El Mundo Inalámbrico
PRIMERA JORNADA DE TELEMATICA
ACIS
NOVIEMBRE DE 2003
ALVARO TORRES NIETO
CENTRO DE ESTUDIOS DE TELEMATICA
ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA
Ondas electromagnéticas
IMPORTANCIA
• El descubrimiento de las ondas de radio eliminó la
necesidad de tener un medio físico entre el transmisor y el
receptor
• La información viaja por el aire o por el vacío
comunicando a los interlocutores
• Así se puede llegar a lugares remotos
• Existe la inquietud de si las ondas afectan al ser humano.
• Siglo XXI: El Siglo de las comunicaciones móviles.
Descubrimiento de las Ondas
Electromagnéticas
Teoría de J. C. Maxwell (1864):
– deberian existir ondas intermedias entre las que
se oyen y las que se ven.
• H. Hertz (1888)
– lo comprueba: las genera y las mide.
• Ondas electromagnéticas o hertzianas.
Características de las ondas
electromagnéticas
• Producto de la radiación electromagnética
• Radiación: emisión y propagación de energía a
partir de una fuente.
– Ejemplo: radiación luminosa (luz), radiación
acústica (sonido), radiación térmica (calor).
• Ondas electromagneticas:
las causa una
perturbación eléctrica cuando una corriente
alterna de frecuencia alta (> decenas de
kilociclos/segundo) llega a una antena.
• Se propagan aproximadamente a la velocidad de la
luz (300.000Km/sg)
Frecuencia y Longitud de Onda
• Si la velocidad de la onda electromagnética es de
300.000 km./seg. , entonces:
La longitud de onda en Kms :
 = 300.000 / f
f es la frecuencia en ciclos/seg.
f . = c
 es la longitud de onda
• Si la f de las ondas electromagnéticas esta entre
104 y 1020 Hz, entonces:
 esta entre Kms y millonésimas de metro
El Espectro Electromagnético
• Espectro:
– Conjunto de elementos ordenado por algún
concepto
• Espectro electromagnético:
– Conjunto de ondas electromagnéticas ordenadas
por la la frecuencia, o por la longitud de onda
Radiofrecuencias
• Radiofrecuencias:
– frecuencias menores a la frecuencia de la luz
(1014 Hz.)
• Se emplean en telecomunicaciones y se
usan para radiotelegrafía, radiofonía,
enlaces de microondas terrestres y satélites,
telefonía celular, redes de comunicación
personal y otros como controles remotos,
bippers, teléfonos inalámbricos, etc..
Radiofrecuencias
(Cont.)
• G. Marconi (1895): radiotelegrafía (telegrafía
inalámbrica).
• Primera comunicación transatlántica 1901
• 1906 radiodifusión en Estados Unidos
• 1929 Primera emisora nacional: Radiodifusora
Nacional.
Radiofrecuencia (Cont.)
• 1903 primera reunión de la UIT para
discutir la administración de las ondas
electromagnéticas
• 1927 : se creo el CCIR Comité Consultativo
Internacional sobre el Radio
Antenas
• Conductores que transmiten y captan
las ondas electromagnéticas
• Pueden ser de dos tipos
– Omnidireccionales : transmiten ondas
hacia todas las direcciones.
– Unidireccionales: Las ondas que envían
tienen una dirección especiífica
Las Ondas de Radio
• Las frecuencias mas bajas del espectro son
las ondas de radio, o radio-ondas
• Comprende las bandas LF, MF, HF, VHF,
UHF y SFH
• Las frecuencias LF, MF Y HF son reflejadas
por la ionosfera (capa más alta de la
atmósfera)
Reflejo en la ionosfera
Ionosfera
Ondas
Celestes
Ondas directas
TIERRA
Transmisor
Receptor
PARA FRECUENCIAS BAJAS , POR EJEMPLO HF
Cubrimiento de Grandes
Distancias
Ionosfera
TIERRA
Transmisor
Receptor
Frecuencias Altas VHF,
UHF, ….
Ionosfera
TIERRA
Las Microondas
• Ondas electromagnéticas del
superior del espectro de radio,
extremo
– frecuencias (Gigahertz),
– longitud de onda del orden de centímetros
• Debido a su alta frecuencia no son
reflejados por la ionosfera
• Se usa para comunicaciones satelitáles o
con otros vehículos espaciales.
– También para enlaces terrestres.
Las Microondas (cont.)
• Utilizan antenas unidireccionales, que
producen un haz (aprox. 1.4 grados de
apertura) que se propaga en línea recta.
• Debe existir línea de vista entre el
transmisor y el receptor.
• Son afectadas por fenómenos atmosféricos.
– Necesario tener circuito de backup
• Buena capacidad de transmisión: 2400
canales de voz, o 45 Mbps
• Fácil de instalar y relocalizar
Las Microondas (cont.)
• Las antenas se colocan en torres o sitios
altos para salvar los obstáculos
• En terreno montañoso se colocan en picos
para lograr grandes distancias
• En terrenos planos se colocan torres
repetidoras cada 15-25 Kms. aprox.
• En general, a mayor frecuencia mayor
cercanía entre las torres repetidoras
Las microondas (cont.)
• Se utilizan tanto en enlaces terrestres como en
enlaces satelitáles
•El Ministerio de Comunicaciones se encarga de
asignación y mantenimiento del espectro
•Una licencia define el rango de frecuencias y el
área en que opera
•BER 1 x 10 -6
Las microondas (cont.)
• Mini-link
– Enlaces cortos,generalmente en la ciudad
– Usa cerros y edificios para tener línea de vista
• Problemas de las Microondas
– Requieren línea de vista
– Se afectan por fenómenos atmosféricos
– Requieren licencia del Ministerio
Comunicaciones
de
Rayos infrarojos
• Son ondas electromagnéticas, entre las microondas
y la luz, del orden de 100.000 GHz (100 THz)
• Para transmisión de información en áreas
reducidas.
– Ej. el control remoto de un televisor.
• Usados también en redes móviles en áreas
pequeñas (sin muros)
• Requieren línea de vista, pero no licencia por ser
para interiores principalmente
IrDA (Infrared Data Association)
• Define estándares para uso de infrarojos en
aplicaciones de corto alcance
• Para capacidades de 1 a 16 Mbps
• Se preve gran utilización en turismo,
transporte y transacciones de pago
electrónico
Rayos LASER
• LASER:
– Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,
•
•
•
•
•
– radiación electromagnética de una sola frecuencia
luz monocromática
Se usan frecuencias más cerca de infrarrojos que de la luz
visible, no perjudicial a la salud
Requiere perfecta alineación y línea de vista
No requieren licencia
Gran capacidad (hasta Gbps)
Tecnologia BLUE TOOTH
• Propuesta por Ericsson (1994), pero hoy muchos
fabricantes la trabajan
• Para áreas reducidas,en banda de 2.4Ghz
• Capacidades de 720 Kbps
• No requiere línea de vista ni licencia
• Facilita conexión en oficina,hogar, etc.
• Traspasan muros: interferencias,seguridad
• Encriptamiento y tecnologia FH-SS
Redes LAN Inalambricas
•
•
•
•
•
•
•
Familia de estantares definidos en IEEE 802.11
Inicialmente con spread spectrum hasta 2Mbps
IEEE 802.11a en banda de 5MHz, hasta 54Mbps
IEEE 802.11b en banda de 2.4MHz, hasta 11Mbps
IEEE 802.11g en banda de 2.4MHZ,hasta 54 MHz
Wireless Fidelity, Wi-Fi, se refiere a IEEE 802.11X
“Wi-Fi Certified” compatibilidad por Wi-Fi Alliance
Satélites
• Cuerpo que gira libremente alrededor de otro.
• Satélite natural: la luna
• Satélites artificiales: Han sido colocados en órbitas
por el hombre
• 1957: primer satélite artificial : Sputnik. Rusia.
• Hoy en día colocar un satélite en órbita es una
operación casi rutinaria
Usos de los SATELITES
• Principales usos de los satélites artificiales:
–
–
–
–
–
–
Estudio de fenómenos atmosféricos
Determinación de zonas geológicas
Identificación de cosechas
Inteligencia militar
Telecomunicaciones
Posicionamiento Geografico
Satélites de
Telecomunicaciones
• El satélite hace las veces de repetidor:
–
–
–
–
Recibe la señal que viene de la antena terrestre
La corrige y amplifica
La convierte a la frecuencia del enlace de regreso
La transmite a la tierra
• Los satélites emplean enlaces de microondas para
comunicarse con las antenas terrestres
• Uplink : enlace de subida
• Downlink : enlace de bajada
SATELITES DE TELECOMUNICACIONES
1963 se funda COMSAT entidad del gobierno de los
Estados
Unidos,para
los
satélites
de
telecomunicaciones
• En 1965 se lanzó el primer satélite de
telecomunicaciones llamado Early Bird.
• 1965 se funda INTELSAT a nivel internacional
(COMSAT tiene el 23%). TELECOM es socio .
• 1970
Primera
antena
terrestre
para
telecomunicaciones satelitales en Chocontá.
ORBITA GEOESTACIONARIA
• Los satélites se mantienen en órbitas al compensar
la fuerza centrífuga por la velocidad con la fuerza
de atracción de la gravedad terrestre
• Dependiendo de la altura, el satélite toma más o
menos tiempo en dar una vuelta completa
alrededor de la tierra (ej. Sputnik distancia 100
km., tomaba menos de una hora para dar la vuelta)
ORBITA GEOESTACIONARIA (Cont.)
• Cuando el satélite gira en una órbita situada sobre el
plano ecuatorial y a una distancia de 36.000 km
sobre el nivel del mar, el tiempo de giro es de 24
horas
• El satélite parece estar estático respecto a la tierra
pues gira sincronizadamente con ella
• Esta órbita se conoce como GEOESTACIONARIA
• La UIT asigna la posición de los satélites en ésta
órbita
ORBITA GEOESTACIONARIA
Plano del
Ecuador
36.000 Km.
ORBITA GEOESTACIONARIA
Satelites GEO, MEO, LEO
• GEO : Geostationary Earth Orbit
(a 36.000 Km)
• MEO : Medium Earth Orbit
(alrededor de 10.000-20.000 Km)
• LEO : Low Earth Orbit
(alrededor de 5.000 Km, o menos)
Satelites MEO Y LEO
• Los satélites MEO y LEO no están fijos con
respecto a la tierra. Para mantener la
sintonización, la antena lo sigue o debe
haber un tren de satelites.
TIERRA
INTELSAT e INMARSAT
• Exitosos ejemplos de sistemas GEO
• INTELSAT: consorcio multinacional para
telecomunicaciones comerciales. Nueve
generaciones , 21 satelites (24 proximamente)
• INMARSAT: consorcio, sede Londres, 4
satelites,4 generaciones.Inicialmente para
control maritimo. Prestara servicio BGAN
para servicios Internet y afiines
TRANSPONDERS
•
Un satélite tiene varias decenas de transponders;
cada uno de estos funciona como un subsatélite,
haciendo las siguientes tareas principales:
1. Recibe la señal de una antena terrestre (uplink),
la rectifica y amplifica
2. La convierte a la frecuencia de bajada
3. La retransmite hacia la tierra(downlink)
Vida util de un satelite
• Con los avances de la electrónica y las
baterías, la vida útil de un satélite ha
aumentado:
– 18 meses, del Early Bird
– 18 años, de los ultimos INTELSAT
Frecuencias Utilizadas
• Bandas C, Ku, Ka y L
BANDA
C
Ku
Ka
L
UPLINK
6 Ghz
14 Ghz
30 Ghz
1.7 Ghz
DOWNLINK
4 Ghz
11 Ghz
20 Ghz
1.5 Ghz
Componentes de una Estacion
Satelital Terrestre
En el lado transmisor
– Multiplexor que reúne varios canales en uno de mayor
capacidad
– Módem que lleva el canal a una frecuencia intermedia
(IF) en MHz
– Un convertidor (UP/DOWN CONVERTER) que la eleva
a la frecuencia de transmisión (RF) en GHz
– Una antena transmisora
Componentes de una Estacion
Satelital Terrestre
En el lado del receptor se tienen los mismos equipos
con las funciones inversas:
– Antena receptora
– Amplificador de bajo ruido (LNA), porque la señal
llega débil
– Up/Down converter
– Demodulador
– Demultiplexor
Estaciones Satelitáles
Satellite
IF
Up/Down
Converter RF
RF
Up/Down
Converter
IF
M
HPA
M
TIERRA
MUX
MUX
LNA
Demora Satelital
• Propagation
delay
• Se debe al tiempo que toma la señal para viajar
entre la antena (en la tierra) y el satélite.
• Para un satelite en la órbita GEO:
36.000 / 300.000 = 120 mseg
t (subida y bajada) = 240 mseg = 1/4 seg
Si se hace una consulta t= 1/2 seg
Huella Satelital
• F o o t p r i n t:
– Zona donde se puede captar la
señal que envía el satélite
• Puede haber una por cada
transponder
• Hacia el borde se requieren
antenas con mayor potencia
Tamaño de Antenas Satelitales
• Inicialmente, por INTELSAT, cada país tenía una
antena que canalizaba el tráfico nacional
Chocontá (1970) : 30 mts de diámetro
• Luego se instalaron telepuertos que son antenas de
menor tamaño (6-12 mts)
• Posteriormente antenas de menor diametro 2-3mts
• Antenas más pequeñas para satélites de órbitas
bajas (alrededor de 40-20 cms)
SISTEMA VSAT
VSAT : Very Small Aperture Terminal
USAT : Ultra Small Aperture Terminal (mayor tecnología)
HUB o MASTER
Estación
terrestre de alta
capacidad
Antenas
VSAT
2mts de
diámetro
• Método económico de implementar un sistema de
comunicaciones satelitales
Sistema VSAT (Cont.)
Sistemas VSAT
A y B
compartiendo
el hub
A
B
Sistema VSAT (Cont.)
Comunicación entre el HUB y la estación remota
1. El HUB envía tramas (bloques de
información) usando el método TDM al
satélite
2. El satélite retransmite a todas las estaciones
VSAT
3. Cada estación VSAT recibe la trama y
verifica que sea para ella. Si lo es la pasa al
computador local, si no, la ignora
Sistema VSAT (Cont.)
COMUNICACIÓN DE LAS ESTACIONES AL HUB
METODOS BASICOS DE ACCESO
– Se divide el canal en varias frecuencias y cada
estación tiene una frecuencia por donde transmite:
FDMA (Frequency Division Multiple Access)
– Todas las estaciones utilizan el mismo canal pero
cada una tiene un tiempo determinado (time slot)
para enviar: TDMA (Time Division Multiple
Access)
Comunicacion entre las
Estaciones y el Hub
HUB A ESTACION
ESTACION A HUB
TDMA
Sistema VSAT (Cont.)
• Tambien se usa CDMA (Code Division
Multiple Access) para la comunicación entre
HUB y estaciones.
– Cada estacion tiene un codigo particular.
• Normalmente para comunicar dos
estaciones se debe pasar por el HUB .
• Aunque es posible asignar subcanales
temporales por parte del HUB para
comunicaciones directas entre estaciones
Sistemas de
SATELITES MOVILES
• Están en las órbitas LEO alrededor de los 700 a
5.000 km y MEO de 5.000 a 20.000 km aprox.
• Requieren trenes de satélites, en varias orbitas,
para cubrimiento total.
• Antenas más pequeñas y menos potentes
• Ejemplos de estos sistemas:
– IRIDIUM (66 satelites LEO a 780km, 6 orbitas)
– GLOBALSTAR (48 satélites,a 1.414KM, 8 orbitas)
– GPS: GLOBAL POSITIONING SYSTEM
Sistema IRIDIUM
Banda Ka
Banda L
Estación
de control
gateway
Sistema IRIDIUM (cont)
• Servicio satelital de telefonía y beepers
• Consta de 66 satélites, ubicados en 6 planos
orbitales
• Ubicados a 780 Kms de altura
• Tiene 11 estaciones terrestres
• Periodo orbital de 100 min. con 28 seg.
• Consorcio internacional encabezado por
Motorola.
Sistema GPS
• Utiliza sistema NAVSTAR, del Dpto de Defensa
de los Estados Unidos
• 24 satelites en 6 planos orbitales, a 20.200 km
• Un receptor GPS en cualquier punto terrestre
puede recibir simultáneamente señales de varios
satelites
• Trigonomátricamente se puede calcular la posicion
del receptor GPS
• GPS es sistema con multiples aplicaciones
Sistemas Satelitáles Recientes
• Servicios con mayores ancho de banda
• Mejoras tecnológicas con funciones en el satélite,
enlaces intersatelitales y antenas mas pequeñas
• Enfrentan competencia terrestre de buen ancho de
banda, a bajo costo y sin demora satelital
• SPACEWAY: Hughes, GEO y MEO,
• SKYBRIDGE: Alcatel, LEO
• SKYNET: Loral, GEO
• TELEDESIC: Gates, McCraw, Motorola, Boeing, LEO
Telefonía Celular
• Sistema de gran crecimiento
• Es un sistema telefónico completo en el cual el
acceso al abonado es inalámbrico
• Llamado también telefonía móvil
• Celular porque la división de las áreas de servicio
son células o celdas que conforma una especie de
panal
Telefonía Celular (cont.)
• Cada celda tiene asignadas unas
frecuencias,que son reutilizadas en celdas
no contiguas
• Antes, por cada frecuencia, una llamada.
Ahora, en digital, varias llamadas.
• El diámetro de las celdas:de centenares de
metros a varios kilómetros, dependiendo del
tráfico esperado y la topología del terreno
Telefonía Celular (cont.)
B
B
C
C
A
A
B
C
B
B
C
C
Telefonía Celular (cont.)
• Hand-off : Paso del control de un celular de una
celda a otra. Tiene prelación a nuevas llamadas
para evitar la desconexión del usuario
• Roaming : Cuando es necesario pasar el control a
otro operador para continuar la comunicación, se
hace el hand-off y registro para efectos contables
Telefonía Celular (cont.)
MTSO:
Mobil Telephone
Switching Office
03 / 031
MTSO
Central
larga
distancia
Fibra óptica
o
inalámbrica
Trunking
• Usado inicialmente en telefonía fija para compartir líneas.
• Compartir un numero limitado de canales por un grupo
numeroso de usuarios
• Se usa para comunicar un grupo cerrado de personas.
• No se necesita marcar un número, solo se presiona un botón
donde todos escuchan. También hay canales individuales
• Ejemplos :policía, redes de emergencia, empresas
• Las antenas tienen mayor cobertura que celular.
• Es posible hacer llamadas a fijos
• Banda de 861 a 866 MHz.
Telefonía C T
• Cordless Telephony
• Híbrido entre telefonía fija y móvil
• Se instalan antenas de poco alcance para teléfonos
que estén o lleguen a la zona de alcance de la
antena
• La antena esta conectada al sistema telefónico fijo
• Inicialmente era solo para llamar y era análoga
Telefonía CT (cont.)
RED
TELEFONICA
FIJA
REDES O SISTEMAS DE
COMUNICACIONES PERSONALES
•
•
•
•
•
• PCS Personal Conmunications Systems
PCN Personal Conmunications Network
Sobre redes inalámbricas, inicialmente satelitales,.
Con objetivo: roaming global.
Ahora terrestres, con mayores anchos de banda, nuevos
servicios
Aparatos no solo para la voz (multimedia, navegar, etc)
En Colombia: en 1900 Mhz . Ley 555/ 2.000
Se consideran evolucion de la telefonia celular
Tecnologia en telefonia movil
• La primera generacion fue análoga (AMPS, en USA,
Laboratorios Bell, 1975). Otras en Europa
• La segunda fue digital (DAMPS y GSM); es mas segura
y eficiente, voz digital. Permitió datos limitadamente.
• Digital permite una mejor utilización de las frecuencias
(multiplexación) y nuevos servicios
• Se pasa de FDMA, a TDMA y a CDMA
• Las nuevas generaciónes (3G y 4G) ofreceran mas
ancho de banda y variados servicios
• Estandares: UMTS (Europa) e IMT-2000 (UIT)
Spread Spectrum
• Transmitir en bandas de frecuencia ya asignadas, sin
interferir con sus usuarios. Utiliza potencias bajas de
transmisión. No requiere licencia.
• La relación entre la potencia de la señal normal y la
Spread Spectrum (PN/PSS) del orden de 16dB
• Utiliza radio-módem en banda de 902 a 928 Mhz
• Requiere línea de vista para lograr mayor distancia
• Sincrónico: multiplos de 64kbps, hasta E1
• Asincrónico: 76.8, 38.4 o 19.2 kbps
• Alcance de hasta 16 kms (normal), 48 kms (ideal)
Spread Spectrum (cont
Señal normal
Pn
Potencia
AB Normal
Señal
Spread Spectrum
Pss
AB SS
Ancho de banda
Wireless Local Loop : WLL
• El último kilómetro , o línea de abonado,
es inalámbrico.
• Como central local se instala la “Unidad de
conmutación local” que atiende hasta 1.000
abonados .
• Esta central se conecta por enlaces E-1 con
la red telefónica fija.
Wireless Local Loop : WLL (cont)
• En cada area de suscriptores se instala una “radio
base”, conformándose una microcelda de 50 a
100 abonados.
• Puede haber hasta 20 radio bases
• Las radio bases se conectan con la unidad de
conmutación local por medio de 3 pares
telefónicos, de no más de 4 km.
• La radio base tiene una cobertura de hasta 5
Km, preferiblemente con línea de vista
Wireless Local Loop : WLL
Radio
Base
Red Telefónica
Conmutada
3 Pares
E1
Unidad de
conmutación
local
Radio Base
LMDS y MMDS
• LMDS: sitema inalámbrico de alta
capacidad, en banda de 25 a 40 GHz. Tiene
legislacion especial (se describe en Banda
Ancha). Para distribuir información a
muchos puntos.
• MMDS: sistema inalámbrico en banda más
baja 2-3Ghz. Tambien para distribuir
información generalmente en areas rurales.
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