1. CAPITULO 3
3.1.1 ONDAS
La parte más importante de esta definición es que una onda es
una "perturbación o variación" que pasa a través de un medio.
El medio a través del cual viaja la onda puede experimentar
algunas oscilaciones de índole local a medida que la onda
pasa, pero las partículas del medio no viajan con la onda. La
perturbación puede asumir cualquier cantidad de formas,
desde un impulso de amplitud finito hasta una onda sinusoidal
infinitamente larga.
Las ondas de sonido longitudinales en el aire se comportan de
manera muy similar. A medida que el sonido pasa, las
partículas en el aire oscilan hacia atrás y adelante desde sus
posiciones de equilibrio pero es la perturbación la que viaja, no
las partículas individuales del medio. La Actividad 3.1.1a ilustra
este concepto.
Las ondas transversales que viajan a través de una cuerda son
otro ejemplo. La cuerda se desplaza hacia arriba y abajo, a
medida que la onda viaja de izquierda a derecha, pero la
cuerda en sí no experimenta ningún movimiento neto. Esto se
muestra en la Actividad 3.1.1b.
3.1.2 ONDAS SINUSOIDADES
Una forma de onda es una representación de cómo la corriente
alterna (AC) varía con el tiempo
Una onda sinusoidal tiene varias propiedades básicas
Amplitud — La distancia de cero al valor máximo de cada
ciclo se denomina amplitud. La amplitud positiva del ciclo y la
amplitud negativa del ciclo son las mismas.
2. Periodo — El tiempo que le lleva a una onda sinusoidal
completar un ciclo se define como periodo de la forma de onda.
La distancia que viaja el seno durante este periodo se
denomina longitud de onda.
Longitud de onda — La longitud de onda, indicada por el
símbolo griego lambda , es la distancia a través de la forma
de onda desde un punto al mismo punto del siguiente ciclo.
Frecuencia — La cantidad de repeticiones o ciclos por unidad
de tiempo es la frecuencia, expresada en general en ciclos por
segundo, o Hz.
3.1.3 CONVERSIÓN ANALÓGICA A DIGITAL
La sección anterior habló sobre cuán complejas pueden llegar
a ser las ondas analógicas y digitales que asumen la forma de
ondas sinusoidales. Otra forma de contemplar la conexión
entre analógico y digital es ver cómo una onda analógica
puede convertirse en dígitos discretos que representan la onda
analógica.
3.2.1 WATTS
Para comprender qué es un watt, se debe considerar primero
la energía. Una definición de energía es la capacidad para
producir trabajo. Existen muchas formas de energía,
incluyendo energía eléctrica, energía química, energía térmica,
energía potencial gravitatoria, energía cinética y energía
acústica. La unidad métrica de la energía es el Joule. La
energía puede considerarse una cantidad.
Un watt es la unidad básica de potencia, y la potencia está
relacionada con la energía. No obstante, potencia es un índice,
y energía una cantidad. La fórmula para la potencia es
P = DE / Dt
3. DE es la cantidad de energía transferida.
Dt es el intervalo temporal durante el cual se transfiere la
energía.
3.2.2 DECIBELES
Es una unidad que se utiliza para medir la potencia eléctrica.
Un dB es un décimo de un Bel, que es una unidad de sonido
más grande así denominada en homenaje a Alexander
Graham Bell. El dB se mide en una escala logarítmica base 10.
La base se incrementa en diez veces diez por cada diez dB
medidos. Esta escala permite a las personas trabajar más
fácilmente con grandes números. Una escala similar (la escala
de Richter) se utiliza para medir terremotos. Por ejemplo, un
terremoto de magnitud 6.3 es diez veces más fuerte que un
terremoto de 5.3.
Cálculo de dB
La fórmula para calcular dB es la siguiente:
dB = 10 log10 (Pfinal/Pref)
dB = la cantidad de decibeles. Esto usualmente representa una
pérdida de potencia, a medida que la onda viaja o interactúa
con la materia, pero también puede representar una ganancia,
como al atravesar un amplificador.
Pfinal = la potencia final. Ésta es la potencia entregada
después de que algún proceso haya ocurrido.
Pref = la potencia de referencia. Ésta es la potencia original.
3.2.3 REFERENCIA A LOS DECIBELES
dBmiliWatt (dBm) — Ésta es la unidad de medida del nivel de
potencia de una señal. Si una persona recibe una señal de un
miliwatt, esto representa una pérdida de cero dBm. No
4. obstante, si una persona recibe una señal de 0,001 miliwatts,
entonces tiene lugar una pérdida de 30 dBm. Esta pérdida se
representa de la forma -30 dBm. Para reducir la interferencia
con otras, los niveles de potencia de una WLAN 802.11b están
limitados por los siguientes organismos:
36 dBm de EIRP según el FCC
20 dBm de EIRP según el ETSI
dB dipolo (dBd) — Esto se refiere a la ganancia que tiene una
antena, en comparación con la antena dipolo de la misma
frecuencia. Una antena dipolo es la antena más pequeña y
menos práctica en cuanto a la ganancia que puede obtenerse.
dB isotrópico (dBi) — Esto se refiere a la ganancia que tiene
una determinada antena, en comparación con una antena
isotrópica, o de origen puntual, teórica. Desafortunadamente,
una antena isotrópica no puede existir en el mundo real, pero
es útil para calcular áreas de cobertura y debilitamiento
teóricas.
Una antena dipolo tiene una ganancia de 2,14 dB por encima
de la ganancia de una antena isotrópica de 0 dBi. Por ejemplo,
una simple antena dipolo tiene una ganancia de 2,14 dBi o 0
dBd.
Potencia Irradiada Isotrópica Efectiva (EIRP) — La EIRP se
define como la potencia efectiva que se halla en el lóbulo
principal de la antena transmisora. Es igual a la suma de la
ganancia de la antena, en dBi, más el nivel de potencia, en
dBm, que entra a la antena.
Ganancia — Esto se refiere al incremento en la energía que
parece agregar una antena a una señal RF. Existen diferentes
métodos para medir esto, dependiendo del punto de referencia
5. elegido. Cisco Aironet inalámbrico se estandariza en dBi para
especificar mediciones de ganancia. Algunas antenas se
clasifican en dBd. Para convertir cualquier número de dBd a
dBi, simplemente agregue 2,14 al número de dBd.
3.3.1 CONCEPTOS BASICOS ACERCA DE LAS ONDAS EM
spectro EM es simplemente un nombre que los científicos han
otorgado al conjunto de todos los tipos de radiación, cuando se
los trata como grupo. La radiación es energía que viaja en
ondas y se dispersa a lo largo de la distancia. La luz visible que
proviene de una lámpara que se encuentra en una casa y las
ondas de radio que provienen de una estación de radio son
dos tipos de ondas electromagnéticas. Otros ejemplos son las
microondas, la luz infrarroja, la luz ultravioleta, los rayos X y los
rayos gamma.
Todas las ondas EM viajan a la velocidad de la luz en el vacío
y tienen una longitud de onda ( ) y frecuencia (f), que pueden
determinarse utilizando la siguiente ecuación:
c= x f, donde c = velocidad de la luz (3 x 108 m/s)
3.3.2 GRAFICA DEL ESPECTRO EM
El espectro EM tiene ocho secciones principales, que se
presentan en orden de incremento de la frecuencia y la
energía, y disminución de la longitud de onda:
6. Ondas de potencia — Ésta es la radiación EM más lenta y por
lo tanto también tiene la menor energía y la mayor longitud de
onda.
Ondas de radio — Ésta es la misma clase de energía que
emiten las estaciones de radio al aire para que un aparato de
radio la capture y la reproduzca. No obstante, otras cosas,
como las estrellas y los gases del espacio también emiten
ondas de radio. Muchas funciones de comunicación utilizan
ondas de radio.
Microondas — Las microondas cocinan maíz inflado en pocos
minutos. En el espacio, los astrónomos utilizan las microondas
para aprender acerca de la estructura de las galaxias
cercanas.
Luz infrarroja (IR) — El infrarrojo a menudo se considera igual
que el calor, porque hace que sintamos tibia nuestra piel. En el
espacio, la luz IR sirve para rastrear el polvo interestelar.
Luz visible — Éste es el rango visible para el ojo humano. La
radiación visible es emitida por todo, desde luciérnagas hasta
lámparas y estrellas. También es emitida por partículas en
rápido movimiento que golpean a otras partículas.
Luz ultravioleta (UV) — Es bien conocido que el sol es una
fuente de radiación ultravioleta (UV). Son los rayos UV los que
hacen que la piel se queme. Las estrellas y otros objetos
calientes del espacio emiten radiación UV.
Rayos X — Un doctor utiliza rayos X para observar los huesos
y un dentista los utiliza para observar los dientes. Los gases
calientes del universo también emiten rayos X.
Rayos gamma — Los materiales radioactivos naturales y
fabricados por el hombre pueden emitir rayos gamma. Los
7. grandes aceleradores de partículas que los científicos utilizan
para ayudarlos a comprender de qué está hecha la materia
pueden irradiar en ocasiones rayos gamma. No obstante, el
mayor generador de rayos gamma de todos es el universo, que
crea radiación gamma de muchas formas.
3.3.3 SISTESIS DE FOURIER
Cuando dos ondas EM ocupan el mismo espacio, sus efectos
se combinan para formar una nueva onda de diferente forma.
Por ejemplo, los cambios en la presión del aire ocasionados
por dos ondas de sonido se suman. Las fuerzas eléctricas y
magnéticas ocasionadas por dos ondas luminosas o dos ondas
de radio también se suman
3.3.4 USOS DEL ESPECTRO
Es cierto que existe una cantidad infinita de diferentes
frecuencias de ondas EM. No obstante, hablando en términos
prácticos, cualquier creación de ondas EM realmente ocupa
más que una cantidad infinitesimal de espacio de frecuencia.
Por lo tanto, las bandas de frecuencia tienen una cantidad
limitada de frecuencias, o canales de comunicaciones
utilizables diferentes. Muchas partes del espectro EM no son
utilizables para las comunicaciones y muchas partes del
espectro ya son utilizadas extensamente con este propósito. El
espectro electromagnético es un recurso finito.
8. 3.4.1 VISUALIZACION DE LAS SEÑALES EN EL TIEMPO
Es cierto que existe una cantidad infinita de diferentes
frecuencias de ondas EM. No obstante, hablando en términos
prácticos, cualquier creación de ondas EM realmente ocupa
más que una cantidad infinitesimal de espacio de frecuencia.
Por lo tanto, las bandas de frecuencia tienen una cantidad
limitada de frecuencias, o canales de comunicaciones
utilizables diferentes. Muchas partes del espectro EM no son
utilizables para las comunicaciones y muchas partes del
espectro ya son utilizadas extensamente con este propósito. El
espectro electromagnético es un recurso finito.
3.4.2 VISUALIZACION DE LAS SEÑALES EN LA FRECUENCIA
Para comprender el análisis del dominio de frecuencia en lo
que tiene que ver con las WLANs, es útil examinar primero un
sistema de radio más familiar, para ser más precisos, las
emisoras de radio FM comerciales. En este caso, el término
radio se refiere a un dispositivo receptor, que podría estar
ubicado en una casa o automóvil.
Cuando se sintoniza una radio FM, se cambia la configuración
de la misma, de modo tal que ésta responda a la frecuencia
seleccionada. Las diferentes estaciones tienen cada una un
centro o frecuencia portadora diferente. Esto es así porque no
interfieren entre sí, transmitiendo en las mismas frecuencias.
Además, dependiendo de factores tales como la potencia
transmisora y la ubicación de una estación, así como cualquier
obstáculo potencial, la fortaleza de la señal en el receptor de
radio FM puede ser débil o fuerte.
9. 3.4.3 LAS SEÑALES EN TIEMPO Y FRECUENCIA
Señales digitales
El patrón de cambios en el voltaje versus tiempo se denomina
onda cuadrada. Existen muchas formas de representar datos
mediante señales digitales. La Figura ilustra un ejemplo muy
simple, en el cual existen sólo dos niveles de voltaje, que se
interpretarán como uno o cero.
En principio, puede resultar difícil imaginar que la gráfica de
voltaje versus tiempo de una señal digital pueda construirse en
base a ondas sinusoidales. No obstante, recuerde la Síntesis
de Fourier y que una onda cuadrada puede construirse
utilizando la combinación adecuada de ondas sinusoidales.
3.4.4 RUIDO EN TIEMPO Y FRECUENCIA
Un concepto muy importante en los sistemas de
comunicaciones, incluyendo las WLANs, es el ruido. La palabra
ruido tiene el significado general de sonidos indeseables. No
obstante, en el contexto de las telecomunicaciones, el ruido
puede definirse mejor como voltajes indeseables provenientes
de fuentes naturales y tecnológicas. Puesto que el ruido es
sólo otra señal que produce ondas, puede agregarse a otras
señales, como se trató anteriormente. Si la señal afectada
representa información en un sistema de comunicaciones, el
ruido puede cambiar la información. Es claro que esto no es
aceptable.
En lo que respecta a una WLAN, las fuentes de ruido incluyen
la electrónica del sistema de la WLAN, más la interferencia de
frecuencia de radio (RFI), y la interferencia electromagnética
(EMI) que se encuentra en el entorno WLAN. Estudiando el
ruido, la gente puede reducir sus efectos en el sistema WLAN.
10. 3.5.1 FREECUENCIA Y PORTADORA
Utilizar una onda portadora también resuelve muchos otros
problemas de circuitos, antenas, propagación y ruido. Por
ejemplo, una antena práctica debe tener un tamaño de
alrededor de una longitud de onda, de la onda EM a ser
transmitida. Si las ondas sonoras se emitieran en frecuencias
audibles, la antena tendría que tener más de un kilómetro de
altura. Utilizando frecuencias mucho más altas para la
portadora, el tamaño de la antena también se ve
significativamente reducido debido al hecho de que frecuencias
más altas tienen longitudes de onda más cortas.
Una estación de radio FM posee en general letras de llamado
asociadas a ellas, como KPBS. No obstante, una forma más
práctica de pensar acerca de una estación de radio es su
frecuencia portadora, como 101.1 MHz, según la cual el
alumno sintoniza su radio. En el caso de las WLANs, la
frecuencia portadora es de 2,4 GHz o 5 GHz. Utilizar
frecuencias portadoras en las WLANs tiene una complejidad
extra, por el hecho de que la frecuencia portadora se cambia a
salto de frecuencia o chipping de secuencia directo, para hacer
la señal más inmune a la interferencia y al ruido.
3.5.2 TECNICAS BASICAS DE MODULACIÓN
Existen tres aspectos básicos de la portadora que pueden
modularse:
11. Amplitud
Frecuencia
Fase o ángulo
Las tres técnicas correspondientes son las siguientes:
Amplitud modulada (AM)
Frecuencia modulada (FM)
Modulación de fase (PM)
3.5.3 FHSS
En los sistemas FHSS, la portadora cambia de frecuencia, o
salta, de acuerdo a una secuencia pseudo-aleatoria, esto en
ocasiones se denomina código de salto. Esta secuencia define
al canal FHSS. Se trata de una lista de frecuencias, a las
cuales saltará la portadora durante intervalos especificados. El
transmisor utiliza esta secuencia de saltos para seleccionar su
frecuencia de transmisión. La portadora permanecerá en una
determinada frecuencia durante un periodo especificado, que
se denomina tiempo de permanencia. El transmisor utilizará
entonces una pequeña cantidad de tiempo, denominado
tiempo de salto, para desplazarse a la siguiente frecuencia.
Cuando la lista de frecuencias se ha atravesado
completamente, el transmisor comenzará nuevamente y
repetirá la secuencia.
12. 3.5.4 DSSS
La tempranamente desarrollada tecnología Espectro
Expandido de Secuencia Directa (DSSS) se encontraba en el
rango de frecuencia de los 900 MHz. En ese momento no se
había implementado un sistema de modulación estándar. El
concepto básico de este sistema era el uso de todo el canal
para producir un único canal rápido de 860 Kbps. De otro
modo, el canal se dividía en secciones más pequeñas para
producir más canales, pero esos canales se desempeñaban a
velocidades más lentas (por ejemplo, tres canales a 215 Kbps
o dos canales a 344 Kbps).
3.5.5 OFDM
El estándar 802.11a y el de próxima aparición 802.11g utilizan
ambos multiplexado por división de frecuencia ortogonal
(OFDM), para lograr velocidades de datos de hasta 54 Mbps.
OFDM funciona dividiendo una portadora de datos de alta
velocidad en varias subportadoras de más baja velocidad, que
luego se transmiten en paralelo. Cada portadora de alta
velocidad tiene 20 MHz de amplitud y se divide en 52
subcanales, cada uno de aproximadamente 300 KHz de
amplitud.
3.6.1 ACCESO MULTIPLE AL MEDIO COMPARTIDO
Las redes de telefonía celular han utilizado, en diversos
momentos, varios métodos diferentes para compartir su medio.
Existen tres técnicas principales que se han utilizado para
compartir las ondas por aire:
13. Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) — Cada
dispositivo puede utilizar todo el espectro disponible en la
célula, pero sólo durante un periodo breve.
Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA) —
Cada dispositivo puede utilizar una porción del espectro
disponible, durante tanto tiempo como lo necesite el
dispositivo, mientras se encuentra en la célula.
Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) — Esta
técnica es realmente una combinación de las dos anteriores.
Se trata del sistema más avanzado y el que está conduciendo
a las tecnologías inalámbricas móviles de Tercera Generación
(3G).
3.6.2 DSSS WLAN Y CSMA/CA
El método de acceso CSMA/CA utiliza un mecanismo de
detección de portadora tanto físico como virtual. El mecanismo
de detección de portadora físico funciona tal como ocurre en
CSMA/CD. El mecanismo de detección de portadora virtual se
logra distribuyendo la información de reserva que anuncia el
uso inminente del medio. El intercambio de frames RTS y CTS
anterior al frame de datos real es una forma de distribuir esta
información de reserva del medio. Los frames RTS y CTS
contienen un campo de duración que define el periodo durante
el cual es necesario el medio, para transmitir el frame de datos
real, el frame ACK que regresa, y todos los espacios entre
frames (IFSs). Todos los dispositivos que se encuentran dentro
del rango de recepción del origen, que transmite el RTS, o el
destino, que transmite el CTS, aprenderán la reserva del
medio. El intercambio RTS/CTS también lleva a cabo un tipo
de inferencia de colisión rápida y una verificación de la ruta de
transmisión. La Figura ilustra el intercambio de RTS/CTS.
14. Este método de acceso se denomina función de coordinación
distribuida (DCF).
3.6.3 ANCHO DE BANDA
Ancho de banda analógico
El ancho de banda analógico se refiere en general al rango de
frecuencia de un sistema electrónico analógico. Por ejemplo, el
ancho de banda analógico podría utilizarse para describir el
rango de frecuencias irradiado por una estación de radio FM.
El ancho de banda analógico también podría referirse al rango
de frecuencias que pueden propagarse por un cable de cobre.
Se describe en unidades de frecuencia, o ciclos por segundo,
que se miden en Hz. Existe una correlación directa entre el
ancho de banda analógico de cualquier medio y la velocidad de
datos en bits por segundo que el medio puede soportar.
Ancho de banda digital
El ancho de banda digital es una medida de cuánta información
puede fluir de un lugar a otro, en un tiempo determinado. El
ancho de banda digital se mide en bits por segundo. Al tratar
las comunicaciones de datos, el término ancho de banda
significa más a menudo ancho de banda digital.
El throughput se refiere al ancho de banda real medido. En
algunos casos, se lo restringe más para incluir sólo los datos
reales, descartando cualquier sobrecarga del protocolo, como
encabezados, trailers y mensajes del protocolo, de los totales
calculados. Independientemente del método exacto de cálculo,
el throughput real a menudo es mucho menos que el ancho de
banda digital máximo posible del medio que está siendo
utilizado. Muchos factores afectan al throughput, incluyendo el
medio, la distancia, el ruido y los protocolos utilizados.
15. 3.7.1 PROPAGACION DE RF
En el vacío, las microondas de 2,4 GHz viajan a la velocidad
de la luz. Una vez que se originan, estas microondas
continuarán en la dirección en la cual fueron emitidas para
siempre, a menos que interactúen con alguna forma de
materia. El rayo geométrico se utiliza para significar que las
microondas están viajando en espacio libre. Puesto que las
WLANs se encuentran usualmente en tierra, dentro de la
atmósfera, las microondas viajan por el aire, no en el vacío. No
obstante, en la siguiente sección el alumno verá que esto no
cambia significativamente su velocidad.
3.7.2 REFRECCION
na superficie se considera lisa si el tamaño de las
irregularidades es pequeño, en relación a la longitud de onda.
De otro modo, se la considera irregular. Las ondas
electromagnéticas se difractan alrededor de objetos
interpuestos. Si el objeto es pequeño en relación a la longitud
de onda, tiene muy poco efecto. La onda pasará alrededor del
objeto sin perturbaciones. No obstante, si el objeto es grande,
aparecerá una sombra detrás del mismo y una cantidad de
energía significativa se refleja nuevamente hacia el origen. Si
el objeto tiene alrededor del mismo tamaño que la longitud de
onda, las cosas se complican, y aparecen patrones de
difracción interesantes.
16. 3.7.3 REFLEXION
Las ondas de radio también se reflejan al entrar en diferentes
medios. La ley de reflexión puede describir estas reflexiones.
Las ondas de radio pueden rebotar desde diferentes capas de
la atmósfera. Las propiedades reflexivas del área donde ha de
instalarse la WLAN son extremadamente importantes y pueden
determinar si una WLAN funciona o falla. Además, los
conectores a ambos extremos de la línea de transmisión que
se dirigen a la antena deberán estar apropiadamente
diseñados e instalados, para que no tenga lugar ninguna
reflexión de las ondas de radio. Si la línea y los conectores no
coinciden apropiadamente, parte de la energía puede rebotar
como eco y constituir una pérdida de potencia del sistema.
3.7.4 DIFRACCION Y DISPERSION
La dispersión de una onda en torno a un obstáculo se
denomina difracción. Esta dispersión se denomina en
ocasiones rodear un obstáculo. No obstante, para evitar una
posible confusión con la refracción, que es un proceso
enteramente diferente, aquí utilizaremos el término difracción.
Las ondas de radio pasan por una difracción a pequeña escala
y a gran escala. Un ejemplo de difracción a pequeña escala
17. son las ondas de radio de una WLAN que se dispersa en un
ambiente interior. Un ejemplo de difracción a gran escala son
las ondas de radio que se dispersan en torno a una montaña,
hacia un área inaccesible
3.7.5 MULTIRRUTA
maginemos un sándwich de varias capas de materiales
transparentes. Imaginemos que la capa central, el núcleo, tiene
un índice de refracción más alto que el de las dos capas
exteriores. Los rayos de luz que viajan en determinados
ángulos a través del medio del núcleo se reflejarán desde las
interfaces, de acuerdo a la ley de reflexión interna total. Ahora
imaginemos una fuente de luz que emita en varios ángulos, y
que todos ellos se reflejarían. Esto se denomina distorsión
multirruta o interferencia
3.7.6 PERDIDA DE LA RUTA
Un factor crucial en el éxito o fracaso de un sistema de
comunicaciones es cuánta potencia procedente del transmisor
llega al receptor. Se tratarán muchas formas diferentes en las
cuales las ondas EM pueden verse afectadas, incluyendo
reflexión, difracción y dispersión. Estos efectos diferentes
pueden combinarse y describirse por medio de lo que se
conoce como cálculos de pérdida de ruta. Los cálculos de
pérdida de ruta determinan cuánta potencia se pierde a lo largo
de la ruta de comunicaciones.
La pérdida del espacio libre (FSL) es la atenuación de la señal
que resultaría si todas las influencias de absorción, difracción,
obstrucción, refracción, dispersión y reflexión se eliminaran lo
