Redes inalámbricas

Redes de comunicación que utilizan como medio de transmisión el espectro radio-eléctrico.

Clasificación por radio de acción

File:Data Networks classification by spatial scope.png
WXAN = Wireless X Area Network
  • Nano: para dispositivos de escala nanométrica que trabajan de forma conjunta realizando acciones muy simples.
  • Near-Field (NFC): <4cm (tarjetas bancarias contact-less).
  • Body – WBAN: 1 ó 2 metros, poca potencia (dispositivos «wereables» o implantes como sensores corporales, marcapasos, smartwatch, etc).
  • Personal – WPAN: < 10 metros (nube personal, dispositivos cercanos al usuario, bluetooth, etc).
  • Local – WLAN: +200 metros (oficinas, hogares, edificios).
  • Campus/Corporate – WCAN: extensión de un campus universitario o cualquier área suficientemente extensa como para necesitar de varias LAN interconectadas entre sí para formar una sola de mayor extensión (sin llegar al rango de una ciudad).
  • Metropolitan – WMAN: extensión de una ciudad o entorno metropolitano. Aunque hay redes WMAN como WiMax que superan a las WRAN con 50Km de distancia.
  • Regional – WRAN: extensión regional (unos 30 Km), aprovechan los espacios blancos del espectro de los canales de TV para crear redes que no provoquen interferencias para llegar a zonas poco pobladas o de ambiente rural. Los canales de TV tienen poca frecuencia y por ende poco bitrate, por ello se usan técnicas de unión de canales para usar varios canales a la vez. También hacen uso de técnicas de radio cognitiva (para adaptarse al espectro radio-eléctrico libre, ya que es posible que no todas las regiones tengan los mismos espacios blancos).
  • Wide – WWAN: extensión de uno o varios países o regiones (telefonía móvil).

Espectro Radio-eléctrico

Las redes inalámbricas aprovechan la capacidad tecnológica para generar radiación electromagnética de forma artificial para conseguir transmitir información sin necesidad de cables.
Esta radiación es un campo oscilante que transporta energía y que viaja a la velocidad de la luz (fotones), algunas de ellas visibles al ojo humano (espectro de la luz visible) y otras altamente ionizantes (rayos X, gamma, etc).

informatica232: ELECTRÓNICA BÁSICA
Onda oscilante
Las ondas de radio convencionales llegan hasta el espectro de la luz infrarroja

Ondas de radio: son las ondas del espectro radio-eléctrico que van desde los 3KHz a los 300GHz (3*10^12Hz). Este es el espectro usado por las redes inalámbricas:

Distribución convencional del espectro radio-eléctrico (según la ITU, International Telecomunications Union, hay otras clasificaciones como la del IEEE o EU / NATO / US ECM).

Por ejemplo, la Radio FM comercial emite entre los 87.5 – 108 MHz (zona VHF); mientras que la AM emite entre los 535 – 1605 KHz (zona MF).

Banda ISM (Médico-Científica): Conjunto de rangos de frecuencia libres de licencias gubernamentales (respetando límites de potencia) reservado para propósitos «Industrial, Scientific and Medical» (ISM). Wi‐Fi, Bluetooth, WiBree y ZigBee entre otros usan esta banda de frecuencias.
Rango: 902‐928MHz, 2.400‐2.483,5MHz y 5.725‐5.850MHz.

Pérdida de intensidad de señal: los fenómenos ondulatorios (como la radiación electromagnética) pierden intensidad (esto es, se atenúa su amplitud de onda) a medida que se alejan de la fuente emisora, concretamente siguiendo la Ley del cuadrado inverso.

Ley del cuadrado inverso.

RSSI (Received Signal Strength Indicator): Eventualmente una antena receptora no será capaz de distinguir las amplitudes de onda (intensidad) del ruido de fondo del medio y por ende no habrá comunicación factible. Esta intensidad captada por la antena receptora se mide en decibelios y es llamada RSSI. Esta puede ser calculada a priori:

Relación Señal-Ruido (SNR): relación entre la amplitud o potencia de la señal enviada y la amplitud o potencia de otras señales del mismo espectro radioeléctrico.

Ancho de banda (Bandwidth): la cantidad de frecuencias que ocupa una señal.

Canal: División del espectro en anchos de banda fijos (varía según el protocolo de comunicación).

Teorema de Shannon‐Hartley: La capacidad de transmisión (bitrate) del canal crece linealmente con el ancho de banda y decrece de forma logarítmica con la relación señal-ruido(SNR).

Multiplexación del espectro

Para evitar interferencias y poder compartir el medio de comunicación, se usan diferentes técnicas de multiplexación para que varias señales de onda modulada sean transmitidas a la vez; técnicas conocidas como «métodos de acceso al canal» o «métodos de acceso múltiple». En el modelo OSI, estos métodos de acceso normalmente se definen en la capa MAC (control de acceso al medio), dentro de la capa data-link (DLL).

DLL = MAC + LLC

Modulación de onda portadora: se dice que una onda sinusoidal (conocida como «la portadora«) es modificada en algún aspecto (amplitud, frecuencia, fase, etc) a través de la combinación con otra señal de entrada (la información lógica a transmitir) llamada «onda moduladora«, generando así una nueva onda modulada que incluye la información de la señal de entrada mezclada de alguna forma con la portadora. En teoría, conociendo cuáles son las características de la onda portadora, se puede extraer la información que se le añadió mediante el proceso de demodulación. Así funciona por ejemplo la sintonización de cadenas FM, en las cuales se conoce cuál es la frecuencia de la portadora (Por ejemplo 101.1 Mhz) y el dispositivo receptor (la radio) filtra ondas a esa frecuencia al sintonizar en la 101.1 y las demodula para obtener la información que trae la onda consigo.

Modulation Techniques - PWM and Pulse Code Modulation
Modulación A.M.
Se modula la portadora manipulando su amplitud según el valor que tenga la señal de entrada (onda moduladora). El resultado es una onda modulada con la frecuencia de la portadora y con amplitud variable (que indica los valores de la señal que se desea transmitir). La amplitud de la onda modulada por tanto es directamente proporcional al valor (voltaje, por ejemplo) de la señal de entrada (información).

Hay varias técnicas de modulación de ondas:

  • Analógica: como la AM y la FM usadas en la radio comercial.
  • Digital: también llamado «line code», como OOK (On-Off Keying), la forma básica de representar ceros y unos en una señal digital según si hay presencia o ausencia de una portadora. Técnicamente un cable transporta una señal digital si consideramos las fluctuaciones de voltaje como una onda «cuadrada» (ceros y unos).
  • Espectro disperso (SS): señales que usan más ancho de banda del que realmente necesitan para enviar la información mediante saltos de canales pequeños de frecuencias o usando un amplio espectro de frecuencias para evitar colisiones con otras señales.

Métodos de acceso múltiple al canal

Una vez que se tiene la onda modulada para poder transportar información, se requieren técnicas de multiplexación para conseguir que varios usuarios puedan acceder de forma «concurrente» al medio de transmisión. Recordemos que la multiplexación consiste en la combinación de señales en una sola (siguiendo algún patrón conocido por el receptor para que pueda descomponer las señales -demultiplexación- y posteriormente demodular la señal).

Hay tres tipos:

  • FDMA (Frecuency Division Multiple Access): Divide el medio en frecuencias para que cada usuario utilice una al mismo tiempo (modulación de frecuencias). Normalmente esa división de frecuencias se le llama canal y se establece dentro de cada protocolo de comunicación el número de canales y su ancho de banda (cuántos Hercios ocupa). Este método es más propio de señales analógicas (como en la variación del voltaje en un cable de cobre o directamente ondas electromagnéticas).
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Canales de tres protocolos diferentes.
  • TDMA (Time …): Divide el medio en rodajas de tiempo usando todo el ancho de banda del protocolo. Así varios usuarios pueden usar el medio alternando en el tiempo con otras emisiones (multiplexación de tiempo). Este método es más propio de señales digitales.
  • CDMA (Code …): Multiplexa las señales asignándole un código a cada usuario, esto es, una secuencia pseudoaleatoria que modificará la frecuencia de la señal de entrada (irá dando saltos entre frecuencias) o bien modificará su forma al combinarla con otra señal (que representa la secuencia aleatoria) mediante operación XOR. Estas dos técnicas pertenecen al grupo del espectro extendido ya que usan más ancho de banda del que realmente necesita la señal de entrada, concretamente pertenecen a las técnicas de salto de frecuencias y de secuencia directa respectivamente.
Ilustración de los métodos de acceso múltiple al medio
  • CSMA-CA: Un tipo especial de TDMA es la «Carrier-Sense Multiple Access» con «Collition Avoidance«, esto es, un protocolo que detecta si existe portadora en el medio (dentro del espectro de frecuencias de su protocolo, claro) antes de empezar a transmitir para evitar colisiones (interferencias). Es similar al ejemplo de «esperar a que nadie hable para que uno pueda empezar a hablar». Es un tipo de TDMA en el sentido de que sólo habla uno a la vez, incluso hay variantes del protocolo en el que se establecen rodajas de tiempo fijas para cada estación (como en el TDMA estricto). Suele utilizarse con redes pequeñas como las WLAN e inferiores. En redes cableadas como Ethernet se usa el protocolo CSMA-CD, que detecta las colisiones, cosa que en una red inalámbrica no se puede conseguir.

Espectro expandido (SS)

El espectro expandido (Spread Spectrum, o expectro difuso, ensanchado, o disperso) es una técnica empleada para enmascarar varias señales dentro de un ancho de banda, o sea, cifrar la señal mediante asignación de códigos (CDMA) y además conseguir coexistir con otras frecuencias ya ocupadas.

Las técnicas empleadas para usar el espectro expandido modifican la señal de entrada con una nueva portadora (que es la secuencia cifradora) y es por ello que SS se incluye dentro del campo de modulación de ondas.

Hay dos métodos para lograr SS, y estas ya se consideran tipos de CDMA (control de acceso al medio por código):

FH-SS (Frequency Hoping SS): El ancho de banda ocupa varios canales pero en franjas de tiempo diferentes, emitiendo ráfagas cortas en cada canal. Lo que se consigue con esto es evitar las colisiones de emisiones constantes en esas mismas frecuencias de otros protocolos y además enmascarar la señal, siendo la clave «cifradora» la secuencia de saltos de canal. El receptor debe conocer los tiempos y saltos para decodificar la onda original.

Este es el método usado por el protocolo Bluetooth.

Cuando el canal coincide con la interferencia la señal no se recibe; la trama se retransmite en el siguiente salto

DS-SS (Direct Sequence SS): Se ocupa un mayor ancho de banda pero emplea una menor potencia, así la posibilidad de colisión con otras frecuencias es menor y no interfiere con las ya existentes debido a la baja potencia.

Aunque haya interferencia el receptor puede extraer los datos de la señal.

Para conseguir la multiplexación sin interferir en frecuencias ya ocupadas, la señal de entrada se combina con otra que sigue una secuencia pseudoaleatoria de «n» bits (llamada «n-bit chipping code») de mayor frecuencia; creando así una onda modulada digitalmente de menor potencia y mayor frecuencia, haciendo que los demás radiorreceptores de otros protocolos que compartan este canal confundan esta señal con ruido.

Conociendo la secuencia pseudo-aleatoria y usando el producto escalar de vectores se puede recuperar la señal.

Este es el método empleado en la Wi-Fi. El estándar IEEE 802.11 establece un mínimo de 11 bits (chips) para el n-bit chipping code, siendo 100 el óptimo.

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La frecuencia de la señal de entrada (Tb) es mucho menor que la frecuencia empleada para la transmisión (Tc), amplía su ancho de banda y reduce su potencia para conseguir usar el mismo rango de frecuencias que las demás señales.

Estándares

  • Nano: IEEE P1906.1
  • Near-Field (NFC): ISO/IEC 18092/ 21481 , ECMA-340/ 352
  • WBAN y WPAN: Bluetooth, Zigbee, UWB -UltraWideBand- (estándar IEEE 802.15).
  • WLAN: Wi-Fi (estándar IEEE 802.11a/b/g/n).
  • WCAN: las mismas que WLAN + protocolos usados para interconectar las LANs.
  • WMAN: WiMAX, WiBro, HiperMAN, Flash-OFDM (estándar IEEE 802.16/e, 802.20).
  • WRAN:
  • WWAN: 2-5G, GSM, CDMA.

Estándar IEEE 802

Estándares para la integración de redes de comunicaciones. Cada funcionalidad está contenida en subsecciones numeradas con el formato 802.X

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IEEE 802.11
Local

Definición y normas de las capas física y data link (MAC + LLC) para las redes de área local (W-LAN). Es el equivalente inalámbrico al Ethernet (IEEE 802.3).

Wi-Fi (Wireless Fidelity) es la marca comercial de la cual parte el estándar IEEE. Hay varios tipos de Wi-Fi aceptadas internacionalmente y recogidas en las variantes 803.11a/b/g/n.

IEEE 802.15/.6
Body & Personal

Este protocolo se crea para coexistir con las WLAN (802.11).

  • IEEE 802.15 (Personal AN): redes de área personal. Dispositivos CERCA del usuario.
  • IEEE 802.15.4 (Low Rate-WPAN): redes WPAN de bajo bitrate (20-250Kbps).
  • IEEE 802.15.6 (Body AN): redes de área corporal. Dispositivos EN EL CUERPO del usuario (como dispositivos «wereables» o implantes de baja potencia). Originalmente conocidas como BSN (Body Sensors Network). El estándar cumple con los límites de radiación absorbida específicos.

Son icónicos de este grupo del IEEE los siguientes protocolos:

  • BlueTooth (IEEE 802.15.1): comunicación inalámbrica de voz y datos, de corto alcance. Es robusto y sencillo. Sustituto del cableado.
  • UWB (UltraWideBand) (IEEE 802.15.3), que usa, como es lógico, un ancho de banda ultra ancho y de muy alta frecuencia (los dispositivos estarán cerca entre sí), entre 3.1GHz hasta 10.6GHz, lo que permite tasas de transferencias de hasta 1/2Gbps.
  • ZigBee (IEEE 802.15.4) que cubre el vacío bajo Bluetooth, con tasas de 20-250Kbps de 10-75m y hasta 255 nodos interconectados en red de malla.

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WiMAX Forum logo.svg

IEEE 802.16
Metropolitan

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es el nombre comercial de la implementación del protocolo para las redes WMAN.

Hacen uso del espectro de las microondas (de 2-11GHz para comunicación final entre estación base y usuarios y de 11-60GHz para comunicación con línea visible entre estaciones base) para transmitir hasta a 50Km a 70Mbps.

Se usa sobre todo para llegar a áreas metropolitanas donde no hay infraestructura de red cableada (por ejemplo rurales).

Dentro de las WMAN, se diferenciaban dos tipos:

  • WiMAX fija (802.16d-2004): tecnología de punto a varios puntos, un emisor envía a varios receptores.
  • WiMAX móvil (802.16e-2005), se basa en la tecnología OFDMA (acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal).

Actualmente (2020) las dos anteriores se fusionan en el estándar 802.16m-2011, también conocido como «Mobile WiMAX Release 2» o «WirelessMAN-Advanced«, actualiza el estándar con el objetivo de cumplir con los requerimientos de la ITU para sistemas 4G.

TEOCO-AIRCOM deal shows how assurance can move back to ...

IEEE 802.20
Wide

Estas redes de comunicación se apoyan en la tecnología de la red de telecomunicaciones móvil, incluyendo, en ocasiones combinación con redes WMAN como WiMAX móvil.

A pesar de existir un estándar IEEE 802.20 y el 802.16e/m de redes inalámbricas para teléfonos móviles, estas están inactivas o son poco utilizadas (por ejemplo la lucha entre el 4G y WiMAX que es el estándar 802.16e/m). Actualmente la estandarización e interoperabilidad entre las redes móviles es llevada a cabo por conjuntos de gobiernos y organismos internacionales; como la ETSI (European Telecommunications Standards Institute) que desarrolló el estándar de GSM (2G), la ITU (International Telecomunications Union) o el 3GPP (3rd Generation Partnership Project), organización de origen norteamericano (que desarrolló el estándar del 3G) y con sede actualmente (2020) en la misma que la ETSI: El parque tecnológico de Francia Sophia Antipolis.

Las principales redes de telefonía móvil hasta el día de hoy (2020) han sido:

2G: GSM

Sistema Global para comunicaciones Móviles. Desarrollado por la ETSI. Funciona mediante conmutación de circuitos con tasas de 56–114 Kbps.

2.5G: GPRS


Servicio General de Paquetes vía Radio. Desarrollado por la ETSI y actualmente mantenido por la 3GPP.
Empieza a introducir capacidad para la conmutación de paquetes de datos, por tanto su rendimiento depende del número de usuarios compartiendo el servicio a la vez (lo que se conoce como «best-effort»), a diferencia de lo que ocurre con la conmutación de circuitos, que garantiza un QoS mínimo por usuario. Utiliza TDMA dinámico para compartir el espectro radio-eléctrico.

Añade una nueva infraestructura paralela y complementaria a la del GSM.

VDF Signage: SERVICES + Optionale Ausstattung

3G: UMTS

Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles, también llamado 3GSM. Desarrollado y mantenido por el 3GPP, forma parte de los estándares de la ITU. Infraestructura completamente nueva, pero se sigue basando en el estándar GSM. Usa CDMA para el acceso al medio.

LTE Training | Long Term Evolution (LTE) Training | Courses

4G: LTE

Long Term Evolution. Desarrollado por la ITU, basa su protocolo íntegramente en el protocolo IP de Internet. El QoS ya es suficientemente alto como para ser considerado adecuado para el consumo de contenido multimedia.

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