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 extremo
superior del espectro de radio,
– 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 de
Comunicaciones
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
36.000 Km.
Plano del
Ecuador
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 UPLINK DOWNLINK
C 6 Ghz 4 Ghz
Ku 14 Ghz 11 Ghz
Ka 30 Ghz 20 Ghz
L 1.7 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
Up/Down
Up/Down Converter
Converter RF RF
IF IF
LNA
HPA
MUX
M M
MUX
TIERRA
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 Antenas
terrestre de alta VSAT
capacidad 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
gateway
Estación
de control
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 C
A A
B 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
MTSO
03 / 031
Central Fibra óptica
o
larga inalámbrica
distancia
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
AB Normal
Potencia
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
3 Pares
Red Telefónica
Conmutada 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.