Introducción
1.Redes de computadores
- El protocolo de comunicación define el lenguaje y el conjunto de reglas que facilitan la comunicación entre el emisor y el receptor, con el objetivo de que se puedan entender e intercambiar información. Existen muchos protocolos, pero seguramente el más conocido y más extendido entre los ordenadores es el TCP/IP que utiliza Internet.
- La seguridad es el elemento que permite garantizar la confidencialidad, la autenticación y la integridad de los datos.
- El protocolo de comunicación define el lenguaje y el conjunto de reglas que facilitan la comunicación entre el emisor y el receptor, con el objetivo de que se puedan entender e intercambiar información. Existen muchos protocolos, pero seguramente el más conocido y más extendido entre los ordenadores es el TCP/IP que utiliza Internet.
- El medio de transmisión es el elemento que diferencia más claramente las tecnologías de comunicación con hilos de las inalámbricas. Es el medio por el que viaja la señal que transfiere los datos.
Infrarrojos (IR). Se utilizan en comunicaciones punto a punto de corto alcance, son muy direccionables y no pueden atravesar obstáculos. Este medio se utiliza habitualmente en el mando a distancia de la televisión y hasta hace unos años era también un sistema de comunicación que se utilizaba a menudo para conectar dispositivos situados el uno al lado del otro (un PDA (4) con el ordenador o con un móvil y el teclado con el ordenador). Es el rango de frecuencia más alto para comunicaciones inalámbricas.
Microondas (MW). Este rango de frecuencias es adecuado para transmisiones de largo recorrido (comunicaciones por satélite, comunicaciones terrestres punto a punto como alternativa al cable coaxial o la fibra óptica, y también la mayoría de las tecnologías inalámbricas más habituales que existen actualmente, como UMTS, Bluetooth o WLAN). Las microondas suelen ser direccionales y utilizan una parte del espectro con frecuencias más pequeñas que los infrarrojos.
Radiofrecuencias (RF). Es el rango que utilizan las transmisiones de radio (FM, AM) y televisión digital terrestre (TDT). Las radiofrecuencias son omnidireccionales y pueden atravesar obstáculos sin ningún problema.
Frecuencia (f). Número de oscilaciones por segundo de una onda o señal, se mide en herz. Una onda que realiza cinco ciclos por segundo tiene una frecuencia de 5 Hz.
Período (T). Cantidad de tiempo que tarda una onda en completar un ciclo: T = 1/f.
Fase (φ). Posición relativa en el tiempo dentro del período simple de una onda.
Longitud de onda (λ). Espacio que ocupa un ciclo completo de una onda, medido en metros: λ = c/f, donde c es la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 3·108 metros/segundo).
Amplitud (a). Máximo valor o potencia de una onda en el tiempo, típicamente medido en voltios o decibelios.
2.Comunicaciones inalámbricas
2.1.Clasificación
Redes de área personal inalámbrica (WPAN: wireless personal area networks).
Redes de área local inalámbrica (WLAN: wireless local area networks).
Redes de área extendida inalámbrica (WWAN: wireless wide area networks). Podemos diferenciar dos tipos de WWAN, según quién controle su acceso:
Comunicación fija (FWWAN: fixed wireless wide area networks).
Comunicación móvil (MWWAN: mobile wireless wide area networks).
2.1.1.Redes personales inalámbricas (WPAN)
1994: Ericsson promueve un estudio de comunicaciones inalámbricas de bajo coste y baja potencia.
1998: se crea el SIG (Special Interest Group), formado inicialmente por Ericsson, IBM, Intel Nokia y Toshiba.
1999: aparece la versión 1.0 del estándar.
2001: aparece la versión 1.1 del estándar.
2002: el IEEE produce el estándar 802.15,1, que es compatible con la versión 1.1 de Bluetooth.
2004: aparece la versión 2.0 del estándar, que destaca por el aumento de la velocidad de transferencia (hasta 3 Mbps).
2007: aparece la versión 2.1 del estándar, que destaca por las mejoras en cuestiones de seguridad.
2009: aparece la versión 3.0 del estándar, que destaca por el aumento considerable de la velocidad de transferencia (hasta 300 Mbps).
2011: aparece la versión 4.0 del estándar, que destaca por la reducción significativa del consumo de batería.
2014: aparece la versión 4.2 del estándar. Introduce mejoras importantes para el desarrollo de IoT (IPv6 para Bluetooth Smart). Se incorporan mejoras desde el punto de vista de la seguridad.
2016: aparece la versión 5.0 del estándar. Se crea para el desarrollo masivo de IoT. Su velocidad (2 Mbps) en el caso de transmisión de baja energía multiplica por dos la velocidad de la versión 4.x. Aumenta por cuatro la distancia de transmisión respecto a la versión 4.x: esto es muy importante para poder crear soluciones que cubran toda la superficie de una casa. También aumenta por ocho el tamaño de los datos que puede transmitir (paquetes de 255 octetos).
El dispositivo maestro se encarga de definir cómo se establece la comunicación físicamente (frecuencia de salto, fase, etc.).
Los dispositivos esclavos coordinan sus transmisiones según las especificaciones del maestro. Normalmente, el primero que solicita el servicio actúa como maestro, excepto cuando la red ya ha sido establecida.
DECT
IrDa
NFC
Zigbee
2.1.2.Redes locales inalámbricas (WLAN)
Movilidad: los usuarios de una WLAN pueden acceder a información en tiempo real desde cualquier lugar de la organización.
Instalación simple: no hay que preocuparse por la instalación de cables dentro del radio de cobertura.
Flexibilidad: permite acceder a lugares que una LAN cableada no alcanzaría nunca.
Bajo coste: aunque el coste inicial de instalación de las WLAN puede ser superior a las LAN con cable, a largo plazo puede suponer un ahorro, sobre todo en entornos con cambios frecuentes de ubicación de los dispositivos.
Escalabilidad: las WLAN se pueden configurar con diferentes topologías de una manera sencilla según la necesidad del entorno. Podemos tener las WLAN ad hoc (donde los dispositivos se van añadiendo a la red) y las WLAN con puntos de acceso conectados a la red principal.
Velocidad: las WLAN deben poder transmitir información a velocidades comparables a las LAN (más de 500 Mbps).
Retardos: son importantes en cualquier aplicación, pero especialmente en las transmisiones inalámbricas.
Accesos difíciles: dentro de un edificio podemos encontrar factores que amortiguan la señal. Un dispositivo móvil puede recibir mucha menos potencia que otro.
Consumo: los dispositivos móviles se suelen alimentar con baterías; por lo tanto, hay que diseñarlos para que tengan un consumo eficiente (modo reposo, modo bajo consumo, poco gasto en la transmisión de paquetes, etc.).
Máximo número de nodos y máxima cobertura: una WLAN puede necesitar soportar centenares de nodos. El área de cobertura típica de una WLAN es de entre 10 y 100 m2, lo que implica retardos de propagación inferiores a 1.000 nseg.
Seguridad: el medio en el que se transmite la información (ondas electromagnéticas) es abierto para cualquiera que esté en el radio de cobertura. Para garantizar la seguridad, se utilizan algoritmos de cifrado.
Interferencias: se pueden producir a causa de dos transferencias simultáneas (colisiones) o de dos emisores que comparten la misma banda de frecuencia. Las colisiones también se producen cuando varias estaciones que esperan que el canal esté libre empiezan las transmisiones al mismo tiempo. A diferencia de las redes locales con hilos, en las WLAN se produce un efecto de nodo oculto que conlleva un aumento de colisiones.
IEEE 802.11
IEEE 802.11a: soporta velocidades de hasta 54 Mbps y utiliza la banda de frecuencias de 5 GHz. Este protocolo está orientado a la transmisión de paquetes, pero no soporta funciones de calidad de servicio.
IEEE 802.11b (inicialmente denominado Wi-Fi): soporta velocidades de hasta 11 Mbps y utiliza la banda de frecuencias de 2,4 GHz.
IEEE 802.11g: soporta velocidades de hasta 54 Mbps. Es una evolución del IEEE 802.11b y utiliza la misma banda de frecuencias de 2,4 GHz.
IEEE 802.11i: se creó para superar la vulnerabilidad de seguridad para protocolos de autenticación y de codificación. El estándar incluye los protocolos 802.1x, TKIP y AES y se implementa con WPA2.
IEEE 802.11n: soporta velocidades de hasta 600 Mbps y puede trabajar en dos bandas de frecuencia: 2,4 GHz (la que utilizan 802.11b y 802.11g) y 5 GHz (la que utiliza 802.11a). 802.11n es compatible con dispositivos basados en todas las especificaciones anteriores de 802.11. El hecho de que trabaje en la banda de 5 GHz le permite alcanzar un mayor rendimiento, ya que está menos congestionada.
IEEE 802.11ac: la especificación indica una tasa de transferencia de al menos 1 gigabit por segundo con configuraciones de múltiple antena y una tasa de al menos 500 megabits por segundo con una sola antena. Trabaja en la banda de frecuencias de 5 GHz.
HiperLAN
2.1.3.Redes de gran alcance inalámbricas (WWAN)
WWAN fijas, que utilizan radioenlace o satélite.
WWAN móviles, que utilizan las compañías u otros servicios públicos en la transmisión y recepción de señales.
WWAN fijas (FWWAN)
Radioenlace. Utilizando radioenlaces se pueden conectar redes separadas geográficamente con diferentes bandas del espectro electromagnético (infrarrojos, microondas, láser, etc.), que pueden ser de punto a punto o de punto a multipunto.
Satélite. Las comunicaciones por satélite cubren una gran superficie de la Tierra, tienen un gran ancho de banda y el coste de la transmisión es independiente de la distancia; presentan el inconveniente de los retardos de propagación de la señal.
WWAN móvil (MWWAN)
GSM (11) . El Group Special Mobile fue el organismo que se encargó de la configuración técnica de una normativa de transmisión y recepción para la telefonía móvil. En Europa, las bandas de frecuencias ISM que se utilizan son 900 MHz y 1.800 MHz. Esta tecnología apareció en el año 1990 con una velocidad de transmisión de 9,6 kbps. GSM opera por comunicación de circuitos; esto quiere decir que existe una fase de establecimiento de la conexión que añade tiempo de espera y que la llamada siempre estará abierta, aunque no haya transferencia de datos, mientras no se cierre la conexión.
GPRS (12) . Es una técnica de conmutación de paquetes que empezó a utilizarse en el 2001 y que se integró con la estructura actual de redes GSM. Esta tecnología permite una velocidad de datos de entre 56 y 115 kbps. Sus ventajas son múltiples y se aplican fundamentalmente a las transmisiones de datos que requieren tráfico discontinuo, como por ejemplo Internet y mensajería electrónica (SMS y MMS). Con esta tecnología, desaparece el concepto de tiempo de conexión y dejan paso al de cantidad de información transmitida, y se pasa de conmutación de circuitos a conmutación de paquetes. Los proveedores de servicio de telefonía móvil podrán facturar por los paquetes realmente enviados y recibidos. El ancho de banda podrá ser entregado a la carta, en función de las necesidades de la comunicación.
EDGE (13) . También conocida como EGPRS (Enhanced GPRS), es una tecnología que apareció en el 2003 y considerada una evolución del GPRS. EDGE proporciona un ancho de banda superior a la de GPRS, entre 236 y 384 kbps, que permite ejecutar aplicaciones que requieren una mayor velocidad de transferencia de datos, como vídeo y otros servicios multimedia.
UMTS (14) . El estándar UMTS está basado en la tecnología WCDMA. UMTS está gestionado por la organización 3GPP versión 4, también responsable de GSM, GPRS y EDGE. UMTS se comercializó por primera vez en el 2005 y su velocidad máxima de transmisión de datos es 1,92 Mbps.
HSPA (15) . Es la combinación de tecnologías posteriores y complementarias a 3G, como HSDPA o HSUPA. Teóricamente, admite velocidades de hasta 14,4 Mbps en bajada y hasta 2 Mbps en subida, dependiendo del estado o la saturación la red y de su implantación.
HSDPA (16) . Es la optimización de la tecnología espectral UMTS/WCDMA, incluida en las especificaciones de 3GPP versión 5 y consiste en un nuevo canal compartido en el enlace descendente (downlink) que mejora significativamente la capacidad máxima de transferencia de información hasta llegar a tasas de 14,4 Mbps, soportando tasas de transmisión media próximas a 1 Mbps. Es totalmente compatible con UMTS y la mayoría de los proveedores UMTS dan soporte a esta tecnología.
LTE (20) . Es el estándar de la norma 3GPP versión 8, 9 y 10, definida como una evolución de la norma 3GPP UMTS (3G) y un nuevo concepto de arquitectura evolutiva (4G). LTE es la clave para el despegue de Internet móvil, ya que posibilita la transmisión de datos a más de 300 Mbps en movimiento, lo que permite la transmisión de vídeos o TV de alta definición.
WIMAX (21) . Es una tecnología, entre WLAN y WWLAN, que permite hacer conexiones a grandes distancias, con grandes anchos de banda y sin necesitar línea de visión directa entre antenas. WiMAX cumple los estándares IEEE 802.16 y es compatible con otros estándares, como el IEE 802.11, para establecer sistemas de telecomunicaciones conjuntos.
Permite multiplicar por 10 la velocidad LTE (1 Gbps).
Latencia reducida significativamente en comparación con LTE (1-10 ms).
Permite centenares de miles de conexiones simultáneas para redes masivas de sensores inalámbricos.
Mejora en la cobertura.
2.2.Ventajas de las comunicaciones inalámbricas respecto a las tradicionales
Accesibilidad y flexibilidad. Las comunicaciones inalámbricas llegan a lugares donde los cables no tienen acceso.
Coste. Las comunicaciones inalámbricas nos ahorran el coste asociado a la instalación del cableado y los derivados de los cambios de entorno físico, que podrían ser todavía más importantes.
Movilidad. Las comunicaciones inalámbricas permiten tener información en tiempo real y en cualquier lugar del mundo. Esta funcionalidad puede permitir a muchas empresas mejorar su productividad y sus posibilidades de negocio.
Comodidad. El hecho de poder prescindir de los cables que conectan los dispositivos hace que con el uso de comunicaciones inalámbricas se adquiera una importante comodidad.
Escalabilidad. Las comunicaciones sin cables se adaptan fácilmente a los cambios de topología de la red y, además, la reubicación de los terminales se facilita enormemente.
2.3.Limitaciones de las comunicaciones inalámbricas respecto a las tradicionales
Consumo. Los terminales móviles suelen trabajar con baterías que limitan la potencia de transmisión de los dispositivos, lo que repercute directamente en el alcance de las redes.
Capacidad de transferencia limitada. El espectro electromagnético es un recurso limitado.
Calidad. Las transferencias inalámbricas se ven sometidas a interferencias y ruidos.
Seguridad. La utilización del espectro electromagnético como medio de comunicación implica que cualquier persona puede acceder a la información sin ningún tipo de limitación física.
3.Pasado, presente y futuro de las comunicaciones inalámbricas
3.1.El pasado de las comunicaciones inalámbricas
En el año 1896 el italiano Guglielmo Marconi transmitió y recibió la primera señal de radio local en Italia.
En el año 1924 la NBC estableció la primera red de radio con veinticuatro estaciones.
En el año 1925 se realizó la primera demostración de televisión.
Desde el año 1947 se hacían pruebas del servicio de telefonía móvil, pero hasta 1983 no se comercializó el primero.
El origen de las WLAN se remonta al año 1979, cuando se publicaron los resultados de un experimento hecho por ingenieros de IBM que crearon una red local con infrarrojos en una fábrica.
A principios de la década de los noventa, un consorcio de empresas de primera línea (IBM, Intel, Toshiba, Ericsson y Nokia) crearon la tecnología Bluetooth, que, posteriormente, el lEEE ha incorporado al estándar 802.15.1.
En el año 1994 apareció el primer borrador del estándar IEEE 802.11.
En el año 1995 MoviStar y Airtel empezaban a operar sobre GSM en España; tres años más tarde, Amena se incorporó a esta tecnología.
En el año 2001 se proporcionó servicio sobre GPRS en Europa.
En el año 2002 se hizo el lanzamiento comercial de 3G (UMTS) en la mayoría de los países de Europa.
Desde el 2005 las redes UMTS evolucionan a partir de las tecnologías HSPA con el principal objetivo de aumentar la velocidad de transmisión de datos.
En el año 2006 apareció el primer borrador de 802.11n, que soportaba velocidades próximas a 600 Mbps.
En el año 2011 aparece el estándar Bluetooth 4.0, que destaca por la reducción significativa del consumo de batería y por una velocidad de transmisión máxima superior a 300 Mbps.
En el año 2012 se empiezan a hacer las primeras pruebas sobre 4G.
En 2015 se empiezan las primeras pruebas sobre 5G.
En 2016 se presenta el estándar Bluetooth 5.0. Uno de sus objetivos es permitir el desarrollo masivo del «internet de las cosas» (IoT).
En 2018 empieza el despliegue de las redes 5G.
3.2.Presente y futuro de las comunicaciones inalámbricas
Resumen
Glosario
- 3GPP3 (third generation partnership project) m
- Tecnología que se creó para conducir la preparación y el mantenimiento de una gama completa de especificaciones técnicas aplicables para un sistema móvil 3G basado en las redes GSM centrales evolucionadas.
- bandas IMS (industrial, scientific and medical bands) f pl
- Bandas de frecuencias autorizadas por organismos internacionales en las que se tiene en cuenta que la potencia de estas frecuencias esté dentro de un margen no perjudicial para la salud.
- Bluetooth m
- Tecnología inalámbrica de alcance muy limitado, normalmente no superior a 10 metros, que permite conectar dos dispositivos a una velocidad muy aceptable. Fue creado por un consorcio de empresas de primera línea, como IBM, Intel, Toshiba, Ericsson y Nokia.
- DETC (digital enhanced cordless telecommunicatios) f
- Tecnología de área personal que se utiliza con frecuencia en los aparatos de telefonía inalámbrica de uso doméstico, que suelen operar con un rango no superior a 50 metros.
- EDGE (enhanced data rates for GSM of evolution) m
- Tecnología que proporciona un ancho de banda superior a GPRS, entre 236 kbps y 384 kbps, que permite ejecutar aplicaciones que requieren una mayor velocidad de transferencia de datos, como vídeo y otros servicios multimedia.
- espectro electromagnético m
- Rango de frecuencias de todas las ondas electromagnéticas que pueden propagarse a través del espacio libre, ordenadas según su longitud de onda y su frecuencia.
- FCC (Federal Communications Comimission) f
- Agencia federal de Estados Unidos responsable de regular la industria de telecomunicaciones, incluida la gestión de frecuencias y el desarrollo de reglas de utilización del espectro.
- GSM (global system for mobile communications) m
- Estándar WWAN de segunda generación (2G) que permite la transmisión de voz, datos y mensajes cortos SMS (short message system).
- GPRS (general packet radio service) m
- Estándar WWAN de generación 2.5 que utiliza la infraestructura de radio de GSM para alcanzar velocidades de transferencia de 115 Kbps. Permite servicios de pago en función de la cantidad de información enviada y, gracias a su tecnología de conmutación de paquetes, permite estar siempre conectado a los recursos de la Red.
- HomeRF m
- Estándar de redes de área personal que permite la transferencia de datos y voz inalámbricamente; facilita la integración de dispositivos como el ordenador y la telefonía.
- HSDPA (high speed packet access) m
- Optimización de la tecnología espectral UMTS/WCDMA, incluida en las especificaciones de 3GPP versión 5, que consiste en un nuevo canal compartido en el enlace descendente (downlink) que mejora significativamente la capacidad máxima de transferencia de información hasta llegar a tasas de 14,4 Mbps, soportando tasas de transmisión media próximas a 1 Mbps.
- HSPA (high speed downlink packet access) m
- Combinación de tecnologías posteriores y complementarias de 3G, como HSDPA o HSUPA.
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) m
- Asociación internacional de ingenieros, formada por más 300.000 miembros y más de 300 países, que regula los estándares de comunicación.
- infrarrojo (IR) m
- Rango de frecuencias superiores a 300 GHz del espectro electromagnético, utilizadas en comunicaciones punto a punto de corto recorrido; son muy direccionables y no pueden atravesar obstáculos.
- IoT (internet of things)
- Escenario donde todo tipo de dispositivos dispone de conectividad, ya sea en internet y/o entre sí, para enviar o recibir información. Los dispositivos conectados pueden ser de cualquier tipo, como por ejemplo dispositivos móviles, electrodomésticos, sistemas domóticos, vehículos, componentes de un dispositivo más complejo, etc.
- IrDa f
- Asociación de 160 compañías que se centran en elaborar estándares para comunicaciones inalámbricas por infrarrojos (IR).
- ITU (Internacional Telecommunications Union) f
- Órgano internacional responsable de gestionar las diferentes frecuencias del espectro electromagnético.
- LTE (long term evolution) m
- Evolución de la norma 3GPP UMTS (3G) y un nuevo concepto de arquitectura evolutiva (4G).
- microondas (MW) f pl
- Parte del espectro electromagnético de frecuencias superiores a 1 GHz e inferiores a 300 GHz, donde se encuentran muchas comunicaciones inalámbricas, entre otras las WLAN y las comunicaciones por satélite.
- NFC (near field comnunication) m
- Tecnología que permite la transmisión de datos de una manera simple entre diferentes dispositivos mediante un enlace de radiofrecuencia en la banda ISM de 13,56 MHz.
- radiofrecuencia (RF) f
- Parte del espectro electromagnético entre las frecuencias de 10 MHz y 300 MHz, donde se encuentran, entre otras, las señales de radio y televisión.
- UMTS (universal mobile telephony system) m
- Estándar WWAN de tercera generación (3G) que permite la transmisión inalámbrica de servicios multimedia y acceso a Internet a alta velocidad.
- WCDMA (wideband code division multiple access) m
- Tecnología en que los datos y la voz se transmiten en banda ancha, divididos en paquetes antes de la transmisión. Estos paquetes se reúnen en el terminal antes de presentar la información.
- WiMAX (worldwide interoperability for microwave access) m
- Tecnología que permite hacer conexiones a grandes distancias, con grandes anchos de banda y sin necesitar línea de visión directa entre antenas.
- WLAN (wireless local area networks) m pl
- Redes locales inalámbricas que permiten la transmisión de datos digitales inalámbricamente entre dispositivos (ordenadores, periféricos, etc.) fijos y/o móviles. Son un complemento y/o una alternativa a las redes locales con hilos. Tienen un alcance medio (centenares de metros) y han de poder operar con gran velocidad (comparable con las LAN con hilos), fiabilidad y seguridad. Tienen un coste superior a las WPAN.
- WPAN (wireless personal area networks) m pl
- Redes personales inalámbricas que permiten que los dispositivos personales (teléfonos móviles, agendas electrónicas, accesorios, etc.) se comuniquen. Tienen un alcance limitado (pocos metros), de bajo coste y los dispositivos generalmente están dotados de baterías y gran movilidad.
- WWAN (wireless wide area networks) m pl
- Redes de gran alcance inalámbricas que permiten la conexión de dispositivos geográficamente muy alejados. Los dispositivos pueden ser fijos (se utilizan radioenlaces o satélites) o móviles (redes GSM, GPRS o UMTS). Dado que tienen un gran alcance, puede haber muchos usuarios conectados a los servicios simultáneamente.
- Zigbee m
- Tecnología que permite habilitar redes inalámbricas con capacidades de control y monitorización que sean seguras, de bajo consumo energético y de bajo coste de procesador, de manera bidireccional.