPSK puede modular 1 bit por smbolo. Para simplificar esto, un cambio de fase de 180 grados es un 1, y un cambio de fase de 0 grados es 0.

Figura 3.6. Forma de onda.

3.9.4 QPSK En BPSK, en bajas tasas de transmisin se codifica 1 bit por smbolo. QPSK tiene la capacidad de codificar 2 bits por smbolo. Esta tasa de datos dobles est disponible en BPSK mientras se mantenga el mismo ancho de banda, en la velocidad de 2-Mbps

3.9.5 OFDM La OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Multiplexacin ortogonal por divisin de frecuencia) es la tcnica de gestin de frecuencia utilizada por el IEEE 802.11a (ao 1999) y 802.11g (ao 2002). Esta tcnica divide el ancho de banda en subcanales ms pequeos que operan en paralelo. De esta forma se consigue llegar a velocidades de transmisin de hasta 54Mbp (100Mbps con soluciones propietarias). La tcnica OFDM fue patentada por Bell Labs en 1996 y esta basada en un proceso matemtico llamado FFT (Fast Fourier Transform, transformacin rpida de Fourier). OFDM divide la frecuencia portadora en 52 subportadoras solapadas, 48 de estas subportadoras son utilizadas para transmitir datos y las otras cuatro para poder alinear la s frecuencias en el receptor. Este sistema consigue un uso muy eficiente del espectro radioelctrico. OFDM puede transmitir datos a distintas velocidades, utilizando distintas tcnicas de modulacin en cada una de ellas. Las velocidades normalizadas que admite OFDM son 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps.

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Una de las ventajas de OFDM es que consigue una alta resistencia a las interferencias producidas por las ondas reflejadas en los objetos del entorno (eco o multipath). Estas ondas llegan al receptor con distinta amplitud y a distinto tiempo que la seal principal produciendo interferencias. Estas interferencias son un problema a velocidades superiores a 4Mbps; por este motivo, se utilizan tcnicas (como OFDM) que mitiguen este efecto.

Figura 3.7. OFDM vs. transmisin por canal simple.

3.9.6 MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) MIMO es la tecnologa utilizada en la nueva especificacin 802.11n. Un dispositivo que utiliza la tecnologa MIMO utiliza mltiples antenas para la recepcin de seales (por lo general dos o tres), adems de mltiples antenas para enviar seales. La tecnologa MIMO puede ofrecer velocidades de datos superiores a 100 Mbps mediante la multiplexacin de datos simultneamente en un canal. En otras palabras, si desea que las tasas de datos sean superiores a 100 Mb/s, se envan mltiples flujos en ms de un canal en rgimen de servidumbre, y no uno slo. Utilizando avanzados procesamiento de seales, los datos pueden ser recuperados despus de haber sido enviados en dos o ms corrientes. Con el uso de la tecnologa MIMO, un punto de acceso (AP) puede comunicarse con un dispositivo no-MIMO y an as ofrecer un 30 por ciento de aumento en el rendimiento de la norma 802.11a/b/g.

3.9.7 Comparacin de esquemas de modulacin inalmbrica Como podemos observar, DSSS es preferido sobre FHSS para WLAN 802.11b debido a la cantidad de datos que un canal puede enviar o recibir y OFDM es actualmente el esquema de modulacin ms popular.

VENTAJAS DESVENTAJAS FHSS Potencial para mayor nmero de co-locaciones Propenso a

interferencias DSSS Tolerante a interferencias Velocidad y mayor

rendimiento (throughput) que FHSS N/A

OFDM Alto rendimiento (throughput) Soporta velocidades sobre 100 Mbps para WLAN

802.11a, Soporta velocidades por encima de 54 Mbps

802.11g

N/A

Tabla 3.10. Comparacin de esquemas de modulacin inalmbrica.

39

3.10 Topologas de la red inalmbrica Las topologas inalmbricas se basan primordialmente en la forma en que se comunican los dispositivos y no en el medio de comunicacin. Existen tres tipos de topologas los cuales se mencionan a continuacin.

Figura 3.8. Descripcin de las topologas de redes inalmbricas.

3.10.1 WPAN Las redes inalmbricas de rea personal WPAN por sus siglas en ingles Wireless Personal Area Network son redes que comnmente cubren distancias del orden de los 10 metros como mximo, normalmente utilizadas para conectar varios dispositivos porttiles personales. Esta comunicacin de dispositivos peer-to-peer normalmente no requiere de altos ndices de transmisin de datos. Una conexin echa a travs de una WPAN involucra muy poca o nula infraestructura. El tipo de mbito y los relativos bajos ndices de datos tienes como resultado un bajo consumo de energa hacindola adecuada para el uso con dispositivos mviles pequeos como cmaras digitales, PDAs, telfonos celulares, impresoras.

3.10.2 WLAN Redes inalmbricas de rea local WLAN (Wireless Local Area Network) cubren distancias entre 10 y 100 metros con una menor potencia de transmisin que a menudo permite el uso de bandas de frecuencia sin licencia. Tienen ndices de transmisin de hasta 11 Mbps y una plataforma ms robusta.

3.10.3 WMAN Las redes inalmbricas de rea metropolitana, WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) tambin se conocen como bucle local inalmbrico (WLL, Wireless Local Loop). Las WMAN se basan en el estndar IEEE 802.16. Los bucles locales inalmbricos ofrecen una velocidad total efectiva de

WMAN Ciudades y ms

WMAN Una comunidad

WLAN

40

1 a 10 Mbps, con un alcance de 4 a 10 kilmetros, algo muy til para compaas de telecomunicaciones. La mejor red inalmbrica de rea metro