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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE
MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES
ARAGON
“FUNDAMENTOS DE REDES WLAN Y SU
APLICACIÓN A LA TELEFONÍA CELULAR”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA
(área eléctrica - electrónica)
PRESENTAN:
ANGEL ARMANDO RENTERÍA ALVAREZ
ARMANDO ROMERO MÁRQUEZ
ASESOR: Ing. Rubén Darío Velázquez Ortíz
MEXICO , 2008
UNAM – Dirección General de Bibliotecas
Tesis Digitales
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mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro,
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el
respectivo titular de los Derechos de Autor.
Agradecimientos:
A mi Madre:
Por todo su apoyo y confianza que he tenido a lo largo de toda mi vida así como en los
momentos más complicados, pero sobre todo al amor que he tenido gracias a mi madre,
a quien le debo todo lo que soy y lo que seré.
A mi Hermano:
Por ser un gran ejemplo a seguir y una gran fuente de inspiración y motivación en todos
los logros que hemos obtenido a lo largo de toda mi vida, por sus consejos y ganas de
impulsarme siempre adelante.
A la memoria de mi padre:
Por ser un ejemplo a seguir y una motivación extra de todos mis logros, al enorme
amor que me demostró.
A mis maestros:
Por todos los conocimientos transmitidos a lo largo de toda mi vida estudiantil.
A mis amistades:
Por todos los momentos de felicidad que he tenido gracias a ellos, así como al apoyo
que tuve en diferentes etapas de mi vida, tanto académicas como en mi vida personal.
A la Universidad Nacional Autónoma de México:
Por darme la oportunidad de ser parte de ella, así también darle gracias por abrir la
puerta del conocimiento para mi persona y expresar que es la institución que mas quiero
y respeto en todos los aspectos.
ARMANDO ROMERO MARQUEZ
Agradecimientos:
Lo que un hombre piensa de sí mismo, es lo que determina,
o más bien indica, su destino.
(Henry David Thoreau)
En agradecimiento a mis padres y hermanos por el apoyo recibido durante mi
formación profesional. Porque gracias a su apoyo y consejo he llegado a realizar la
más grande de mis metas. La cual constituye la herencia más valiosa que pudiera
recibir.
Lo que un hombre piensa de sí mismo, es lo que determina,
o más bien indica, su destino.
(Henry David Thoreau)
Al término de esta etapa de mi vida, quiero expresar un profundo agradecimiento
a quienes con su ayuda, apoyo y comprensión me alentaron a logar esta hermosa
realidad, todos sin excepción, sin decir nombres para no olvidar a ninguno, pero
todos están constantemente en mi pensamiento y corazón, y lo mejor es que lo
saben.
Si una persona es perseverante, aunque sea dura de entendimiento, se hará
inteligente; y aunque sea débil se transformará en fuerte.
(Leonardo Da Vinci)
En una forma muy especial me gustaría agradecer a la UNAM, que me abrió sus
puertas y además me dio una formación, a mis maestros que dieron su esfuerzo y
tiempo para formarme como un profesionista, gracias a ellos y a la universidad
ahora mi nombre tiene un titulo.
ANGEL ARMANDO RENTERIA ALVAREZ
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ÍNDICE
TEMA PÁGINA
Introducción 1
Capítulo 1: Introducción a las redes WLAN
1.1 Generalidades 4
1.2 Origenes 4
1.3 Normalización 6
1.4 Estándares de WLAN 7
1.5 Tecnología de radiofrecuencia 7
1.5.1 Secuencia dedicada 8
1.5.2 Espectro expandido 9
1.5.3 Tecnología de infrarrojos 11
1.5.3.1 Clasificación 12
1.5.3.2 Capas y protocolos 12
1.6 Ventajas de las redes WLAN 13
1.7 Sistemas antiguos vs sistemas modernos 14
1.8 Topologías de redes WLAN 14
1.8.1 Red ad-hoc 14
1.8.2 Red infraestructura 15
1.9 Áreas de aplicación de WLAN 16
1.9.1 WLA´s es una extensión de las redes LAN´s 17
1.9.2 Interconexión entre edificios 18
1.10 Requerimientos para WLAN´s 20
1.10.1 Número de nodos 20
1.10.2 Area de secuencia 20
1.10.3 Throughput 20
1.10.4 Conexión de backbone LAN 21
1.10.5 Consumo de la batería para los dispositivos móviles 21
1.10.6 Transmisión robusta y seguridad 21
1.10.7 Operación de redes ubicadas en el mismo lugar 21
1.10.8 Operación sin la necesidad de licencias 21
1.10.9 Configuración dinámica 22
1.10.10 Handoff/roaming 22
1.11 Tecnicas de transmisión de WLAN 22
1.11.1 Infrared 23
1.11.1.1 Ventajas del uso de infrarrojos 23
1.11.1.2 Desventajas del uso de infrarrojos 24
1.11.1.3 Tecnicas de transmisión 24
1.11.1.4 Red LAN utilizando infrarrojo 25
1.11.2 Microondas con espectro expandido 26
1.11.3 Microondas de banda angosta 27
Capitulo 2: Estándares y protocolos
2.1 Introducción 28
2.2 Observación de estándares y aplicaciones 28
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2.3 Estándares 29
2.4 Bluetooth 33
2.5 Áreas de aplicación 33
2.6 Especificación de estándares 34
2.7 Elección de la capa física 35
2.8 Mecanismos de acceso para WLAN 36
2.9 Servicios de corporaciones IEEE 37
2.10 La norma IEEE 802.11 39
2.10.1 Observaciones 39
2.10.2 Los estándares como base de soluciones 39
2.11 Estándares en aplicaciones finales 40
2.12 Capa física infrarroja 40
2.12.1 La capa DSSS 41
2.12.1 La capa FHSS 41
2.12.3 La capa MAC 41
2.13 Protocolos de seguridad en redes inalámbricas 42
Capítulo 3: Comunicación móvil
3.1 Panorama general 44
3.2 Tendencias tecnológicas 44
3.3 Orígenes 45
3.4 Convergencia 47
3.5 Servicios de comunicaciones móviles 48
3.5.1 La telefonía móvil terrestre 48
3.5.2 La comunicación móvil por satélite 49
3.5.3 Las redes móviles privadas 51
3.5.4 La radiomensajería 51
3.5.5 La radiolocalización GPS 52
3.5.6 Las comunicaciones inalámbricas 53
3.5.7 El acceso al Internet móvil 53
3.6 Conectividad inalámbrica para dispositivos móviles 54
3.6.1 Opciones de red inalámbrica 57
3.6.2 Modos de conexión 58
3.7 Adecuación del ancho de banda a las aplicaciones 61
3.8 Introducción a los sistemas móviles GSM, CDMA y
TDMA
62
3.8.1 Sistemas de comunicaciones móviles 63
3.8.2 Reutilización de frecuencias 64
3.8.3 Fragmentación celular 65
3.8.4 Red celular 65
3.8.5 Compartición de radiocanales 66
3.9 El estándar GSM 67
3.9.1 Arquitectura de la red GSM 67
3.9.2 Tarjeta SIM 69
3.9.3 Funcionalidad GSM 69
3.9.4 Ventajas de GSM 70
3.9.5 Servicios GSM 71
3.10 Tecnología TDMA 62
3.10.1 Funcionamiento de TDMA 73
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3.10.2 Ventajas de TDMA 73
3.10.3 Desventajas de TDMA 74
3.11 Tecnología CDMA 74
3.11.1 Ventajas de CDMA 75
3.11.2 Beneficios a los usarios 76
3.11.3 Servicios que ofrece la tecnología CDMA 77
Capítulo 4: Análisis y valoración
4.1 Generalidades 79
4.2 Algunos datos de mercado 79
4.3 Seguridad, factor importante 79
4.4 Gráficos de Kiviat 80
4.5 Funcionamiento de los puntos de acceso 81
4.6 Antenas 82
4.6.1 Tipos de natenas 82
4.6.2 Fabricación de antenas 84
4.7 Arquitectura WLAN 84
4.8 Proveedores de soluciones de extremo a extremo 85
4.9 Soluciones inalámbricas 87
4.10 Radiocomunicaciones móviles 88
4.11 Las redes inalámbricas vs ordenadores móviles 90
4.12 El futuro de las comunicaciones móviles 91
Conclusiones
92
Glosario
94
Bibliografía
105
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INTRODUCCIÓN
Actualmente, es clara la alta dependencia en las actividades empresariales e
instituciones de las redes de comunicación. Por ello, la posibilidad de compartir
información sin que sea necesario buscar una conexión física permite mayor
comodidad y movilidad.
Asimismo, la red puede ser más extensa sin necesidad de mover o instalar cables.
Las redes inalámbricas son aquellas que carecen de cables. Gracias a las ondas de radio,
se lograron redes de computadoras de este tipo, aunque su creación refirió varios años
de búsqueda.
Esta tecnología facilita el acceso a recursos en lugares donde se imposibilita la
utilización de cables, como zonas rurales poco accesibles.
Además, estas redes pueden ampliar una ya existente y facilitar el acceso a usuarios
que se encuentren en un lugar muy remoto, sin la necesidad de conectar sus
computadoras a un hub o a un switch por intermedio de cables. Estos usuarios podrían
acceder a la red de su empresa o a la computadora de su casa en forma inalámbrica, sin
configuraciones adicionales.
Por supuesto, para ello se necesitará no sólo de materiales, sino también de los
conocimientos básicos para lograrlo.
Cabe mencionar que los hub´s y los switch´s son dispositivos que se usan como
concentradores, ya que todas las computadoras de la red se conectan a ellos.
Un hub, al recibir información, la distribuye a todos los ordenadores de la red, e éstas
últimas verificarán si son las destinatarias de la información.
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En cambio, el switch envía los datos sólo al destinatario correspondiente, con lo cual
disminuye el tráfico de la red.
Algunos conceptos a considerar en este sentido son:
Wireless: En inglés, su significado es “sin cables”, y se les denomina así a los
dispositivos que no utilizan cables para realizar el envío y la recepción de datos.
Wi-Fi: Abreviatura de Wireless Fidelity. Es el término utilizado corrientemente para
una red local sin cables (WLAN) de alta frecuencia.
WLAN: Wireless Local Area Network o red de área local (LAN) que utiliza ondas de
radio de alta frecuencia en lugar de cables, para comunicar y transmitir datos.
Bluetooth: Tecnología o protocolo de conexión entre dispositivos inalámbricos. Incluye
un chip específico para comunicarse en la banda de frecuencia comprendida entre los
2402 y 2480 GHz con un alcance máximo de diez metros y tasas de transmisión de
datos de hasta 721 kbps.
Cabe mencionar que las redes inalámbricas son más simples de instalar, escalables con
mucha facilidad y menos complejas en su administración que las redes cableadas.
La tecnología no se detiene y el uso de redes de información se ha convertido en una
necesidad para el hombre moderno.
Si bien las redes WLAN fueron creadas para la transmisión de datos por computadora,
actualmente han encontrado un nuevo uso: en la comunicación móvil y/o telefonía
celular, que es el motivo de esta tesis.
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2
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Para concluir, podemos mencionar que, eventualmente, se encontrarán nuevas
aplicaciones y mejoras en este tipo de redes y el campo de estudio será ampliado.
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3
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CAPITULO 1:
INTRODUCCIÓN A LAS
REDES WLAN
1.1 Generalidades
En la actualidad, se hace notoria la alta dependencia en las actividades empresariales e
institucionales de las redes de comunicación. Por esta razón, la posibilidad de compartir
información sin que sea necesario buscar una conexión física, permite mayor movilidad
y comodidad.
De la misma forma, la red puede ser más extensa sin la necesidad de mover o instalar
cables.
Según la definición del diccionario, una red WLAN es una red inalámbrica de área local
y sus siglas son el acrónimo de Wireless Local Area Network. Es un sistema de
comunicación de datos inalámbrico, que se utiliza como alternativa a las redes LAN
cableadas o como extensión de éstas.
WLAN utiliza la tecnología de radiofrecuencia, la cual permite mayor movilidad a los
usuarios al minimizarse las conexiones cableadas.
En este sentido, cabe hacer notar que las WLAN han adquirido importancia en muchos
campos como: la industria, el gobierno y la medicina, entre otros.
Las redes inalámbricas de la actualidad, se implementan a partir de enlaces basados en
el uso de la tecnología de microondas y, en menor medida, de infrarrojos.
1.2 Orígenes
El origen de las redes locales inalámbricas (WLAN) se remonta a la publicación de los
resultados de un experimento realizado por ingenieros de IBM en Suiza, en 1979; este
experimento consistía en utilizar los enlaces infrarrojos para crear una red local en una
fábrica.
Los resultados de este experimento pueden considerarse como el punto de partida en la
línea evolutiva de esta tecnología.
Pero la ciencia no se detiene. Las investigaciones siguieron adelante, tanto en infrarrojos
como en microondas, donde se utilizada el esquema de Spread spectrum (espectro
extendido), siempre a nivel de laboratorio.
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En mayo de 1985, y tras años de estudios, la agencia Federal del Gobierno de los
Estados Unidos de Norteamérica, encargada de regular y administrar en materia de
telecomunicaciones, asigna las bandas de frecuencia IMS (Industrial, ciencia y
medicina).
La asignación de una banda de frecuencias propició una mayor actividad en el seño de
la industria; ese respaldo impulsó que las WLAN dejaran el laboratorio e iniciaran el
camino hacia el mercado.
De 1985 a 1990, se trabajó más en la fase de desarrollo y en mayo de 1991, se
publicaron varios trabajos referentes a las WLAN operativas que superaban la velocidad
de 1Mbps, el mínimo establecido por la IEEE 802 para que la red sea realmente
considerada una LAN (red de área local). Hasta este momento, estas redes habían tenido
una aceptación marginal en el mercado.
Las razones de esta aceptación limitada se son:
o Gran cantidad de técnicas, tecnologías y normas existentes en el ámbito de las
comunicaciones móviles debido a que los diferentes fabricantes han ido
desarrollando sus propias soluciones, utilizando frecuencias y tecnologías
muy distintas y normalmente incompatibles. No existía una norma y menos
un estándar.
o Altos precios que reflejan los costos de investigación para desarrollar
soluciones tecnológicas propietarias.
o Reducidas prestaciones si las comparamos con sus homologas cableadas: las
redes inalámbricas únicamente permiten el soporte de datos, mientras que por
una red de cableado podemos llevar multitud de aplicaciones tanto de voz,
como de datos, vídeo, etcétera, y además, velocidades de transmisión
significativamente menores.
Actualmente, se viene produciendo, en estos últimos años, un crecimiento explosivo en
este mercado (de hasta un 100% anual). Debido a distintas razones:
o El desarrollo del mercado de los laptops y los PDA (Personal Digital Assistant),
y en general de sistemas y equipos de informática portátiles hacen posible que
sus usuarios puedan estar en continuo movimiento, al mismo tiempo que están
en contacto con los servidores y con los otros ordenadores de la red, es decir, la
WLAN permite movilidad y acceso simultáneo a la red.
o La conclusión de la norma IEEE 802.11(2) para redes locales inalámbricas, que
introduce varios factores positivos:
a)Interoperatividad. Esta norma aporta una plataforma estable para el
desarrollo de nuevos productos, con la consiguiente confianza que este
hecho genera en los usuarios. Esto posibilitará a su vez el que
soluciones de distintos fabricantes puedan trabajar conjuntamente.
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b) Costos. Lógicamente, se producirá también una notable reducción en
los precios de este tipo de productos, en primer lugar porque una vez
aprobado el estándar son más los fabricantes que desarrollen sus
propias soluciones inalámbricas, y además porque esto va a suponer un
empuje definitivo para el mercado masivo de componentes, con el
consiguiente abaratamiento de los mismos.
c) Finalmente, los grandes avances que se han logrado en tecnologías
inalámbricas de interconexión y los que se tiene previsto alcanzar en
proyectos varios. En este aspecto cabe destacar las mejoras de
prestaciones propuestas por IEEE 802.11 en cuanto a velocidad,
mejoras incrementales, y por otro lado la intención de implementar la
tecnología de transmisión ATM por parte de HiperLAN y otras
mejoras tecnológicas.
1.3 Normalización
En 1990, en el seno de IEEE 802, se forma el comité IEEE 802.11, que empieza a
trabajar para tratar de generar una norma para las WLAN. Pero no es hasta 1994 cuando
aparece el primer borrador, y en junio de 1997 que se da por finalizada la norma.
En 1992 se crea “Winforum”, consorcio liderado por Apple y formado por empresas del
sector de las telecomunicaciones y de la informática para conseguir bandas de
frecuencia para los sistemas PCS (Personal Communications Systems). En ese mismo
año, la ETSI (European Telecommunications Standards Institute), a través del comité
ETSI-RES 10, inicia actuaciones para crear una norma a la que denomina HiperLAN
(High Performance LAN) para, en 1993, asignar las bandas de 5,2 y 17,1 GHz.
En 1993 también se constituye la IRDA (Infrared Data Association) para promover el
desarrollo de las WLAN basadas en enlaces por infrarrojos.
En 1996, finalmente, un grupo de empresas del sector de informática móvil y de
servicios forman el “WLI forum” (Wireless LAN Interoperability Forum), para
potenciar este mercado mediante la creación de un amplio abanico de productos y
servicios interoperativos. Entre los miembros fundadores de WLI Forum se encuentran
empresas como:
o ALPS Electronic
o AMP
o Data General
o Contron
o Seiko
o Epson
o Zenith Data Systems.
En un futuro no lejano, el previsible aumento del ancho de banda asociado a las redes
inalámbricas y, consecuentemente, la posibilidad del multimedia móvil, permitirá atraer
a mercados de carácter horizontal que surgirán en nuevos sectores, al mismo tiempo que
se reforzarán los mercados verticales ya existentes.
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La aparición de estos nuevos mercados horizontales está fuertemente ligada a la
evolución de los sistemas PCS (Personal Communications systems), en el sentido de
que la base instalada de sistemas PCS ha creado una infraestructura de usuarios con una
cultura tecnológica y hábito de utilización de equipos de comunicaciones móviles en
prácticamente todos los sectores de la industria y de la sociedad.
Esa cultura constituye la base de cultivo para generar una demanda de más y más
sofisticados servicios y prestaciones, muchos de los cuales han de ser proporcionados
por las WLAN.
1.4 Estándares de WLAN
Los dos estándares mas extendidos en la actualidad en el mundo de las redes
inalámbricas en la banda de frecuencia 2.4 Ghz son:
o El estándar IEEE 802.11
o El estándar de facto Openair 2.4.
También existe una iniciativa europea promovida por el ETSI (European
Telecommunications Standards Institute) y denominada HiperLAN(3), pero mucho
menos desarrollada comercialmente, por ahora.
1.5 Tecnología de radiofrecuencia
Las redes inalámbricas que utilizan radiofrecuencia pueden clasificarse atendiendo a su
capa física, en:
o Sistemas de banda estrecha ( narrow band)
o Sistemas de frecuencia dedicada, no recogido por IEEE 802.11
o Sistemas basados en espectro disperso o extendido (spread spectrum), elegido
por IEEE 802.11.
El sistema de redes inalámbricas WLAN, en su forma más simple, podría ser la que se
muestra en la figura siguiente:
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7
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Red inalámbrica WLAN
Por otro lado, las señales de radiofrecuencia pueden ser de la forma:
o Frecuencia dedicada
o Espectro expandido
o Tecnología de infrarrojos
1.5.1 Frecuencia dedicada
La frecuencia dedicada es una técnica que trabaja de modo similar a la forma en que se
difunden las ondas desde una estación de radio.
Esto es, hay que sintonizar en una frecuencia muy precisa tanto el emisor como el
receptor. La señal puede atravesar paredes y se expande sobre un área muy amplia, así
que no se hace necesario enfocarla.
Sin embargo, estas transmisiones tienen problemas debido a las reflexiones que
experimentan las ondas de radio (fantasmas); para evitarlas en lo posible, estas
transmisiones están reguladas, en Estados Unidos por la FCC. Hay que sintonizar muy
precisamente para prevenir las posibles interferencias.
En octubre de 1990, Motorola introdujo un concepto de WLAN al que llamó WIN
(Wireless In-building Network). Es la primera de únicamente dos WLANs que operan
en una frecuencia dedicada y que requieren de autorización de las autoridades
gubernamentales para operar (la otra es el sistema MR-23VX-LAN de Microwave
Radio).
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El sistema de Motorola, llamado Altair, opera en la banda de 18 GHz del espectro
radioeléctrico y para los Estados Unidos, le han sido asignados 5 canales con dos
bandas de frecuencia de 10 MHz cada uno, con lo que Altair puede transmitir
información a velocidades de hasta 10 Mbps, aunque su media son los 5 Mbps.
Desde sus orígenes, Altair fue diseñado para coexistir y complementar la infraestructura
de red basada en cable que muy probablemente ya se tiene en las organizaciones donde
se piensa utilizar.
La configuración de red está basada en áreas de 450 a 5,000 m2 llamadas microceldas y
coordinadas por un módulo de control (CM). Los dispositivos inalámbricos en el área
de la microcelda, llamados Módulo de Usuario (UM), no se comunican directamente
entre sí, sino a través del módulo de control. Cada módulo de usuario puede además
estar conectado a un segmento de red local no inalámbrica y controlar hasta seis
dispositivos. Además, diferentes microceldas pueden interconectarse a través de sus
CMs para así aumentar la cobertura total de la red inalámbrica.
1.5.2 Espectro expandido
Los productos comerciales que utilizan infrarrojo o frecuencias dedicadas, aportan
únicamente un tercio del mercado de WLANs. Las otras dos terceras partes transmiten
información en bandas del espectro que no requieren autorización para su uso. Estas son
las llamadas bandas para aplicaciones industriales, científicas y médicas (ICM o IMS).
La banda IMS es "unlicensed", es decir, se asigna sin licencia en el sentido de que FCC
simplemente asigna la banda y establece las directrices de utilización, pero no decide
sobre quién debe transmitir en esa banda usando determinadas zonas de frecuencia.
De hecho, algunas de estas frecuencias están siendo extensamente utilizadas por otros
dispositivos como:
o Teléfonos inalámbricos
o Puertas de garaje automáticas
o Sensores remotos
o Etcétera
Por esta razón,es que las autoridades reguladoras exigen que los productos se
desarrollen dentro de algún esquema que permita controlar las interferencias.
En este punto hay que hacer unas aclaraciones de WLAN:
o Para controlar las interferencias en WLAN, existe una alternativa teórica que
consiste en utilizar una potencia de salida muy baja; sin embargo, no resulta una
alternativa práctica debido a que afecta a otros factores como la velocidad, que
es crucial en este tipo de aplicaciones.
o Las técnicas tradicionales de modulación maximizan la potencia en el centro de
la frecuencia asignada para solventar el problema del ruido; no obstante, resulta
fácil su detección e interceptación. Además existen limitaciones establecidas.
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o Otras alternativas que han sido globalmente aceptadas por la industria y
adoptadas por IEEE 802.11 se refieren a los esquemas DSSS (Direct Sequence
Spread Spectrum) y FHSS (Frecuency Hopping Spread Spectrum), ambos
dentro de la órbita de la tecnología conocida como espectro expandido ("spread
spectrum"). Esta tecnología se ha impuesto frente a las tecnologías
tradicionales, por su excelencia y por sus mejoras en cuanto a complejidad y
costes.
El espectro expandido es una técnica que ha sido generada y ampliamente utilizada en el
sector de la defensa por sus excelentes propiedades en cuanto a inmunidad a
interferencias y a sus posibilidades de encriptación. Hace sólo unos diez años que se
produjo el spin-off (la extensión de programas gubernamentales, orientados a una
misión específica, sobre todo de defensa, al sector civil) hacia el sector civil comercial
en lo que respecta a los esquemas de modulación DSSS y FHSS. Los otros dos
esquemas de spread spectrum siguen utilizándose en el sector de defensa, en particular
en aspectos de radar y aplicaciones especiales.
A grandes rasgos, spread spectrum consiste en un esquema de modulación que consiste
en lo siguiente: como su nombre indica, la señal se expande (su espectro) a través de un
ancho de banda mayor que el mínimo requerido para transmitir con éxito. Mediante un
sistema de codificación se desplaza la frecuencia o la fase de la señal de forma que ésta
quede expandida, con lo cual se consigue un efecto de camuflaje.
Posteriormente, en el receptor la señal se recompone para obtener la información inicial
que se deseaba transmitir. En definitiva, se esparce la señal a lo largo de un amplio
margen del espectro evitando concentrar la potencia sobre una única y estrecha banda
de frecuencia como ocurre con las técnicas convencionales de este modo puede usar un
rango de frecuencias que este ocupado ya por otras señales.
Todos los elementos de cada red local inalámbrica basadas en espectro expandido
utilizan el mismo código de expansión, lo cual permite la diferenciación y que esa red
coexista con otras redes o con otros sistemas en la misma banda de frecuencias.
Los modos de implementación de DSSS y FHSS son sensiblemente diferentes a pesar
de que comparten la misma filosofía. En este sentido, cabe hacer algunas aclaraciones:
o La técnica de espectro expandido por secuencia directa (DSSS), se basa en
desplazar la fase de una portadora mediante una secuencia de bits muy rápida,
diseñada de forma que aparezcan aproximadamente el mismo número de ceros
que de unos. Esta secuencia, un código Barker también llamado código de
dispersión o PseudoNoise, se introduce sustituyendo a cada bit de datos; puede
ser de dos tipos, según sustituya al cero o al uno lógico.
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o Solamente aquellos receptores a los que el emisor envíe dicho código, podrán
recomponer la señal original, filtrando las señales indeseables, previa
sincronización. Aquellos que no posean el código creerán que se trata de ruido.
Por otro lado, al sustituir cada bit de datos a transmitir, por una secuencia de
once bits equivalentes, aunque parte de la señal de transmisión se vea afectada
por interferencias, el receptor aún puede reconstruir fácilmente la información a
partir de la señal recibida. A cada bit de código en PN se le denomina chip. Una
mayor cantidad de chips indica una mayor resistencia a la interferencia. El IEEE
802.11 establece una secuencia de once chips, siendo cien el óptimo.
o En la técnica de espectro expandido por salto de frecuencia o FHSS (Frecuency
Hopping Spread Spectrum) la señal se mueve de una frecuencia a otra, es decir,
la expansión de la señal se produce transmitiendo una ráfaga en una frecuencia,
saltando luego a otra frecuencia para transmitir otra ráfaga, y así sucesivamente.
Las frecuencias utilizadas para los saltos y el orden de utilización se denomina
modelo de hopping (hopping pattern). El ser tiempo de permanencia en cada
frecuencia es lo que se conoce como dwell time, que debe muy corto, pattern
menor que milisegundos, para evitar interferencias; tanto el dwell time como el
hopping están sujetos a restricciones por parte de los organismos de regulación.
1.5.3 Tecnología de infrarrojos
La norma IEEE 802.11 no ha desarrollado todavía en profundidad esta área y solo
menciona las características principales de la misma, como son:
o Transmisión infrarroja difusa
o El receptor y el transmisor no tienen que ser dirigidos uno contra el otro y no
necesitan una línea de vista (line-of-sight) limpia.
o Rango de unos 10 metros.
o Sólo en edificios.
o 1 y 2 Mbps de transmisión, 16-PPM y 4-PPM.
o 850 a 950 nanometros de rango. (Frente al 850 a 900 nm que establece el IrDA).
También indica que el IrDA ha estado desarrollando estándares para conexiones
basadas en infrarrojo. Por todo ello se toma como referencia de esta capa y de las
siguientes que se explican en este mismo punto, las especificaciones de la tecnología del
IrDA.
Las WLAN por infrarrojos son aquellas que usan el rango infrarrojo del espectro
electromagnético para transmitir información mediante ondas por el espacio libre.
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1.5.3.1 Clasificación
También se puede manejar una clasificación de los sistemas infrarrojos, basándose en
el ángulo de apertura con que se emite la información en el transmisor; de esta manera,
los sistemas infrarrojos pueden ser:
o De corta apertura
o De gran apertura
Los sistemas infrarrojos de corta apertura también son llamados de rayo dirigido o de
línea de vista.
Estos sistemas están constituidos por un cono de haz infrarrojo altamente direccional y
funcionan de manera similar a los controles remotos de los televisores y otros equipos
de consumo; esto es, el emisor debe orientarse hacia el receptor antes de transferir
información, lo que limita su funcionalidad.
Este mecanismo sólo es operativo en enlaces punto a punto. Por ello, se considera que
es un sistema inalámbrico pero no móvil; es decir, está más orientado a la portabilidad
que a la movilidad.
Los sistemas de gran apertura también reciben el nombre de reflejados o difusos.
Estos sistemas permiten la transmisión de la información en un ángulo más amplio, por
lo que el transmisor no tiene que estar alineado con el receptor.
1.5.3.2 Capas y protocolos
El principio de funcionamiento en la capa física es muy simple y proviene del ámbito de
las comunicaciones ópticas por cable: un LED (Light Emitting Diode), que constituye el
dispositivo emisor, emite luz que se propaga en el espacio libre en lugar de hacerlo en
una fibra óptica, como ocurre en una red cableada.
En el otro extremo, el receptor, un fotodiodo PIN recibe los pulsos de luz y los
convierteen señales eléctricas que, tras su manipulación (amplificación, conversión a
formato bit, mediante un comparador, y retemporización) pasan a la UART (Universal
Asynchronous Receiver Transmitter) de la computadora, de forma que para la CPU todo
el proceso luminoso es absolutamente transparente.
En el proceso de transmisión, los bits viajan mediante haces de pulsos, donde el cero
lógico se representa por existencia de luz y el uno lógico por su ausencia.
Debido a que el enlace es punto a punto, el cono de apertura visual es de 30° y la
transmisión es half dúplex, esto es, cada extremo del enlace emite por separado.
Tras la capa física se encuentra la capa de enlace, conocida como IrLAP, (Infrared Link
Access Protocol) que se encarga de gestionar las tareas relacionadas con el
establecimiento, mantenimiento y finalización del enlace entre los dos dispositivos que
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se comunican. IrLAP constituye una variante del protocolo de transmisiones asíncronas
HDLC (Half Duplex Line Control) adaptada para resolver los problemas que plantea el
entorno radio. El enlace establece dos tipos de estaciones participantes, una actúa como
maestro y otra como esclavo. El enlace puede ser punto a punto o punto a multipunto,
pero en cualquier caso la responsabilidad del enlace recae en el maestro, todas las
transmisiones van a o desde ella.
La capa de red esta definida por el protocolo IrLMP (Infrared Link Management
Protocol), la capa inmediatamente superior a IrLAP, se encarga del seguimiento de los
servicios (como impresión, fax y módem), así como de los recursos disponibles por
otros equipos, es decir, disponibles para el enlace.
Finalmente, la capa de transporte, IrTP (Infrared Transport Protocol) se ocupa de
permitir que un dispositivo pueda establecer múltiples haces de datos en un solo enlace,
cada uno con su propio flujo de control. Se trata, pues, de multiplexar el flujo de datos,
lo cual permite, por ejemplo, el spool de un documento a la impresora mientras se carga
el correo electrónico del servidor. Este software, de carácter opcional -dado que no es
necesario para la transferencia básica de ficheros- resulta útil cuando se ha de establecer
un enlace, por ejemplo, entre un PDA (Personal Digital Assistant) y la LAN.
1.6 Ventajas de las redes WLAN
Las redes inalámbricas WLAN proveen todas las características y beneficios de las
tecnologías LAN´s tradicionales, sin las limitaciones de los alambres o cables. La
libertad de desplazarse entre distintas áreas de cobertura y mantener conectividad, ha
ayudado a elevar a las redes inalámbricas.
Sin embargo, se pueden enumerar las ventajas de la WLAN, de la siguiente manera:
o Movilidad. Información en tiempo real en cualquier lugar de la organización o
empresa para todo usuario de la red. El que se obtenga en tiempo real supone
mayor productividad y posibilidades de servicio.
o Facilidad de instalación. Evita obras para tirar cable por muros y techos.
o Flexibilidad. Permite llegar donde el cable no puede.
o Reducción de costos. Cuando se dan cambios frecuentes o el entorno es muy
dinámico, el coste inicialmente más alto de la red sin cable es significativamente
más bajo, además de tener mayor tiempo de vida y menor gasto de instalación.
o Escalabilidad. El cambio de topología de red es sencillo y trata igual a pequeñas
y grandes redes.
o No requiere cambios de cableado significativos durante las reconfiguraciones de
las oficinas, con el ahorro que ello implica.
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o Proveen la libertad y flexibilidad para operar dentro de edificios y entre
edificios. Las denominadas áreas locales ya no se miden en metros, sino que
han alcanzado grandes distancias de kilómetros. La infraestructura no necesita
estar enterrada en el piso ni escondida en las paredes; sino que puede moverse y
cambiarse basándose en las cambiantes necesidades de la organización.
1.7 Sistemas antiguos vs sistemas modernos.
La primera generación de dispositivos WLAN, introducidos a fines de los 80´s, no fue
muy popular debido a sus bajas velocidades, falta de estándares y preocupación por las
licencias.
Los sistemas modernos se encuentran estandarizados y son capaces de transferir datos a
velocidades aceptables.
El comité IEEE 802.11 y la alianza WI-Fi han trabajado arduamente para hacer que los
equipos inalámbricos sean estandarizados e interoperables.
En la actualidad, se soportan velocidades de transmisión e interoperabilidad necesarias
para la operación como en una LAN tradicional. También, el costo de los nuevos
dispositivos inalámbricos ha disminuido significativamente; de tal manera que, las
WLAN son ahora una opción de costo accesible a muchos usuarios a los que antes
estaba restringido.
Por otro lado, en la mayoría de los países, estos dispositivos no requieren de licencias
especiales para su uso.
1.8 Topologías de redes WLAN
Las redes inalámbricas pueden construirse de diferentes maneras; para ello, utilizan o
no, un punto de acceso (AP), que es lo que determina su topología. En este sentido, la
WLAN puede ser:
o Ad-hoc
o Infraestructura
1.8.1 Red ad-hoc
La red ad-hoc es una red peer to peer (punto a punto). Al igual que las redes cableadas
Ethernet, en las cuales compartimos el medio (cable) y se pueden realizar varias
"conversaciones" a la vez entre distintos Host, el medio de las redes WLAN (aire)
dispone de un identificador único para cada una de esas "conversaciones" simultaneas
que se pueden realizar, es una dirección MAC de 48 bits.
En el caso de las redes Ad-Hoc, este número MAC es generado por el adaptador
inalámbrico que crea "la conversación", y es un identificador MAC aleatorio.
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Cuando un adaptador Wireless es activado, primero pasa a un estado de "escucha", en el
cual, durante unos 6 segundos está buscando por todos los canales alguna
"conversación" activa. Si encuentra alguno, le indicará al usuario a cual se quiere
conectar.
En el supuesto de que no se pueda conectar a otro Host que ya estuviera activo, pasa a
"crear la conversación", para que otros equipos se puedan conectar a él.
Es importante aclarar que, para una determinada WLAN con topología Ad-hoc, todos
los equipos conectados a ella (Host) deben de ser configurados con el mismo
Identificador de servicio básico (Basic Service Set, BSSID).
El modo Ad-hoc puede soportar 256 usuarios como máximo.
La topología ad-hoc se representa en la figura siguiente:
Topología Ad-hoc
1.8.2 Red infraestructura
De la misma manera, como en las redes Ethernet, en las cuales se dispone de un Hub o
concentrador para "unir" todos los Host, ahora disponemos de los Puntos de Acceso
(AP), los cuales se encargan de "crear esa conversación" para que se puedan conectar el
resto de Host inalámbricos que están dentro de su área de cobertura.
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Ahora la MAC que identifica a esta "conversación" es la MAC del AP (MAC real).
Existen en el mercado muchos tipos de puntos de acceso (AP´s), con mayores o
menores prestaciones, entre ellos, se pueden enumerar los siguientes:
o Firewall integrado.
o Switch incorporado.
o Función de Bridge entre edificios.
o Función de repetidor.
o Potencia de emisión recepción.
El modo Infraestructura soporta un máximo de 2048 nodos/usuarios.
Cabe aclarar que si se hace uso de ancho de banda"intensivo", como con juegos o
multimedia, de 6 a 8 usuarios es el máximo recomendable.
La topología infraestructura se muestra en la siguiente figura:
Topología infraestructura
1.9 Áreas de aplicación de WLAN
Las redes WLAN ofrecen numerosos beneficios para oficinas en el hogar, pequeños
negocios, negocios medianos, redes de capos universitarios y grandes corporaciones.
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Los ambientes que se benefician de una WLAN deben tener características distintivas;
entre las que destacan:
o Requieren velocidades estándar de LAN´s Ethernet.
o Tienen usuarios que se beneficiarán del poder inalámbrico.
o Reconfiguran a menudo la organización física de sus oficinas.
o Se expanden rápidamente.
o Enfrentan dificultades significativas para instalas redes cableadas de área local.
o Necesitan conexiones entre dos o más LAN´s en un área metropolitana.
o Requieren oficinas y LAN´s temporales.
Por lo general, estas características no se cumplen completas y sólo es necesario cubrir
algunas de ellas de acuerdo a la organización de que se trate.
1.9.1 WLAN´s es una extensión de las redes LAN´s
En este punto cabe mencionar algunos puntos que ya se tocaron anteriormente:
o Los primeros productos que se introdujeron al mercado como sustitutos de las
redes de área local cableadas, ofrecían algunas ventajas como: ahorro en los
costos por cableado, fácil reubicación y cambios en la estructura de red, entre
otros.
o Las aparentes ventajas se vieron opacadas cuando los edificios comenzaron a
construirse con un diseño que facilitaba, en gran medida, el cableado para datos;
por otro lado, muchos edificios ya cuentan con infraestructura de cableado.
Existen, por ello, ambientes y condiciones en los que las WLAN´s tienen un rol claro y
son una alternativa atractiva; como es el caso de:
o Edificios con grandes espacios abiertos (plantas de fabricación, pisos para
negociación de acciones, o grandes bodegas, por ejemplo).
o Edificios históricos con insuficiente cableado en donde taladrar nuevos agujeros
está prohibido.
o Pequeñas oficinas en las que la instalación y el mantenimiento de las LAN´s
cableadas no es económicamente factible.
o Actualmente, se encuentra su uso en la comunicación mediante telefonía celular;
en este sentido, es necesario el apoyo de la comunicación satelital.
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Cabe mencionar que, sin las redes cableadas, las redes inalámbricas no existirían. En
este punto, es necesario aclarar que:
o No se tienen redes inalámbricas completamente inalámbricas; es decir, los
dispositivos inalámbricos son solamente parte de las redes LAN cableadas.
También, las LAN´s se están convirtiendo en una mezcla de sistemas alámbricos
e inalámbricos, dependiendo de las necesidades de la red y de las limitaciones
del diseño.
o Una planta de fabricación, típicamente, posee un área de oficinas separada de la
fábrica y que debe estar enlazada a ella; en este caso, se debe tener una WLAN
enlazada a una LAN cableada.
Lo anterior se muestra en la siguiente figura:
Áreas de aplicación de WLAN
1.9.2 Interconexión entre edificios
Una aplicación de la tecnología de las redes WLAN´s, es conectar LAN´s (cableadas o
no) en edificios cercanos. Para ello, se utiliza un enlace punto a punto entre los
edificios; en éste, los dispositivos que se conectan son puentes y ruteadores (bridge´s y
router´s). En este caso, no se puede hablar de una LAN en sentido estricto, pero es
común y válido, el incluir esta aplicación bajo el encabezado de WLAN.
Por otro lado, las distancias que se manejan son de hasta 40 kilómetros.
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El uso de dispositivos de tecnología WLAN es más efectivo, en términos de costos, que
usar otro tipo de redes o rentar fibra óptica para tal fin. Podemos hacer algunas
aclaraciones al respecto:
o El costo de instalación entre dos edificios con tecnología WLAN, se llevará a
cabo una sola vez; esto es, será una sola inversión.
o Un enlace dedicado T1/E1; que provee una fracción del ancho de banda de una
WLAN, fácilmente puede costar mucho más que una WLAN completa, sobre
todo si se habla de una renta mensual.
o La instalación de fibra óptica en grandes distancias (mayores a 1.6 kilómetros)
es muy complicada y costaría mucho más que la solución inalámbrica.
Se puede notar a las redes WLAN en el siguiente gráfico:
De la figura, se puede notar que:
o Una WLAN es una extensión de la red LAN; esto es, la WLAN forma una estructura
estacionaria de una o varias celdas con un elemento de control cada una, denominado
punto de acceso (AP). Dentro de cada celda, puede haber un número de sistemas finales
estacionarios.
o Las estaciones nomádicas o portátiles pueden moverse de una celda a otra.
Infraestructura de una WLAN
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1.10 Requerimientos para WLAN´s
Una WLAN debe satisfacer los mismos requerimientos típicos de una red de área local
(LAN); esto es:
o Capacidad
o Cubrir distancias cortas
o Conectividad total entre todas sus estaciones
o Facilidad de broadcast
o Etcétera.
También, debe satisfacer requerimientos adicionales específicos al ambiente LAN
inalámbrico, como:
o Número de nodos
o Área de servicio
o Throughput
o Conexión al backbone LAN
o Consumo de la batería para los dispositivos móviles
o Transmisión robusta y seguridad
o Operación de redes ubicadas en el mismo lugar
o Operación sin la necesidad de licencias
o Configuración dinámica
o Handoff/roaming
1.10.1 Número de nodos
Las WLAN´s pueden requerir que se soporten cientos de nodos utilizando múltiples
celdas.
1.10.2 Área de servicio
Un área típica de cobertura para una red WLAN tiene un diámetro de alcance de entre
los 100 y los 300 metros.
1.10.3 Throughput
El protocolo de control de acceso al medio debería hacer uso eficiente del ambiente
inalámbrico para mejorar la capacidad efectiva de la red.
Asimismo, el overhead (encabezado) del protocolo para acceder al medio, debe ser lo
más pequeño posible para que los datos del usuario sean transferidos lo antes posible.
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1.10.4 Conexión al backbone LAN
En la mayoría de los casos, se necesitan interconexiones con estaciones en un backbone
LAN cableado; en este sentido, se requiere de dispositivos que se conecten a ambos
tipos de redes LAN´s.
También se deben acomodar usuarios móviles y redes ad-hoc.
1.10.5 Consumo de la batería para los dispositivos móviles
Los usuarios móviles utilizan estaciones con baterías que necesitan larga duración en
sus baterías cuando están utilizando sus tarjetas inalámbricas (adaptadores).
Las implementaciones WLAN´s ofrecen modos de operación para reducir el consumo
de potencia cuando no se utiliza la red.
En este caso, no es aceptable un protocolo MAC que requiere que los dispositivos
móviles estén monitoreando constantemente los puntos de acceso o manteniendo
handshakes frecuentes.
1.10.6 Transmisión robusta y seguridad
Sin las medidas necesarias, una WLAN estará sujeta a interferencias y acceso no
autorizado (eavesdropping).
Se hace necesario entonces, el ofrecer transmisión confiable en ambientes ruidososy se
debe proveer de niveles de seguridad frente a eavesdropping (robo silencioso de la
información).
1.10.7 Operación de redes ubicadas en el mismo lugar
Con la creciente popularidad de las WLAN´s, es muy probable que dos o más WLAN´s
operen en la misma área o áreas cercanas, en las que es posible la interferencia entre
ellas.
Sin un diseño adecuado, se puede alterar la operación normal del protocolo de la MAC;
además de permitir accesos no autorizados a LAN´s privadas.
1.10.8 Operación sin la necesidad de licencias
Los usuarios preferirán comprar y operar productos WLAN sin tener que realizar el
engorroso trámite para obtener licencias para la banda de frecuencias en la que operará
su red de área local (LAN).
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1.10.9 Configuración dinámica
Los esquemas de direccionamiento MAC y de administración de la red WLAN deberían
permitir operaciones dinámicas y automáticas para añadir, borrar y reubicar unidades de
usuario sin la interrupción de los otros.
1.10.10 Handoff/roaming
El protocolo MAC usado en WLAN´s, deben permitir que las estaciones móviles se
desplacen de una celda a otra.
Esta tarea no es sencilla, pero se debe de realizar sin demora, ya que es la base de la
telefonía celular.
1.11 Técnicas de transmisión de WLAN
Las técnicas básicas de transmisión de las WLAN´s son:
o Infrared (IR) LAN´s
o Microondas (con sus variantes de spread spectrum o espectro extendido y
microondas de banda angosta)
Una celda usando IR está limitad a una sola habitación dado que la luz IR no penetra en
las paredes.
Las LAN´s con espectro expandido operan, en la mayoría de los casos, en la banda ISM
(industrial, científico y médico), de tal manera que no se requieren licencias.
Las WLAN´s de banda angosta operan a frecuencia de microonda, pero no utilizan
espectro expandido; algunas operan a frecuencias que requieren licenciamiento,
mientras que otras utilizan las bandas ISM (industrial, scientific and medical).
La comparación de estas tecnologías se observa en la tabla siguiente:
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Infrared Spread
spectrum
Radio
Infrarrojo difuso Infrarrojo
dirigido
Frecuencia
de salto
Secuencia
directa
Microondas de
banda estrecha
Tarifa de datos
(Mbps)
1 a 4 1 a 10 1 a 3 2 a 54 10 a 20
Movilidad Estacionario/móvil Estacionario
con LOS
móvil Estacionario/móvil
Rango (m) 15 a 60 25 30 a 100 30 a 250 10 a 40
Longitud de
onda/frecuencia
λ: 800 a 900 nm 902 a 928 MHz
2.4 a 2.4835 GHz
5.725 a 5.85 GHz
902 a 928 MHz
5.2 a 5.775 GHz
18.825 a 19.205
GHz
Técnica de
modulación
ASK FSK QPSK FS/QPSK
Poder irradiado - < 1 W 25 mW
Método de
acceso
CSMA Token Ring
CSMA
CSMA Reservación
ALOHA,CSMA
Requisición de
licencia
No No Si, excepto si es
ISM
1.11.1 Infrared
Las comunicaciones ópticas inalámbricas en la región de infrarrojos es común en los
hogares, en controles remotos de dispositivos.
1.11.1.1 Ventajas del uso de infrarrojos
Las ventajas que ofrece el uso de infrarrojos con respecto de las microondas son:
o Se dispone de una amplia región del espectro, lo que permitirá tener altas
velocidades de transmisión.
o Esta región del espectro no está bajo regulación.
o Posee altas propiedades de la luz visible, la luz infrarroja es reflejada de forma
difusa por objetos de colores claros, lo que permite utilizar los techos como
superficies reflectoras/difusoras, y cubrir toda una habitación.
o La luz infrarroja no atraviesa paredes y no es reflejada por objetos opacos; esto
es: se puede ofrecer seguridad con mayos facilidad; asimismo, se pueden
utilizan infrarrojos en las diferentes oficinas de los edificios sin tener que
preocuparse por interferencias.
o El equipo es relativamente barato y simple. Se puede utilizar modulación de
intensidad, por lo que los receptores sólo necesitan detectar la amplitud de las
señales ópticas, antes que frecuencia o fase, como los sistemas de microondas.
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1.11.1.2 Desventajas del uso de infrarrojos
Las desventajas que tiene el uso de infrarrojos con respecto al de microondas se pueden
enumerar como sigue:
o Muchos ambientes internos experimentan intensas radiaciones infrarrojas
desapercibidas, generadas por la luz del sol y del alumbrado. Estas radiaciones
son ruido para un receptor infrarrojo
o Se requiere transmitir con mayor potencia y se limita el rango de cobertura.
o La potencia a usarse es limitada por seguridad del ojo y el consumo de potencia.
1.11.1.3 Técnicas de transmisión
Las técnicas de transmisión de infrarrojo más comunes son:
o Infrarrojo de haz directivo
o Infrarrojo omnidireccional
o Infrarrojo omnidireccional difuso
El infrarrojo de haz directivo se utiliza para crear enlaces punto a punto; el rango de
frecuencia depende de la potencia emitida y del grado de direccionamiento; esto es, se
pueden alcanzar distancias del orden de los kilómetros y no son distancias que se
utilicen para las redes de área local interiores. También pueden utilizarse para la
interconexión de edificios que tienen línea de vista.
En el infrarrojo omnidireccional, se tiene una estación de base montada en el techo, a la
cual otras estaciones tienen línea de vista. La estación base hace un broadcast de la señal
omnidireccional que es recibida por las otras terminales; estas terminales transmiten
continuamente un haz direccional hacia la estación base.
La figura siguiente muestra un haz infrarrojo de tipo omnidireccional:
IR omnidireccional
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Con lo que respecta al infrarrojo omnidireccional difuso, se puede decir que todos los
transmisores infrarrojos están apuntando a un punto en el techo de materiales que
permitan reflexión difusa. En este caso, la radiación infrarroja que incide en el techo es
re-radiada de forma omnidireccional y captada por todos los receptores en el área.
Lo anterior se muestra en la siguiente figura:
IR omnidireccional difuso
1.11.1.4 Red LAN utilizando infrarrojo
Dentro del diseño de redes de área local (LAN´s) utilizando infrarrojos, se pueden
apreciar varias estaciones base montadas en el techo. En este caso, cada estación provee
conectividad a un número específico de máquinas fijas y móviles.
Las estaciones base están conectadas alámbricamente hacia el servidor, que sirve de
punto de acceso a la red cableada LAN, como se muestra en la siguiente figura:
Infrared (IR) LAN´s
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1.11.2 Microondas con espectro expandido
El tipo más popular de red de área local inalámbrica (WLAN) utiliza espectro
expandido. En ella, se utilizan múltiples celda, en diferenetes lugares; por ejemplo:
o En oficinas o área muy pequeñas, en donde una celda puede ser suficiente.
o Con celdas adyacentes que utilizan diferentes frecuencias centrales dentro de
una misma banda con el fin de evitar las interferencias.
o Dentro de una celda se puede utilizar una configuración peer to peer o ad-hoc; o
se puede utilizar un punto de acceso que se encuentra conectado a la red de área
local alámbrica.
Cabe mencionar las características de un punto de acceso, como son:
o Permite la conexión a estacionesen la red cableada o estaciones móviles en otras
celdas.
o Puede controlar el acceso, mediante la función de coordinación en IEEE 802.11.
o Puede actuar como un repetidor para servir a estaciones de trabajo que se
encuentran a mayores distancias
o Toda estación de trabajo transmite y recibe del punto de acceso.
o Un punto de acceso puede ofrecer “hand-off” automático a estaciones móviles.
Esto es, en un instante dado, un número específico de estaciones están
dinámicamente asignadas a un punto de acceso basados en proximidad (niveles
de potencia).
o Cuando el punto de acceso detecta una señal débil, automáticamente entrega el
control de la estación de trabajo móvil al punto de acceso más cercano.
Cabe mencionar, en este sentido, algunos problemas que pueden presentarse en la
transmisión:
o Si se requieren licencias. Esto depende de la regulación que de ellas se tenga en
cada país.
o Mientras mayor es la frecuencia, mayor es el potencial ancho de banda; y las tres
bandas se hacen más atractivas desde el punto de vista de la capacidad.
o Hay dispositivos que operan a 900 MHz de frecuencia, tales como teléfonos
inalámbricos, micrófonos, etcétera, los cuales son fuentes de interferencias para
este tipo de transmisión.
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1.11.3 Microondas de banda angosta
Las redes WLAN también operan en banda angosta o banda estrecha.
Al mencionar “microonda de banda estrecha”, se refiere al uso de bandas de frecuencia
de microonda relativamente estrecha; lo suficiente para acomodar la señal.
Los productos de redes WLAN de que utilizan tecnología de microonda de banda
angosta, típicamente usaban bandas con licencia de uso; es este sentido, podemos
clasificar a WLAN de banda angosta en:
o Banda estrecha licenciada
o Banda estrecha no licenciada
Para la banda estrecha licenciada, podemos hacer las observaciones siguientes:
o El uso de frecuencias de microonda para la transmisión de voz, datos y vídeo
está licenciado y coordinado para evitar potenciales interferencias entre
sistemas.
o En Estados Unidos de Norteamérica, las áreas geográficas tienen un radio de 28
kilómetros, y contienen cinco licencias; con cada licencia abarcando dos
frecuencias.
o Ofrece la ventaja de garantizar la no interferencia.
Con respecto de la banda angosta no licenciada, se puede marcar lo siguiente:
o En 1995, RadioLAN fue el primer vendedor que introdujo WLAN´s de banda
angosta, utilizando el espectro ISM no licenciado.
o Se utiliza con potencias menores a 0.5 Watts.
o Los productos de RadioLAN operan a 10 Mbps en la banda de 5.8 GHz. Tienen
cobertura de 50 metros en ambientes semiabiertos y 100 metros en ambientes
abiertos. Usan configuración ad-hoc. Asimismo, ofrece la función dinámica de
retransmisión, la cual permite a toda estación de trabajo actuar como un
repetidor para dar servicio a estaciones que están fuera del alcance una de otra.
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CAPITULO 2
ESTANDARES Y PROTOCOLOS
2.1 Introducción
La alianza Wi-Fi (Wireless fidelity o redes inalámbricas) es una asociación global de
industrias, sin fines de lucro de más de 200 compañías miembro; está dedicada a
promover el crecimiento de las WLAN´s.
Siendo uno de sus objetivos el mejorar la experiencia del usuario con los dispositivos
móviles inalámbricos, la alianza Wi Fi mantiene un programa de pruebas y
certificaciones que garantizan la interoperabilidad de los productos WLAN basados en
la especificación IEEE 802.11.
Desde el inicio del programa de certificación de la alianza Wi-Fi, en marzo de 2000,
más de dos mil productos han sido designados como “Wi Fi CERTIFIEDTM”
(certificados por la alianza Wi-Fi).
Para el año 2004, productos de más de 120 vendedores han sido certificados según la
norma 802.11b; esta certificación se extendió a productos 802.11g y, de ellos, 57
vendedores han sido certificados.
Existe un programa de certificación para productos 802.11, llamado Wi-Fi5 y se han
certificado, en este caso, 32 vendedores.
2.2 Observación de estándares y aplicaciones
Después de muchos años presentes en el mercado, es ahora cuando las cifras que rodean
el negocio de las WLAN se disparan, tanto en sus aspectos tecnológicos como
comerciales.
Los últimos estándares adoptados y el paso de la abarrotada banda de 2,4 GHz a la de 5
GHz proporcionarán velocidades de hasta 54 Mbps.
Según investigadores de tecnología, el crecimiento del negocio WLAN se está viendo
impulsado por una creciente lista de dinámicas de mercado que van a acelerar la
incorporación de la tecnología en los próximos años. Aunque las LAN inalámbricas ya
tienen cierta edad, aún no han alcanzado su madurez ni su completa expansión.
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Las principales causas de que esta tecnología no haya encontrado aún su espacio en el
mercado son:
o Los precios elevados
o El limitado ancho de banda
o La falta de estandarización
Sin embargo, los últimos avances tecnológicos están dando una nueva y quizás
definitiva oportunidad a este tipo de soluciones.
Como muestra de las favorables expectativas de este mercado, los principales
fabricantes de networking se han ido introduciendo en él, mediante la adquisición de
compañías relacionadas con el ámbito inalámbrico, formando joint ventures o lanzando
nuevas tarjetas y dispositivos de acceso.
Además, si bien hasta ahora los fabricantes de sistemas FH (Frequency Hopping) y los
de DS (Direct Sequence) se habían mantenido cada uno en su territorio, en los últimos
tiempos han estado cruzando la frontera y entrometiéndose en el terreno del otro. La
compra de Farallon Communications, fabricante de DS, por parte de Proxim, o la
integración de Aironet Wireless Communications en Cisco son sólo algunos ejemplos.
IDC define una WLAN como un sistema de comunicaciones de datos que proporciona
conectividad inalámbrica de igual a igual o de punto a punto dentro de un edificio o
campus.
En lugar del par trenzado, el cable coaxial o la fibra óptica, utilizados en las LAN
convencionales, WLAN transmite y recibe datos sobre ondas electromagnéticas,
realizando las funciones de comunicaciones de una red tradicional, como transferencia
de ficheros, compartición de periféricos, correo electrónico y acceso a bases de datos.
2.3 Estandares
La industria coincide en que la aparición de estándares ha provocado el resurgimiento
de las redes LAN inalámbricas. Principalmente porque las normas han permitido
alcanzar los anchos de banda necesarios para soportar todas las aplicaciones actuales.
No obstante, aún existe camino por recorrer.
Idealmente debería existir una única norma para todos los productos, pero la realidad es
que en el mercado WLAN actual existen siete estándares y especificaciones y otros
tantos grupos industriales que las apoyan, lo cual es en sí mismo un hecho positivo, pero
la base de clientes es aún demasiado pequeña como para soportar tantos protocolos.
Por el momento, esta situación confunde a proveedores de sistemas y usuarios finales,
ya que no es inusual que los fabricantes cuenten con productos que soportan distintos
estándares pero interoperativos entre sí.
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A largo plazo, se sienten forzados a soportar más de un estándar para reivindicar el uso
de WLAN y responder a la creciente necesidad de ancho de banda, como Symbol y
Breezecom, que ofrecenproductos DS basados en IEEE 802.11b.
Además, casi todos planean lanzar productos para la banda de 5GHz, que igualmente
tendrá divisiones porque algunos ya han indicado que soportarán HiperLAN1,
HiperLAN2 e incluso IEEE 802.11a.
Ratificado en junio de 1997, siete después de haberse iniciado los trabajos, IEEE 802.11
define el funcionamiento e interoperatividad de las redes inalámbricas y alcanza una
velocidad de 2 Mbps, con una modulación de señal de espectro expandido por secuencia
directa (DS).
A este estándar le han nacido dos especificaciones que se adaptan a las necesidades
actuales de ancho de banda: IEEE 802.11a e IEEE 802.11b o 802.11 HR . La primera,
que alcanza una velocidad máxima de 54 Mbps, emplea un mecanismo de modulación
OFMD (Orthogonal Frequency Division Multiplex), cuya principal ventaja es la
resistencia a los ecos multicamino típicos en entornos móviles e interiores.
En cuanto a la extensión IEEE 802.11b o IEEE 802.11 HR (High Rate), su mecanismo
de modulación es CKK (Complementary Code Keying) y está diseñado para
proporcionar una velocidad de transmisión de entre 1 y 11Mbps para sistemas DS e
interoperar con redes DS y FH que operen a 1 ó 2 Mbps.
En agosto de 1999, los principales promotores de la tecnología DS:
o 3Com
o Aironet
o Intersil
o Lucent
o Nokia
o Symbol
formaron WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) para certificar la
interoperatividad de productos IEEE 802.11b; sólo un mes después se amplió a los
fabricantes de ordenadores personales Dell y Compaq y adoptó el Estándar para
Fidelidad Inalámbrica (WiFi), un logo que aparecerá en productos certificados como
interoperativos.
Otro estándar es OpenAir, arquitectura de espectro expandido FH a 2,4 GHz basada en
la tecnología de radio RangeLAN2 de Proxim, que puede alcanzar velocidades de hasta
1,6 Mbps en un radio de 150 pies.
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En 1996 se creó WLI Forum (Wireless LAN Interoperbility) para certificar la
interoperatividad entre OpenAir e IEEE 802.11 en:
o Comunicaciones de datos
o Itinerancia
o Seguridad
o Configuración
o Coexistencia
Entre sus miembros se encuentran:
o IBM
o Intermec
o HP
o Mitsubishi
o Motorola
Sin embargo, y a pesar del creciente apoyo de los competidores de Proxim a los
productos IEEE 802.11, WLI Forum continúa atrayendo a nuevas compañías.
Bajo la denominación High Performance Radio Local Area Networks (HiperLAN) se
reúne la familia de estándares desarrollados por ETSI (European Telecommunications
Standards Institute) para redes inalámbricas de alto rendimiento que operan en la banda
de 5,2 GHz.
HiperLAN1, ratificado en 1996, emplea la tecnología de modulación GMSK (Gaussian
Minimum Shift Keying), soporta velocidades de hasta 24 Mbps e incorpora parámetros
específicos de QoS que priorizan el tráfico de la red.
Recientemente, ETSI (European Telecommunications Standards Institute o Instituto
Europeo de Normas de Telecomunicaciones) ha dado luz verde a las especificaciones
técnicas para HiperLAN2, cuya tecnología de modulación es OFDM (Multiplexación
por División de Frecuencias Ortogonales, en inglés Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) y soporta velocidades de hasta 54 Mbps.
El comité de redes de acceso vía radio de banda ancha (BRAN – Broadband Radio
Access Network) de ETSI ha estado trabajando con el IEEE y especialmente con su
grupo de trabajo del 802.11a, pues HiperLAN2 emplea su misma tecnología de
modulación.
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Todo el trabajo de ETSI es apoyado por el HiperLAN2 Global Forum (H2GF), un
consorcio de unas 25 compañías de comunicaciones y TI, entre las que se encuentran,
como fundadores:
o Bosch
o Dell
o Ericsson
o Nokia
o Telia
o Texas Instruments
Ericsson ha probado una WLAN basada en HiperLAN2 para la que ha construido un
terminal cliente del tamaño de una tarjeta PC y un punto de acceso.
La radio ideada por los ingenieros de la compañía cubre todas las bandas de frecuencias
de 455 MHz diponibles en Europa y su potencia de rendimiento es de 200mWEIRP,
cumpliendo las especificaciones del estándar.
El control de acceso al medio (MAC) a HiperLAN2 (HiperLAN2 Medium Access) –
nivel desarrollado y optimizado para comunicaciones de radio– incorpora nuevas
funciones como:
o Calidad de servicio (QoS) para aplicaciones multimedia en tiempo real
o Control de ahorro de energía
o Dynamic Frecuency Selection (DFS, selección dinámica de frecuencia), que
realiza un Plan de Frecuencias Automático para simplificar la instalación de la
red de radio y su expansión.
Todas estas funciones están incluidas en los prototipos de Ericsson.
Otro de los estándares de tecnologías inalámbricas es SWAP, inspirado en la norma de
telefonía inalámbrica DECT (Digital European Cordless Telephone) y los algoritmos de
networking del 802.11, y diseñado para el mercado doméstico.
La especificación SWAP (Shared Wireless Access Protocol), base de HomeRF,
coincide en algunos aspectos con Bluetooth, pero ofrece una velocidad de datos y voz
digital de 1 Mbps. HomeRF agrupa a 100 miembros, mientras que Bluetooth cuenta con
1.200; una diferencia que se atribuye a las altas tasas que hay que pagar por ser
miembro del primero.
A pesar de todo, algunos fabricantes están dispuestos a estandarizar los chips, aunque
aún no hay especificaciones concretas. Por el momento, HomeRF está esperando la
regulación de la FCC, que teóricamente permite futuras versiones de SWAP con al
menos el triple del ancho de banda actual.
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El primer estándar SWAP, la versión 1.1, ratificado en 1999, soporta velocidades de 1,6
Mbps y utiliza tecnología FH.
2.4 Bluetooth
La tecnología inalámbrica más popular, Bluetooth, se presenta como firme candidata a
ser alternativa a las WLAN, aunque los fabricantes coinciden en que cada una tiene su
propio campo de aplicación.
Originalmente concebida como una tecnología de conectividad inalámbrica de corto
alcance para sincronizar los datos entre PC, dispositivos de mano y teléfonos móviles,
muchos de los 1.200 miembros del Bluetooth SIG (Special Interest Group) han
posicionado esta tecnología como networking inalámbrico, y a pesar de que
técnicamente no es un estándar WLAN (sino PAN, Personal Area Network), muchos
fabricantes planean integrarla en sus soluciones de LAN inalámbricas, ya que emplea
modulación FH y opera en la banda de 2,4 GHz.
Sin embargo, actualmente no soporta verdadera topología de red y utiliza una
configuración maestro/esclavo punto a punto. Su velocidad de 1 Mbps podría disuadir
de adaptar Bluetooth en las redes domésticas hasta que la especificación 2.0 traiga 4
Mbps y una topología más parecida a una LAN, así como la posibilidad de operar a
grandes distancias.
2.5 Áreas de aplicación
Entre las ventajas de WLAN se señalan:
o La compartición de datos y movilidad sin límites
o La posibilidad de conectar edificios, ya que estamos hablando de un ancho de
banda de 11 Mbps con unas limitaciones de distancia en torno a los 30
kilómetros; es decir, que pueden sustituir a las actuales líneas punto a punto.
No obstante, IDC puntualiza que los mercados de grandes cuentas y pequeñas oficinas
son bastante difíciles de penetrar porque sólo una mínima parte de las fuerzas de trabajo
son móviles.
Por otro lado, el mercado doméstico parece ser un objetivo fácil, ya que como la
mayoría de los hogares que tienen varios ordenadores no disponen hoy en día de una red
instalada, es mássencillo desplegar una WLAN.
Y mientras la industria anticipa que la compartición de periféricos será el valor clave,
IDC cree que el acceso a Internet compartido regirá el networking doméstico, aunque
este mercado no explosionará hasta que los servicios de banda ancha estén ampliamente
asentados en Europa.
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Por otra parte, el coste y la facilidad de uso, más que la velocidad, constituirán los
factores más influyentes en la decisión de los consumidores, al menos a corto plazo. Sin
embargo, a medida que aumente el número de ordenadores en el hogar y el uso de
aplicaciones de mayor ancho de banda como la voz y el vídeo, los consumidores
buscarán soluciones WLAN más rápidas. En ese punto, los costes para 11 Mbps y
velocidades superiores habrán alcanzado unos niveles aceptables.
El espacio de acceso público es uno de los mercados más atrayentes para los fabricantes
de bridges entre edificios. Al menos todos están compitiendo por el negocio de los ISP
y proveedores de servicios con soluciones inalámbricas específicas para estos mercados,
como estaciones base/puentes vía radio, servicios de abonados a software y hardware,
antenas y kits de instalación
Una cuestión importante es saber si las redes inalámbricas, hoy utilizadas en muchas
áreas, incluyendo la telefonía celular, llegará a sustituir completamente a las redes de
área local cableadas. La industria opina que ambos modos de conexión convivirán en el
entorno corporativo, ya que el cable continúa teniendo unas ventajas muy relevantes en
las empresas. Después de todo, WLAN no sustituye en ningún caso a la actual red de
cable por la sencilla razón que sólo la complementa. WLAN ofrece una solución móvil
para usuarios móviles.
2.6 Especificación de estándares
Ya se ha hablado de este o de aquel estándar. Es importante en este punto definirlos:
Estándar Frecuencia Órgano Selección de máxima
estandarización
Velocidad
802.11 FH 2.4 GHz IEEE FH (frecuency hopping)
2 Mbps
802.11 DS 2,4 GHz IEEE DS (Direct Sequence)
2 Mbps
802.11b 2,4 GHz IEEE DS (Direct Sequence) 11 Mbps
802.11a
5 GHz IEEE Single carrier 54 Mbps
HiperLAN2 5 GHz ETSI Single carrier with dynamic 54 Mbps
HiperLAN 5 GHz
ETSI Single carrier 23,5 Mbps
Bluetooth 2,4 GHz Bluetooth SIG FH (Frequency Hopping)
1 Mbps
SWAP 1.1 2,4 GHz HomeRF FH (Frequency Hopping) 1,6 Mbps
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2.7 Elección de la capa física
La norma IEEE 802.11, la norma de las WLAN´s, contempla tres capas físicas:
o Infrarroja
o DSSS
o FHSS
La elección entre infrarrojos y microondas aparece realmente clara en base a la
aplicación. Sin embargo, en lo que respecta a la elección entre DSSS y FHSS existe
cierta controversia. La filosofía de los miembros del comité de IEEE al permitir la
elección entre dos capas ha sido la de posibilitar que los usuarios exploten las
ventajas/características de cada una en determinados aspectos para tratar de optimizar
cada solución. Esto añade un factor más de complicación al tema general de
interoperatividad de productos, al mismo tiempo que impone la necesidad de evaluar
cuidadosamente cada tecnología, dado que se plantea la necesidad de escoger la
tecnología.
Este problema de elección entre las dos tecnologías requiere un análisis pormenorizado
que, por razones de tiempo fundamentalmente, no se ha podido llevar a cabo.
Diseñar un protocolo de acceso para WLANs resulta mucho más complejo que hacerlo
para redes locales basadas en cable por varias razones:
o Se deben considerar distintas configuraciones como redes ad-hoc y aquellas
basadas en infraestructura
o Perturbaciones ambientales como interferencias y variaciones en la potencia de
la señal, introducen variaciones severas en el tiempo de acceso y en la tasa de
errores de transmisión
o Al contar con equipos móviles se pueden presentar conexiones y desconexiones
repentinas en la red
o Debe contarse con un mecanismo de relevo entre celdas para atender a nodos
móviles que pasan del área de cobertura de una celda a otra (roaming)
o Etcétera.
A pesar de todo esto, la norma IEEE 802.11 define una única capa MAC -dividida en
dos sub-capas- para todas las capas físicas, a fin de conseguir importantes volúmenes de
producción de chips con la consiguiente reducción en precios.
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2.8 Mecanismos de accesos para WLAN´s
En este punto, existen dos mecanismos de acceso para las redes WLAN:
o Protocolo con arbitraje
o Protocolos por contención o por detección de portadora (CDMA/CD,
CDMA/CA, usado por 802.11)
Aunque también se han diseñado protocolos que son una combinación de estas dos
categorías.
La multiplexación en frecuencia (FDM) divide todo el ancho de banda asignado en
distintos canales individuales. Éste, es un mecanismo simple que permite el acceso
inmediato al canal; sin embargo, resulta muy ineficiente para utilizarse en sistemas
informáticos, los cuales presentan un comportamiento típico de transmisión de
información por breves períodos de tiempo (ráfagas).
Una alternativa a este inconveniente, es el asignar todo el ancho de banda disponible a
cada nodo en la red durante un breve intervalo de tiempo de manera cíclica. Este
mecanismo, llamado multiplexación en el tiempo (TDM), requiere mecanismos muy
precisos de sincronización entre los nodos participantes para evitar interferencias. Este
esquema ha sido utilizado con cierto éxito, sobre todo en las redes inalámbricas basadas
en infraestructura, donde el punto de acceso puede realizar las funciones de
coordinación entre los nodos remotos.
El protocolo de acceso múltiple por división de código (CDMA), es el mecanismo de
acceso por excelencia para que puedan coexistir diferentes redes basadas en espectro
disperso.
Las WLANs que emplean mecanismos de contención como acceso al medio, están
basadas en el modelo de detección de "portadora" utilizado por la tecnología de red
local más difundida en la actualidad: Ethernet / IEEE 802.3.
Varias de las primeras redes utilizaban exactamente el mismo algoritmo de acceso al
medio, (CSMA/CA) detección de portadora con detección de colisiones: Cuando una
estación desea transmitir, primero verifica que el medio de comunicación esté libre (es
decir, detecta la portadora). Si éste está libre, transmite su información y si no, espera a
que se libere el medio y transmite. Como existe la posibilidad de que dos estaciones
transmitan información simultáneamente, este mecanismo exige que al transmitir se siga
evaluando el canal, y si se detecta alguna perturbación en la transmisión (detección de
colisión), se supone que ha ocurrido un conflicto, por lo que la transmisión se suspende
y las estaciones involucradas en el conflicto esperan un tiempo aleatorio antes de repetir
nuevamente el algoritmo.
El modelo de acceso por contención que más se utiliza en la actualidad, y que ha sido
incorporado al estándar 802.11 como la primera sub-capa MAC, es el llamado de
detección de portadora con detección de colisión CSMA/CA, el cual introduce una
variante en el algoritmo anterior:
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La mayor probabilidad de tener una colisión en CSMA/CA se da
precisamente al terminar una transmisión pues puede haber más
de una estación esperando que la transmisión termine, tras lo cual
estas estaciones comenzarán a enviar información provocando
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