1. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 1
Tecnologías de Acceso Inalámbricas - Contenidos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas
Redes de área local inalámbricas (WLAN)
Redes de telefonía celular (GSM, UMTS)
Redes de área metropolitana inalámbricas (WMAN)
2. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 2
Tema 7 – Introducción a las
comunicaciones inalámbricas
Luis Sánchez González
sanchezgl@unican.es
3. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 3
Contenidos
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Historia de las comunicaciones inalámbricas
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Principales retos y dificultades
Espectro radioeléctrico
Propagación
Modulación
Técnicas de acceso al medio y duplexado
4. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 4
Contenidos
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Historia de las comunicaciones inalámbricas
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Principales retos y dificultades
Espectro radioeléctrico
Propagación
Modulación
Técnicas de acceso al medio y duplexado
5. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 5
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Transmitir y recibir información usando ondas electromagnéticas a través
del espacio libre
− La información es transportada sobre una banda de frecuencias bien definida. El
Canal
− Cada canal tiene un determinado ancho de banda. La Tasa Binaria
− Se pueden usar diferentes canales para transmitir información al mismo tiempo
Frecuencias típicas
− Radio FM ~ 88 MHz
− TV ~ 450 - 900 MHz
− Teléfonos móviles ~ 900 y 1800 MHz
− GPS ~ 1.2 GHz
− Bluetooth ~ 2.4 GHz
− WiFi ~ 2.4 GHz
6. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 6
Contenidos
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Historia de las comunicaciones inalámbricas
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Principales retos y dificultades
Espectro radioeléctrico
Propagación
Modulación
Técnicas de acceso al medio y duplexado
7. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 7
Historia comunicaciones inalámbricas
No son tan “modernas”: luz, banderas, señales de humo…
Primera comunicación sin hilos “tecnológica” Telégrafo óptico (1794)
Las comunicaciones inalámbricas despegan gracias al descubrimiento de
las ondas electromagnéticas
− Faraday, Maxwell, Hertz
“From a very long view of the history of mankind - seen from, say, ten thousand years from now - there can be little
doubt that the most significant event of the 19th century will be judged as Maxwell‘s discovery of the laws of
electrodynamics. The American Civil War will fade into provincial insignificance in comparison with this important
scientific event of the same decade.” Richard Feynman, Lectures on Physics, Vol. II
Marconi (se le considera el inventor de la radio) realiza la primera
comunicación en 1895
8. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 8
Historia comunicaciones inalámbricas
Inicios del siglo XX
− Comunicaciones marítimas
− Comunicaciones trasatlánticas
− Difusión de radio
1920s/1930s: desarrollo de la televisión comercial
Comunicaciones por satélite
− 1957: SPUTNIK
− 1960s: satélites comerciales
A partir de 1980: sistemas de telefonía móvil comerciales
A partir de 1995: WLAN
Siglo XXI
− Bluetooth
− Dispositivos de corto alcance (sensores, RFID)
− …
9. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 9
Historia comunicaciones inalámbricas
Prof. J. Maxwell
(1831-1879) teoría
del
electromagnetismo
desarrollada en
1865
Prof. H. Hertz (1857-
1894) Validación
experimental de las
ecuaciones de
Maxwell entre
1886-1888
Guglielmo Marconi
(1874-1937)
Desarrollo de la
telegrafía inalámbrica
trans-Atlantica 1901
Martin Cooper,
Motorola, crea el
primer teléfono
celular portatil en
1973
Radio KDKA - 1920
Primera
transmisión
por TV
Entrevista a
Dave en los Bell
Labs: “This
thing isn’t going
anywhere”
Servicios
móviles
bidireccionales
1960s – 1970s
1983 –
Servicio
AMPS en
Chicago
2008 – Más de
300M de
teléfonos
móviles en India
2003 – Más de
150M de
teléfonos
móviles en
EEUU
10. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 10
Contenidos
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Historia de las comunicaciones inalámbricas
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Principales retos y dificultades
Espectro radioeléctrico
Propagación
Modulación
Técnicas de acceso al medio y duplexado
11. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 11
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
No más cables
− Coste de instalación y mantenimiento
− Mazos de cables de un lado para otro
− Comunicaciones “auto-mágicas” sin necesidad de conexión física, Ej: Bluetooth,
WiFi
Cobertura global
− Se puede llegar allí donde los cables no llegan o no es rentable, Ej: zonas rurales,
edificios históricos, campos de batalla, zonas catastróficas, vehículos, el Espacio
Siempre conectado
− Permiten estar conectados a cualquier hora en cualquier lugar
− El mercado demuestra la necesidad de dar servicios en movilidad y de manera
ininterrumpida
Flexibilidad
− Los servicios te alcanzan a ti, no tienes que ir a buscarlos. Ej: no tienes que ir a
un sitio fijo a leer tus e-mails
− Conectarse a varios dispositivos a la vez
12. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 12
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Mayor dependencia en todos los sectores de servicios de telecomunicación
La gente está dispuesta a pagar por ello
Mantra Básico: Conectado – en cualquier sitio, en cualquier momento.
13. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 13
Contenidos
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Historia de las comunicaciones inalámbricas
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Principales retos y dificultades
Espectro radioeléctrico
Propagación
Modulación
Técnicas de acceso al medio y duplexado
14. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 14
Principales retos y dificultades
Hardware eficiente
− Dispositivos que usan baterías
− Transmisores y receptores de bajo consumo
− Herramientas de procesado de señal de bajo consumo
Uso eficiente del recurso radio
− Reuso de frecuencias, protocolos de acceso al medio,...
Servicios integrados
− Voz, datos, multimedia sobre la misma red
− Diferenciación de los servicios, prioridades, compartición de recursos,...
Soporte de la movilidad
− Localización, traspaso,...
Mantenimiento de la calidad de servicio sobre enlaces no fiables
15. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 15
Principales retos y dificultades
Conectividad y cobertura (internetworking)
Eficiencia de los costes
Desvanecimientos
Multicamino
Mayor probabilidad de errores en el canal
− Necesidad de codificación de canal más robusta
Necesidad de mecanismos de seguridad más fuertes
− Privacidad, autenticación, …
16. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 16
Contenidos
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Historia de las comunicaciones inalámbricas
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Principales retos y dificultades
Espectro radioeléctrico
Propagación
Modulación
Técnicas de acceso al medio y duplexado
18. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 18
Gestión del espectro
Se trata del recurso clave
Los dispositivos inalámbricos deben operar en una banda de frecuencia
determinada, que lleva asociada un determinado ancho de banda
El uso del espectro radioeléctrico está fuertemente controlado por las
autoridades locales competentes a través de licencias
− En España lo regula actualmente el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, a
través de la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones y para la Sociedad de
la Información (http://www.mityc.es/telecomunicaciones), mientras que la
Comisión del Mercado de Telecomunicaciones (CMT) actúa como órgano
consultor
− En Estados Unidos, la regulación la realiza la FCC (Federal Communications
Commission)
− La ITU también tiene competencias en la regulación del espectro radioeléctrico
Se trata de un bien muy preciado y escaso, por lo que en ocasiones, su uso
supone el pago de un canon elevado
19. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 19
Gestión del espectro
En España, la administración se hace de acuerdo a los tratados de las
organizaciones competentes de ámbito Europeo e internacional:
− CEPT (Conferencia Europea de administraciones Postales y de
Telecomunicación)
− ITU
Introduce, en el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF), las
modificaciones o particularidades necesarias en cada caso
− http://www.mityc.es/telecomunicaciones/Espectro/Paginas/CNAF.aspx
20. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 20
Regiones ITU
La ITU divide el mundo en tres regiones, con ligeras diferencias en la
regulación del espectro
21. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 21
Bandas ISM
Las bandas ISM (Industrial, Scientific y Medical) se reservaron para
equipamiento que se relacione con procesos industriales y/o científicos o
aplicaciones médicas
Sin embargo, muchos elementos cotidianos trabajan en esa banda, como
por ejemplo los hornos microondas
En principio el uso de dispositivos de comunicación en las bandas ISM está
completamente abierto, siempre que se respeten unos límites en lo
referente a la potencia de transmisión
La totalidad de las tecnologías WLAN y WPAN comerciales se utilizan en
las bandas ISM
Sin embargo hay ligeras diferencias en la legislación de algunos países, lo
que da lugar a diversos problemas a la hora de emplear una tecnología en
algunos territorios
22. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 22
Bandas ISM en España
CNAF: Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencia
Norma UN-51, bandas de frecuencias designadas para aplicaciones
industriales, científicas, y médicas (ICM).
− 2400 a 2500 MHz (frecuencia central 2450 MHz)
− 5725 a 5875 MHz (frecuencia central 5800 MHz)
− 24,00 a 24,25 GHz (frecuencia central 24,125 GHz)
− 61,00 a 61,50 GHz (frecuencia central 61,250 GHz)
Los servicios de radiocomunicaciones que funcionen en las citadas bandas
deberán aceptar la interferencia perjudicial resultante de estas aplicaciones
Norma UN-85: Principal norma aplicable a Wi-Fi en la banda de 2-4 Ghz
− Potencia inferior a 100 mW
UN-128: Banda para 5 Ghz
La utilización de estas frecuencias para las aplicaciones indicadas se
considera uso común
23. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 23
Contenidos
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Historia de las comunicaciones inalámbricas
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Principales retos y dificultades
Espectro radioeléctrico
Propagación
Modulación
Técnicas de acceso al medio y duplexado
24. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 24
¿Qué es la propagación?
Medios de transmisión guiada
− Par trenzado, cable coaxial, fibra óptica
Propagación electromagnética – Comunicaciones inalámbricas
La potencia de la señal disminuye a medida que “viaja” por el medio
inalámbrico
La potencia de la señal DECRECE con la distancia
Depende de varios factores
− Frecuencia de operación
− Terreno
− Presencia de línea de vista (Line of Sight o LoS)
− Múltiples caminos
− Desvanecimientos
25. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 25
Modelos de propagación
Habitualmente se emplean diferentes modelos
− Espacio libre
− Tierra plana o dos rayos
− …
De manera genérica, se puede afirmar que las pérdidas de propagación
(path loss o PL), en término medio se puede calcular como…
− El exponente ‘n’ se suele determinar de manera empírica
⋅ Espacio libre: n = 2
⋅ Zona urbana celular: n ∈ [2.7, 3.5]
⋅ Zona urbana celular (con zonas de sombra): n ∈ [3, 5]
⋅ LoS en interiores: n ∈ [1.6, 1.8] (Más bajo que Espacio Libre)
⋅ Interiores con obstáculos: n ∈ [4, 6]
⋅ Entornos industriales con obstáculos: n ∈ [2, 3]
n
0d
d
PL(d)
∝ nTXRX
d
β
P(d)P =Potencia en Recepción:
26. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 26
Aspectos adicionales
Propagación multi-camino
− La señal se refleja, difracta,… (propiedades electromagnéticas)
− Llega siguiendo ‘muchos caminos’ al receptor
− No es necesario que el transmisor/receptor se muevan
Desvanecimientos
− Son causados por el movimiento del transmisor o el receptor
− Rápidos
⋅ Cambios bruscos en la potencia de la señal recibida
⋅ Debidos a la propagación multi-camino
− Lentos
⋅ Variación de la potencia media recibida en el tiempo
⋅ Cambios en la distancia
⋅ Presencia de obstáculos
27. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 27
Desvanecimientos
Distancia
Potenciarecibida
Pérdidas de propagación
Desvanecimientos rápidos
Desvanecimientos lentos
28. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 28
Contenidos
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Historia de las comunicaciones inalámbricas
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Principales retos y dificultades
Espectro radioeléctrico
Propagación
Modulación
Técnicas de acceso al medio y duplexado
29. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 29
Modulación: conceptos básicos
Señales analógicas y digitales
Ancho de banda de una señal
La mayoría de las señales son de banda estrecha
− La energía se concentra en una banda de frecuencias relativamente estrecha
Modulación
− La información es ‘transportada’ por una señal portadora a frecuencia fc
− A la señal de entrada (información) se le denomina señal en banda base
30. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 30
Modulación: conceptos básicos
Modulación analógica
− Se cambian los atributos de la señal portadora de manera continua
− Amplitud (AM), frecuencia (FM), fase (PM)
Modulación digital
− Se cambian los parámetros de la señal portadora de manera discreta
− Amplitud (ASK), frecuencia (FSK), fase (PSK)
31. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 31
Modulación: conceptos avanzados
Modulación multi-portadora
− Se utilizan varias portadoras de manera simultánea
− Se incrementa la capacidad
− El ejemplo más claro es OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)
− Utilizado en un gran número de tecnologías de comunicaciones
⋅ Televisión Digital Terrestre (DVB-T), ADSL, WiFi (IEEE 802.11a/g/n), WiMAX, PLC, 4G
(LTE)
Espectro ensanchado
− La señal modulada se ‘ensancha’
− Se utiliza originalmente para combatir interferencias de banda estrecha
32. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 32
Contenidos
¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?
Historia de las comunicaciones inalámbricas
¿Por qué comunicaciones inalámbricas?
Principales retos y dificultades
Espectro radioeléctrico
Propagación
Modulación
Técnicas de acceso al medio y duplexado
33. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 33
Técnicas de acceso al medio
Se emplean para compartir el medio por varios usuarios
Es una evolución del concepto de “Multiplexación”
− Permite transmitir varias señales por un único medio
Los métodos existentes se diferencian en función del recurso compartido
− Frecuencia: Fequency Division Multiplex (FDM)
− Tiempo: Time Division Multiplex (TDM)
− Código: Code Division Multiplex (CDM)
Cuando se emplean como método de acceso al medio, se hablará de
FDMA, TDMA y CDMA
34. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 34
USUARIO 1
USUARIO 2
USUARIO 3
USUARIO 4
FDMA
Se divide el ancho de banda total (BT) en K canales
− Ancho de banda por canal (BC) BT/K
− Uso de canales de guarda (BG)
Cuando un usuario accede a un canal transmite durante todo el tiempo en
dicho canal
tiempo
frecuencia
Tecnología sencilla
Apto para sistemas analógicos/digitales
Poco flexible en la asignación de recursos
Apropiado para conmutación de circuitos
Técnica mixta FDMA/TDMA
35. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 35
TDMA
El tiempo se ranura
Cada usuario transmite por todo el ancho de banda (BT) en la ranura
asignada
La capacidad por usuario es similar a la obtenida con FDMA
USUARIO1
USUARIO2
USUARIO3
USUARIO4
tiempo
frecuencia
Tecnología experimentada
Sistemas digitales
Flexibilidad y versatibilidad
Apropiado para conmutación de paquetes
Requiere de sincronización TX/RX
36. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 36
Cada usuario tiene un “código”
que le distingue del resto
Utilizando dicho “código”
transmite durante todo el tiempo,
usando todo el ancho de banda
El receptor utilizará el “código”
apropiado para “descifrar” la
información recibida
Sistemas digitales
Expansión del espectro
Sincronización y control de
potencia
Soporta mejor la interferencia
USUARIO 1
USUARIO 2
USUARIO 3
CDMA
USUARIO 4 tiempo
frecuencia
código
37. Servicios Públicos de Datos
Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 37
Técnicas de duplexado
Utilizadas para transmitir y recibir de manera simultánea
Existen dos técnicas diferentes
− FDD: Frequency Division Duplex
− TDD: Time Division Duplex
En FDD se utilizan bandas diferentes para la transmisión y recepción
− Dificultades en los equipos, antenas, etc
− Banda de guarda
En TDD se utiliza la misma banda de frecuencias y se selecciónan ciertas
ranuras para cada tipo de tráfico
− Menor complejidad en los equipos
− Flexibilidad en la asignación de recursos (Ej: tráfico Internet)