El Mundo Inalámbrico

PRIMERA JORNADA DE TELEMATICAACIS

NOVIEMBRE DE 2003

ALVARO TORRES NIETO

CENTRO DE ESTUDIOS DE TELEMATICAESCUELA 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)

• 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. 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

Frecuencia y Longitud de Onda

f . = c

• 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

El Espectro Electromagnético

• 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

• G. Marconi (1895): radiotelegrafía (telegrafía inalámbrica).

• Primera comunicación transatlántica 1901• 1906 radiodifusión en Estados Unidos• 1929 Primera emisora nacional: Radiodifusora

Nacional.

Radiofrecuencias (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

Radiofrecuencia (Cont.)

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 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)

Las Ondas de Radio

Reflejo en la ionosferaIonosfera

OndasCelestes

Ondas directas

Transmisor ReceptorTIERRA

PARA FRECUENCIAS BAJAS , POR EJEMPLO HF

Ionosfera

Transmisor Receptor

TIERRA

Cubrimiento de Grandes Distancias

Ionosfera

TIERRA

Frecuencias Altas VHF, UHF, ….

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 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.)

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

• 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

Satélites 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.

SATELITES DE TELECOMUNICACIONES

• 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

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 delEcuador

ORBITA GEOESTACIONARIA

• 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 GEO, MEO, LEO

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.

T I E R R A

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)

• 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

Vida util de un satelite

• Bandas C, Ku, Ka y L

Frecuencias Utilizadas

BANDA UPLINK DOWNLINKC 6 Ghz 4 GhzKu 14 Ghz 11 GhzKa 30 Ghz 20 GhzL 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

T I E R R AM

HPA

Up/DownConverter RF

IF

MU

X M

LNA

Up/DownConverter

RFIF

MU

X

Satellite

• P r o p a g a t i o n d e l a y• 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

Demora 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

Huella Satelital

• 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)

Tamaño de Antenas Satelitales

VSAT : Very Small Aperture TerminalUSAT : Ultra Small Aperture Terminal (mayor tecnología)

• Método económico de implementar un sistema de comunicaciones satelitales

SISTEMA VSAT

HUB o MASTEREstación terrestre de alta capacidad

AntenasVSAT

2mts dediámetro

Sistema VSAT (Cont.)

Sistemas VSATA y B

compartiendoel hub

A

B

Comunicación entre el HUB y la estación remota1. 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)

Sistema VSAT (Cont.)

Comunicacion entre las Estaciones y el Hub

HUB A ESTACION ESTACION A HUB

TDMA

• 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

Sistema VSAT (Cont.)

• 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

Sistemas de SATELITES

MOVILES

Estación de control

Ban

da K

a

gateway

Banda L

Banda K

a

Banda Ka

Sistema IRIDIUM

• 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 IRIDIUM (cont)

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

• 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.)

C

B

B

A

C

C

B

B

A

C

B

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.)

Telefonía Celular (cont.)

MTSO

Centrallargadistancia

MTSO:Mobil Telephone Switching Office

Fibra ópticao

inalámbrica

03 /

031

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.)

REDTELEFONICAFIJA

• 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

REDES O SISTEMAS DE COMUNICACIONES PERSONALES

• 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)

Tecnologia en telefonia movil

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.)

AB SS

AB Normal

Pss

Pn

Pot

enci

a

Ancho de banda

Señal normal

SeñalSpread Spectrum

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

Red Telefónica Conmutada

Unidad deconmutaciónlocal

RadioBase

E1

3 Pares

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.