El Mundo Inalámbrico PRIMERA JORNADA DE TELEMATICA ACIS NOVIEMBRE DE 2003 ALVARO TORRES NIETO CENTRO DE ESTUDIOS DE TELEMATICA ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA 1

Ondas electromagnéticas IMPORTANCIA El descubrimiento de las ondas de radio eliminó la necesidad de tener un medio físico entre el transmisor y el receptor La información viaja por el aire o por el vacío comunicando a los interlocutores Así se puede llegar a lugares remotos Existe la inquietud de si las ondas afectan al ser humano. Siglo XXI: El Siglo de las comunicaciones móviles. 2

Descubrimiento de las Ondas Electromagnéticas Teoría de J. C. Maxwell (1864): deberian existir ondas intermedias entre las que se oyen y las que se ven. H. Hertz (1888) lo comprueba: las genera y las mide. Ondas electromagnéticas o hertzianas. 3

Características de las ondas electromagnéticas Producto de la radiación electromagnética Radiación: emisión y propagación de energía a partir de una fuente. Ejemplo: radiación luminosa (luz), radiación acústica (sonido), radiación térmica (calor). Ondas electromagneticas: las causa una perturbación eléctrica cuando una corriente alterna de frecuencia alta (> decenas de kilociclos/segundo) llega a una antena. Se propagan aproximadamente a la velocidad de la luz (300.000Km/sg) 4

Frecuencia y Longitud de Onda Si la velocidad de la onda electromagnética es de 300.000 km./seg. , entonces: La longitud de onda en Kms :  = 300.000 / f f es la frecuencia en ciclos/seg.  es la longitud de onda Si la f de las ondas electromagnéticas esta entre 104 y 1020 Hz, entonces:  esta entre Kms y millonésimas de metro f .l = c

El Espectro Electromagnético Conjunto de elementos ordenado por algún concepto Espectro electromagnético: Conjunto de ondas electromagnéticas ordenadas por la la frecuencia, o por la longitud de onda

Radiofrecuencias Radiofrecuencias: frecuencias menores a la frecuencia de la luz (1014 Hz.) Se emplean en telecomunicaciones y se usan para radiotelegrafía, radiofonía, enlaces de microondas terrestres y satélites, telefonía celular, redes de comunicación personal y otros como controles remotos, bippers, teléfonos inalámbricos, etc..

Radiofrecuencias (Cont.) G. Marconi (1895): radiotelegrafía (telegrafía inalámbrica). Primera comunicación transatlántica 1901 1906 radiodifusión en Estados Unidos 1929 Primera emisora nacional: Radiodifusora Nacional.

Radiofrecuencia (Cont.) 1903 primera reunión de la UIT para discutir la administración de las ondas electromagnéticas 1927 : se creo el CCIR Comité Consultativo Internacional sobre el Radio

Antenas Conductores que transmiten y captan las ondas electromagnéticas Pueden ser de dos tipos Omnidireccionales : transmiten ondas hacia todas las direcciones. Unidireccionales: Las ondas que envían tienen una dirección especiífica

Las Ondas de Radio Las frecuencias mas bajas del espectro son las ondas de radio, o radio-ondas Comprende las bandas LF, MF, HF, VHF, UHF y SFH Las frecuencias LF, MF Y HF son reflejadas por la ionosfera (capa más alta de la atmósfera)

Reflejo en la ionosfera Ondas Celestes Ondas directas TIERRA Receptor Transmisor PARA FRECUENCIAS BAJAS , POR EJEMPLO HF

Cubrimiento de Grandes Distancias Ionosfera TIERRA Receptor Transmisor

Frecuencias Altas VHF, UHF, …. Ionosfera TIERRA

Las Microondas Ondas electromagnéticas del extremo superior del espectro de radio, frecuencias (Gigahertz), longitud de onda del orden de centímetros Debido a su alta frecuencia no son reflejados por la ionosfera Se usa para comunicaciones satelitáles o con otros vehículos espaciales. También para enlaces terrestres.

Las Microondas (cont.) Utilizan antenas unidireccionales, que producen un haz (aprox. 1.4 grados de apertura) que se propaga en línea recta. Debe existir línea de vista entre el transmisor y el receptor. Son afectadas por fenómenos atmosféricos. Necesario tener circuito de backup Buena capacidad de transmisión: 2400 canales de voz, o 45 Mbps Fácil de instalar y relocalizar

Las Microondas (cont.) Las antenas se colocan en torres o sitios altos para salvar los obstáculos En terreno montañoso se colocan en picos para lograr grandes distancias En terrenos planos se colocan torres repetidoras cada 15-25 Kms. aprox. En general, a mayor frecuencia mayor cercanía entre las torres repetidoras

Las microondas (cont.) Se utilizan tanto en enlaces terrestres como en enlaces satelitáles El Ministerio de Comunicaciones se encarga de asignación y mantenimiento del espectro Una licencia define el rango de frecuencias y el área en que opera BER 1 x 10 -6

Las microondas (cont.) Mini-link Problemas de las Microondas Enlaces cortos,generalmente en la ciudad Usa cerros y edificios para tener línea de vista Problemas de las Microondas Requieren línea de vista Se afectan por fenómenos atmosféricos Requieren licencia del Ministerio de Comunicaciones

Rayos infrarojos Son ondas electromagnéticas, entre las microondas y la luz, del orden de 100.000 GHz (100 THz) Para transmisión de información en áreas reducidas. Ej. el control remoto de un televisor. Usados también en redes móviles en áreas pequeñas (sin muros) Requieren línea de vista, pero no licencia por ser para interiores principalmente

IrDA (Infrared Data Association) Define estándares para uso de infrarojos en aplicaciones de corto alcance Para capacidades de 1 a 16 Mbps Se preve gran utilización en turismo, transporte y transacciones de pago electrónico

Rayos LASER LASER: radiación electromagnética de una sola frecuencia Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, radiación electromagnética de una sola frecuencia luz monocromática Se usan frecuencias más cerca de infrarrojos que de la luz visible, no perjudicial a la salud Requiere perfecta alineación y línea de vista No requieren licencia Gran capacidad (hasta Gbps)

Tecnologia BLUE TOOTH Propuesta por Ericsson (1994), pero hoy muchos fabricantes la trabajan Para áreas reducidas,en banda de 2.4Ghz Capacidades de 720 Kbps No requiere línea de vista ni licencia Facilita conexión en oficina,hogar, etc. Traspasan muros: interferencias,seguridad Encriptamiento y tecnologia FH-SS

Redes LAN Inalambricas Familia de estantares definidos en IEEE 802.11 Inicialmente con spread spectrum hasta 2Mbps IEEE 802.11a en banda de 5MHz, hasta 54Mbps IEEE 802.11b en banda de 2.4MHz, hasta 11Mbps IEEE 802.11g en banda de 2.4MHZ,hasta 54 MHz Wireless Fidelity, Wi-Fi, se refiere a IEEE 802.11X “Wi-Fi Certified” compatibilidad por Wi-Fi Alliance

Satélites Cuerpo que gira libremente alrededor de otro. Satélite natural: la luna Satélites artificiales: Han sido colocados en órbitas por el hombre 1957: primer satélite artificial : Sputnik. Rusia. Hoy en día colocar un satélite en órbita es una operación casi rutinaria

Usos de los SATELITES Principales usos de los satélites artificiales: Estudio de fenómenos atmosféricos Determinación de zonas geológicas Identificación de cosechas Inteligencia militar Telecomunicaciones Posicionamiento Geografico

Satélites de Telecomunicaciones El satélite hace las veces de repetidor: Recibe la señal que viene de la antena terrestre La corrige y amplifica La convierte a la frecuencia del enlace de regreso La transmite a la tierra Los satélites emplean enlaces de microondas para comunicarse con las antenas terrestres Uplink : enlace de subida Downlink : enlace de bajada

SATELITES DE TELECOMUNICACIONES 1963 se funda COMSAT entidad del gobierno de los Estados Unidos,para los satélites de telecomunicaciones En 1965 se lanzó el primer satélite de telecomunicaciones llamado Early Bird. 1965 se funda INTELSAT a nivel internacional (COMSAT tiene el 23%). TELECOM es socio . 1970 Primera antena terrestre para telecomunicaciones satelitales en Chocontá.

ORBITA GEOESTACIONARIA Los satélites se mantienen en órbitas al compensar la fuerza centrífuga por la velocidad con la fuerza de atracción de la gravedad terrestre Dependiendo de la altura, el satélite toma más o menos tiempo en dar una vuelta completa alrededor de la tierra (ej. Sputnik distancia 100 km., tomaba menos de una hora para dar la vuelta)

ORBITA GEOESTACIONARIA (Cont.) Cuando el satélite gira en una órbita situada sobre el plano ecuatorial y a una distancia de 36.000 km sobre el nivel del mar, el tiempo de giro es de 24 horas El satélite parece estar estático respecto a la tierra pues gira sincronizadamente con ella Esta órbita se conoce como GEOESTACIONARIA La UIT asigna la posición de los satélites en ésta órbita

ORBITA GEOESTACIONARIA 36.000 Km. Plano del Ecuador ORBITA GEOESTACIONARIA

Satelites GEO, MEO, LEO GEO : Geostationary Earth Orbit (a 36.000 Km) MEO : Medium Earth Orbit (alrededor de 10.000-20.000 Km) LEO : Low Earth Orbit (alrededor de 5.000 Km, o menos)

Satelites MEO Y LEO Los satélites MEO y LEO no están fijos con respecto a la tierra. Para mantener la sintonización, la antena lo sigue o debe haber un tren de satelites. T I E R R A

INTELSAT e INMARSAT Exitosos ejemplos de sistemas GEO INTELSAT: consorcio multinacional para telecomunicaciones comerciales. Nueve generaciones , 21 satelites (24 proximamente) INMARSAT: consorcio, sede Londres, 4 satelites,4 generaciones.Inicialmente para control maritimo. Prestara servicio BGAN para servicios Internet y afiines

TRANSPONDERS Un satélite tiene varias decenas de transponders; cada uno de estos funciona como un subsatélite, haciendo las siguientes tareas principales: Recibe la señal de una antena terrestre (uplink), la rectifica y amplifica La convierte a la frecuencia de bajada La retransmite hacia la tierra(downlink)

Vida util de un satelite Con los avances de la electrónica y las baterías, la vida útil de un satélite ha aumentado: 18 meses, del Early Bird 18 años, de los ultimos INTELSAT

Frecuencias Utilizadas Bandas C, Ku, Ka y L BANDA UPLINK DOWNLINK 4 Ghz C 6 Ghz Ku 14 Ghz 11 Ghz Ka 30 Ghz 20 Ghz L 1.7 Ghz 1.5 Ghz

Componentes de una Estacion Satelital Terrestre En el lado transmisor Multiplexor que reúne varios canales en uno de mayor capacidad Módem que lleva el canal a una frecuencia intermedia (IF) en MHz Un convertidor (UP/DOWN CONVERTER) que la eleva a la frecuencia de transmisión (RF) en GHz Una antena transmisora 33

Componentes de una Estacion Satelital Terrestre En el lado del receptor se tienen los mismos equipos con las funciones inversas: Antena receptora Amplificador de bajo ruido (LNA), porque la señal llega débil Up/Down converter Demodulador Demultiplexor

Estaciones Satelitáles Up/Down Converter M HPA Up/Down Converter RF IF MUX RF IF LNA M MUX T I E R R A

Demora Satelital P r o p a g a t i o n d e l a y Se debe al tiempo que toma la señal para viajar entre la antena (en la tierra) y el satélite. Para un satelite en la órbita GEO: 36.000 / 300.000 = 120 mseg t (subida y bajada) = 240 mseg = 1/4 seg Si se hace una consulta t= 1/2 seg

Huella Satelital F o o t p r i n t: Puede haber una por cada Zona donde se puede captar la señal que envía el satélite Puede haber una por cada transponder Hacia el borde se requieren antenas con mayor potencia

Tamaño de Antenas Satelitales Inicialmente, por INTELSAT, cada país tenía una antena que canalizaba el tráfico nacional Chocontá (1970) : 30 mts de diámetro Luego se instalaron telepuertos que son antenas de menor tamaño (6-12 mts) Posteriormente antenas de menor diametro 2-3mts Antenas más pequeñas para satélites de órbitas bajas (alrededor de 40-20 cms)

SISTEMA VSAT VSAT : Very Small Aperture Terminal USAT : Ultra Small Aperture Terminal (mayor tecnología) Método económico de implementar un sistema de comunicaciones satelitales HUB o MASTER Estación terrestre de alta capacidad Antenas VSAT 2mts de diámetro

Sistema VSAT (Cont.) Sistemas VSAT A y B compartiendo el hub A B

Sistema VSAT (Cont.) Comunicación entre el HUB y la estación remota El HUB envía tramas (bloques de información) usando el método TDM al satélite El satélite retransmite a todas las estaciones VSAT Cada estación VSAT recibe la trama y verifica que sea para ella. Si lo es la pasa al computador local, si no, la ignora

METODOS BASICOS DE ACCESO Sistema VSAT (Cont.) COMUNICACIÓN DE LAS ESTACIONES AL HUB METODOS BASICOS DE ACCESO Se divide el canal en varias frecuencias y cada estación tiene una frecuencia por donde transmite: FDMA (Frequency Division Multiple Access) Todas las estaciones utilizan el mismo canal pero cada una tiene un tiempo determinado (time slot) para enviar: TDMA (Time Division Multiple Access)

Comunicacion entre las Estaciones y el Hub HUB A ESTACION ESTACION A HUB TDMA

Sistema VSAT (Cont.) Tambien se usa CDMA (Code Division Multiple Access) para la comunicación entre HUB y estaciones. Cada estacion tiene un codigo particular. Normalmente para comunicar dos estaciones se debe pasar por el HUB . Aunque es posible asignar subcanales temporales por parte del HUB para comunicaciones directas entre estaciones

Sistemas de SATELITES MOVILES Están en las órbitas LEO alrededor de los 700 a 5.000 km y MEO de 5.000 a 20.000 km aprox. Requieren trenes de satélites, en varias orbitas, para cubrimiento total. Antenas más pequeñas y menos potentes Ejemplos de estos sistemas: IRIDIUM (66 satelites LEO a 780km, 6 orbitas) GLOBALSTAR (48 satélites,a 1.414KM, 8 orbitas) GPS: GLOBAL POSITIONING SYSTEM

Sistema IRIDIUM Banda Ka Banda Ka Banda L Banda Ka gateway Estación de control

Sistema IRIDIUM (cont) Servicio satelital de telefonía y beepers Consta de 66 satélites, ubicados en 6 planos orbitales Ubicados a 780 Kms de altura Tiene 11 estaciones terrestres Periodo orbital de 100 min. con 28 seg. Consorcio internacional encabezado por Motorola.

Sistema GPS Utiliza sistema NAVSTAR, del Dpto de Defensa de los Estados Unidos 24 satelites en 6 planos orbitales, a 20.200 km Un receptor GPS en cualquier punto terrestre puede recibir simultáneamente señales de varios satelites Trigonomátricamente se puede calcular la posicion del receptor GPS GPS es sistema con multiples aplicaciones

Sistemas Satelitáles Recientes Servicios con mayores ancho de banda Mejoras tecnológicas con funciones en el satélite, enlaces intersatelitales y antenas mas pequeñas Enfrentan competencia terrestre de buen ancho de banda, a bajo costo y sin demora satelital SPACEWAY: Hughes, GEO y MEO, SKYBRIDGE: Alcatel, LEO SKYNET: Loral, GEO TELEDESIC: Gates, McCraw, Motorola, Boeing, LEO

Telefonía Celular Sistema de gran crecimiento Es un sistema telefónico completo en el cual el acceso al abonado es inalámbrico Llamado también telefonía móvil Celular porque la división de las áreas de servicio son células o celdas que conforma una especie de panal

Telefonía Celular (cont.) Cada celda tiene asignadas unas frecuencias,que son reutilizadas en celdas no contiguas Antes, por cada frecuencia, una llamada. Ahora, en digital, varias llamadas. El diámetro de las celdas:de centenares de metros a varios kilómetros, dependiendo del tráfico esperado y la topología del terreno 54

Telefonía Celular (cont.) B A

Telefonía Celular (cont.) Hand-off : Paso del control de un celular de una celda a otra. Tiene prelación a nuevas llamadas para evitar la desconexión del usuario Roaming : Cuando es necesario pasar el control a otro operador para continuar la comunicación, se hace el hand-off y registro para efectos contables

Telefonía Celular (cont.) MTSO: Mobil Telephone Switching Office MTSO 03 / 031 Central larga distancia Fibra óptica o inalámbrica

Trunking Usado inicialmente en telefonía fija para compartir líneas. Compartir un numero limitado de canales por un grupo numeroso de usuarios Se usa para comunicar un grupo cerrado de personas. No se necesita marcar un número, solo se presiona un botón donde todos escuchan. También hay canales individuales Ejemplos :policía, redes de emergencia, empresas Las antenas tienen mayor cobertura que celular. Es posible hacer llamadas a fijos Banda de 861 a 866 MHz.

Telefonía C T Cordless Telephony Híbrido entre telefonía fija y móvil Se instalan antenas de poco alcance para teléfonos que estén o lleguen a la zona de alcance de la antena La antena esta conectada al sistema telefónico fijo Inicialmente era solo para llamar y era análoga

Telefonía CT (cont.) RED TELEFONICA FIJA

PCS Personal Conmunications Systems REDES O SISTEMAS DE COMUNICACIONES PERSONALES PCS Personal Conmunications Systems PCN Personal Conmunications Network Sobre redes inalámbricas, inicialmente satelitales,. Con objetivo: roaming global. Ahora terrestres, con mayores anchos de banda, nuevos servicios Aparatos no solo para la voz (multimedia, navegar, etc) En Colombia: en 1900 Mhz . Ley 555/ 2.000 Se consideran evolucion de la telefonia celular

Tecnologia en telefonia movil La primera generacion fue análoga (AMPS, en USA, Laboratorios Bell, 1975). Otras en Europa La segunda fue digital (DAMPS y GSM); es mas segura y eficiente, voz digital. Permitió datos limitadamente. Digital permite una mejor utilización de las frecuencias (multiplexación) y nuevos servicios Se pasa de FDMA, a TDMA y a CDMA Las nuevas generaciónes (3G y 4G) ofreceran mas ancho de banda y variados servicios Estandares: UMTS (Europa) e IMT-2000 (UIT)

Spread Spectrum Transmitir en bandas de frecuencia ya asignadas, sin interferir con sus usuarios. Utiliza potencias bajas de transmisión. No requiere licencia. La relación entre la potencia de la señal normal y la Spread Spectrum (PN/PSS) del orden de 16dB Utiliza radio-módem en banda de 902 a 928 Mhz Requiere línea de vista para lograr mayor distancia Sincrónico: multiplos de 64kbps, hasta E1 Asincrónico: 76.8, 38.4 o 19.2 kbps Alcance de hasta 16 kms (normal), 48 kms (ideal) 62

Spread Spectrum (cont.) Señal normal Pn AB Normal Potencia Señal Spread Spectrum Pss AB SS Ancho de banda

Wireless Local Loop : WLL El último kilómetro , o línea de abonado, es inalámbrico. Como central local se instala la “Unidad de conmutación local” que atiende hasta 1.000 abonados . Esta central se conecta por enlaces E-1 con la red telefónica fija.

Wireless Local Loop : WLL (cont) En cada area de suscriptores se instala una “radio base”, conformándose una microcelda de 50 a 100 abonados. Puede haber hasta 20 radio bases Las radio bases se conectan con la unidad de conmutación local por medio de 3 pares telefónicos, de no más de 4 km. La radio base tiene una cobertura de hasta 5 Km, preferiblemente con línea de vista

Wireless Local Loop : WLL Radio Base 3 Pares Red Telefónica Conmutada E1 Unidad de conmutación local Radio Base

LMDS y MMDS LMDS: sitema inalámbrico de alta capacidad, en banda de 25 a 40 GHz. Tiene legislacion especial (se describe en Banda Ancha). Para distribuir información a muchos puntos. MMDS: sistema inalámbrico en banda más baja 2-3Ghz. Tambien para distribuir información generalmente en areas rurales.