Teoría de Telecomunicaciones

MEDIOS DE TRANSMISION Y PERTURBACIONES

La información que maneja una computadora es de origen digital, encontrándose codificada a partir de un alfabeto de dos símbolos que se corresponden con 1 y 0 o, lo que es lo mismo, presencia o ausencia de una señal eléctrica. Para la transmisión de esta información entre dispositivos distintos a larga o corta distancia debe utilizarse un medio físico que asegure su correcta recepción en el destino.

MEDIOS GUIADOS

Que incluye a los cables metálicos (cobre, aluminio, etc.) y de fibra óptica. El cable se instala normalmente en el interior de los edificios o bien en conductos subterráneos. Los cables metálicos pueden presentar una estructura coaxial o de par trenzado, y el cobre es el material preferido como núcleo de los elementos de transmisión de las redes. El cable de fibra óptica se encuentra disponible en forma de hebras simples o múltiples de plástico o fibra de vidrio.

Cable de par trenzado. El cable está compuesto, como se puede ver en el dibujo, por un conductor interno que es de alambre electrolítico recocido, de tipo circular, aislado por una capa de polietileno coloreado.

 El cable de par trenzado es de los más antiguos en el mercado y en algunos tipos de aplicaciones es el más común. Consiste en dos alambres de cobre o a veces de aluminio, aislados con un grosor de 1mm aproximado. Los alambres se trenzan con el propósito de reducir la interferencia eléctrica de pares similares cercanos. Los pares trenzados se agrupan bajo una cubierta común de PVC (Policloruro de Vinilo) en cables multíparas de pares trenzados (de 2, 4, 8, hasta 300 pares).

Un ejemplo de par trenzado es el sistema de telefonía, ya que la mayoría de aparatos se conectan a la central telefónica por medio de un par trenzado. Actualmente, se han convertido en un estándar en el ámbito de las redes LAN como medio de transmisión en las redes de acceso a usuarios (típicamente cables de 2 o 4 pares trenzado). A pesar que las propiedades de transmisión de cables de par trenzado son inferiores, y en especial la sensibilidad ante perturbaciones extremas, a las del cable coaxial, su gran adopción se debe al costo, su flexibilidad y facilidad de instalación, así como las mejoras tecnológicas constantes introducidas en enlaces mayor velocidad, longitud, etc.

Debajo de la aislación coloread existe otra capa de aislación también de polietileno, que contiene en su composición una sustancia antioxidante para evitar la corrosión del cable. El conducto solo se tiene un diámetro de aproximadamente medio milímetro, y más la aislación el diámetro puede superar el milímetro.

Sin embargo es importante aclarar que habitualmente este tipo de cable no se maneja por unidades, sino por pares y grupos de pares, paquete conocido como cable multipar. Todos los cables del multipar están trenzados entre sí con el objeto de mejorar la resistencia de todo el grupo hacia diferentes tipos de interferencia electromagnética externa. Por esta razón surge la necesidad de poder definir colores para los mismos que permitan al final de cada grupo de cables conocer que cable va con cual otro. Los colores de aislante están normalizados a fin de su manipulación por grandes cantidades. Para Redes Locales los colores son estandarizados son:      

Naranja/Blanco – Naranja

Verde/Blanco – Verde

Blanco/Azul – Azul

Blanco/Marrón – Marrón

En telefonía, es común encontrar dentro de las conexiones grandes cables telefónicos compuestos por cantidades de pares trenzados, aunque perfectamente identificables unos de otros a partir de la normalización de los mismos. Los cables una vez fabricados unitariamente y aislados, se trenzan de a pares de acuerdo al color de cada uno de ellos; aún así, estos se vuelven a unir a otros formando estructuras mayores: los pares se agrupan en subgrupos, los subgrupos de agrupan en grupos, los grupos se agrupan en superunidades, y las superunidades se agrupan en el denominado cable.

De esta forma se van uniendo los cables hasta llegar a capacidades de 2200 pares; un cable normalmente está compuesto por 22 superunidades; cada subunidad está compuesta por 12 pares aproximadamente; esta valor es el mismo para las unidades menores .Los cables telefónicos pueden ser armados de 6, 10, 18, 20, 30, 50, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 600, 900, 1200, 1500, 1800 ó 2200 pares.

Tipos de cable par trenzado:

*Cable de par trenzado apantallado (STP)

*Cable de par trenzado con pantalla global (FTP)

*Cable de par trenzado no apantallado (UTP)

*Cable de par trenzado apantallado (STP): En este tipo de cable, cada par va recubierto por una malla conductora que actúa de apantalla frente a interferencias y ruido eléctrico. Su impedancia es de 150 Ohm. El nivel de protección del STP ante perturbaciones externas es mayor al ofrecido por UTP. Sin embargo es más costoso y requiere más instalación. La pantalla del STP, para que sea más eficaz, requiere una configuración de interconexión con tierra (dotada de continuidad hasta el terminal), con el STP se suele utilizar conectores RJ49. Es utilizado generalmente en las instalaciones de procesos de datos por su capacidad y sus buenas características contra las radiaciones electromagnéticas, pero el inconveniente es que es un cable robusto, caro y difícil de instalar.

*Cable de par trenzado con pantalla global (FTP): En este tipo de cable como en el UTP, sus pares no están apantallados, pero sí dispone de una pantalla global para mejorar su nivel de protección ante interferencias externas. Su impedancia característica típica es de 120 OHMIOS y sus propiedades de transmisión son más parecidas a las del UTP. Además, puede utilizar los mismos conectores RJ45. Tiene un precio intermedio entre el UTP y STP.

*Cable par trenzado no apantallado (UTP): El cable par trenzado más simple y empleado, sin ningún tipo de pantalla adicional y con una impedancia característica de 100 Ohmios. El conector más frecuente con el UTP es el RJ45, aunque también puede usarse otro (RJ11, DB25, DB11, etc.), dependiendo del adaptador de red. Es sin duda el que hasta ahora ha sido mejor aceptado, por su costo accesibilidad y fácil instalación. Sus dos alambres de cobre torcidos aislados con plástico PVC han demostrado un buen desempeño en las aplicaciones de hoy. Sin embargo, a altas velocidades puede resultar vulnerable a las interferencias electromagnéticas del medio ambiente.El cable UTP es el más utilizado en telefonía por lo que realizaremos un estudio más a fondo de este tipo de cable.

CABLE COAXIAL: Es un cable utilizado para transportar señales eléctricas de alta frecuencia que posee dos conductores concéntricos, uno central, llamado vivo, encargado de llevar la información, y uno exterior, de aspecto tubular, llamado malla o blindaje, que sirve como referencia de tierra y retornos de las corrientes. Entre ambos se encuentran una capa aislante llamada dieléctrico, de cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable. Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante.

Estándares: La mayoría de los cables coaxiales tiene una impedancia característica de 50, 52, 75, o 93 Ω. La industria de RF usa nombres de tipo estándar para cables coaxiales. En las conexiones de televisión (por cable, satélite o antena), los cables RG-6 son los más comúnmente usados para el empleo en el hogar, y la mayoría de conexiones fuera de Europa es por conectores F. Tablas con las características:

Tabla de RG:

PE es Polietileno; PTFE es Politetrafluoroetileno; ASP es Espacio de Aire de Polietileno

Tipos: Existen múltiples tipos de cable coaxial, cada uno con un diámetro e impedancia diferentes. El cable coaxial no es habitualmente afectado por interferencias externas, y es capaz de lograr altas velocidades de transmisión en largas distancias. Por esa razón, se utiliza en redes de comunicación de banda ancha (cable de televisión) y cables de banda base (Ethernet).El tipo de cable que se debe utilizar depende de la ubicación del cable. Los cables coaxiales pueden ser de dos tipos:

El Policloruro de vinilo (PVC): Es un tipo de plástico utilizado para construir el aislante y la cubierta protectora del cable en la mayoría de los tipos de cable coaxial.

El cable coaxial de PVC es flexible y se puede instalar fácilmente en cualquier lugar. Sin embargo, cuando se quema, desprende gases tóxicos.

El plenum: contiene materiales especiales en su aislamiento y en una clavija del cable. Estos materiales son resistentes al fuego y producen una mínima cantidad de humos tóxicos. Sin embargo, el cableado plenum es más caro y menos flexible que el PVC.

FIBRA ÓPTICA: La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED.  Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable convencional. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión.

Características: Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte, cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión interna total.

En el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias. A lo largo de toda la creación y desarrollo de la fibra óptica, algunas de sus características han ido cambiando para mejorarla. Las características más destacables de la fibra óptica en la actualidad son:

+Cobertura más resistente: La cubierta contiene un 25% más material que las cubiertas convencionales.

+Uso dual (interior y exterior): La resistencia al agua y emisiones ultravioleta, la cubierta resistente y el funcionamiento ambiental extendido de la fibra óptica contribuyen a una mayor confiabilidad durante el tiempo de vida de la fibra.

+Mayor protección en lugares húmedos: Se combate la intrusión de la humedad en el interior de la fibra con múltiples capas de protección alrededor de ésta, lo que proporciona a la fibra, una mayor vida útil y confiabilidad en lugares húmedos.

+Empaquetado de alta densidad: Con el máximo número de fibras en el menor diámetro posible se consigue una más rápida y más fácil instalación, donde el cable debe enfrentar dobleces agudos y espacios estrechos. Se ha llegado a conseguir un cable con 72 fibras de construcción súper densa cuyo diámetro es un 50% menor al de los cables convencionales

Ventajas:

*Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados (del orden del Ghz).

*Pequeño tamaño, por lo tanto ocupa poco espacio.

*Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm, lo que facilita la instalación enormemente.

*Gran ligereza, el peso es del orden de algunos gramos por kilómetro, lo que resulta unas nueve veces menos que el de un cable convencional.

*Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético, lo que implica una calidad de transmisión muy buena, ya que la señal es inmune a las tormentas, chisporroteo...

*Gran seguridad: la intrusión en una fibra óptica es fácilmente detectable por el debilitamiento de la energía luminosa en recepción, además, no radia nada, lo que es particularmente interesante para aplicaciones que requieren alto nivel de confidencialidad.

*No produce interferencias.

*Insensibilidad a los parásitos, lo que es una propiedad principalmente utilizada en los medios industriales fuertemente perturbados (por ejemplo, en los túneles del metro). Esta propiedad también permite la coexistencia por los mismos conductos de cables ópticos no metálicos con los cables de energía eléctrica.

*Atenuación muy pequeña independiente de la frecuencia, lo que permite salvar distancias importantes sin elementos activos intermedios. Puede proporcionar comunicaciones hasta los 70 km. antes de que sea necesario regenerar la señal, además, puede extenderse a 150 km. utilizando amplificadores láser.

*Gran resistencia mecánica (resistencia a la tracción, lo que facilita la instalación).

*Resistencia al calor, frío, corrosión.

*Facilidad para localizar los cortes gracias a un proceso basado en la telemetría, lo que permite detectar rápidamente el lugar y posterior reparación de la avería, simplificando la labor de mantenimiento.

*Con un coste menor respecto al cobre.

Desventajas:

*A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de desventajas frente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las siguientes:

*La alta fragilidad de las fibras.

*Necesidad de usar transmisores y receptores más caros.

*Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.

*No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.

*La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.

*La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.2

*No existen memorias ópticas.

*La fibra óptica no transmite energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el terminal de recepción debe ser energizado desde una línea eléctrica. La energía debe proveerse por conductores separados.

*Las moléculas de hidrógeno pueden difundirse en las fibras de silicio y producir cambios en la atenuación. El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo más importante para el envejecimiento de la fibra óptica.

*Incipiente normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a los parámetros de los componentes, calidad de la transmisión y pruebas.

TIPOS: Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo.

+Fibra multimodo: Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km, es simple de diseñar y económico.

+Fibra monomodo: Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información (decenas de Gb/s).

MEDIOS NO GUIADOS

Relativos a las técnicas de transmisión de señales a través del aire y del espacio entre transmisor y receptor (radioenlaces). La transmisión por infrarrojos y microondas cae dentro de esta categoría.

Radiotransmisión: Se basa en la propagación de ondas electromagnéticas a través del aire. Para ellos solo requieren la estación emisora y receptora, además de posibles repetidores intermedios para salvar la orografía del terreno, ya que este tipo de transmisión exige visibilidad entre las dos estaciones emisora y receptora.

MRICOONDAS: Una red por microondas es un tipo de red inalámbrica que utiliza microondas como medio de transmisión. El protocolo más frecuente es el IEEE 802.11b y transmite a 2.4 GHz, alcanzando velocidades de 11Mbps (Megabits por segundo). Las etapas de comunicación son:

Cuando el usuario final accede a un navegador de Internet y solicita alguna información o teclea una dirección electrónica, se genera una señal digital que es enviada a través de la tarjeta de red hacia el modem. El modem especial convierte la señal digital a formato analógico (la modula) y la envía por medio de un cable coaxial a la antena. La antena se encarga de radiar, en el espacio libre, la señal en forma de ondas electromagnéticas (microondas).

Las ondas electromagnéticas son captadas por la radio base de la empresa que le brinda el servicio, esta radio base a su vez la envía hacia el nodo central por medio de un cable generalmente de fibra óptica o de otra radio de gran capacidad para conexiones punto a punto. El nodo central valida el acceso del cliente a la red y realiza otras acciones como facturación del cliente y monitoreo del desempeño del sistema. Finalmente el nodo central dirige la solicitud hacia Internet y una vez que localiza la información se envía la señal de regreso a la computadora del cliente.

Microondas vía satélite: Utilizan para la retransmisión de la señal un satélite que está en órbita terrestre. El satélite recibe señales por su canal ascendente y las transmite por su canal descendente a otras estaciones. Estos dos canales operan en frecuencias diferentes para evitar las interferencias entre ellos.

SATÉLITE: Los actuales satélites tienen dos tipos de orbita, circular y elíptica. Los satélites con orbitas circulares se mantienen más o menos a la misma distancia de la tierra pero su posición respecto a la superficie varia cada momento. Por su parte los satélites de orbitas elípticas, tiene la característica que pueden permanecer más tiempo viendo un mismo lugar de la tierra y sus orbitas son mucho más largas. Aplicaciones: Difusión de televisión, telefonía enlaces a largas distancias, constitución de redes privadas.

INFRARROJOS: Se basan en la transmisión y recepción de luz infrarroja, sirven para enlaces muy direccionables. Se emplean para transmisión dentro de la misma habitación ya que no pueden atravesar las paredes, aunque se reflejan. Su principal desventaja es que no atraviesa los objetos sólidos, aunque esto puede ser también ventaja ya que un sistema infrarrojo en un cuarto no interferirá con un sistema similar en cuartos adyacente.

PERTURBACIONES: Durante la comunicación se pueden producir diferentes alteraciones y esto no ocurre solo en el aspecto humano, sino que también podemos encontradnos con problemas en las comunicaciones de datos o redes computacionales. Con nuestro trabajo pretendemos dejar claramente al lector una idea de las perturbaciones que se producen durante las transmisiones de datos. Observaremos que clase de alteraciones son las más frecuentes, donde se producen y cómo podemos evitarlas. PERTURBACIONES EN LA TRANSMISIÓN. Todos los dispositivos eléctricos y electrónicos emiten interferencias y/o son susceptibles a estas. Algunos problemas que afectan la transmisión de datos son:

*El ruido

*Distorsión

*Atenuación

*El ruido: Señales eléctricas indeseables que se introducen en el equipo, perturbaciones naturales y degradan el rendimiento de una línea de comunicaciones. Los tipos de ruidos se pueden clasificar en los siguientes grupos:

+Ruido blanco o gaussiano: Es debido a la agitación térmica de los electrones en la línea de transmisión, o a la inducción de líneas eléctricas adyacentes.

+Ruido de impulsos o agujas: Es el principal causante de errores en la comunicación de datos. Las principales fuentes de estos ruidos son cambios de voltajes en líneas adyacentes, falsos contactos y arcos eléctricos en los interruptores o relevadores en las oficinas telefónicas antiguas.

+Ruido de intermodulación: Se produce cuando las señales de dos líneas independientes se intermodulan y forman un producto que cae dentro de una banda de frecuencia que difiere de ambas entradas, pero que puede caer dentro de una banda de una tercera señal.

+Ruido de amplitud: Este ruido comprende un cambio repentino en el nivel de potencia, y es causado por amplificadores defectuosos, contactos sucios con resistencias variables, cargas agregadas repentinas porque se conmuten nuevos circuitos durante el día y por labores de mantenimiento.

*Distorsión: Es otra fuente de errores en la transmisión de datos. Consiste en la alteración de la información transmitida debida a factores naturales del medio de transmisión usado.

+Distorsión por atenuación: Ocurre cuando las altas frecuencias pierden potencia con mayor rapidez que las frecuencias bajas durante la transmisión.

+Distorsión por retraso: Ocurre cuando una señal se retrasa más a ciertas frecuencias que a otras.

*Atenuación: Es una característica intrínseca del canal, que se manifiesta con la perdida de energía la señal cuando se propaga por el mismo. Es el cociente entre la potencia emitida entre la potencia recibida. La atenuación se mide en decibeles porque es la unidad logarítmica más adecuada para representarla.

MECANISMOS PARA LA DETECCIÓN DE ERRORES

Las redes deben ser capaces de transferir datos desde un dispositivo a otro con una exactitud total. Un sistema que puede garantizar que los datos recibidos de un dispositivo son idénticos a los transmitidos por otro es esencialmente inútil. Sin embargo, siempre que se transmite datos de un origen a un destino, se pueden corromper por el camino. De hecho, es más probable que buena parte del mensaje se vea alterado en el transito que todos los contenidos lleguen intactos. Muchos factores, incluyendo el ruido de la línea, pueden alterar o eliminar uno o más bits de una unidad de datos determinada. Los sistemas fiables deben de tener mecanismos para detectar y corregir tales errores.

*Técnica del eco: Usada en situaciones interactivas. Cuando una estación recibe una transmisión, la almacena y retransmite de nuevo a la estación emisora (eco), esta compara el eco con el mensaje original y de esta determinar si se presento un error y corregirlo.

*Técnicas de detección automática de errores: Consiste en la adición al dato por enviar de un marco de verificación de secuencias o FSC (Frame Check Sequence), el cual es obtenido a partir de los datos a transmitir por medio de un algoritmo. Una vez recibido el mensaje, la estación receptora aplica el mismo algoritmo a los datos recibidos y compara el FSC obtenido de esta forma con el que se adiciono a los datos originales. Si son iguales se toma el mensaje, de lo contrario se supone error.

*Verificación de paridad en dos coordenas: Cuando de se transmite datos a un dispositivo que cuente con un buffer, es posible extender la verificación de paridad simple añadiendo un bloque de verificación de carácter (Block Check Character BCC) al final del bloque de datos, el cual realizara la segunda verificación de paridad a todo el bloque.

En la técnica de verificación de paridad en dos coordenadas se pueden dar los siguientes casos (en rojo están los bits erróneos)

*Verificación por redundancia cíclica (CRC): Esta técnica es ampliamente usada debido a que es fácil de implementar en los circuitos. Un mensaje puede verse como un simple número binario, el cual puede ser dividido por una cantidad que consideraremos constante, al efectuar la división (a módulo 2) se obtiene un cociente y un residuo, este último es transmitido después del mensaje y es comparado en la estación receptora con el residuo obtenido por la división de los datos recibidos y el mismo valor constante. Si son iguales los residuos se aceptan el mensaje, de lo contrario se supone un error de transmisión.

CORRECCIÓN DE ERRORES

*Por operador humano: Si los mensajes transmitidos son únicamente textos, puede resultar más económico y fácil que un operador humano reciba e interprete el mensaje y de ser necesario lo corrija usando su propio criterio. Algunos sistemas que aplican verificación por paridad cambian automáticamente los caracteres con error de paridad por el símbolo? Para que el operador humano pueda identificarlos y corregirlos.

*Código Hamming de corrección automática de errores: Como resultado los procesos físicos que los generan, los errores en algunos medios (ejemplo, la radio) tienden a aparecer en ráfagas y no de manera individual. El hecho de que los errores lleguen en ráfaga tiene ventajas y desventajas con respecto a los errores aislados de un solo bit. Por el lado de las ventajas, los datos de computadora siempre se envían en bloques de bits. Suponga que el tamaño de bloque es de 1000 bits y la tasa de errores es de 0.001 por bit. Si los errores fueran independientes, la mayoría de los bloques contendría un error. Sin embargo, si los errores llegan en ráfagas de 100, en promedio solo uno o dos bloques de cada 100 serán afectados. Las desventajas de los errores en ráfaga es que son mucho más difícil de detectar y corregir que los errores aislados.