INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

PROPUESTA DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA RED INALÁMBRICA EN LA

DCYC DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Seminario de Titulación para obtener el título de: Licenciado en Ingeniería en Informática

TESINA QUE PRESENTAN C. Mariana Arguello Fajardo C. Jaime Mata Cecilio C. Israel Navarrete Vaquero

DIRECTOR DE SEMINARIO M. en C. Raymundo Santana Alquicira

ASESORES M. en C. Raymundo Santana Alquicira Ing. Eduardo Martinez Corona

México D.F., Junio de 2009

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD CULHUACAN

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN INFORMÁTICA POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN SEMINARIO DE INTERCONECTIVIDAD Y SEGMENTACIÓN EN REDES DE ALTA VELOCIDAD DEBERÁ DESARROLLAR: ARGUELLO FAJARDO MARIANA MATA CECILIO JAIME NAVARRETE VAQUERO ISRAEL

“PROPUESTA DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA RED INALÁMBRICA EN LA

DCYC DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL”

I. FUNDAMENTOS DE REDES II. FUNDAMENTOS DE REDES INALÁMBRICAS III. WIRELESS LAN IV. PROPUESTA DE ANÁLISIS Y DISEÑO DE LA RED INALÁMBRICA PARA

LA DIRECCIÓN DE CÓMPUTO Y COMUNICACIONES VIGENCIA: DES/ESIME-CUL/5052005/16/08

México, D.F. a Junio de 2009.

M. en C. Raymundo Santana Alquicira Director del Seminario

Ing. Eduardo Martínez Corona Asesor

M. en C. Luis Carlos Castro Madrid Jefe de Carrera de Ingeniería en

Computación

Índice Objetivo 1 Problema 1 Justificación 1 Alcance 1 Capítulo I Fundamentos de Redes 2 1.1 Introducción a las redes 2 1.2 Concepto de red 2 1.2.1 Características generales de una red 2 1.2.2 Ventajas y desventajas de una red LAN 3 1.3 Clasificación de las redes 4 1.3.1 Por su alcance 4 1.3.1.1 Redes de área Local (LAN) 4 1.3.1.2 Redes de área extendida (WAN) 4 1.3.1.3 Redes de área metropolitana (MAN) 4 1.3.2 Por el tipo de enlace 5 1.3.2.1 Punto a punto 5 1.3.2.2 Multipunto o difusión 5 1.4 Topologías de red 5 1.4.1 Topología en bus 5 1.4.2 Topología en anillo 6 1.4.3 Topología en estrella 6 1.4.4 Topología en árbol 7 1.5 Transmisión de una señal a través de una red 7 1.5.1 Transmisión en banda base 7 1.5.2 Transmisión en banda ancha 8 1.6 Modelo OSI 8 1.7 Dispositivos de una red 10 1.7.1 Tarjeta de red NIC/MAU 10 1.7.2 Repetidor 10 1.7.3 Concentrador (Hub) 10 1.7.4 Puentes 10 1.7.5 Switch (Conmutador) 11 1.7.6 Routers (Encaminadores) 11 1.8 Ethernet 11 1.8.1 Formato de la trama Ethernet 13 1.9 Protocolos 13 1.10 Direccionamiento IP 13 1.10.1 Puerta de enlace 14

1.10.2 Máscara de red 14 Capítulo II Fundamentos de Redes Inalámbricas 2.1 Introducción 16 2.1.1 Frecuencia, Periodo y Longitud de Onda 16 2.1.2 Bel 17 2.1.3 Relación Señal Ruido (S/N) 17 2.2 Fundamentos de Radio Frecuencia 18 2.3 Clasificación de los Sistemas Inalámbricos 19 2.3.1 Telefonía Celular 20 2.3.2 Sistemas Satelitales para Voz y Datos 21 2.3.3 Sistemas de Posicionamiento Global 22 2.4 Propagación de la Señal 23 2.5 Modelos de Propagación 24 2.5.1 Modelo COST 231 de paredes múltiples 25 2.5.2 Modelo de propagación en espacio libre 26 2.5.3 Modelo de pérdida en la trayectoria para interiores 27 Capítulo III Wireless LAN 3.1 Introducción a las WLAN 28 3.2 Definición de red inalámbrica 28 3.3 Organización IEEE 28 3.4 Estándar IEEE 802 29 3.4.1 Las capas de IEEE 802 29 3.5 Estándar 802.11 30 3.6 Bandas de Frecuencias usadas en WLANs 30 3.6.1 2.4 GHz 30 3.6.2 5 GHz 31 3.7 Clasificación del estándar 802.11 31 3.8 La capa física de IEEE 802.11 34 3.9 Sistemas de modulación inalámbrica 35 3.9.1 FHSS 35 3.9.2 DSSS 36 3.9.3 BPSK 37 3.9.4 QPSK 37 3.9.5 OFDM 37 3.9.6 MIMO 38 3.9.7 Comparación de esquemas de modulación inalámbrica 38 3.10 Topologías de la red inalámbrica 39 3.10.1 WPAN 39 3.10.2 WLAN 39 3.10.3 WMAN 39 3.10.4 WWAN 40 3.11 Topologías de 802.11 40

3.11.1 Topología ad-hoc 40 3.11.2 Topología en infraestructura (AP) 41 3.11.3 Topología mesh 41 3.12 Dispositivos inalámbricos de red. 42 3.12.1 Puntos de acceso 42 3.12.1.1 Puntos de acceso robustos 43 3.12.1.2 Puntos de acceso básico 43 3.12.2 Adaptadores inalámbricos de red 43 3.12.2.1 Tarjetas PCMCIA 44 3.12.2.2 Tarjetas PCI o ISA 44 3.12.2.3 Unidades USB 44 3.12.3 Wireless bridge 44 3.13 Cálculo de usuarios por access point 45 3.14 El nacimiento de Wi-Fi 45 Capítulo IV Propuesta de Análisis y Diseño de la Red Inalámbrica para la Dirección de Cómputo y Comunicaciones 4.1 Análisis de necesidades 47 4.2 Estado actual 47 4.2.1 Distribución de planta de la DCyC 48 4.2.2 Descripción de la estructura de los pisos y paredes del edificio 48 4.3 Modelo de propagación teórico 48 4.4 Mediciones con software (valores empíricos) 49 4.4.1 Descripción de pantalla del software utilizado 50 4.4.2 Valores obtenidos con el software 51 4.5 Obstáculos o barreras de transmisión 52 4.6 Diseño de la red inalámbrica 52 4.6.1 Ubicación de APs 52 4.7 Medición de la capacidad para cada usuario 53 4.8 Análisis del equipo disponible 53 4.8.1 Roam About Wireless Switch 8500 54 4.8.2 Access Point MP-422A 54 4.8.3 Switch A2H124-24P 54 4.8.4 Distribución del equipo 55 4.9 Configuración del equipo 55 Conclusiones 57 Anexos Anexo 1. Estado actual de la planta baja de la DCyC 58 Anexo 2. Estado actual del primer piso de la DCyC 59 Anexo 3. Planta baja de la DCyC 60 Anexo 4. Primer piso de la DCyC 61 Anexo 5. Pantalla principal del software Wirelessmoon 62 Anexo 6. Valores de ganancia obtenidos a un metro del AP1 62

Anexo 7. Valores de ganancia obtenidos a tres metros del AP1 63 Anexo 8. Valores de ganancia obtenidos a cinco metros del AP1 63 Anexo 9. Valores de ganancia obtenidos a diez metros del AP1 64 Anexo 10. Valores de ganancia obtenidos a quince metros del AP1 64 Anexo 11. Valores de ganancia obtenidos a veinte metros del AP1 65 Anexo 12. Figura de Roam About Wireless Switch 8500,Access Point

MP-422A, Switch A2H124-24P respectivamente 65 Anexo 13. Figura pantalla inicial de RASM 65 Anexo 14. Asignación del nombre al AP y tipo de conexión 66 Anexo 15. Número de serie del AP 66 Anexo 16. Selección del modelo del AP y de los radios de salida 66 Anexo 17. Configuración del radio 802.11g 67 Anexo 18. Configuración del radio 802.11a 67 Anexo 19. Asignación de nombre a la VLAN 67 Anexo 20.Diagrama de interconexión de equipos para la WLAN en la DCyC 68 Índice de Figuras 69 Índice de Tablas 70 Índice de Formulas 71 Acrónimos 72 Glosario 74 Bibliografía 76

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Objetivo Es necesario realizar un análisis y diseño de la red inalámbrica que brinde un servicio de calidad de acceso a Internet basado en perfiles creados con permisos específicos para cada perfil, para los usuarios externos (ponentes, proveedores) y comunidad politécnica que visite la Dirección de Computo y Comunicaciones, así como a los usuarios internos que colaboran para el Instituto Politécnico Nacional.

Problema El Instituto Politécnico Nacional tiene la necesidad de un análisis de ubicación y administración de la red inalámbrica de cada una de las unidades profesionales, escuelas de nivel medio superior y centros de investigación. Es por esto que llevaremos a cabo un proyecto piloto en la Dirección de Cómputo y Comunicaciones del IPN para satisfacer dicha necesidad.

Justificación En esta unidad se centralizan las telecomunicaciones del IPN y dados los avances tecnológicos es necesaria la instalación de una red inalámbrica para brincar servicio de acceso a internet a la comunidad (alumnos, docentes, personal administrativo e investigadores) y usuarios externos. En un futuro, esta red será administrada, llevando así el control de los usuarios que se conectan a través de la red del politécnico mediante la asignación de permisos especiales definidos por perfiles.

Alcance El análisis y diseño solo contempla el servicio de de la red inalámbrica dentro de la Dirección de Computo y Comunicaciones del Instituto Politécnico Nacional ubicada en la Unidad Profesional Adolfo López Mateos, Zacatenco, en zonas importantes como el lobby, auditorio, planta baja y primer piso.

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Capítulo I Fundamentos de Redes

1.1 Introducción a las redes Vivimos en un momento decisivo para extender y potenciar nuestras interacciones sociales, comerciales, políticas y personales con el uso adecuado de la tecnología; actualmente el uso estratégico de Internet ha servido como punto de inicio para nuevos productos y servicios diseñados específicamente para aprovechar las capacidades de la red. La necesidad de interactuar es fundamental y con el constante cambio y evolución de los medios se han ampliado el alcance de nuestras comunicaciones. Las primeras redes de datos estaban limitadas a intercambiar caracteres entre sistemas informáticos conectados. Las redes actuales evolucionaron para agregarle voz, video, texto y gráficos. La naturaleza de las comunicaciones en Internet estimula la formación de comunidades globales, estas comunidades motivan la interacción social que depende de la ubicación o el huso horario. Los nuevos avances tecnológicos permiten que estas interacciones no se vean limitadas por el uso de un cable para estar comunicados. El enfoque de esta tesina es exclusivamente a las tecnologías inalámbricas que como describiremos, abren una nueva forma de comunicación.

1.2 Concepto de red Este concepto es aplicado a muchas ramas de la ciencia, la definición más relacionada para nuestro fin es la siguiente: Un sistema en el que se conectan varios equipos y dispositivos entre si para compartir recursos. La palabra clave es compartir, esta capacidad le da a las redes su potencial y atractivo. Cada dispositivo activo conectado a la red se denomina nodo. Un dispositivo activo es aquel que interviene en la comunicación de forma autónoma, sin estar controlado por otro dispositivo

1.2.1 Características generales de una red Las características más representativas de una red de área local son las siguientes:

• Alcance. El área de conexión se limita a una extensión moderada, generalmente desde unos pocos metros a unos pocos kilómetros.

• Velocidad de transmisión. En estas redes, la velocidad es elevada en comparación con otros circuitos de comunicación, variando entre 1 y 100 Mbps.

• Conectividad. Además de que todos los dispositivos conectados a una red de área local puedan comunicarse entre sí, también se incluye la capacidad de conexión con otras redes

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locales o de área extensa como pueden ser la red telefónica conmutada o las redes SNA, X.25, TCP/IP, etc.

• Propiedad Privada. Una red de área local es propiedad de la organización o empresa en lugar de ser un elemento público para otros usos externos. Por lo general, la organización es propietaria de la red y todo el conjunto de dispositivos conectados a ella.

• Fiabilidad. Estas redes presentan una baja tasa de error en las transmisiones de datos en comparación con el resto de modalidades de comunicación.

• Compartición de recursos. Permiten la integración en la misma red de una gran diversidad de dispositivos. Los recursos de almacenamiento, las impresoras y los elementos de comunicación pueden ser utilizados por todas las estaciones de trabajo.

1.2.2 Ventajas y desventajas de una red LAN Las ventajas más significativas que proporcionan las redes de área local son:

• Recursos compartidos. Los dispositivos conectados a la red comparten datos, aplicaciones, periféricos y elementos de comunicación.

• Conectividad a nivel local. Los distintos equipos que integran la red se encuentran conectados entre sí con posibilidades de comunicación.

• Proceso distribuido. Las redes de área local permiten el trabajo distribuido, es decir, cada equipo puede trabajar independientemente o cooperativamente con el resto.

• Flexibilidad. Una red local puede adaptarse al crecimiento cuantitativo referido al número de equipos conectados, así como adaptarse a cambios cualitativos de tipo tecnológico.

• Disponibilidad y fiabilidad. Un sistema distribuido de computadoras conectadas en red local es inherentemente más fiable que un sistema centralizado.

• Cableado estructurado. Estas redes por sus cableados y conexiones, facilitan mucho la movilidad de los puestos de trabajo de un lugar a otro

• Optimización. Las redes de área local permiten la máxima flexibilidad en la utilización de recursos, estén estos en la computadora central, el procesador departamental o la estación de trabajo, facilitando, por tanto, la optimización del coeficiente prestaciones/precio del sistema.

Entre las desventajas frente a un único sistema multiusuario se pueden citar las siguientes:

• Interoperatividad. La carencia de estándares bien definidos entre los datos que producen las aplicaciones, hace que una red local no garantice que dos dispositivos conectados a ella, funcionen correctamente entre sí al comunicar aplicaciones de distinta naturaleza. Por ejemplo, si dos equipos trabajan con distintos procesadores de texto y pretenden transmitirse archivos de texto, posiblemente será necesario algún tipo de conversión.

• Por la naturaleza distribuida de una red local, la gestión de la red en cuanto a control de accesos, rendimientos y fiabilidad es más compleja.

• Integridad, seguridad y privacidad de la información. En todo sistema distribuido pueden surgir problemas de este tipo.

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1.3 Clasificación de las redes A los distintos tipos de redes existentes en el mercado se las ha clasificado en grupos genéricos, que son: por su alcance, por su pertenencia, por la tecnología de conmutación, por su aplicación, por su topología, por el tipo de enlaces que la conforman. La interrelación de uno o varios grupos han creado las arquitecturas de redes.

1.3.1 Por su alcance 1.3.1.1 Redes de área local (LAN) Una red de área local o LAN (Local Area Network) es la interconexión de varios ordenadores y periféricos. Su extensión esta limitada físicamente a un edificio o a un entorno de hasta 200 metros.

• Velocidad binaria en el orden de decenas de Mbps • Pertenecen a una sola organización o empresa • Utilizan un canal de múltiple acceso.

1.3.1.2 Redes de área extendida (WAN) Una Red de Área Amplia (Wide Area Network), es un tipo de red de computadoras capaz de cubrir distancias desde unos 100km hasta unos 1000 km, dando el servicio a un país o un continente. Un ejemplo de este tipo de redes sería Red IRIS, Internet o cualquier red en la cual no estén en un mismo edificio todos sus miembros.

• Pueden extenderse a países enteros • Velocidades binarios inferiores a los dos Mbps • Pertenecen generalmente a varias organizaciones • Se basan en enlaces punto a punto.

1.3.1.3 Redes de área metropolitana (MAN) Una red de área metropolitana (Metropolitan Area Network o MAN) es una red de alta velocidad (banda ancha) que dando cobertura en un área geográfica extensa, proporciona capacidad de integración de múltiples servicios mediante la transmisión de datos, voz y vídeo, sobre medios de transmisión tales como fibra óptica y par trenzado, la tecnología de pares de cobre se posiciona como una excelente alternativa para la creación de redes metropolitanas, por su baja latencia (entre 1 y 50ms), gran estabilidad y la carencia de interferencias radioeléctricas.

• Se extiende a toda una área urbana • Tecnología de LAN

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1.3.2 Por el tipo de enlace 1.3.2.1 Punto a punto Son aquellas que responden a un tipo de arquitectura de red en las que cada canal de datos se usa para comunicar únicamente dos nodos, los dispositivos en red actúan como socios iguales, cada dispositivo puede tomar el rol de esclavo o la función de maestro.

1.3.2.2 Multipunto o difusión Se denominan redes multipunto a aquellas en las cuales cada canal de datos se puede usar para comunicarse con diversos nodos. En una red multipunto solo existe una línea de comunicación cuyo uso esta compartido por todas las terminales en la red. La información fluye de forma bidireccional y es discernible para todas las terminales de la red. En este tipo de redes las terminales compiten por el uso del medio (línea) de forma que el primero que lo encuentra disponible lo acapara, aunque también puede negociar su uso.

1.4 Topologías de red La topología de una red define únicamente la distribución del cable que interconecta los diferentes ordenadores. A la hora de instalar una red, es importante seleccionar la topología más adecuada a las necesidades, teniendo en cuenta factores como la distribución de los equipos a interconectar, tipo de aplicaciones que se van a ejecutar, inversión que se quiere hacer, coste que se quiere dedicar al mantenimiento y actualización de la red, tráfico que debe soportar la red, capacidad de expansión, entre otros. Las topologías puras son tres: topología en bus, en estrella y en anillo. A partir de estas tres se generan otras como son: anillo - estrella, bus - estrella, etc.

1.4.1 Topología en bus Consiste en un cable al que se conectan todos los nodos de la red. Un nodo es cualquier estación de trabajo, terminal, impresora o cualquier otro dispositivo que pueda ser conectado a la red, ya sea de forma directa o indirecta (estando a disposición de la red al pertenecer a un dispositivo ya conectado a ella). Cuando se utiliza cable coaxial, aparecen unos elementos en los extremos del cable denominados "terminadores", y cuyo aspecto es similar al de un tapón. Cada cual actúa como una resistencia que refleja las señales del cable. Su misión es indicar a la red cuáles son los extremos del bus. La topología en bus resulta fácil de instalar y mantener, pero ofrece un problema bastante importante. Esta dificultad consiste en que cuando el bus se abre (el cable se rompe, se estropea una clavija, un mal contacto...), toda la red se cae y quedará completamente inoperativa. Si la distancia que cubre el cable es pequeña, encontrar la avería resulta relativamente fácil; sin

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embargo, si la distancia es grande y/o los nodos conectados a ella son elevado, encontrar la avería puede llevar mucho tiempo, durante el cual, todo el sistema quedará inutilizado.

Figura 1.1. Topología en Bus

1.4.2 Topología en anillo Consiste en un cable en el que se juntan el origen con el extremo, formando un anillo cerrado. A él se conectan los nodos de la red. No requiere de terminadores, ya que el cable se cierra en sí mismo. Esta topología ofrece el mismo problema que la topología en bus, es decir, si se abre el anillo, la red queda inoperativa en su totalidad.

Figura 1.2. Topología en Anillo

1.4.3 Topología en estrella En este caso, cada nodo de la red se conecta a un punto central, formando una especie de estrella. El punto es tan sólo un dispositivo de conexiones, o uno del mismo tipo más una estación de trabajo. Dependiendo de sí el dispositivo central es pasivo (únicamente serviría de centralizador de conexiones) o activo (centralizando las conexiones y regenerando la señal que le llega), se tratará de una estrella pasiva ó activa. Este dispositivo central se llama "concentrador" (hub). La principal ventaja que esta topología ofrece frente a las otras consiste en que cuando el cable de un nodo se desconecta o rompe, dicho nodo es el único que queda desconectado de la red, manteniéndose ésta operativa.

Figura 1.3. Topológica en Estrella

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1.4.4 Topología en árbol La topología en árbol se denomina también topología en estrella distribuida. Al igual que sucedía en la topología en estrella, los dispositivos de la red se conectan a un punto que es una caja de conexiones, llamado HUB. Estos suelen soportar entre cuatro y doce estaciones de trabajo. Los hubs se conectan a una red en bus, formando así un árbol o pirámide de hubs y dispositivos. Esta topología reúne muchas de las ventajas de los sistemas en bus y en estrella.

Figura 1.4. Topología en Árbol

1.5 Transmisión de una señal a través de una red Se pueden utilizar dos técnicas para transmitir las señales codificadas a través de un cable: la transmisión en banda base y la transmisión en banda ancha.

1.5.1 Transmisión en banda base Los sistemas en banda base utilizan señalización digital en un único canal. Las señales fluyen en forma de pulsos discretos de electricidad o luz. La transmisión en banda base utiliza la capacidad completa del canal de comunicación para transmitir una única señal de datos. La señal digital utiliza todo el ancho de banda del cable, constituyendo un solo canal. El término ancho de banda hace referencia a la capacidad de transferir datos, o a la velocidad de transmisión, de un sistema de comunicaciones digital, medido en bits por segundo (bps). La señal viaja a lo largo del cable de red y, por tanto, gradualmente va disminuyendo su intensidad, y puede llegar a distorsionarse. Si la longitud del cable es demasiado larga, la señal recibida puede no ser reconocida o puede ser tergiversada. Como medida de protección, los sistemas en banda base a veces utilizan repetidores para recibir las señales y retransmitirlas a su intensidad y definición original. Esto incrementa la longitud útil de un cable.

Figura 1.5.Transmisión en Banda Base

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1.5.2 Transmisión en banda ancha Los sistemas de banda ancha utilizan señalización analógica y un rango de frecuencias. Las señales son continuas y no discretas. Las señales circulan a través del medio físico en forma de ondas ópticas o electromagnéticas. Con la transmisión en banda ancha, el flujo de la señal es unidireccional. Si el ancho de banda disponible es suficiente, varios sistemas de transmisión analógica, como la televisión por cable y transmisiones de redes, se pueden mantener simultáneamente en el mismo cable. A cada sistema de transmisión se le asigna una parte del ancho de banda total. Todos los dispositivos asociados con un sistema de transmisión dado, por ejemplo, todos los equipos que utilicen un cable LAN, deben ser configurados, de forma que sólo utilicen las frecuencias que están dentro del rango asignado. Mientras que los sistemas de banda base utilizan repetidores, los sistemas de banda ancha utilizan amplificadores para regenerar las señales analógicas y su intensidad original. En la transmisión en banda ancha, las señales circulan en una sola dirección, de forma que debe existir dos caminos para el flujo de datos para que una señal alcance todos los dispositivos. Hay dos formas comunes de realizar esto:

• A través de una configuración de banda ancha con división del medio, el ancho de banda se divide en dos canales, cada uno usan una frecuencia o rango de frecuencias diferentes. Un canal transmite y el otro recibe.

• Configuración en banda ancha con doble cable, a cada dispositivo se unen dos cables. Un cable se utiliza para enviar y el otro para recibir.

1.6 Modelo OSI El modelo OSI es un estándar creado por la Organización Internacional para la Estandarización (ISO). Define el modelo para un entorno de sistemas abiertos, en el cual un proceso que se ejecuta en una computadora se puede comunicar con un proceso similar en otra computadora si ambos implementan los mismos niveles de protocolos de comunicación OSI. El nivel más bajo del modelo define los componentes físicos como conectores, cables además transmisiones eléctricas de bits de datos entre sistemas. Los niveles inmediatos por encima de éste definen los métodos de empaquetamiento de los datos y direccionamiento. Siguiendo hacia arriba están los métodos para el mantenimiento de las sesiones de comunicación. Finalmente, los niveles más altos describen cómo utilizan las aplicaciones los sistemas de comunicación subadyacentes para interactuar con aplicaciones en otros sistemas. El modelo OSI fue diseñado para ayudar a los desarrolladores a crear aplicaciones compatibles a través de diferentes líneas de productos y promover los sistemas abiertos e interoperables. Los protocolos se cargan en las computadoras como drivers. Cada nivel en el grupo de protocolos define un conjunto específico de funciones. Una aplicación del nivel más alto actúa con el nivel inmediatamente inferior cuando necesita enviar información a otro sistema de la red. La solicitud

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se desempaqueta en un nivel y se pasa al siguiente nivel hacia abajo, el cual añade información relacionada con las funciones realizadas en dicho nivel, creando un paquete dentro de otro paquete.

NIVEL NOMBRE FUNCIÓN 7 Aplicación Datos Normalizados 6 Presentación Interpretación de datos, formato 5 Sesión Dialogo de control, trafico 4 Transporte Integridad de mensajes, manejo y control 3 Red Enrutamiento de los mensajes, Address 2 Enlace Detección de errores, acceso 1 Físico Conexión de equipos, cables y conectores

Tabla 1.1. Modelo OSI

Después se pasa este paquete al nivel inmediatamente inferior y el proceso continuo. Cada nivel añade información al paquete de mensaje y esta información es leída por el nivel correspondiente en el grupo de protocolos de sistema receptor. De esta manera cada nivel de protocolo se comunica con su correspondiente nivel de protocolo para facilitar la comunicación. Cada nivel define reglas y procedimientos que deben observar los subsistemas de comunicación para poder comunicarse con procesos equivalentes en otros sistemas. Se presentan a continuación algunos ejemplos de procesos manejados por los subsistemas de comunicación:

• Interacción e intercambio entre aplicaciones, además de traducción entre las diferentes reglas sintácticas y representación de datos.

• Gestión de intercambio de datos en modos Full-duplex o Hafl-duplex. • Supervisión y mantenimiento de un canal de comunicación entre dos sistemas. • Procedimientos de direccionamiento y encaminamiento en una red. • Descomposición de los datos en la preparación de su transmisión. • Funciones de tarjeta de interfaz de red, transmisión de señales eléctricas, ópticas o de

radio sobre el medio de transmisión de red.

Figura 1.6. Comparación del modelo OSI con TCP/IP

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1.7 Dispositivos de una red Los equipos que se conectan de forma directa a un segmento de red se denominan dispositivos. Estos dispositivos se clasifican en dos grandes grupos. El primer grupo está compuesto por los dispositivos de usuario final. Los dispositivos de usuario final incluyen los computadores, impresoras, escáneres, y demás dispositivos que brindan servicios directamente al usuario. El segundo grupo está formado por los dispositivos de red. Los dispositivos de red son todos aquellos que conectan entre sí a los dispositivos de usuario final, posibilitando su intercomunicación. A continuación mencionaremos los dispositivos de red más comunes dentro de una red alámbrica, estos son dispositivos de hardware que sirven para la interconexión de los nodos de una red.

1.7.1 Tarjeta de red NIC/MAU La NIC es una tarjeta de expansión de la computadora y proporciona un puerto al cual se conecta el cable de la red este brinda la posibilidad de transmitir y recibir información de una pc a otra. Hoy en día cada vez son más los equipos que disponen de interfaz de red (Ethernet). A veces, es necesario, además de la tarjeta de red, un transceptor. Este es un dispositivo que se conecta al medio físico y a la tarjeta, esto debido a que a veces el medio físico de la red es distinto del que utiliza la tarjeta.

1.7.2 Repetidor Es un equipo que actúan a nivel físico. Prolongando la longitud de la red uniendo dos segmentos y amplificando la señal, pero junto con ella amplifican también el ruido.

1.7.3 Concentrador (Hub) Es un dispositivo que permite estructurar el cableado de las redes. La variedad de tipos y características de estos equipos es muy grande. En un principio eran solo concentradores de cableado, pero actualmente estos equipos tienen incorporadas más funciones de red.

1.7.4 Puentes Son equipos que unen dos redes actuando sobre los protocolos de bajo nivel, en el nivel de control de acceso al medio. Solo el tráfico de una red que va dirigido a la otra atraviesa el dispositivo. Esto permite a los administradores dividir las redes en segmentos lógicos. Los puentes producen las señales, con lo cual no se transmite ruido a través de ellos.

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1.7.5 Switch (Conmutador) Un switch es un dispositivo electrónico de interconexión de redes de ordenadores que opera en la capa 2 (nivel de enlace de datos) del modelo OSI. Un conmutador interconecta dos o más segmentos de red, funcionando de manera similar a los puentes, pasando datos de un segmento a otro, de acuerdo con la dirección MAC destino. Los conmutadores se utilizan cuando se desea conectar múltiples redes, fusionándolas en una sola. Al igual que los puentes, dado que funcionan como un filtro en la red, mejoran el rendimiento y la seguridad de una red local.

1.7.6 Routers (Encaminadores) Son equipos de interconexión de redes que actúan a nivel de los protocolos de red (capa 3). Permite utilizar varios sistemas de interconexión mejorando el rendimiento de la transmisión entre redes. Su funcionamiento es más lento que los switch pero su capacidad es mayor. Permiten, enlazar dos redes basadas en un protocolo, por medio de otra que utilice un protocolo diferente, por esto se dice que el router es un dispositivo inteligente.

1.8 Ethernet La primera versión fue un intento de estandarizar Ethernet aunque hubo un campo de la cabecera que se definió de forma diferente, posteriormente ha habido ampliaciones sucesivas al estándar que cubrieron las ampliaciones de velocidad (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet y el de 10 Gigabits), redes virtuales, hubs, conmutadores y distintos tipos de medios, tanto de fibra óptica como de cables de cobre (tanto par trenzado como coaxial). Los estándares de este grupo no reflejan necesariamente lo que se usa en la práctica, aunque a diferencia de otros grupos este suele estar cerca de la realidad.

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ESTÁNDAR ETHERNET

FECHA DESCRIPCIÓN

Ethernet experimental

1972 (patentado en 1978)

2,85 Mbit/s sobre cable coaxial en topología de bus.

IEEE 802.3 1983 10BASE5 10 Mbit/s sobre coaxial grueso (thicknet). Longitud máxima del segmento 500 metros - Igual que DIX salvo que el campo de Tipo se substituye por la longitud.

802.3a 1985 10BASE2 10 Mbit/s sobre coaxial fino (thinnet o cheapernet). Longitud máxima del segmento 185 metros

802.3c 1985 Especificación de repetidores de 10 Mbit/s

802.3d 1987 FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link) enlace de fibra óptica entre repetidores.

802.3i 1990 10BASE-T 10 Mbit/s sobre par trenzado no apantallado (UTP). Longitud máxima del segmento 100 metros.

802.3j 1993 10BASE-F 10 Mbit/s sobre fibra óptica. Longitud máxima del segmento 1000 metros.

802.3u 1995 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX Fast Ethernet a 100 Mbit/s con auto-negociación de velocidad.

802.3x 1997 Full Duplex (Transmisión y recepción simultáneos) y control de flujo.

802.3z 1998 1000BASE-X Ethernet de 1 Gbit/s sobre fibra óptica.

802.3ab 1999 1000BASE-T Ethernet de 1 Gbit/s sobre par trenzado no apantallado

802.3ac 1998 Extensión de la trama máxima a 1522 bytes (para permitir las "Q-tag") Las Q-tag incluyen información para 802.1Q VLAN y manejan prioridades según el estandar 802.1p.

IEEE 802.3af 2003 Alimentación sobre Ethernet (PoE).

802.3ah 2004 Ethernet en la última milla.

802.3an 2006 10GBASE-T Ethernet a 10 Gbit/s sobre par trenzado no apantallado (UTP)

802.3ap En proceso Ethernet de 1 y 10 Gbit/s sobre circuito impreso.

Tabla 1.2. Evolución de Ethernet

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1.8.1 Formato de la trama Ethernet

Trama IEEE 802.3

Preámbulo SOF Destino Origen Longitud Datos Relleno FCS

7 bytes 1 byte 6 bytes 6 bytes 2 bytes 0 a 1500 bytes 0 a 46 bytes 4 bytes Tabla 1.3. Trama Ethernet

1.9 Protocolos El Protocolo de red o también Protocolo de Comunicación es el conjunto de reglas que especifican el intercambio de datos u órdenes durante la comunicación entre las entidades que forman parte de una red. Estándares de redes en capa 1 y 2:

• IEEE 802.3, estándar para Ethernet • IEEE 802.5, estándar para Token Ring • IEEE 802.11, estándar para Wi-Fi • IEEE 802.15, estándar para Bluetooth

MODELO OSI PROTOCOLOS 7 Aplicación HTTP, FTP, POP3, etc. 6 Presentación DNS, LDAP, XML, etc. 5 Sesión Común DNS, LDAP, XML, etc. 4 Transporte UDP, TCP, etc. 3 Red IP, ICMP, RSVP, etc. 2 Enlace LLC, MAC, etc 1 Físico IEEE 802 Coaxial, FO, radio, etc.

Tabla 1.4.Protocolos

1.10 Direccionamiento IP Todos los equipos que forman parte de Internet disponen de una dirección que se utiliza para identificarlo cuando transmite o recibe información. Estas direcciones se conocen como direcciones IP. Los nodos que forman parte de una red de área local también disponen de su correspondiente dirección IP, pero mientras que Internet tiene un organismo internacional que regula la asignación de sus direcciones (IANA, Internet Assigned Numbers Authority, “Autoridad de números asignados de Internet”), las direcciones de cada red local las asigna arbitrariamente su administrador o usuarios (aunque cumpliendo ciertas reglas). Pues bien, a las direcciones ip de los equipos de una red locales las conoce como direcciones ip privadas, mientras que las direcciones ip de Internet se las conoce como direcciones ip públicas. Ambos tipos de direcciones están formadas por una cadena de cuatro cifras separadas por un punto. Cada una de esas cifras puede tomar un valor entre 0 y 255 (por ejemplo, 10.13.163.1).

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Las direcciones ip privadas están reguladas por el documento RFC 1918. En este documento se define que, para que una dirección ip privada sea compatible con Internet, debe estar dentro de los siguientes rangos:

Figura 1.11. Clases de Red

Las direcciones ip privadas no son reconocidas por Internet. Esto quiere decir que ningún paquete de datos que tenga una de estas direcciones como identificación origen o destino puede progresar por Internet. Esta particularidad impide que las direcciones ip privadas sean visibles directamente desde Internet. Por tanto, el administrador de una red de área local es libre de utilizar cualquiera de estas direcciones dentro de su red. Todos los equipos que forman parte de una red local disponen de su correspondiente dirección ip (privada), incluido el router, quien dispondrá de dos direcciones ip, una por cada red con la que está conectado. Esta segunda dirección será privada si se trata de otra red local o publica si se trata de Internet. Las direcciones ip que utiliza cada equipo se configuran dentro de las propiedades TCP/IP de su tarjeta de comunicación: tarjeta Ethernet en el caso de redes cableadas y tarjeta inalámbrica o adaptador de red en el caso de redes Wi-Fi.

1.10.1 Puerta de enlace Cuando se interconectan dos redes, los nodos de cada una de ellas necesitan conocer la dirección ip del router por el que enviar los datos dirigidos a los nodos de la otra red. Esta dirección ip se conoce con el nombre de puerta de enlace o Gateway. Por tanto, la puerta de enlace es el numero ip de router que interconecta ambas redes. Si se tuviera una red Wi-Fi conectada a una red Ethernet, que a su vez está conectada a Internet mediante ADSL, la puerta de enlace de los nodos de la red inalámbrica seria la dirección ip del punto de acceso, mientras que para el punto de acceso y el resto de nodos de la red Ethernet sería la del router ADSL. Por ultimo, para este router ADSL la puerta de enlace es la dirección ip del router del proveedor de acceso.

1.10.2 Máscara de red La máscara de red o máscara de subred es una forma de simplificar el trabajo de los equipos de red. Como se ha visto anteriormente, todos los equipos que forman una red local disponen de una

15

dirección ip formada por 32 bits (cuatro grupos de 8 bits). Cada paquete de información intercambiado dentro de la red obliga a los equipos de red (switches, router, etc.) a analizar la dirección completa del destinatario, cuando, en realidad, la mayoría de los bits de la direcciones ip privadas son siempre los mismos. Por ejemplo, si las direcciones privadas de la red local son del tipo 192.168.0.1, 192.168.0.2, 192.168.0.3, etc., bastaría con analizar la última cifra (8 bits) para identificar el destinatario (los otros 24 bits son idénticos). Al reducirla información a analizar se reduce el tiempo de análisis y se aumenta la eficiencia del equipo.

NÚMERO DE USUARIOS MÁSCARA EN DECIMAL MÁSCARA EN HEXADECIMAL

EJEMPLO DE RANGO DIRECCIONES VALIDAS

1 + el router 255.255.255.252 FFFFFFFC x.x.x.1 / x.x.x.2

5 + el router 255.255.255.248 FFFFFFF8 x.x.x.1 / x.x.x.6

13 + el router 255.255.255.240 FFFFFFF0 x.x.x.1 / x.x.x.14

29 + el router 255.255.255.224 FFFFFFE0 x.x.x.1 / x.x.x.30

61 + el router 255.255.255.192 FFFFFFC0 x.x.x.1 / x.x.x.62

125 + el router 255.255.255.128 FFFFFF80 x.x.x.1 / x.x.x.126

253 + el router 255.255.255.000 FFFFFF00 x.x.x.1 / x.x.x.254

Tabla 1.5.Máscaras de Red

La técnica de la máscara de red consiste en definir qué parte de la dirección ip es común en toda la red (conocida como dirección de red), y qué otra es la que realmente identifica a cada equipo que forma la red (dirección del nodo). Esta definición se consigue mediante un número conocido como máscara de red. La máscara de red tiene el aspecto de un número ip, pero realmente define el número de bits que son comunes en la red y los que se utilizan para identificar a los nodos. La máscara de red es un número binario formado por tantos unos como bits tenga la dirección de red y tantos ceros como bits tengan la identificación del nodo. En el ejemplo, la mascar de red sería:

11111111.11111111.1111111.00000000 o lo que es lo mismo 255.255.255.0 Esta forma de representar la máscara permite averiguar la dirección de la red y del nodo simplemente haciendo una operación Y lógica (and) con el número de la máscara y la dirección ip. Este tipo de operaciones son extremadamente sencillas de realizar para cualquier equipo electrónico. El número de la mascara de red lo decide el administrador de la red en función del número de usuarios de la misma. En redes pequeñas suele ser habitual utilizar la máscara 255.255.255.0.

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Capítulo II Fundamentos de Redes Inalámbricas

2.1 Introducción A principios de la década de los 90s un estudio de mercado dirigido por AT&T en EUA, arrojó cifras importantes acerca de los servicios ofrecidos vía inalámbrica en los cuales se estima que para el año 2010 la mitad de todas las comunicaciones de negocios y personales se harán por esta vía. Está ocurriendo un crecimiento acelerado de los sistemas inalámbricos como: TV Satelital (DBS), Redes de Área Local Inalámbricas (WLAN), Sistemas de Mensaje, Sistemas de Posicionamiento Global (GPS), Sistema de Identificación por Radio Frecuencia (RFID), entre otros. Estos sistemas prometen proveer, por primera vez en la historia, conectividad a nivel global de voz, video y datos. Los logros tecnológicos inalámbricos y los retos del futuro, hacen de este campo uno de los más interesantes y remunerados para trabajar en ellos debido a sus características y ventajas.

2.1.1 Frecuencia, periodo y longitud de onda Se utiliza el término frecuencia para referirse a un número de oscilaciones periódicas u ondas que ocurren por unidad de tiempo. La figura 2.1 muestra varias ondas sinoidales oscilando a diferentes frecuencias o ciclos por segundo (cps), en general, este término ha sido remplazado por su sinónimo hertz, abreviado como Hz. El periodo de oscilación de una onda es el tiempo empleado por la misma en completar una longitud de onda, es decir el periodo es el tiempo transcurrido entre dos crestas o valles sucesivos. Se conoce como longitud de onda a la distancia entre dos crestas consecutivas, en otras palabras, describe lo larga que es la onda; esta se obtiene dividiendo la velocidad de la luz “c” (3 x 108

m/s) entre la frecuencia de la señal en hertz (ver formula 2.1.)

( )Hz10 x 3)(

8

fm =λ

)GHz(30)(

fcm =λ

El periodo (T) es recíproco de la frecuencia (f), en la figura 2.1 también se puede observar la relación inversa con la longitud de onda.

Figura 2.1. Relación entre Frecuencia, Periodo y Longitud de Onda

(2.1)

17

2.1.2 Bel Esta unidad usa logaritmos base 10 (log10

) para expresar la relación entre potencia transmitida y la potencia recibida; la pérdida o ganancia del circuito está dada por la fórmula 2.3.

I

O10

PPlog

B =

donde B es la relación de potencia en Bels, PO es la potencia de salida o recibida y PI

es la potencia de entrada o transmitida. La razón por la que el Bel utiliza logaritmos para su medición es porque el oído humano percibe los sonidos en una escala logarítmica, por ejemplo: si se estima que una señal ha duplicado su intensidad en volumen es porque en realidad el poder de transmisión se ha incrementado aproximadamente en un factor de 10. Como la potencia recibida, normalmente es menor a la que la transmitida, el denominador en la siguiente ecuación es mayor que el denominador, por lo tanto se utiliza una de las propiedades de los logaritmos (logaritmo del inverso multiplicativo) para expresar la formula como:

XX 1010 log1log −=

1001log

)1/100(1log

B 1010 ==

Como log10 1/X = –log10 X, el resultado es B = –log10

100 = –2

Nótese que el valor negativo indica una pérdida de señal y un valor positivo indica una ganancia. Por cuestiones de precisión en las medidas los estándares actuales utilizan como medida el deciBel (dB) ya que representa la decima parte de un Bel.

2.1.3 Relación señal ruido (S/N) En todos los sistemas de comunicación existen pérdidas a causa del ruido, causadas por el movimiento de electrones, inducciones en líneas de poder, modulación cruzada por pares de cables adyacentes y en comunicaciones inalámbricas, frecuencias en canales adyacentes. La relación señal-ruido es usada para categorizar la calidad de un transmisor; está se mide en decibeles y es definida como la relación entre el poder de señal dividió entre el poder del ruido en un medio de transmisión (S/N).

(2.2) T

f 1=

fT 1=

(2.3)

(2.4)

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2.2 Fundamentos de radio frecuencia El termino Radio Frecuencia (RF) se refiere al campo electromagnético generado cuando una corriente alterna es aplicada al generador de una antena; este campo, también es llamado Campo RF u Onda de Radio. El rango menos energético del espectro de radiación electromagnética situada entre los 3KHz y los 300GHz se utiliza para transmisiones inalámbricas. A partir de 1GHz las bandas entran dentro del espectro de las microondas. Por encima de 300 GHz la absorción de la radiación electromagnética por la atmósfera terrestre es tan alta que la atmósfera se vuelve opaca a ella; conforme la frecuencia sobrepasa el espectro RF la energía electromagnética toma forma de luz infrarroja (IR), luz visible, ultravioleta (UV), Rayos X, Rayos Gamma. Muchos dispositivos inalámbricos (como radio, televisión, telefonía celular, teléfonos, sistemas de comunicación satelital, redes inalámbricas de datos, etc.) utilizan campos RF. El espectro de RF está dividió en muchos rangos, o "Bandas", cada una de las bandas representan un incremento en la frecuencia. A nivel internacional el espectro RF es controlado por la International Telecommunication Union (ITU) para varias clases de servicios dependiendo la región del planeta. La Federal Communications Commission (FCC) asigna frecuencias para usuarios de dependencias NO gubernamentales. La FCC permitió la operación sin licencia de dispositivos que utilizan 1 Watt de energía o menos, en tres bandas de frecuencia:

BANDA DE FRECUENCIA DESCRIPCIÓN 900 MHZ Este rango de frecuencia comienza de los 902 MHz hasta 928 MHz.

Seguramente estamos más familiarizados con esta banda ya que los teléfonos inalámbricos operan en esta frecuencia. Al mismo tiempo podemos entender a que se refiere el término canal. Cuando iniciamos una conversación telefónica y escuchamos ruido, estática u otras conversaciones es porque el canal esta en uso, así que cambiamos de canal hasta encontrar uno libre.

2.4 GHz Este rango abarca desde 2.4000 hasta 2.4835 GHz y es utilizado por los estándares la 802.11, 802.11b, 802.11g y 802.11n de la IEEE. Para evitar interferencias se cuenta con 11 canales cada uno de ellos separado por 22MHz, la figura 2.2 muestra que los canales 1, 6 y 11 no tienen interferencias, es por esto que la mayoría de los dispositivos utilizan estos canales. Se alcanzan velocidades de datos 1, 2, 5.5 y 11Mbps.

5 GHz Los estándares 802.11a y 802.11n radian en esta frecuencia, esta subdividido en canales separados por 20 MHz para formar un total de 23 canales sin traslapes alcanzando velocidades de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps.

Tabla 2.1. Bandas de Frecuencia sin licencia

Estas bandas de frecuencia, llamadas bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical), estaban anteriormente limitadas a instrumentos científicos, médicos e industriales, y a diferencia de la ARDIS y MOBITEX, están abiertas para cualquiera. Para minimizar la interferencia, las regulaciones de FCC estipulan que una técnica de señal de transmisión llamada spread-spectrum modulation, la cual tiene potencia de transmisión máxima de 1 Watt. y deberá ser utilizada en la banda ISM.

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Figura 2.2. Canales de la frecuencia 2.4GHz

Desde el punto de vista de la velocidad se clasifican en banda estrecha o banda ancha en función del caudal de información que puede manejar por unidad de tiempo (ver tabla 2.2) sin embargo para completar esta clasificación se define un grupo más, la banda media, la cual engloba tecnologías hibridas entre las dos anteriores; cabe mencionar que los valores de ancho de banda no son fijos y podría n variar de acuerdo a la evolución de las tecnologías.

DENOMINACIÓN ANCHO DE BANDA TECNOLOGÍA INALÁMBRICA Banda Estrecha 10 a 100 Kbps UWB, Zigbee Banda Media 100 a 2000 Kbps 3G, Zigbee, Bluetooth Banda Ancha 2 a 100Mbps (o más) UWB y 802.11

Tabla 2.2. Anchos de banda de tecnologías inalámbricas

2.3 Clasificación de los sistemas inalámbricos En el sentido más amplio de la palabra, un sistema inalámbrico permite la comunicación de información entre dos puntos sin el uso de conexiones alambicas, mediante el empleo de energía sónica, infrarroja, óptica o radio frecuencia. Los sistemas inalámbricos pueden ser clasificados de acuerdo a la frecuencia en la que operan como lo muestra la Tabla 2.3.

SISTEMA INALÁMBRICO FRECUENCIA DE OPERACIÓN Advanced Mobile Phone Service (AMPS) T: 824–849 MHz

R: 869–894 MHz Global System Mobile (European GSM) T: 880–915 MHz

R: 925–960 MHz Personal Communications Services (PCS) T: 1710–1785 MHz

R: 1805–1880 MHz US Paging 931–932 MHz Global Positioning System (GPS) L1: 1575.42 MHz

L2: 1227.60 MHz Direct Broadcast Satellite (DBS) 11.7–12.5 GHz Wireless Local Area Network (WLAN) 902–928 MHz

2.400–2.484 GHz 5.725–5.850 GHz

Local Multipoint Distribution Service (LMDS) 28 GHz US Industrial, Medical, and Scientific bands (ISM) 902–928 MHz

2.400–2.484 GHz 5.725–5.850 GHz

Tabla 2.3. Frecuencias utilizadas por los Sistemas Inalámbricos (T: Transmisión R: Recepción)

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En un principio los controles remotos de televisión usaban señales Ultrasónicas con una pobre inmunidad a interferencias así como baja tasa de transferencia de datos, esta tecnología fue descartada para futuras aplicaciones. Posteriormente las señales Infrarrojas facilitaron una tasa de transferencia de datos moderada con el inconveniente que la radiación puede ser fácilmente bloqueada limitando su aplicación a controles remoto y en laces de área personal (PAN). De forma similar la propagación de señales Ópticas en ambientes sin obstáculos pueden brindar tasas de transferencia de moderadas a altas, pero se requiere de un campo de vista libre y no se pueden utilizar en ambientes con polvo, neblina o algo que bloquee la señal. Por estas razones los sistemas inalámbricos modernos se basan en señales de RF o Microondas ya que ofrecen mayor ancho de banda.

2.3.1 Telefonía celular Creadas en la década de los 70s en respuesta a la necesidad de un servicio de radio móvil sin interferencias a un gran número de usuarios en zonas urbanas. El concepto de telefonía celular fue introducido por los Laboratorios Bell usando la estrategia de dividir en áreas geográficas hexagonales no traslapadas llamadas células; cada célula cuenta con su estación base (transmisor y receptor) para mantener la comunicación de los usuarios ubicados en esa célula (Figura 2.3). Si en todas las células se emplearan los mismos canales sería imposible distinguir a los usuarios de cada una de ellas y el nivel de las interferencias haría imposible la comunicación. Es por esto que las células adyacentes utilizan canales suficientemente separados en frecuencia para evitar interferencias, a esto le llamamos reutilización de frecuencias.

Figura 2.4. Reutilización de Frecuencias

Figura 2.3. División en células

21

Hasta 1996 todos los teléfonos celulares utilizaban el sistema AMPS (Advanced Mobile Phone System) basado en modulación análoga FM, la cual dividía la banda de frecuencia en varios cientos de canales, cada uno de estos canales soporta una conversación telefónica. Los nuevos estándares digitales remplazaron el sistema AMPS con la Segunda Generación Celular o PCS (Personal Communication System). Debido al rápido crecimiento en la demanda del servicio de telefonía celular, al igual que los avances de tecnología inalámbrica, se han propuesto estándares para la segunda generación a nivel mundial. Estos estándares emplean métodos de modulación digital que proveen un servicio mejor y más eficiente del espectro RF.

2.3.2 Sistemas satelitales para voz y datos Un satélite es un repetidor situado a cierta altura y que orbita alrededor de la Tierra, como repetidor, recibe la señal de una estación en Tierra, la regenera y procesa para después enviarla de vuelta a otra estación en Tierra. Debido a su altitud la zona de cobertura (huella) es extensa, su principio de funcionamiento es sencillo: La señal de entrada es amplificada y reenviada a una frecuencia diferente, esta función la realiza el transpondedor que consiste en un transceptor y una antena.

Figura 2.5. Red Satelital

La ventaja de los sistemas satelitales radica en proveer cobertura a usuarios inalámbricos en casi cualquier ubicación como océanos, desiertos, montañas y otras áreas en donde sería prácticamente imposible dar este servicio. Los satélites están situados en una determinada órbita de la Tierra, si la órbita es circular es utilizada para telecomunicaciones, en cambio, si se trata de una órbita elíptica se emplea para actividades de reconocimiento. Las orbitas descritas por los satélites pueden agruparse en dos categorías.

• Geoestacionarias GEO (Geosynchronous Earth Orbit) son orbitas circulares con un periodo igual al de rotación de la Tierra, situadas en el plano ecuatorial con una altitud cercana a los 36,000Km, estas características hace que parezcan estáticos a un observador situado en Tierra y por tanto recibir señales mediante antenas receptoras fijas. Teóricamente solo se necesitan unos cuantos satélites geosíncronos para dar cobertura global pero la altitud de las orbitas geosíncronas dificultan la comunicación con los dispositivos debido a la baja potencia en la señal recibida.

• No Geoestacionarias NGEO (Non GEO). Estas se dividen en dos.

22

o MEO (Medium Earth Orbit) situadas entre 10,000 y 20,000 Km de altura. Su huella es menor debido a la altitud y para tener una cobertura global se necesitan entre 8 y 12 satelites.

o LEO (Low Earth Orbit) con orbitas circulares, altura menor a los 2,000 Km y periodos orbitales entre los 90 y 120 minutos; con la aparición de constelaciones de satélites LEO se soluciona este problema y ofrecen anchos de banda ideales para aplicaciones en tiempo real como voz y videoconferencia.

2.3.3 Sistemas de posicionamiento global Este sistema utiliza 27 satélites MEO (24 operativos y 3 de respaldo) se encuentran en orbitas de 20,200 Km con periodos orbitales de 12 horas para brindar información certera de posición (latitud, longitud y elevación). Cada uno de estos satélites cuenta con reloj de precisión atómica, con esto, en cada instante de tiempo, se conoce con exactitud la ubicación de los satélites. Originalmente fue desarrollado como sistema NAVSTAR con fines militares con un costo cercano a los 12 billones de dólares. Los satélites, por su situación privilegiada, son capaces de cubrir grandes áreas de superficie, este hecho fue el que hizo pensar en su empleo para sistemas de navegación y posicionamiento. Para determinar la ubicación de un dispositivo GPS, basta con conocer su distancia a tres satélites geoestacionarios, también llamado triangulación, aunque, en realidad, se emplean cuatro por motivos de precisión y disponibilidad, obteniendo así, la ubicación con margen de error algunos metros.

Fig. 2.6. Funcionamiento de GPS

El cálculo se obtiene mediante la medición del retraso de la señal de propagación del equipo receptor y el satélite, para aumentar la precisión se utiliza una estación monitora, cuya posición es bien conocida, en ella se centraliza la determinación de los errores cometidos en la determinación de las distancias a los satélites, estas correcciones se envían a los receptores y a partir de ellas compensan los errores originales consiguiendo un aumento en la precisión. Actualmente operan los sistemas GPS, GLONASS y GALILEO en la tabla 2.4 se comparan las características de estos tres sistemas:

23

GPS GLONASS GALILEO País de Origen EUA

Departamento de Defensa Rusia Agencia Aeroespacial Rusa

Unión Europea Agencia Aeroespacial Europea

Número de Satélites 24 MEO ~24 MEO 30 MEO Radio de Orbita 20,350 Km 19,140Km 23,616 Km Periodo Orbital 11 h 56 min 11 h 15 min 14h 5 min Enlace Descendente L1 (1,559 – 1,602.5 MHz)

L2 (1,215 – 1,240 MHz) L3 (1,164 – 1,188 MHz)

G1 (1,602.5 – 1,615.5 MHz) G2 (1240 – 1260 MHz)

E5 (1,188 – 1,215 MHz) E6 (1,260 – 1,300 MHz) C1 (5,010 – 5,030 MHz)

Enlace Ascendente 1,300 – 1350 MHz 5,000 – 5,010 MHz

Precisión Usuarios Libres

100 m en horizontal 156 m en vertical 340 ns en tiempo

70 m en horizontal 57 – 70 m en vertical

5 – 30 m en distancia 100 ns en tiempo

Precisión Usuarios Profesionales

6 m en distancia 20 ns en tiempo

Precisión Usuarios Militares

22 m en horizontal 27.7 m en vertical 200ns en tiempo

10 – 20 m 4 m 20 ns en tiempo

Tabla 2.4. Características de los Sistemas GPS Los sistemas GPS pueden encontrarse en aeronaves, barcos, automóviles y dispositivos móviles, el avance de la tecnología ha conllevado a reducir el tamaño y costo de estos dispositivos.

2.4 Propagación de la señal La propagación de las señales RF es influida por ciertos factores como paredes, suelo, obstáculos varios y el ruido en el ambiente que tienden a reflejar la señal, esto dificulta el proceso de demodulación haciendo que las características del canal varíen dinámicamente con el tiempo. Estos factores dificultan el cálculo de un rango para el alcance máximo del área de cobertura. Visto de otra forma, una vez que la señal ha sido transmitida viaja por el aire hasta alcanzar al receptor, durante el viaje, la señal va perdiendo potencia debido a dos factores: 1) La propia propagación de la señal y 2) los obstáculos que se encuentran en su camino. Una de las características de las ondas electromagnéticas es su capacidad de atravesar ciertos materiales, esta penetración depende de la naturaleza del material, espesor, frecuencia y potencia de la señal, así como también se ven afectadas por los siguientes mecanismos básicos atenuándola y/o generando versiones retardadas de la señal original.

• Reflexión: Es producida cuando la onda propagada choca en cosas grandes, dichos objetos deben ser de varias longitudes de onda a la frecuencia de trabajo y de superficies planas. Las reflexiones en la atmosfera permiten que existan las comunicaciones, también tiene lugar en la superficie de la tierra, muros, edificios, etc.

• Difracción: Ocurre cuando la trayectoria entre el Tx y Rx es obstruida parcialmente por una superficie que tiene irregularidades. Cuando un obstáculo bloquea parte del frente de onda, se altera necesariamente la dirección de propagación del resto del frente y de la energía; este fenómeno hace que pueda existir señal útil aun detrás de obstáculos. La

24

frecuencia, amplitud, fase, polarización varían dependiendo de la onda incidente en el punto de difracción.

• Dispersión. Ocurre cuando el medio a través del cual viaja la onda consiste de objetos con dimensiones menores comparadas con la longitud de onda y donde el número de obstáculos por unidad de volumen es mayor. La dispersión es producida por superficies rugosas, pequeños objetos.

Figura 2.7. Fenómenos de Reflexión, Difracción y Dispersión

Debido a las limitaciones del receptor, existe un valor minino de la potencia recibida requerido por éste para demodular la señal llamado sensibilidad del receptor. La relación señal a ruido SNR (Signal to Noise Ratio) es la diferencia de potencia entre ambos niveles.

2.5 Modelos de propagación Los modelos de propagación son un conjunto de expresiones matemáticas, diagramas y algoritmos usados para representar las características de radio en un ambiente dado. Generalmente los modelos de predicción se pueden clasificar en empíricos y teóricos o una combinación de estos dos (semiempíricos). Mientras que los modelos empíricos se basan en mediciones, los modelos teóricos se basan en los principios fundamentales de los fenómenos de propagación de ondas de radio. Los modelos de propagación predicen la perdida por trayectoria que una señal de RF pueda tener entre una estación base y un receptor sea móvil o fijo. La ventaja de modelar radio canales teniendo en cuenta las características de la trayectoria entre Transmisor (Tx) y Receptor (Rx), es conocer la viabilidad de los proyectos y permite decidir cómo y en dónde debemos colorar los Access Point (AP) para generar las células de cobertura utilizando la misma frecuencia en un área común sin causar interferencia entre ellos; además de definir el umbral para conocer en qué momento una conexión dejara de ser útil o no permitirá un buen enlace entre el AP y el usuario. El desempeño de los modelos de propagación se mide por la veracidad de los resultados en comparación con medidas de campo reales. La mayoría de los modelos de propagación toman en cuenta transmisiones al aire libre, diferentes aplicaciones sobre diferentes terrenos, condiciones ambientales y algunos a situaciones especificas y no toman en cuenta la propagación en espacios interiores; es importante resaltar que ningún modelo puede satisfacer todas las situaciones ambientales, la mayoría de ellos predicen las perdidas por trayectoria promedio.

25

2.5.1 Modelo COST 231 de paredes múltiples Este modelo permite estimar la pérdida en la trayectoria, así como la perdida en el espacio libre, las perdidas introducidas por las paredes y pisos que tiene que atravesar la señal en la trayectoria directa entre Tx y Rx. El modelo está definido por la fórmula 2.5.

( )f

bnn

wiwicFS LnLKLLL *21

−+

+

+++= ∑

donde: LFS

L = Perdida en el espacio libre entre Tx y Rx

C

K = Constante de pérdida

wi

L = Numero de paredes penetradas tipo i

wi

L = Pérdidas en las paredes tipo i

f

n = Número de pisos penetrados = Pérdidas entre pisos adyacentes

b = Constante empírica Nota 1: LC

Nota 2: n = 4 para la mayoría de los ambientes. Cuando se desee realizar el cálculo para un ambiente muy difícil n puede ser igual a 3.

normalmente es igual a 37dB.

A continuación se presentan los valores típicos de las pérdidas contempladas en el modelo.

TIPO DE PERDIDA DESCRIPCIÓN VALOR (DB)

L Tipos de pisos para oficinas f Concreto reforzado Piso delgado < 30cm Mosaicos y/o azulejos

18.3

L Paredes Internas Delgadas w1 Plafon Paredes con muchas ventanas

3.4

L Paredes Internas Gruesas w2 Concreto y/o Ladrillo

6.9

Tabla 2.5. Valores típicos de pérdidas en modelo COST 231 de paredes múltiples Sustituyendo valores de la formula 2.5

( )( ) dBnRRL n

n

−++

++= 46.021

3.18)log(3037)(

donde: R = Distancia entre Tx y Rx en metros n = Cantidad de pisos en la trayectoria

cuando solo nos interesa calcular la propagación en una sola área interior sin paredes que la dividan la parte de penetración entre paredes y pisos puede eliminarse quedando como sigue:

(2.5)

(2.6)

26

dBRRL )log(3037)( +=

2.5.2 Modelo de propagación en espacio libre Este modelo puede ser utilizado en el diseño de WLANs en lugares donde no existen obstáculos, tales como áreas verdes, bibliotecas, salas de estar, etc. Se utiliza cuando entre el Tx y Rx hay una línea de vista clara, y por lo tanto la potencia recibida disminuye en función de la distancia entre Tx y Rx a medida de que aumenta la distancia disminuye la potencia. Este modelo esta dado por la ecuación de Friss (2.8):

( )( ) Ld

GGPdP rtt

r 22

2

4πλ

=

donde: Pr

P(d) = potencia recibida

t

d = separación entre Tx y Rx = potencia transmitida

At o Gt

A = ganancia de la antena Tx (cantidad adimensional)

r o Gr

L = factor de pérdidas no relacionado con la propagación (cuando L=1 significa que no hay pérdida en el sistema)

= ganancia de la antena Rx

λ = longitud de onda La perdida en la trayectoria representa la atenuación de la señal, medida en dB la ecuación 2. nos hace ver que la potencia de la señal es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre Tx y Rx. Se pueden mencionar otros parámetros como la ganancia de la antena, cuya ecuación está dada por:

2

4λπ eA

G =

la apertura efectiva de la antena Ae

λ está relacionada directamente con el tamaño de la antena y

que es la longitud de onda (formula 2.1). Las pérdidas por trayectoria en un sistema son regularmente expresadas en unidades de decibeles (dB), estas pérdidas pueden no incluir la ganancia de las antenas, lo cual provoca tener una ecuación más sencilla:

dBGGfddBL rtp 55.147log10log10log20log20)( −−−+=

cuando se excluyen las ganancias de las antenas, se toma una ganancia unitaria para el sistema con lo que la ecuación queda de la siguiente manera.

( )

⋅

−=

= 22

2

)4(log10log10

dPP

dBPr

tL λ

λ

(2.9)

(2.7)

(2.8)

(2.10)

(2.11)

27

Cuando la potencia recibida a una distancia (d0

dd

dPdP rr0

0 log20)()( +=

= distancia de referencia) es conocida, la siguiente ecuación puede usarse para encontrar la potencia a una distancia mucho mayor:

Esta ecuación puede convertirse para calcular la pérdida en la trayectoria:

00 log20)()(

dddPdP +=

La ecuación del modelo de Friss sólo es válida para predecir valores de la potencia recibida (Pr) para valores de distancia que se encuentran en la región de far-field de la antena transmisora, la región far-field o región de Fraunhofer se define como la distancia más lejana de la distancia df

la cual se relaciona con la dimensión mayor de la apertura numérica de la antena transmisora y con la longitud de onda de la señal portadora.

2.5.3 Modelo de pérdida en la trayectoria para interiores Existe una relación aparente entre los dos modelos antes mencionados. Ambos operan con un punto de referencia y tienen pérdida logarítmica desde el punto de referencia.

)log(3037)( log20)()(0

0 RRPdddPdP +=⇒+=

La perdida en la trayectoria para el punto de referencia es:

• El modelo de pérdida en el espacio libre 20log(R) donde R= distancia en metros, si d0

• El modelo de pérdida en la trayectoria para interiores. 30log(R) = 1 metro

donde R= distancia en metros, si d0

= 1 metro

(2.12)

(2.13)

(2.14)

28

Capitulo III Wireless LAN

3.1 Introducción a las WLAN Comenzaremos por definir las siglas WLAN que provienen del vocablo ingles y que tiene un significado de Wireless Local Area Network que en español se traduce como Redes de Área Local Inalámbricas. Estas redes en la actualidad proporcionan flexibilidad y movilidad al eliminar el uso de cables a diferencia de las redes de área local (LAN siglas en ingles). Es importante mencionar que las redes WLAN no sustituyen a las redes LAN mas allá de esto las WLAN son el complemento de las redes alambicas. Este tipo de redes ofrecen gran movilidad a los usuarios, ya que no es preciso estar en un mismo lugar sujeto a un cable sino que podemos desplazarnos con nuestro equipo en las áreas donde se disponga de una red inalámbrica, satisfaciendo así nuestras necesidades de conexión. Hoy en día las redes inalámbricas son tan populares en universidades, oficinas, lugares de dispersión, etc.

3.2 Definición de red inalámbrica Tal como su nombre lo indica, las redes inalámbricas son aquéllas que carecen de cables. Gracias a las ondas de radio, se lograron redes de computadoras de este tipo. Estas redes pueden ampliar una red ya existente y facilitar el acceso a usuarios que se encuentren en un lugar remoto, sin la necesidad de conectar sus computadoras con un cable; estos usuarios podrían acceder a la red de su empresa o a la computadora de su casa en forma inalámbrica, sin configuraciones adicionales. Las primeras redes inalámbricas conocidas fueron las infrarrojas, que trabajaba con frecuencias de radiación electromagnética más bajas que las actuales redes Wireless.

3.3 Organización IEEE Es la Abreviación de Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) fue formada en 1884 y es una organización compuesta de Ingenieros, científicos y estudiantes. El IEEE es mayormente conocido por desarrollar estándares para computadoras y la industria electrónica. Hoy en día, el IEEE es la organización técnica profesional más grande y prestigiada del mundo, sus actividades se extienden mucho más allá de lo que sus predecesores podrían haber previsto. Sigue siendo, sin embargo y justo como hace más de un siglo, el vocero principal de los más importantes y excitantes campos tecnológicos de su tiempo.

29

La IEEE es una organización no lucrativa que tiene más de 370,00 miembros a nivel mundial. Tiene 319 secciones en 10 áreas geográficas. Han definido más de 900 estándares y tienen 400 en desarrollo.

3.4 Estándar IEEE 802 El estándar IEEE 802 para redes de área local es ampliamente difundido y seguido. Como podemos observar en la tabla 3.1 el estándar IEEE 802 a su vez es un conjunto de estándares para redes.

ESTÁNDAR GRUPOS DE TRABAJO 802.0 Comité ejecutivo patrocinador, SEC

802.1 Interfaces de red de área local de alto nivel (high-level LAN interfaces)

802.2 Control lógico de enlace, LLC (Logical Link Control)

802.3 CSMA/CD (Ethernet)

802.4 Token bus

802.5 Token ring

802.6 MAN (Red de área metropolitana)

802.7 Emisión (Grupo técnico de recomendación)

802.8 Fibra óptica (Grupo técnico de recomendación)

802.9 Redes de área local isosíncronas

802.10 Seguridad de interoperación de redes de área local

802.11 Redes de área local inalámbrica

802.12 Prioridad de demanda

802.14 Red de cable de comunicaciones de banda ancha

802.15 Redes personales inalámbricas WPAN

802.16 Acceso inalámbrico de banda ancha BWA

Tabla 3.1. Estándares según la norma 802 para redes.

3.4.1 Las capas de IEEE 802 La norma IEEE 802 define exclusivamente los temas relacionados con las 2 primeras capas del sistema OSI: la capa física y la de enlace. Tomando en cuenta que la capa de enlace la divide en dos, por lo que el resultado son tres capas:

• PHY (Physical Layer, “Capa Física”). Es la capa que se ocupa de definir los métodos por los que se difunde la señal.

• MAC (Medium Accsess Control, “Control de acceso al medio”). Es el mecanismo encargado del control de acceso de cada estación al medio. Puede realizarse de forma distribuida cuando todas las estaciones cooperan para determinar cuál es y cuándo debe acceder a la red, para esto está un conjunto de protocolos. En el caso de Wi-Fi el medio físico es el espectro radioeléctrico.

30

• LLC (Logical Link Control, “Control del enlace lógico”). Esta capa es la encargada de transmitir tramas entre dos estaciones sin tener que pasar por ningún nodo intermedio, define cómo pueden acceder múltiples usuarios a la capa MAC e identificar todos los posibles accesos a ella. TCP/IP OSI

IEEE

Capa 4 TCP Transporte Capa 3 IP Red 802.1

Enlace de

Datos

Control de Enlace Lógico (LLC) 802.2

Control

802.3

de 802.4 Física

Acceso 802.6 (PHY)

Medio 802.9

(MAC) 802.11

Capa 2

Capa 1

Física

Figura 3.1. Comparativo del protocolo 802.X con las capas del modelo OSI.

3.5 Estándar 802.11 En 1997 la IEEE añadió un nuevo miembro a la familia 802 que se ocupa de definir las redes de área local inalámbricas. Este nuevo miembro es el 802.11 para WLAN. La primera norma 802.11 utilizaba infrarrojo como medio de transmisión y nunca tuvo una muy buena aceptación en el mercado. Posteriormente salieron otras dos normas 802.11 basadas en el uso de radiofrecuencia en la banda de 2.4 Ghz. Ambas se diferencian en el método de transmisión de radio utilizado. Una utiliza el sistema FHSS y la otra, el sistema DSSS. El mayor inconveniente de los sistemas inalámbricos definidos originalmente por 802.11 es que trabajan a velocidades de 1 y 2 Mbps. Esto, unido al alto coste inicial de los equipos, hizo que la tecnología inalámbrica no se desarrollara hasta 1999. En ese año aparecieron semiconductores de tecnología de radio de 2.4 Ghz mucho más baratos. Por otro lado, aparecieron tres nuevas versiones de la norma 802.11

CARACTERÍSTICAS Publicada 1997 Velocidad 1 y 2 Mbps Modulación FHSS y DSSS Banda de Frecuencia 2.4 Ghz

Tabla 3.2. Características principales del protocolo 802.11

3.6 Bandas de Frecuencias usadas en WLANs 3.6.1 2.4 GHz

31

La gama de frecuencias de 2,4-GHz es probablemente el más ampliamente utilizado en WLAN’s. Se utiliza por los estándares 802.11, 802.11b, 802.11g, y las normas de IEEE 802.11n. El rango de frecuencias de 2,4 GHz puede utilizarse en WLAN’s se subdivide en canales que van desde 2,4000 a 2,4835 GHz. En Estados Unidos se tienen 11 canales, cada canal tiene un ancho de 22 MHz. Unos canales se traslapan con los demás y causan interferencias. Por esta razón, los canales 1, 6, y 11 son los más comúnmente utilizados, ya que no se traslapan De hecho, muchos productos inalámbricos, están sujetos a seleccionar solo uno de los tres canales. En la figura X.X se muestran los 11 canales, incluyendo los traslapes Como se puede observar los canales 1, 6, y 11 no se traslapan.

Figura 3.2. Canales de transmisión del las WLAN’s

3.6.2 5 GHz La gama de 5 GHz es utilizado por el estándar 802.11a y el nueva norma 802.11n. En el estándar 802.11a, velocidad de transmisión de datos puede variar desde 6 Mbps a 54 Mbps. Dispositivos con 802.11a nose vieron en el mercado hasta el año 2001. El 5-GHz se subdivide en canales, 20-MHz de ancho cada uno. La gama de 5 Ghz cuenta con un total de 23 canales no traslapados. La frecuencia de 5-GHz utiliza la Multiplexión por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM por sus siglas en inglés Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

3.7 Clasificación del estándar 802.11

• IEEE 802.11b. Elevó la velocidad de transmisión a los 11Mbps. Por este motivo se le conoció también como 802.11 HR (High data Rate, “Alta Velocidad”).

CARACTERÍSTICAS

Publicada 1999 Velocidad 1, 2, 5.5 y 11 Mbps Modulación DSSS Banda de Frecuencia 2.4 Ghz Canal de operación 1, 6 y 11

Tabla 3.3. Características principales del protocolo 802.11b

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VELOCIDAD RANGO

(AMBIENTES CERRADOS) RANGO

(AIRE LIBRE)

11 Mbit/s 50 m 200 m

5,5 Mbit/s 75 m 300 m

2 Mbit/s 100 m 400 m

1 Mbit/s 150 m 500 m

Tabla 3.4. Velocidad vs. Distancia en 802.11b.

• IEEE 802.11a. Esta norma se diferencia de 802.11b en el hecho de que no utiliza la banda de los 2.4 Ghz, sino la de los 5Ghz y que utiliza una técnica de transmisión conocida como OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, “Multiplexación Ortogonal por división de frecuencia). La gran ventaja es que se consiguen velocidades de 54Mbps; llegándose a alcanzar los 72 y 108 Mbps con versiones propietarias de esta tecnología (por ejemplo, la de Netgear). El mayor inconveniente es que la teoría de semiconductores para 5 Ghz no está suficientemente desarrollada todavía.

CARACTERÍSTICAS

Publicada 1999 Velocidad 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps Modulación OFDM Banda de Frecuencia 5.0 Ghz Canal de operación Cada banda tiene 4 canales, y la

mitad 8 son usados con 52 subcanales cada canal

Tabla 3.5. Características principales del protocolo 802.11a

VELOCIDAD RANGO

54 Mbit/s 10 m

48 Mbit/s 17 m

36 Mbit/s 25 m

24 Mbit/s 30 m

12 Mbit/s 50 m

6 Mbit/s 70 m

Tabla 3.6. Velocidad vs. Distancia en 802.11a en ambientes cerrados.

33

• IEEE 802.11g. Esta norma surgió en el año 2001 con la idea de aumentar la velocidad sin renunciar a las ventajas de la banda de los 2.4Ghz. Esta norma permite transmitir datos a 54Mbps. En cualquier caso, existen versiones propietarias de esta tecnología que llegan a los 100Mbps (por ejemplo, la de USRobotics).

CARACTERÍSTICAS Publicada Junio 2003 Velocidad 1, 2, 5.5 y 11 Mbps con DSSS

6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps con OFDM

Modulación DSSS y OFDM Banda de Frecuencia 2.4 Ghz Canal de operación 1, 6 y 11

Tabla 3.7. Características principales del protocolo 802.11g

VELOCIDAD RANGO

(AMBIENTES CERRADOS)

RANGO (AIRE LIBRE)

54 Mbit/s 27 m 75 m

48 Mbit/s 29 m 100 m

36 Mbit/s 30 m 120 m

24 Mbit/s 42 m 140 m

18 Mbit/s 55 m 180 m

12 Mbit/s 64 m 250 m

9 Mbit/s 75 m 350 m

6 Mbit/s 90 m 400 m

Tabla 3.8. Velocidad vs. Distancia en 802.11g.

• IEEE 802.11n. En enero de 2004 el IEEE anunció la formación de un nuevo grupo de trabajo con el objetivo de desarrollar un nuevo estándar con el que alcanzar velocidades de transmisión más elevadas que las actuales (se ha llegado a hablar de hasta 540Mbps). No obstante, algunos fabricantes han sacado ya algunos productos basados en el primer boceto de 802.11n con la promesa de actualizar el firmware cuando salga la versión definitiva. La característica más destacable de 802.11n es que incorpora varias antenas para poder utilizar varios canales simultáneamente. Es lo que se conoce como MIMO (Multiple Input – Multiple Output, “Múltiple entrada – Múltiple salida”).

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ESTÁNDAR AÑO DESCRIPCIÓN

802.11 1997 Especificaciones de la capa física y MAC de las redes de área local inalámbricas (infrarrojo y radio 2.4Ghz)

802.11 a 1999 Especificaciones para redes inalámbricas de alta velocidad (54Mbps) en la banda de 5Ghz.

802.11 b 1999 Especificaciones de la capa física y MAC de las redes inalámbricas de área local de rango de velocidad de 5.5 a 11 Mbps(radio 2.4Ghz)

802.11 c 1998 Define las características que necesitan los puntos de acceso para actuar como puentes (Bridges)

802.11 d 2001 Adaptación a los requerimientos regionales (modo mundial) 802.11 e 2005 Calidad de servicio para aplicaciones de tiempo real (voz, video, etc.) 802.11 f 2000 Interoperatividad entre puntos de acceso de distintos fabricantes (Interaccess Point

Protocol, IAPP) para permitir la itinerancia 802.11 g 2003 Especificaciones para redes inalámbricas de alta velocidad (54Mbps) en la banda de

2.4Ghz 802.11 h 2003 Mejoras en la gestión del espectro (selección dinámica del canal y control de

potencia de transmisión) 802.11 i 2004 Mejoras para seguridad y autentificación 802.11 j 2004 802.11 a con canales adicionales por encima de 4.9Ghz (802.11 a en Japón) 802.11 k 2002 Intercambio de información de capacidad entre clientes y puntos de acceso 802.11 m 2003 Estándar propuesto para mantenimiento de redes inalámbricas 802.11 n 2006 Nueva generación para redes inalámbricas de alta velocidad (hasta 540Mbps

teóricos). Existen propuestas para 2, 4 y 5 Ghz. 802.11 p ¿2009? Acceso inalámbrico para el entorno de vehículos (coches, ambulancias, etc.)

Tabla 3.9. Estándares de 802.11 para redes inalámbricas.

3.8 La capa física de IEEE 802.11 Como hemos visto, la capa física se ocupa de definir los métodos por los que se difunde la señal. Para hacer esto, la capa física de IEEE 802.11 se divide en dos subcapas conocidas como PLCP (Physical Layer Convergence Procedure, “Procedimiento de convergencia de la capa física”) y PMD (Physical Medium Dependent, “Dependiente del medio físico”). PLCP se encarga de convertir los datos a un formato compatible con el medio físico, este formato es distinto si se trata de un medio físico de infrarrojo o de radio, mientras que PMD es el que se encarga de la difusión de la señal. Aunque las especificaciones originales de IEEE 802.11 contemplan la opción de utilizar infrarrojo como medio de transmisión, no obstante, nunca ha llegado a desarrollarse este sistema debido principalmente al corto alcance que ofrece y a que no es utilizable en el exterior debido a las interferencias producidas por agentes naturales como la lluvia y la niebla.

Figura 3.3. Normas de Capa Física 802.11

35

3.9 Sistemas de modulación inalámbrica La tecnología inalámbrica además de sus diferentes estándares de comunicación cuenta con algo que todos estos tienen en común: esto es, la forma en que ordenan las señales de datos que se envían. En lugares donde el número de habitantes es muy alto, podemos llegar a encontrar un gran número de aparatos inalámbricos que están enviando señales al mismo tiempo utilizando un grupo similar de frecuencias. Los dispositivos wireless usan diferentes tipos de estrategias para resolver este solapamiento de señales, de los cuales mencionaremos los más utilizados.

3.9.1 FHSS La técnica FHSS (Espectro Expandido por salto de frecuencia) consiste en dividir la banda de frecuencia en una serie de canales e ir transmitiendo la información saltando de un canal a otro de acuerdo con un patrón de salto (spreading code o hopping code) conocido tanto por el emisor como por el receptor. El tiempo máximo que se debe permanecer en cada frecuencia está regulado en 400mseg. El inconveniente de FHSS es que tiene la necesidad de sincronizar el emisor y el receptor en la frecuencia a utilizar en el momento. Este problema fue resuelto por los ingenieros de Sylvania Electronic Systems a finales de los años 50. El estándar IEEE 802 .11 definió en 1997 que cada canal de FHSS tuviera un ancho de banda de 1 MHz dentro de la banda de frecuencia de 2.4 GHz. El ancho de banda total disponible y, por tanto, el número total de canales disponibles varía de acuerdo con el marco regulatorio de cada país o área geográfica. En cualquier caso, siempre existen tres juegos de secuencia de saltos. La técnica FHSS reduce las interferencias porque, en el peor de los casos, la interferencia afectará exclusivamente a uno de los saltos de frecuencia, liberándose a continuación de la interferencia al saltar a otra frecuencia distinta. El resultado es que el número de bits erróneos es extremadamente bajo. Otra de las ventajas de FHSS es que permite que coexistan varias comunicaciones en la misma banda de frecuencias. Para ello, cada comunicación debe tener un patrón de saltos con distinta secuencia.

Figura 3.4. Corrección de errores FHSS.

36

A pesar de que el estándar original IEEE 802.11 incluía el sistema FHSS, no existe ninguna instalación real que utilice este sistema. La razón es que la velocidad máxima que se consigue con la técnica FHSS es de unos 3Mbps (aunque sólo está normalizada la velocidad de 1Mbps). No obstante, es posible que en un futuro se consigan velocidades superiores. Se hable de hasta 15Mbps.

3.9.2 DSSS La técnica DSSS (Espectro expandido de secuencia directa) se basa en sustituir cada bit de información por una secuencia de bits conocida como chip o código de chip (chipping code en ingles). Estos códigos de chip permiten a los receptores eliminar por filtrador las señales que no utilizan la misma secuencia de bits. Entre las señales que son eliminadas se encuentra el ruido y las interferencias. El código de chip permite al receptor identificar los datos como pertenecientes a un emisor determinado. El emisor genera el código de chip y sólo los receptores que conocen dicho código pueden descifrar los datos. Por tanto, en teoría, DSSS permite que varios sistemas puedan funcionar en paralelo; cada receptor filtrará exclusivamente los datos que se corresponden con su código de chip. Por otro lado, cuanto más largo es el código de chip, más resistente será el sistema a las interferencias y mayor número de sistemas podrá coexistir simultáneamente. La norma IEEE 802.11 especifica que la longitud minima del código de chip debe ser de 11.

Figura 3.5. Transmisión DSSS.

En la práctica la coexistencia de varios sistemas no se obtiene por el uso de varios códigos de chip, sino por el uso de distintas bandas de frecuencia. Un sistema DSSS de 11Mbps (IEEE 802.11b) necesita un ancho de banda de 22 MHz, siendo la distancia minima entre portadoras de 30 MHz. Como el ancho de banda disponible en la banda de 2.4Ghz (en el área regulada por la FCC) es de 83.5 MHz, sólo es posible la coexistencia de tres sistemas DSSS en el mismo lugar.

37

3.9.3 BPSK La principal diferencia entre BSPK y QSPK es la forma de onda en la misma frecuencia. Si las formas de onda de pico están al mismo tiempo, se dice que están en fase, o de 0 grados. Si las dos ondas de pico están en distintos momentos, se dice que están fuera de fase. Phase-Shift Keying (PSK) representa información por el cambio la fase de la señal. BPSK es el método más simple de PSK. En BPSK, se utilizan dos fases que están separadas por 180 grados. BPSK puede modular 1 bit por símbolo. Para simplificar esto, un cambio de fase de 180 grados es un 1, y un cambio de fase de 0 grados es 0.

Figura 3.6. Forma de onda.

3.9.4 QPSK En BPSK, en bajas tasas de transmisión se codifica 1 bit por símbolo. QPSK tiene la capacidad de codificar 2 bits por símbolo. Esta tasa de datos dobles está disponible en BPSK mientras se mantenga el mismo ancho de banda, en la velocidad de 2-Mbps

3.9.5 OFDM La OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, “Multiplexación ortogonal por división de frecuencia”) es la técnica de gestión de frecuencia utilizada por el IEEE 802.11a (año 1999) y 802.11g (año 2002). Esta técnica divide el ancho de banda en subcanales más pequeños que operan en paralelo. De esta forma se consigue llegar a velocidades de transmisión de hasta 54Mbp (100Mbps con soluciones propietarias). La técnica OFDM fue patentada por Bell Labs en 1996 y esta basada en un proceso matemático llamado FFT (Fast Fourier Transform, transformación rápida de Fourier). OFDM divide la frecuencia portadora en 52 subportadoras solapadas, 48 de estas subportadoras son utilizadas para transmitir datos y las otras cuatro para poder alinear la s frecuencias en el receptor. Este sistema consigue un uso muy eficiente del espectro radioeléctrico. OFDM puede transmitir datos a distintas velocidades, utilizando distintas técnicas de modulación en cada una de ellas. Las velocidades normalizadas que admite OFDM son 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps.

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Una de las ventajas de OFDM es que consigue una alta resistencia a las interferencias producidas por las ondas reflejadas en los objetos del entorno (eco o multipath). Estas ondas llegan al receptor con distinta amplitud y a distinto tiempo que la señal principal produciendo interferencias. Estas interferencias son un problema a velocidades superiores a 4Mbps; por este motivo, se utilizan técnicas (como OFDM) que mitiguen este efecto.

Figura 3.7. OFDM vs. transmisión por canal simple.

3.9.6 MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) MIMO es la tecnología utilizada en la nueva especificación 802.11n. Un dispositivo que utiliza la tecnología MIMO utiliza múltiples antenas para la recepción de señales (por lo general dos o tres), además de múltiples antenas para enviar señales. La tecnología MIMO puede ofrecer velocidades de datos superiores a 100 Mbps mediante la multiplexación de datos simultáneamente en un canal. En otras palabras, si desea que las tasas de datos sean superiores a 100 Mb/s, se envían múltiples flujos en más de un canal en régimen de servidumbre, y no uno sólo. Utilizando avanzados procesamiento de señales, los datos pueden ser recuperados después de haber sido enviados en dos o más corrientes. Con el uso de la tecnología MIMO, un punto de acceso (AP) puede comunicarse con un dispositivo no-MIMO y aún así ofrecer un 30 por ciento de aumento en el rendimiento de la norma 802.11a/b/g.

3.9.7 Comparación de esquemas de modulación inalámbrica Como podemos observar, DSSS es preferido sobre FHSS para WLAN 802.11b debido a la cantidad de datos que un canal puede enviar o recibir y OFDM es actualmente el esquema de modulación más popular.

VENTAJAS DESVENTAJAS FHSS • Potencial para mayor número de co-locaciones • Propenso a

interferencias DSSS • Tolerante a interferencias Velocidad y mayor

rendimiento (throughput) que FHSS N/A

OFDM • Alto rendimiento (throughput) • Soporta velocidades sobre 100 Mbps para WLAN

802.11a, • Soporta velocidades por encima de 54 Mbps

802.11g

N/A

Tabla 3.10. Comparación de esquemas de modulación inalámbrica.

39

3.10 Topologías de la red inalámbrica Las topologías inalámbricas se basan primordialmente en la forma en que se comunican los dispositivos y no en el medio de comunicación. Existen tres tipos de topologías los cuales se mencionan a continuación.

Figura 3.8. Descripción de las topologías de redes inalámbricas.

3.10.1 WPAN Las redes inalámbricas de área personal WPAN por sus siglas en ingles Wireless Personal Area Network son redes que comúnmente cubren distancias del orden de los 10 metros como máximo, normalmente utilizadas para conectar varios dispositivos portátiles personales. Esta comunicación de dispositivos peer-to-peer normalmente no requiere de altos índices de transmisión de datos. Una conexión echa a través de una WPAN involucra muy poca o nula infraestructura. El tipo de ámbito y los relativos bajos índices de datos tienes como resultado un bajo consumo de energía haciéndola adecuada para el uso con dispositivos móviles pequeños como cámaras digitales, PDAs, teléfonos celulares, impresoras.

3.10.2 WLAN Redes inalámbricas de área local WLAN (Wireless Local Area Network) cubren distancias entre 10 y 100 metros con una menor potencia de transmisión que a menudo permite el uso de bandas de frecuencia sin licencia. Tienen índices de transmisión de hasta 11 Mbps y una plataforma más robusta.

3.10.3 WMAN Las redes inalámbricas de área metropolitana, WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) también se conocen como bucle local inalámbrico (WLL, Wireless Local Loop). Las WMAN se basan en el estándar IEEE 802.16. Los bucles locales inalámbricos ofrecen una velocidad total efectiva de

WMAN Ciudades y más

WMAN Una comunidad

WLAN <100m

WPAN <5-10m

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1 a 10 Mbps, con un alcance de 4 a 10 kilómetros, algo muy útil para compañías de telecomunicaciones. La mejor red inalámbrica de área metropolitana es WiMAX, que puede alcanzar una velocidad aproximada de 70 Mbps en un radio de varios kilómetros.

3.10.4 WWAN Las redes inalámbricas de área extensa, WWAN (Wireless Wide Area Network) tienen el alcance más amplio de todas las redes inalámbricas. Por esta razón, todos los teléfonos móviles están conectados a una red inalámbrica de área extensa. Las tecnologías principales son:

• GSM. Global System for Mobile Communication. • GPRS. General Packet Radio Service. • UMTS. Universal Mobile Telecommunication System.

3.11 Topologías de 802.11 Cabe mencionar que la topología definida por el estándar 802.11 establece tres modelos:

• Modo Ad-hoc • Modo Infraestructura • Modo Mesh

3.11.1 Topología ad-hoc En esta topología cada dispositivo se puede comunicar con todos los demás. Cada nodo forma parte de una red peer to peer o de igual a igual, para lo cual sólo se necesita el disponer de un SSID igual para todos los nodos y no sobrepasar un número razonable de dispositivos que saturen la red. A más dispersión geográfica de cada nodo más dispositivos pueden formar parte de la red, aunque algunos no lleguen a verse entre si.

Figura 3.9. Topología Ad Hoc.

41

3.11.2 Topología en infraestructura (AP) La topología infraestructura se basa en un nodo central (Punto de Acceso WiFi) que sirve de enlace para todos los demás (Tarjetas de Red WiFi). Este nodo sirve para encaminar las tramas hacia una red convencional o hacia otras redes distintas. Para poder establecerse la comunicación, todos los nodos deben estar dentro de la zona de cobertura del AP. Todos los dispositivos, independientemente de que sean Tx o APs tienen dos modos de funcionamiento. Tomemos el modo Infraestructura como ejemplo:

• Modo Manager. Es el modo en el que el Tx se conecta al AP para que éste último le sirva de concentrador.

• Modo Master. Este modo es el modo en el que trabaja el AP, pero en el que también pueden entrar los Tx si se dispone del firmware apropiado o de un ordenador que sea capaz de realizar la funcionalidad requerida.

Figura 3.10. Topología en infraestructura (AP).

3.11.3 Topología mesh Las redes Mesh o redes acopladas son aquellas redes en las que se mezclan las dos topologías de las redes inalámbricas. Básicamente son redes con topología de infraestructura, pero que permiten unirse a la red a dispositivos que a pesar de estar fuera del rango de cobertura de los APs están dentro del rango de cobertura de algún Tx que directamente o indirectamente está dentro del rango de cobertura del AP. También permiten que los Tx se comuniquen independientemente del AP entre sí. Esto quiere decir que los dispositivos que actúan como Tx pueden no mandar directamente sus paquetes al AP sino que pueden enviarlos a otros Tx para que lleguen a su destino.

Figura 3.11. Topología Mesh.

42

Para que esto sea posible es necesario el contar con un protocolo de enrutamiento que permita transmitir la información hasta su destino con el mínimo número de saltos o con un número que aún no siendo el mínimo sea suficientemente bueno. Es tolerante a fallos, pues la caída de un solo nodo no implica la caída de toda la red. Este tipo de topología no se usaba debido a la excesiva cantidad de cable necesario para establecer la conexión entre todos los nodos, además que era imposible de instalar y de mantener por parte de los usuarios. Hoy en día con la aparición de las redes wireless este problema desaparece y nos permite disfrutar de sus grandes beneficios.

3.12 Dispositivos inalámbricos de red. Todas las redes inalámbricas ya sean WiFi o de otro tipo funcionan de una manera similar: tienen una estación base (AP) que coordinan las comunicaciones y unas tarjetas de red que se instalan en los ordenadores y que les permiten formar parte de la red. Existen antenas que permiten aumentar el alcance de los equipos WiFi, así como software especializado que permite facilitar la labor de gestión y mantenimiento de una red inalámbrica. A continuación se describen las características más importantes de los distintos componentes de una red inalámbrica como son los routers, puntos de acceso, para la emisión de la señal Wi-Fi y las tarjetas receptoras para conectar a la computadora personal, ya sean internas (tarjetas PCI) o bien USB.

3.12.1 Puntos de acceso El AP es el centro de las comunicaciones de la mayoría de las redes inalámbricas. El AP no sólo es el medio de intercomunicación de todos los terminales inalámbricos, sino que es el puente de interconexión con la red fija e Internet. Sus funciones más importantes son:

• Ampliar la distancia inalámbrica entre los dispositivos móviles (cliente) y el receptor de señal o punto de Acceso.

• Si el router de a red no es WLAN, el Punto de Acceso suple dicha función. • Es un buen gestor de tráfico de la red inalámbrica entre los terminales inalámbricos más

próximos al Punto de Acceso. • Pueden gestionar y controlar simultáneamente muchos ordenadores Cliente a la vez,

depende de la capacidad del dispositivo. Existen dos tipos de puntos de acceso los puntos de acceso robustos y los puntos de acceso básicos.

43

3.12.1.1 Puntos de acceso robustos Los puntos de acceso robustos tienen la capacidad de crear redes corporativas de tamaño medio o grande. Estos suelen ser los mas caros, pero incluyen mejores características, como son mejoras en la seguridad y una mas perfecta integración con el resto del equipo. Características de Puntos de Acceso Robustos:

• Son bastante inteligentes e incorporan funciones adicionales de gestión y seguridad. • Son más costosos. • Son más complicados de gestionar. • Sobrecargan el tráfico. • En algunos casos tienen slots libres para futuras actualizaciones.

3.12.1.2 Puntos de acceso básico Los puntos de acceso básico son dirigidos a cubrir las necesidades de los usuarios de pequeñas oficinas o del hogar. Estos ofrecen exactamente los mismos servicios que los anteriores, con la misma cobertura y las mismas velocidades, pero ofrecen unas posibilidades de configuración y gestión más limitadas. Características de Puntos de Acceso Básicos:

• Más económicos. • Más sencillos de gestionar y configurar. • Es más fácil compatibilizarlos con otras marcas.

En general los AP son dispositivos pequeños de los que sobresalen una o dos antenas. Aunque la estética exterior del dispositivo pueda parecer un hecho sin importancia, en las redes para el hogar puede ser un punto a valorar.

Figura 3.12. Puntos de Acceso (APs).

3.12.2 Adaptadores inalámbricos de red Los adaptadores de red son las tarjetas o dispositivos que se conectan a los ordenadores para que puedan funcionar dentro de una red inalámbrica, estos reciben también el nombre de tarjetas de red o interfaces de red (NIC).

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Los adaptadores de red son estaciones de radio que se encargan de comunicarse con otros adaptadores (ad hoc) o con un punto de acceso (modo infraestructura) para mantener el ordenador al que están conectados dentro de la red inalámbrica. Actualmente los adaptadores de red suelen ser de alguno de los siguientes tipos.

3.12.2.1 Tarjetas PCMCIA Estas tarjetas tienen un tamaño similar al de una tarjeta de crédito, estas se instalan en los puertos PCMCIA de tipo II que incorporan la mayoría de los ordenadores portátiles.

3.12.2.2 Tarjetas PCI o ISA Los ordenadores de sobremesa no suelen disponer de ranuras PCMCIA. De lo que si disponen es de ranuras PCI o ISA donde se pueden instalar todo tipo de tarjetas de periféricos, entre las que están las tarjetas WiFi.

3.12.2.3 Unidades USB Se trata de unidades inalámbricas que se conectan al ordenador (portátil o sobremesa) mediante un puerto USB. Estas unidades son validas para todo tipo de ordenador.

Figura 3.13. Adaptador PCMCIA, PCI, USB.

3.12.3 Wireless bridge Un bridge (puente) es un dispositivo que interconecta dos redes. Una vez interconectadas, los equipos de una red pueden ver y comunicarse con los equipos de la otra como si todos formaran parte de la misma red. La mayoría de los puntos de acceso hacen las funciones de bridge al poder interconectar una red cableada con la red inalámbrica. Pero el bridge inalámbrico (wireless bridge) es algo distinto a un punto de acceso, ya que un bridge inalámbrico interconecta dos redes (cableadas o no) mediante una conexión inalámbrica punto a punto. Una solución inalámbrica de este tipo requiere de dos equipos, uno en cada extremo. En cualquier caso este equipo puede ser utilizado para extender el área de cobertura de una red inalámbrica,

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sobre todo cuando no se dispone de una visibilidad directa para poder utilizar antenas externas direccionales.

3.13 Cálculo de usuarios por access point La siguiente es una fórmula utilizada para calcular la cantidad de usuarios que pueden conectarse a un punto de acceso inalámbrico, en función del ancho de banda requerido. A medida que se conecten más usuarios al AP, el ancho de banda se repartirá entre todos y si el ancho de banda disponible para cada uno disminuye demasiado, la conexión será de muy baja calidad.

estimada Velocidadn)utilizació (% usuarios) (# banda) de (Ancho

Fórmula 3.1. Calculo de usuarios por AP.

Ejemplo de Cálculo en una Red Wifi 802.11b / 802.11g:

• Ancho de Banda que se desea para cada usuario: 1 Mbps • Número de usuarios : 100 • Utilización promedio de la red: 25% • Velocidad estimada: 5.5 Mbps

Cálculo: [1Mbps x 100 usuarios x 0.25] / [5.5 Mbps] = 4.5 Access Points

o sea que para estos requerimientos harían falta 5 Access Points.

3.14 El nacimiento de Wi-Fi El problema principal que pretende resolver la normalización es la compatibilidad. No obstante, como hemos visto, existen distintos estándares que definen diversos tipos de redes inalámbricas. Esta variedad produce confusión en el mercado y descoordinación en los fabricantes. Para resolver este problema, los principales vendedores de soluciones inalámbricas (3Com, Aironet, Intersil, Lucent Technologies, Nokia y Symbol Technologies) crearon una asociación conocida como Wi-Fi Alliance anteriormente WECA (Alianza de compatibilidad Ethernet inalámbrica). El objetivo de esta asociación fue crear una marca que permitiese fomentar más fácilmente la tecnología inalámbrica y asegurase la compatibilidad de equipos.

Figura 3.14. Logotipo Wi-Fi.

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CARACTERÍSTICAS 802.11a 802.11b 802.11g

Año de publicación 1999 1999 2003

Banda de frecuencia 5ghz 2.4ghz 2.4ghz

Modulación OFDM DSSS DSSS y OFDM

Velocidad máxima 54Mbps 11Mbps 54Mbps

Velocidad típica 18Mbps 6Mbps 12Mbps

Rango de velocidades (Mbps)

54, 48, 36, 24, 18, 12, 9 y 6 11,5,5,2 y 1 54, 48, 36, 24, 18, 12, 11, 9, 6, 5.5, 2 y 1

Numero de canales sin sobreposición

8 3 3

Ancho de banda en un área 432Mpbs (8 x 54) 33Mbps (3 x 11) 162Mbps (3 x 54)

Usuarios en un área 512 192 192 A destacar Alta velocidad y numero

de usuarios Buen alcance y consumo

de potencia Compatibilidad con

802.11b y más alcance que 11a

Tabla 3.11. Características de los estándares Wi-Fi.

De esta forma, desde abril de 2000, WECA certifica la interoperatividad de equipos según la norma IEEE 802.11b bajo la marca Wi.Fi (Wireless Fidelity, “Fidelidad inalámbrica”). Esto quiere decir que el usuario tiene la garantía de que todos los equipos que tenga el sello Wi-Fi pueden trabajar juntos sin problemas independientemente del fabricante de cada uno de ellos. Los miembros de la asociación WECA a principios del año 2006 eran 260. Se puede conseguir un listado completo de equipos que tienen la certificación Wi-Fi en: http://certifications.wi-fi.org/wbcs_certified_products.php?lang=en Como la norma 802.11b ofrece una velocidad máxima de transferencia de 11Mbps y ya existen estándares que permiten velocidades superiores, WECA no se a querido quedar atrás. Por este motivo, WECA anunció que empezaría a certificar también los equipos IEEE 802.11a de la banda de 5 Ghz mediante la marca Wi-Fi5.

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Capítulo IV Propuesta de Análisis y Diseño de la Red

Inalámbrica para la Dirección de Cómputo y Comunicaciones

En este capítulo estudiaremos la propuesta de análisis y diseño para la red inalámbrica de la Dirección de Cómputo y Comunicaciones (DCyC) también conocida como Dirección de Informática; presentaremos la estructura física del edificio, así como la posible ubicación de los AP’s y sus características para dar cobertura en los principales lugares de uso. También veremos el equipo de conexión de red con el que cuenta la DCyC.

4.1 Análisis de necesidades La DCyC al ser una dirección que cuenta con la visita de alumnos, proveedores y demás personas, tiene la necesidad de dar servicio de Internet a dichas personas, al mismo tiempo a su personal ya sea docente o administrativo; muchas de estas solicitudes son para equipos móviles. Es posible integrar cierta cantidad de nodos alámbricos a la red interna de la Dirección pero es claro que no seria suficiente puesto que no se cuenta con equipo de computo suficiente además no siempre es la misma cantidad de posibles usuarios de la red inalámbrica y teniendo en cuenta que cada usuario cuenta con su propio equipo se descarta la posibilidad de nuevos nodos. Aunado a esto la solución más óptima es implementar una red inalámbrica que cumpla con las necesidades de cada usuario mediante la creación de perfiles y permisos y así proveer de movilidad y satisfacción al usuario final. Por el momento se ha decidido colocar por lo menos tres Access Points para dar cobertura suficiente al edificio.

4.2 Estado actual El edificio de la DCyC cuenta con planta baja y un piso, pero la planta baja es el lugar más concurrido por los usuarios para la red inalámbrica puesto que en esta planta se encuentra el auditorio, el lobby y el SITE de telecomunicaciones, es por esto que dos de los Access Points estarán colocados en esta planta. (Ver anexo 3) Según el encargado del departamento de Conectividad se tiene un estimado de 30 usuarios en días normales y en días saturados aumentar a 45.

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4.2.1 Distribución de planta de la DCyC El edificio cuenta con planta baja y primer piso.

• Planta Baja. Tiene un área de 512.7m2

donde están ubicados los departamentos de Telefonía, Conectividad, Cableado Estructurado, SITE de Cómputo, Área de Soporte Técnico, SITE de Telecomunicaciones; en este site es donde mayor visitas y proveedores hay, Video Conferencia, Aulas de Computo, Auditorio; donde el número de usuarios de la red inalámbrica será de 15 a 20.

Actualmente esta planta cuenta con 100 nodos, para mayor detalle ver anexo 1.

• Primer Piso. Tiene un área de 65.5m2

: están ubicados los departamentos de Directorio Activo, Seguridad Informática, Cómputo, Dirección General, sala de juntas donde también se recibe a visitantes y proveedores que necesitan acceso a Internet, también se encuentra el IDF.

Esta planta cuenta con 74 nodos alámbricos. Ver anexo 2.

4.2.2 Descripción de la estructura de los pisos y paredes del edificio

• Planta Baja. Los departamentos en su mayoría están separados por paredes de vidrio y mamparas, con piso falso y el mobiliario habitual de una oficina (escritorios, sillas, gavetas, computadoras etc.) Es por esto que calificamos el área con un bajo índice de pérdida de señal.

• Auditorio. Está alfombrado, sus paredes son de concreto, una revestida de madera y tres

tapizadas con tela, también cuenta con butacas y 20 computadoras conectadas alámbricamente.

• Looby. El piso del lobby es de mármol y está libre de obstáculos.

• Aulas de cómputo. Las aulas de cómputo tienen paredes de vidrio y una división de muro

corredizo, piso falso, escritorios y equipo de cómputo.

• Primer Piso. En el primer piso los departamentos están divididos por mamparas y puertas de vidrio, con piso falso, techo de concreto y techo falso.

4.3 Modelo de propagación teórico Como se menciono en el Capítulo II, existen múltiples modelos de propagación teóricos los cuales están diseñados para predecir aproximadamente la perdida por trayectoria de una señal RF siempre y cuando se cumplan las condiciones necesarias planteadas por el modelo. Es importante recordar que la mayoría contempla escenarios con condiciones ideales. El Modelo Pérdida en la Trayectoria para Interiores el cual planteamos para nuestra aplicación relaciona el modelo COST

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231 de paredes múltiples y el modelo de propagación en espacio libre, ambos operan con un punto de referencia y tiene perdida logarítmica desde el punto de referencia. La fórmula 2.12 describe el modelo de propagación que utilizamos

)log(3037)( log20)()(0

0 RRPdddPdP +=⇒+=

Quedando de la siguiente forma:

)log(30)( RRP = Se considero hacer las medidas a las distancias de 1, 3, 5, 10, 15 y 20 metros del AP que se ubicara cerca del vestíbulo (ver anexo 1). A continuación se muestran los valores obtenidos con el modelo teórico de perdida en la trayectoria para interiores.

METROS FORMULA DEL MODELO DE PROPAGACIÓN

TEÓRICO )log(30)( RRP =

1 0 dB

3 –14.313 dB

5 –20.969 dB

10 –30 dB

15 –35.282 dB

20 –39.030 dB Tabla 4.1. Valores obtenidos por el modelo teórico

4.4 Mediciones con software (valores empíricos) En esta sección analizamos la perdida por trayectoria de los Access Point’s con un software libre llamado WirelessMon que instalamos en un equipo portátil. Consideramos hacer las mediciones a 1, 3, 5, 10, 15 y 20 metros de distancia (ver anexo 3) tal y como se hizo en el modelo teórico para poder hacer las comparaciones entre ambos modelos. Se decidió utilizar este software ya que:

• Muestra información básica como el SSID, MAC address, velocidad en Mbps, frecuencia, canal y tipo de modulación de los AP’s.

• Permite el monitoreo del estado de los AP’s en tiempo real. • Verifica si la configuración de la red es correcta. • Prueba si el hardware y los drivers funcionan correctamente. • Despliega gráficamente los niveles de las señales inalámbricas disponibles. • Localiza fuentes de interferencia en la red. • Verifica la configuración de seguridad de los AP’s. • Mide la velocidad de la red y el througput

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4.4.1 Descripción de pantalla del software utilizado El software Wirelessmon que utilizamos consta de una pantalla principal la cual se describe en el anexo 5.

1. Network Card – Lista de los adaptadores de red instalados en el equipo donde se está ejecutando Wirelessmon.

2. SSID – (Service Set IDentifier) ID del Access Point, también conocido como nombre de la red que identifica una red en particular.

3. MAC Address – Identificador único de expresado en forma hexadecimal del Access Point al cual estamos conectados.

4. Strength – Fuerza de la señal del Access Point al que estamos conectados. Para este campo se muestran dos valores, el primero utiliza el valor logarítmico dB y el otro el porcentaje %. Mientras mas positivo sea el valor, mejor será la señal recibida.

5. Speed (Mbits) – Muestra la velocidad en Mbits/segundo del AP conectado. Esta velocidad puede variar para redes inalámbricas dependiendo de la fuerza de señal de la conexión.

6. Auth Type – Despliega la información del tipo de protocolo de autenticación utilizado. 7. Frag Threshold – Cuando un frame unicast excede este umbral será rechazado. 8. RTS Treshold – (Request to Send) Cualquier dato unicast o frame de administración

mayor a este valor será transmitido usando el intercambio RTS/CTS 9. Frequency – Frecuencia de operación actual de la conexión inalámbrica. 10. Signal Strenght – La grafica en medio de la ventana principal muestra la fuerza de la

señal recibida al AP conectado en tiempo real. El color verde representa una mejor señal mientras que un color rojo una señal deficiente.

11. Channel Use – Esta es una grafica acumulativa que despliega el uso de cada canal detectado en el AP. Si se coloca el mouse sobre alguna de las barras se mostrará el número de dispositivos que usan ese canal. Al dar clic en los botones A o B/G mostrara el uso de los canales para cada una de estas tecnologías.

12. Status – Indica si el AP está disponible en ese momento. Un AP puede quedar como no disponible si nos encontramos fuera del rango o la fuerza de la señal es muy débil. Veremos un icono azul indicando que estamos conectados a ese AP, un icono verde indicando que está disponible y por último un icono rojo para los APs no disponibles.

13. Channel – Canal operativo entre el adaptador de red y el AP. Para la norma IEEE 802.11a representa un ancho de banda de 20 MHz, mientras que para la norma IEEE 802.11b un ancho de banda de 22 MHz.

14. Security – Indica el tipo de mecanismo de encriptación utilizado por el AP (WEP/WPA/WPA2). Cuando este en uso un mecanismo de encriptación se mostrará un un icono con un candado cerrado.

15. Network Type – Indica el tipo de capa física utilizada por el AP, los cuales pueden ser FH PHY, DS PHY, HR/DSSS PHY, OFDM5 PHY, OFDM24 PHY; estos son diferentes técnicas de modulación usados en el espectro de señal de transmisión.

16. Infraestructure – Tipo de red operado por el AP, las opciones son el modo infraestrcutura y ad-hoc.

51

4.4.2 Valores obtenidos con el software Se realizaron mediciones desde el Access Point1 (AP1) a un metro de distancia (Punto de referencia R1) (ver anexo 3) de forma empírica con el software antes mencionado, se obtuvieron -14 dB de señal equivalente a 95%; esto es debido a las ganancias de las antena, tanto del Tx y Rx, y la interferencia presente generada por la gran cantidad de equipo de cómputo y ondas de radio las cuales pueden contaminar el canal utilizado en ese momento. El anexo 6 muestra la pantalla del software con los valores obtenidos de ganancia de la señal recibida a un metro del AP1. Se realizo el mismo procedimiento de medición en esta ocasión a tres metros de distancia (R2) del AP1, obteniendo -25 dB de señal equivalente al 81%. En el anexo 7 se puede observar los valores obtenidos a 3 metros del AP1. Se continúo con las mediciones a cinco metros (R3) del AP1 obteniendo así -34 dB equivalente al 70% de la señal debido a la propagación de la misma y los diferentes obstáculos entre ellos divisiones de vidrio. En el anexo 8 se puede notar como la señal comienza a degradarse, basta con ver el cambio de color a amarillo en la grafica de la fuerza de la señal recibida. La ganancia en la señal se interrumpe por vidrios y columnas de concreto a diez metros de distancia (R4) del AP1 obteniendo así –48 dB equivalente al 52% en el anexo 9 los colores de la grafica de la fuerza de señal cambian a naranja y aunque la señal disminuyo considerablemente la velocidad de acceso a internet es aceptable pudiendo establecer streaming de video con fluidez. Por cuestiones de calidad del servicio consideramos que a partir de los quince metros (R5) la señal recibida es pobre -55 dB equivalente al 43% como lo muestra el anexo 10, y por lo tanto la velocidad de transmisión/recepción se ve afectada, lo que para un usuario final se traduce en “una red lenta o internet lento” ya que para él las cuestiones técnicas deben ser transparentes. Para poder justificar la instalación de otro AP es necesario hacer la medición a veinte metros (R6) de distancia, garantizando así una señal aceptable para la conexión y mayor número de usuarios conectados, por último el anexo 11 muestra los resultados obtenidos a esta distancia, nótese el color rojo en la grafica de la fuerza de la señal recibida; –70 dB equivalente al 25% de la señal original. La tabla 4.2 muestra en resumen los valores obtenidos con el software.

METROS PUNTO DE REFERENCIA

SEÑAL dB

SEÑAL %

1 R1 -14 dB 95% 3 R2 -25 dB 81% 5 R3 -34 dB 70%

10 R4 -48 dB 52% 15 R5 -55 dB 43% 20 R6 -70 dB 25%

Tabla 4.2. Valores obtenidos por el método empírico.

En la tabla 4.3 observamos la comparación entre el modelo teórico y el empírico, fue necesario hacer un ajuste ya que el punto de referencia presenta una perdida inicial de –14dB. Para ajustar los valores fue necesario introducir un ajuste de 14 dB ya que desde el punto de referencia de un

52

metro (R1) existe una pérdida de señal propia de la propagación de la misma señal y las señales RF existentes en el ambiente. Adicional, se tiene un valor empírico con ajuste que se obtiene sumando el valor empírico obtenido por el software y el valor de ajuste. Por último, para comparar los modelos teórico y empírico simplemente se hace una diferencia entre el valor teórico y el valor empírico con ajuste.

METROS

FORMULA DEL MODELO DE

PROPAGACIÓN TEÓRICO

(A)

MODELO EMPÍRICO

(B)

AJUSTE (C)

VALORES EMPÍRICOS CON AJUSTE

(D) D = B+C

DIFERENCIA ENTRE LOS MODELOS

(E) E = A - D

1 0 dB -14 dB 14 dB 0 dB 0 dB

3 -14.314 dB -25.000 dB 14 dB -11 dB -3.314 dB

5 -20.969 dB -34.000 dB 14 dB -20 dB -0.969 dB

10 -30.000 dB -48.000 dB 14 dB -34 dB -4.000 dB

15 -35.283 dB -55.000 dB 14 dB -41 dB 5.717 dB

20 -39.031 dB -70.000 dB 14 dB -56 dB 16.969 dB Tabla 4.3. Comparación de valores obtenidos por los modelos teórico y empírico

4.5 Obstáculos o barreras de transmisión Los obstáculos más significativos de cada piso de la Dirección son las paredes de vidrio y el mobiliario puesto que la mayoría de los departamentos están divididos con este material. Las columnas se consideran un obstáculo aunque en menor medida para una propagación ideal de la señal, tomando en cuenta la interferencia generada por los equipos de cómputo. Como excepción tenemos el auditorio ya que las paredes son más gruesas para evitar ruidos en su interior, por esta razón se colocara un Access Point exclusivo para cubrir esta área.

4.6 Diseño de la red inalámbrica Como ya vimos anteriormente la DCyC es un edifico que cuenta con dos pisos (PB y 1er nivel) que albergan todos los departamentos operativos y administrativos así como auditorio y aulas de computo. El Jefe del departamento de Conectividad nos proporciono la información y equipo necesario para esta propuesta.

4.6.1 Ubicación de APs Con base en nuestro método de propagación lógico y físico determinamos que el primer Access Point estará colocado en el techo de la segunda puerta que es el acceso principal a los departamentos del edifico. Ver anexo 3 el AP1 en color naranja. El segundo AP (AP2) estará en el techo del auditorio, ya que se nos hizo hincapié en una cobertura óptima puesto que este es el lugar más demandante de red inalámbrica. Ver anexo 3.

53

El tercer Access Point se ubicara en el techo del primer piso entre la sala de juntas y la dirección general. Ver anexo 4.

4.7 Medición de la capacidad para cada usuario Como parte de este diseño creemos necesario informar la capacidad de salida que se puede proporcionar a cada usuario. El número de usuarios simultáneos que puede soportar un AP depende de la cantidad de tráfico de datos en un momento dado. Hay que tomar en cuenta que el ancho de banda es compartido entre los usuarios. Para estimar la capacidad de salida para los usuarios podemos utilizar la formula:

UsuariosAC b

u =

Donde: Cu

A =Capacidad de salida para cada usuario

b

11Mbps =Ancho de banda de la red, para las WLAN basadas en el estándar 802.11b es de

Usuarios = Cantidad de usuarios que soportara un AP Para nuestro caso asumimos que cada AP dará servicio a 20 usuarios como máximo, independientemente de la cantidad de usuarios que el AP soporta. Esto quedara así:

usuariosMbpsCu 20

11=

KbpsCu 550=

Por lo anterior podemos decir que en teoría cada uno de los 20 posibles usuarios tendrá una capacidad de salida de 550Kbps al mismo tiempo. No podemos olvidar que en la medida que se conecten o desconecten usuarios de la red este valor podrá disminuir o aumentar en igual proporción. La planeación de la capacidad de salida siempre ira en razón al ancho de banda según el protocolo de 802.11.

4.8 Análisis del equipo disponible El equipo con el que se cuenta es suficiente para cumplir con la principal necesidad que es, la cobertura de red inalámbrica. La DCyC nos proporciono el equipo necesario para implementar el sistema Mobilty de Enterasys. Algunas de las claves por las cuales se compró este equipo son:

54

• Mobility brinda a cada usuario una identidad persistente que se puede administrar y dar seguimiento sin importar la ubicación dentro de la cobertura de la red inalámbrica.

• Acceso controlado de acuerdo a la hora del día y/o día de la semana. • Distribución de firmware a los APs ahorrando horas de configuración y aumentando la

seguridad y administración de todo el sistema. • Perfiles permiten el acceso dinámico a usuarios o grupos de usuarios. • Completa encriptación "TAPA" de 128 bits.

A continuación se describe el equipo a utilizar para la red WLAN.

4.8.1 Roam About Wireless Switch 8500 El bloque fundamental del sistema Mobility. Este switch está diseñado para soportar grandes instalaciones inalámbricas y soporta hasta 192 access points. Se acopla a infraestructuras alambicas mediante cargas compartidas redundantes. El switch es la plataforma para la ejecución del software RASM (RoamAbout Mobility System) el cual mantiene y provee inteligencia a la red inalámbrica. Adicionalmente para la administración de las identidades de usuarios el RoamAbout switch configura y controla todos los aspectos de los access points. Múltiples switches pueden funcionar peer-to-peer mejorando la movilidad e incrementando la seguridad, ya que estos switches brindan acceso basado en identidad lo cual provee servicios basados en usuario como grupos privados, filtros de firewall, acceso basado en tiempo, tipo de encriptación, seguimiento de uso y localización y estadísticas asociadas.

4.8.2 Access Point MP-422A Este AP cuenta con una arquitectura WLAN de swticheo inteligente que combina el envío de datos de forma centralizada y distribuida basado en los requerimientos de la capa de aplicación. Provee una amplia cobertura con su antena interna omnidireccional pudiendo trabajar los radios de 5 GHz (802.11a) y 2.4 GHZ (802.11b/g), cuenta con dos puertos 10/100 Fast Ethernet para brindar conectividad redundante y Power-over-Ethernet. Intencionalmente, el modelo simula un detector de humo para reducir su visibilidad. Adicional a esto se le pueden instalar antenas para dirigir la señal o aumentar la ganancia. (ver anexo 12)

4.8.3 Switch A2H124-24P Switch administrable de 24 puertos 10/100 de alto rendimiento y alta densidad soportando hasta 384 puertos 10/100 y 16 uplikns gigabit, stacks redundantes, VoIP y broadcast/multicast en tiempo real. Cada swtich tiene dos puertos mini-GBIC (SPF), puede clasificar los paquetes por capa 2/3/4 basado en alguno de los siguientes: MAC address, puerto físico, dirección IP, protocolo IP, puesto TCP/UDP, subneteo IP. Manejo y flexibilidad al manejar hasta 1024 VLANs activas simultaneamente y Power-over-Ethernet en todos sus puertos.

55

4.8.4 Distribución del equipo El equipo se instaló de la siguiente manera.

• SITE de Telecomunicaciones 2 Roam About Wireless Switch 8500 (redundantes). 1 Dragon Enterprise Management Server Appliance DSEMA7 Software RASM (RoamAbout Mobility System). 1 Switch A2H124-24P. 1 Access Point MP-422A.

• Auditorio 1 Switch A2H124-24P. 1 Access Point MP-422A.

• Primer Piso 1 Switch A2H124-24P. 1 Access Point MP-422A.

4.9 Configuración del equipo En el servidor Dragon Enterprise Management Server Appliance DSEMA7 ya se encontraba instalada la herramienta RASM por lo que solo tuvimos que ejecutar la herramienta RASM. La IP que se observa es una IP loopback misma que se usará solo para cuestiones del proyecto (ver anexo 13). Lo primero que se realizo fue asignar el nombre al cluste: “WS_IPN”, enseguida asignamos nombre a los Wireles Switch; el WS primario se llama “WS_IPN01”, el WS secundario “WS_IPN02”. Ambos WS funcionan de manera redundante, esto es, que los cambios que ocurran en el WS primario lo replicara al WS secundario. Si por alguna razón llegase a fallar el WS primario el WS secundario realizara el trabajo del WS primario para que de esta forma no se pierda la conexión con los AP’s. El segundo paso fue crear los AP’s en el RASM. En esta sección se define:

• Nombre del AP y tipo de conexión (ver anexo 14). • Número de serie del AP (ver anexo 15). • Modelo del AP y de los radios de salida, el primario será 11g y el secundario 11a (ver anexo

16). • Configuración de cada radio (ver anexo 17 y 18) • Nombre de las VLANs del AP (VLAN_ALUMNOS, VLAN_PROFESORES, VLAN_INVITADOS) y

el ID de cada VLAN (ver anexo 19) Todos estos pasos fueron repetitivos en cada AP. Una cualidad de los AP’s es que se loggean automáticamente al RASM. Para que exista comunicacion y que el AP pueda conectarse a Internet/Intrenet (segun como este conectado) tuvimos que seguir una serie de pasos:

56

1. El AP hace una negociación con el DHCP de RASM. 2. El AP hace un broadcast para encontrar algún Wireless Switch. 3. El Wireless Switch (WS ) responde puesto que están en el mismo segmento de red. 4. El AP solicita su configuración al WS que previamente se configuró en RASM, al mismo

tiempo le manda su firmware. 5. El WS responde al AP y se pone en funcionamiento.

El Anexo 20 muestra como se interconectó todo el hardware (Roam About Wireless Switch 8500, Dragon Enterprise Management Server Appliance DSEMA7, Switch A2H124-24P y Access Point MP-422A) y la interacción con el usuario final .

57

Conclusiones Siguiendo las metodologías propuestas pudimos realizar un análisis para determinar el diseño

adecuado de la red inalámbrica, planear un número de usuarios suficientes que podrán conectarse

al mismo tiempo, la capacidad de salida para cada usuario, así como la ubicación adecuada y la

cantidad APs necesarios para brindar este servicio. El inicio de la administración de una red está

basado en estos puntos básicos.

El estudio de los modelos de propagación, tanto los teóricos como los empíricos, reflejan valores

similares debido a su naturaleza. Los teóricos consideran escenarios en condiciones ideales en

cambio la realidad es diferente ya que las características que encontramos en el sitio propuesto

arrojaron valores diferentes por lo cual fue necesario realizar un ajuste.

La propuesta considera el uso de tres AP, dos en la planta baja y uno en el primer piso, después de

realizar las pruebas comprobamos que nuestra propuesta es válida, esta comprobación la

realizamos con varios equipos portátiles realizando streaming de video y consultando paginas al

azar.

El éxito de este proyecto dependerá de la continuidad que se le dé, siempre y cuando se

implemente como especifica al principio de este trabajo, implementando mecanismos de

seguridad basados en acceso por perfiles de usuario y algunas modificaciones en el software RASM

y como en toda red, una estricta administración y mantenimiento de la misma.

58

Anexos Anexo 1. Estado actual de la planta baja de la DCyC.

59

Anexo 2. Estado actual del primer piso de la DCyC.

60

Anexo 3. Planta baja de la DCyC.

AP1

AP2

R1

R2

R3

R4

R5

R6

61

Anexo 4. Primer piso de la DCyC.

AP3

62

Anexo 5. Pantalla principal del software Wirelessmoon.

Anexo 6. Valores de ganancia obtenidos a un metro del AP1.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11

12 13

14 15

16

63

Anexo 7. Valores de ganancia obtenidos a tres metros del AP1.

Anexo 8. Valores de ganancia obtenidos a cinco metros del AP1.

64

Anexo 9. Valores de ganancia obtenidos a diez metros del AP1.

Anexo 10. Valores de ganancia obtenidos a quince metros del AP1.

65

Anexo 11. Valores de ganancia obtenidos a veinte metros del AP1.

Anexo 12. Figura de Roam About Wireless Switch 8500,Access Point MP-422A, Switch A2H124-24P respectivamente.

Anexo 13. Figura pantalla inicial de RASM.

66

Anexo 14. Asignación del nombre al AP y tipo de conexión.

Anexo 15. Número de serie del AP.

Anexo 16. Selección del modelo del AP y de los radios de salida.

67

Anexo 17. Configuración del radio 802.11g

Anexo 18. Configuración del radio 802.11a

Anexo 19. Asignación de nombre a la VLAN.

68

Anexo 20. Diagrama de interconexión de equipos para la WLAN en la DCyC.

69

Índice de Figuras 1.1. Figura topología de bus 6 1.2. Figura topología en anillo 6 1.3. Figura topología en estrella 6 1.4. Figura topología en árbol 7 1.5. Figura transmisión en banda base 7 1.6. Figura comparación del modelo OSI con TCP/IP 9 1.7. Figura concentrador 10 1.8. Figura puente 11 1.9. Figura conmutador 11 1.10. Figura router 11 1.11. Figura clases de red 14 2.1. Figura relación entre frecuencia, periodo y longitud de onda 16 2.2. Figura Canales de la frecuencia 2.4GHz 19 2.3. Figura división en células 20 2.4. Figura reutilización de frecuencias 20 2.5. Figura red satelital 21 2.6. Figura funcionamiento de GPS 22 2.7. Figura fenómenos de reflexión, difracción y dispersión 24 3.1 Figura comparativo del protocolo 802.X con las capas del modelo OSI. 30 3.2. Figura canales de transmisión del las WLAN’s. 31 3.3. Figura normas de Capa Física 802.11. 34 3.4. Figura corrección de errores FHSS. 35 3.5. Figura transmisión DSSS. 36 3.6. Figura forma de onda. 37 3.7. Figura OFDM vs. transmisión por canal simple. 38 3.8 Figura descripción de las topologías de redes inalámbricas. 39 3.9. Figura topología Ad Hoc. 40 3.10. Figura topología en infraestructura (AP). 41 3.11. Figura topología Mesh. 41 3.12. Figura puntos de Acceso. 43 3.13. Figura adaptador PCMCIA, PCI, USB. 44 3.14. Figura logotipo Wi-Fi. 45

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Índice de Tablas 1.1. Tabla modelo OSI 9 1.2. Tabla evolución del Ethernet 12 1.3. Tabla trama Ethernet 13 1.4. Tabla protocolos 13 1.5. Tabla mascaras de Red 15 2.1. Tabla bandas de frecuencia sin licencia 18 2.2. Tabla anchos de banda de tecnologías inalámbricas 19 2.3. Tabla frecuencias utilizadas por los sistemas inalámbricos 19 2.4. Tabla características de los Sistemas GPS 23 2.5. Tabla valores típicos de pérdidas en modelo COST 231 de paredes múltiples 25 3.1. Tabla estándares según la norma 802 para redes. 29 3.2. Tabla características principales del protocolo 802.11. 30 3.3. Tabla características principales del protocolo 802.11b. 31 3.4. Tabla velocidad vs. distancia en 802.11b. 32 3.5. Tabla características principales del protocolo 802.11a. 32 3.6. Tabla velocidad vs. distancia en 802.11a en ambientes cerrados. 32 3.7. Tabla características principales del protocolo 802.11g. 33 3.8. Tabla velocidad vs. Distancia en 802.11g. 33 3.9. Tabla estándares de 802.11 para redes inalámbricas. 34 3.10. Tabla comparación de esquemas de modulación inalámbrica. 38 3.11. Tabla características de los estándares Wi-Fi. 46 4.1. Tabla Valores obtenidos por el modelo teórico. 49 4.2. Tabla Valores obtenidos por el método empírico. 51 4.3. Tabla Comparación de valores obtenidos por los modelos teórico y empírico 52

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Índice de Formulas 2.1. Fórmula obtención de longitud de onda 16 2.2. Fórmula obtención de frecuencia o periodo 17 2.3. Fórmula obtención de potencia en Bels 17 2.4. Fórmula logaritmo del inverso multiplicativo 17 2.5. Fórmula COST 231 de paredes múltiples 25 2.6. Fórmula COST 231 sustituyendo valores típicos 25 2.7. Fórmula COST 231 final sustituyendo valores típicos y valores conocidos 26 2.8. Fórmula de Friss 26 2.9. Fórmula para obtener la ganancia de una antena 26 2.10. Fórmula pérdida de trayectoria considerando la ganancia de las antenas 26 2.11. Fórmula pérdida de trayectoria con ganancias unitarias en antenas 26 2.12. Fórmula pérdida de trayectoria con ganancias unitarias en antenas

y distancia de referencia 27 2.13. Fórmula pérdida de trayectoria 27 2.14. Fórmula pérdida en la trayectoria para interiores 27 3.1. Fórmula calculo de usuarios por AP. 45

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Acrónimos

AMPS Advanced Mobile Phone System AP Access Point BPSK Binary Phase Shift Keying CDMA Code Division Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

DBS Direct Broadcast Satellite DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

FCC Federal Communications Commission FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

GEO Geosynchronous Earth Orbit GHz Giga Hertz GPRS General Packet Radio Service GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile Communication Hz Hertz IEEE Institute for Electrical and Electronics Engineers ISA Industry Standard Architecture ISM Band Industrial, Scientific and Medical Band ITU International Telecommunication Union LAN Local Area Network (Red de Área Local) LEO Low Earth Orbit LLC Logical Link Control MAC Media Acces Control

MAN Metropolitan Area Network Mbps Mega Bytes por Segundo

MEO Medium Earth Orbit MHz Mega Hertz MIMO Multiple-Input Multiple-Output NIC Network Interface Cntroller OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAN Personal Area Network PCI Peripheral Component Interconnect PCMCIA Personal Computer Memory Card International Association PHY Physical PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent PSK Phase Shift Keying QPSK Quadrature Phase Shift Keying

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RF Radio Frecuencia RFID Radio Frecuency Identification RFID Radio-Frequency IDentification TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol UMTS Universal Mobile Telecommunication System USB Universal Serial Bus WAN Redes de área extendida (Wide Area Network) WLAN Wireless Local Area Network WLAN Wireless Local Area Network (Redes Inalámbricas de Área Local) WMAN Wireless Metropolitan Area Network (Redes Inalámbricas de Área Metropolitana)

WPAN Wireless Personal Area Network (Red Inalámbricas de Área Personal)

WWAN Wireless Wide Area Network (Redes Inalámbricas de Área Extensa)

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Glosario Banda Rangos de frecuencias en las que está dividida el espectro de RF. Bel Unidad logarítmica de medida que expresa la magnitud relativa de una

cantidad física (poder o intensidad) contra otra llamada nivel de referencia.

Ethernet Es un estándar de redes de computadoras de área local con acceso al medio por contienda CSMA/CD, también define las características de cableado y señalización de nivel físico y los formatos de tramas de datos del nivel de enlace de datos del modelo OSI.

Frecuencia Número de oscilaciones periódicas u ondas que ocurren por unidad de tiempo.

GALILEO Sistema de Posicionamiento Global desarrollado por la Unión Europea utiliza 30 satélites MEO que orbitan a 23,616Km

GEO Geosynchronous Earth Orbit, son orbitas circulares con un periodo igual al de rotación de la Tierra, situadas en el plano ecuatorial con una altitud cercana a los 36,000Km.

GLONASS Sistema de Posicionamiento Global desarrollado por Rusia utiliza aproximadamente 24 satélites MEO que orbitan a 19,140Km

GPS Sistema de Posicionamiento Global desarrollado por EUA utiliza 24 satélites MEO que orbitan a 20,350Km

Huella En telecomunicaciones satelitales se le llama así a la zona de cobertura. LEO Low Earth Orbit, son orbitas circulares, altura menor a los 2,000 Km y

periodos orbitales entre los 90 y 120 minutos. Longitud de onda Distancia entre dos crestas consecutivas. MEO Medium Earth Orbit, son orbitas situadas entre 10,000 y 20,000 Km de

altura. NAVSTAR Nombre original del Sistema de Posicionamiento Global Nodo Es cada dispositivo activo conectado a la red. OSI Es el modelo de referencia de Interconexión de Sistemas Abiertos, este

a su vez es un estándar creado por la Organización Internacional para la Estandarización.

Peer-to-peer (P2P) Redes de pares o redes de igual a igual, es una red de computadoras en la que todos o algunos aspectos de esta funcionan sin clientes ni servidores fijos, sino una serie de nodos que se comportan simultáneamente como clientes y servidores respecto a los demás nodos de la red.

Periodo de oscilación Tiempo empleado por una onda en completar una longitud de onda. Protocolo Conjunto de estándares que controlan la secuencia de mensajes que

ocurren durante una comunicación entre entidades que forman una red.

Radio Frecuencia Campo electromagnético generado cuando una corriente alterna es aplicada al generador de una antena.

Red Un sistema en el que se conectan varios equipos y dispositivos entre si para compartir recursos.

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Red de Área Local (LAN)

Una red de área local o LAN es la interconexión de varios ordenadores y periféricos. Su extensión está limitada físicamente a un edificio o a un entorno de hasta 200 metros

Redes de área extendida (WAN)

Una Red de Área Amplia es un tipo de red de computadoras capaz de cubrir distancias desde unos 100km hasta unos 1000 km, dando el servicio a un país o un continente.

Redes de área metropolitana (MAN)

Una red de área metropolitana es una red de alta velocidad, abarca un área geográfica extensa, proporciona capacidad de integración de múltiples servicios mediante la transmisión de datos, voz y vídeo, sobre medios de transmisión tales como fibra óptica y par trenzado.

Reutilización de frecuencias

Técnica para evitar interferencias y que consiste en la utilización de canales lo suficientemente separados.

S/N o SNR Relación entre el poder de señal dividido entre el poder de ruido. Throughput Se llama throughput al volumen de trabajo o de información que fluye a

través de un sistema. Así también se le llama al volúmen de información que fluye en las redes de datos. Particularmente significativo en almacenamiento de información y sistemas de recuperación de información, en los cuales el rendimiento es medido en unidades como accesos por hora.

Topología de red Se define como la cadena de comunicación que los nodos que conforman una red usan para comunicarse.

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http://www.docentes.unal.edu.co/jcgarciaa/docs/Papers/ID016.pdf