7ª Edición

Comunicaciones y Redes de Computadores

William Stallings

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COMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORES
Séptima edición

COMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORES
Séptima edición
William Stallings
Traducción:

Jesús Esteban Díaz Verdejo Juan Manuel Estévez Tapiador Pedro García Teodoro Juan Manuel López Soler Juan José Ramos Muñoz
Área de Ingeniería Telemática Universidad de Granada Revisión Técnica:

Raúl V. Ramírez Velarde
Profesor asociado Departamento de Ciencias Computacionales Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campos Monterrey - México

M. en C. Jaquelina López Barrientos
Profesora de Tiempo Completo Departamento de Ingeniería en Computación Facultad de Ingeniería Universidad Nacional Autónoma de México

Madrid

México Santafé de Bogotá Buenos Aires Caracas Lima Montevideo San Juan San José Santiago Sao Paulo White Plains ˜

Datos de catalogaci�n bibliogr�fica

STALLINGS, WILLIAM COMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORES Séptima edición PEARSON EDUCACIÓN, S. A., Madrid, 2004 ISBN: 978-84-205-4110-5 Materia: Informática 681.3 Formato 195  250 Páginas: 896

STALLINGS, WILLIAM COMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORES. Séptima edición Todos los derechos reservados. Queda prohibida, salvo excepción prevista en la Ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra sin contar con autorización de los titulares de propiedad intelectual. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y sgts. Código Penal). DERECHOS RESERVADOS © 2004 por PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Ribera del Loira, 28 28042 MADRID (España) PEARSON PRENTICE HALL es un sello editorial autorizado de PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Authorized translation from the English language edition, entitled DATA AND COMPUTER COMMUNICATIONS, 7th Edition by STALLINGS, WILLIAM. Published by Pearson Education, Inc, publishing as Prentice Hall © 2004. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic of mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. ISBN: 978-84-205-4110-5 Depósito legal: M. 14.542-2008 Última reimpresión, 2008 Equipo editorial: Editor: David Fayerman Aragón Técnico editorial: Ana Isabel García Borro Equipo de producción: Director: José Antonio Clares Técnico: José Antonio Hernán Diseño de cubierta: Equipo de diseño de PEARSON EDUCACIÓN, S.A. Composición: COPIBOOK, S.L. IMPRESO EN MÉXICO - PRINTED IN MEXICO

A mi brillante esposa ATS

SERVIDOR WEB
PARA EL LIBRO «COMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORES» Séptima edición.
En la dirección web http://www.williamstallings.com/DCC/DCC7e.html se encuentra diverso material de ayuda para los profesores y estudiantes que utilicen este libro. Incluye los siguientes elementos 1.

AYUDA

Materiales de ayuda para impartir cursos

Los elementos de ayuda para impartir cursos son: Copia de las figuras del libro en formato PDF. Conjunto detallado de notas en formato PDF adecuado como apuntes de los alumnos o para usar como esquemas. Conjunto de transparencias/diapositivas en PowerPoint como ayuda para impartir las clases. Páginas de ayuda a los estudiantes de computación: contienen gran cantidad de enlaces y documentos que los estudiantes pueden encontrar útiles para su actualización de conocimientos en computación. Se incluye una revisión de los conceptos básicos relevantes de matemáticas, consejos sobre la realización de los problemas, enlaces a recursos de investigación como depósito de informes y referencias bibliográficas y otros enlaces útiles. Una fe de erratas del libro, actualizada al menos mensualmente.

Cursos sobre comunicaciones y redes de computadores
El servidor web DCC7e incluye enlaces a páginas web que tratan sobre cursos relacionados con el libro. Estos sitios suministran ideas muy útiles sobre la planificación y ordenación de los temas, así como diversos apuntes y otros materiales.
1

N. del T.: estas páginas web, que son regularmente actualizadas, se encuentran en el idioma original del libro (inglés).

Páginas web útiles
El servidor DCC7e incluye enlaces a sitios web relevantes, organizados por capítulos. Los enlaces abarcan un amplio espectro de tópicos y posibilitan la exploración puntual de temas en gran profundidad por parte del alumno.

Documentos suplementarios
El servidor DCC7e incluye varios documentos que amplían lo tratado en el libro. Entre los temas ampliados se encuentran las organizaciones de estandarización, los sockets, la suma de comprobación de TCP/IP, ASCII y el teorema de muestreo.

Lista de correo internet
Se mantiene una lista de direcciones de correo electrónico para que los profesores que utilizan el libro puedan intercambiar información, sugerencias y dudas entre ellos y con el autor. La información necesaria para ser incluido en esta lista se encuentra en la página web.

Herramientas de modelado y simulación
La página web incluye enlaces a los servidores web de cnet y modeling tools. Estos paquetes pueden utilizarse para analizar y experimentar con problemas de protocolos y diseño de redes. Cada servidor incluye software transferible al equipo del usuario e información básica. El manual del profesor contiene mayor información sobre cómo copiar y usar el software y propuestas de proyectos a realizar por los estudiantes. Véase el Apéndice D para más información.

PA R T E I

Contenido

Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIII Capítulo 0. Guía del lector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.1. Resumen del texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.2. Internet y recursos web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sitios web relacionados con el texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Otros sitios web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grupos de noticias de USENET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.3. Estándares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PARTE I Descripción general Capítulo 1. Introducción a las comunicaciones de datos y redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Un modelo para las comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Comunicaciones de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Redes de transmisión de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes de área amplia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes de área local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes inalámbricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes de área metropolitana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Un ejemplo de configuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo 2. Arquitectura de protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. ¿Por qué es necesaria una arquitectura de protocolos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Una arquitectura de protocolos simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Un modelo de tres capas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitecturas de protocolos normalizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 10 13 14 15 17 17 17 18 21 22 23 25 28 1 2 2 2 3 4 4

X

Contenido

2.3. OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normalización dentro del modelo de referencia OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parámetros y primitivas de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Las capas de OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. La arquitectura de protocolos TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Las capas de TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TCP y UDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamiento de TCP e IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones TCP/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interfaces de protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Lecturas recomendadas y sitios web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apéndice 2A. El protocolo TFTP (Trivial File Transfer Protocol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Introducción a TFTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paquetes TFTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo de transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Errores y retardos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sintaxis, semántica y temporización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PARTE II Comunicaciones de datos Capítulo 3. Transmisión de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Conceptos y terminología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Terminología utilizada en transmisión de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frecuencia, espectro y ancho de banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Transmisión de datos analógicos y digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos analógicos y digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Señales analógicas y digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmisión analógica y digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Dificultades en la transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atenuación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Distorsión de retardo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Capacidad del canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ancho de banda de Nyquist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fórmula para la capacidad de Shannon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El cociente Eb /N0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Lecturas recomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apéndice 3A. Decibelios y energía de la señal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29 29 32 35 36 40 40 41 42 44 45 45 46 47 47 47 47 49 49 49 51 51 52

57 59 59 59 69 69 72 76 78 78 80 80 83 84 84 86 88 88 88 88 89 91

Contenido

XI
95 97 99 104 105 109 110 112 113 116 117 117 119 120 120 122 122 124 125 126 126 127 127 127 128 133 135 139 140 141 143 144 146 146 147 149 153 156 157 157 160 162 163 164 166 169

Capítulo 4. Medios de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Medios de transmisión guiados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Par trenzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cable coaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Transmisión inalámbrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Microondas terrestres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Microondas por satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ondas de radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Infrarrojos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Propagación inalámbrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propagación superficial de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propagación aérea de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propagación en la trayectoria visual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Transmisión en la trayectoria visual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pérdida en el espacio libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorción atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multitrayectorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Refracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Lecturas recomendadas y sitios web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo 5. Técnicas para la codificación de señales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Datos digitales, señales digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . No retorno a cero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Binario multinivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bifase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Velocidad de modulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Técnicas de aleatorización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Datos digitales, señales analógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulación por desplazamiento de amplitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulación por desplazamiento de frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulación por desplazamiento de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prestaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulación de amplitud en cuadratura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Datos analógicos, señales digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulación por impulsos codificados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulación delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prestaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Datos analógicos, señales analógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulación de amplitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulación angular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Lecturas recomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XII

Contenido

5.6. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo 6. Técnicas de comunicación de datos digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

170 170 171 171 177 179 179 181 182 183 184 185 191 193 197 197 197 198 200 206 209 210 210 210 215 217 218 220 223 224 226 228 229 229 230 233 237 237 237 238 238 241 241 243 245

6.1. Transmisión asíncrona y síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmisión asíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmisión síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Tipos de errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Detección de errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comprobación de paridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comprobación de redundancia cíclica (CRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4. Corrección de errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principios generales de los códigos de bloque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5. Configuraciones de línea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Topología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Full-duplex y Half-duplex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6. Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V.24/EIA-232-F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La interfaz física de RDSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7. Lecturas recomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo 7. Protocolos de control del enlace de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1. Control de flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de flujo mediante parada y espera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de flujo mediante ventana deslizante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Control de errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARQ con parada y espera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARQ con vuelta atrás N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARQ con rechazo selectivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Control del enlace de datos de alto nivel (HDLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estructura de trama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Lecturas recomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apéndice 7A. Análisis de prestaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control del flujo mediante parada y espera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control del flujo sin errores mediante ventana deslizante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Contenido

XIII
249 251 251 256 257 258 258 260 263 265 268 268 270 274 275 275 277 278 278 279 279 280 280 280 281 281 285 286 287 288 290 292 292 293 294 297 297 299 300 301 301 301 301

Capítulo 8. Multiplexación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1. Multiplexación por división en frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de portadora analógica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multiplexación por división en la longitud de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Multiplexación por división en el tiempo síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control del enlace en TDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de portadora digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SONET/SDH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3. Multiplexación por división en el tiempo estadística . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prestaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cable-módem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4. Línea de abonado digital asimétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diseño ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multitono discreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5. xDSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Línea de abonado digital de alta velocidad (HDSL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Línea de abonado digital de una sola línea (SDSL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Línea de abonado digital de muy alta velocidad (VDSL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6. Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo 9. Espectro expandido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.1. El concepto de espectro expandido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2. Espectro expandido por salto de frecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquema básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FHSS usando MFSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Análisis de prestaciones de FHSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3. Espectro expandido de secuencia directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DSSS usando BPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Análisis de prestaciones de DSSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4. Acceso múltiple por división de código . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principios básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CDMA para espectro expandido de secuencia directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5. Lecturas recomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XIV

Contenido

PARTE III Redes de área amplia Capítulo 10. Conmutación de circuitos y de paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1. 10.2. 10.3. Redes conmutadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes de conmutación de circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conceptos de conmutación de circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conmutación por división en el espacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conmutación por división en el tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Señalización de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funciones de señalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Localización de la señalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Señalización por canal común . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema de señalización número 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura de conmutación lógica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principios de conmutación de paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Técnica de conmutación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tamaño de paquete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparación de las técnicas de conmutación de circuitos y de paquetes . . . . . . . . . . . . . X.25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Retransmisión de tramas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fundamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura de protocolos en retransmisión de tramas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transferencia de datos de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 311 312 315 317 319 319 320 322 322 326 329 330 331 334 336 339 341 341 342 343 345 346 346 346 347 349 350 351 353 354 355 356 356 358 360 362 362 364 365 365 366

10.4.

10.5. 10.6.

10.7. 10.8.

10.9.

10.10. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capítulo 11. Modo de transferencia asíncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1. 11.2. Arquitectura de protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conexiones lógicas ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uso de conexiones de canal virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características camino virtual/canal virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Señalización de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Celdas ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formato de cabecera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de flujo genérico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de errores de cabecera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmisión de celdas ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capa física basada en celdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capa física basada en SDH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Clases de servicios ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios en no tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.3.

11.4.

11.5.

Contenido

XV
368 368 370 375 376 376 376 376 379 380 382 382 386 391 397 397 398 401 401 401 401 402 402 407 409 410 412 413 414 414 415 415 416 417 417 417 418 418 420 423 424 424 425 426

11.6.

Capa de adaptación ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios AAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolos AAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.7. 11.8.

Capítulo 12. Encaminamiento en redes conmutadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1. 12.2. Encaminamiento en redes de conmutación de circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Encaminamiento en redes de conmutación de paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estrategias de encaminamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Algoritmos de mínimo coste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Algoritmo de Dijkstra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Algoritmo de Bellman-Ford . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas recomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12.3.

12.4. 12.5.

Capítulo 13. Congestión en redes de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1. Efectos de la congestión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamiento ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamiento real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de congestión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contrapresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paquetes de obstrucción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Señalización implícita de congestión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Señalización explícita de congestión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gestión de tráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Imparcialidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Calidad de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reservas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de congestión en redes de conmutación de paquetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de congestión en retransmisión de tramas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gestión de la tasa de tráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prevención de congestión mediante señalización explícita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gestión de tráfico en ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Requisitos para el control de tráfico y de congestión en ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efectos de latencia/velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variación del retardo de celdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13.2.

13.3.

13.4. 13.5.

13.6.

XVI

Contenido

Control de tráfico y de congestión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Técnicas de gestión de tráfico y de control de congestión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.7. Gestión de tráfico GFR en ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismos de soporte de tasas garantizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definición de adecuación GFR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismo para la comprobación de elegibilidad de QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas recomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes celulares inalámbricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

429 430 436 437 438 439 439 441 441 441 441 445 446 446 451 454 456 460 460 461 461 461 462 462 463 464 464 467 470 471 472 473 474 474 475 475

13.8. 13.9.

Capítulo 14. 14.1.

Principios de redes celulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Organización de una red celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamiento de sistemas celulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efectos de propagación en radio móvil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desvanecimiento en entornos móviles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primera generación analógica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Asignación espectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Canales de control en AMPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CDMA de segunda generación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas celulares de primera y segunda generación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acceso múltiple por división de código . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Consideraciones de diseño de CDMA móvil inalámbrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IS-95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enlace de ida en IS-95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enlace de retorno en IS-95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de tercera generación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interfaces alternativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Consideraciones de diseño de CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PARTE IV Redes de área local

14.2.

14.3.

14.4.

14.5. 14.6.

Capítulo 15. Visión general de las redes de área local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1. Aplicaciones de las redes LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes LAN de computadores personales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes de respaldo y almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes ofimáticas de alta velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes LAN troncales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

479 480 480 481 483 483

Contenido

XVII
484 484 488 489 489 490 492 495 497 498 499 500 502 504 504 505 508 510 510 510 510 511 513 515 516 516 522 513 526 519 530 530 532 534 535 536 537 537 539 539 540 540 541 541

15.2.

Topologías y medios de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Topologías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elección de la topología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elección del medio de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura de protocolos de redes LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelo de referencia IEEE 802 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control del enlace lógico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de acceso al medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Puentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funciones de los puentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura de protocolos de los puentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Encaminamiento estático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Técnica del árbol de expansión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conmutadores de la capa 2 y la capa 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Concentradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conmutadores de la capa 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conmutadores de la capa 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15.3.

15.4.

15.5.

15.6. 15.7.

Capítulo 16. Redes LAN de alta velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1. 16.2. Surgimiento de las redes LAN de alta velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de acceso al medio en IEEE 802.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Especificaciones IEEE 802.3 10 Mbps (Ethernet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Especificaciones IEEE 802.3 100 Mbps (Fast Ethernet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gigabit Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ethernet de 10 Gpbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anillo con paso de testigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamiento del anillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de acceso al medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opciones de medios de transmisión en IEEE 802.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Canal de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elementos del canal de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura de protocolos del canal de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Medios físicos y topologías del canal de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perspectivas del canal de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16.3.

16.4.

16.5. 16.6.

XVIII

Contenido

Apéndice 16A. Codificación de señales digitales para redes LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4B/5B-NRZI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MLT-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8B6T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8B/10B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apéndice 16B. Análisis de prestaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efecto del retardo de propagación y la velocidad de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelos sencillos de eficiencia para las técnicas de paso de testigo y CSMA/CD . . . . . Capítulo 17. Redes LAN inalámbricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1. Visión general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones de las redes LAN inalámbricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Requisitos de las redes LAN inalámbricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tecnología LAN inalámbrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes LAN de infrarrojos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes LAN de espectro expandido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redes LAN de microondas de banda estrecha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura y servicios de IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura de IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios de IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de acceso al medio en IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entrega fiable de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trama MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capa física de IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capa física original de IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IEEE 802.11a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IEEE 802.11b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IEEE 802.11g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave y cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PARTE V Protocolos de interconexión Capítulo 18. Protocolos de interconexión de redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1. Funciones básicas de los protocolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Encapsulamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fragmentación y reensamblado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de conexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entrega ordenada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direccionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multiplexación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

543 543 545 546 548 548 549 552 557 558 558 561 563 563 565 566 567 567 569 572 572 573 577 579 580 581 581 581 582 583 583 583

17.2.

17.3.

17.4.

17.5.

17.6. 17.7.

587 588 589 589 590 592 592 592 593 595 596

Contenido

XIX
597 598 599 600 601 603 608 608 609 611 614 617 617 619 620 623 624 626 626 627 627 628 628 628 628 631 633 635 638 642 642 644 645 651 654 654 657 658 659 662 663 665 666 668 670 672

18.2.

Principios de la interconexión entre redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enfoques sobre la arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interconexión entre redes sin conexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionamiento de un esquema de interconexión no orientado a conexión . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El protocolo Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direcciones IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo de mensajes de control de internet (ICMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IP de nueva generación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estructura IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cabecera IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direcciones IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cabecera de opciones salto a salto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cabecera de fragmentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cabecera de encaminamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cabecera de opciones para el destino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18.3.

18.4.

18.5.

18.6. 18.7.

Capítulo 19. Funcionamiento de la interconexión de redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1. Multidifusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Requisitos para la multidifusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo de gestión de grupos de Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolos de encaminamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas autónomos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estrategias de encaminamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo de pasarela frontera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo del primer camino más corto disponible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura de servicios integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tráfico en Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enfoque ISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Componentes ISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios ISA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Disciplinas de atención de cola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo de reserva de recursos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios diferenciados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Octeto DS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configuración y funcionamiento de los DS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comportamiento por salto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.2.

19.3.

19.4.

XX

Contenido

19.5. 19.6.

Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolos de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

674 676 676 677 677 679 680 681 689 699 699 699 703 705 707 707 714 716 718 718 718 718 719 723 725 725 726 726 727 728 732 733 735 735 735 739 740 742 742 744 745 748 749 749 750

Capítulo 20. 20.1.

Mecanismos de los protocolos de transporte orientados a conexión . . . . . . . . . . . . . . . . Servicio de red de entrega ordenada fiable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicio de red no fiable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servicios TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formato de la cabecera TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismos TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Opciones en los criterios de implementación de TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de congestión de TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gestión de temporizadores de retransmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gestión de ventana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas recomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20.2.

20.3.

20.4. 20.5. 20.6.

Capítulo 21. Seguridad en redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1. Requisitos de seguridad y ataques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ataques pasivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ataques activos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Privacidad con cifrado simétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cifrado simétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Algoritmos de cifrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Localización de los dispositivos de cifrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Distribución de claves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relleno de tráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Autenticación de mensajes y funciones de dispersión («hash») . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alternativas para la autenticación de mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funciones de dispersión seguras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La función de dispersión segura SHA-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cifrado de clave pública y firmas digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cifrado de clave pública . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Firma digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El algoritmo de cifrado de clave pública RSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gestión de claves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capa de sockets segura (SSL) y capa de transporte segura (TLS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arquitectura SSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo de registro de SSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21.2.

21.3.

21.4.

21.5.

Contenido

XXI
751 752 752 754 754 755 755 756 758 759 759 759 760

Protocolo de cambio de especificación de cifrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo de alerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo de negociación bilateral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.6. Seguridad en IPv4 e IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaciones de IPSec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ámbito de IPSec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Asociaciones de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cabecera de autenticación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Encapsulado de la carga útil de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21.7. 21.8.

Capítulo 22. Aplicaciones distribuidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1. Correo electrónico-SMTP y MIME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo simple de transferencia de correo (SMTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Extensiones multipropósito de correo electrónico (MIME) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo de transferencia de hipertexto (HTTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Descripción general de HTTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mensajes de solicitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mensajes de respuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gestión de red-SNMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de gestión de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo simple de gestión de red, versión 1 (SNMPv1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo simple de gestión de red, versión 2 (SNMPv2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protocolo simple de gestión de red, versión 3 (SNMPv3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecturas y sitios web recomendados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Términos clave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuestiones de repaso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

763 764 765 772 780 780 784 786 790 792 793 794 794 798 803 804 805 805 805 805 807 809 809 810 810 813 815

22.2.

22.3.

22.4. 22.5.

Apéndice A. RFC citados en este libro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apéndice B. Análisis de Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.1. Desarrollo en serie de Fourier para señales periódicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2. Transformada de Fourier para señales no periódicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Densidad de potencia espectral y ancho de banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.3. Lecturas recomendadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Apéndice C. Programación de sockets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XXII

Contenido

Apéndice D. Proyectos para la enseñanza de comunicaciones de datos y redes de computadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D.1. Proyectos de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D.2. Modelado de rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D.3. Proyectos de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D.4. Trabajos de lecturas y elaboración de informes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Índice alfabético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

817 817 818 819 819 821 831 839

PA R T E I

Prólogo
OBJETIVOS

Este libro intenta proporcionar una visión unificada del amplio campo que comprenden las comunicaciones y redes de computadores. La organización del libro refleja un intento de estructurar este vasto campo en partes comprensibles y de construir, poco a poco, una visión panorámica de su estado actual. El libro destaca principios básicos y temas de importancia fundamental que conciernen a la tecnología y arquitectura de esta área, proporcionando, además, una discusión detallada de temas de vanguardia. Para unificar la discusión, se utilizan los siguientes criterios básicos: Principios. A pesar de que el alcance de este libro es muy amplio, hay varios principios básicos que aparecen repetidamente como temas y que unifican el campo. Por ejemplo, la multiplexación, el control de flujo y el control de errores. El libro destaca estos principios y contrasta su aplicación en áreas específicas de la tecnología. Aproximaciones de diseño. El libro examina distintos enfoques alternativos para satisfacer especificaciones concretas de comunicaciones. Normalizaciones. Las normalizaciones han llegado a asumir un papel en el campo importante y creciente e, incluso, dominante. Para entender el estado actual de la tecnología, y su evolución futura, se requiere una discusión amplia de las normalizaciones relacionadas con el campo.

ESTRUCTURA DEL TEXTO El libro se encuentra estructurado en cinco partes1: I. Introducción: incluye una introducción al abanico de los distintos temas abordados en el libro. Además, esta parte incluye una discusión sobre protocolos OSI y el conjunto de protocolos TCP/IP.
1 N. del editor: en la edición inglesa resulta evidente que, por error, se omite la relación de partes del libro. Las relacionadas aquí están extraídas de la sexta edición, ya que son las mismas.

XXIV

Prólogo

II. Comunicaciones de datos: ésta parte se refiere principalmente al intercambio de datos entre dos dispositivos directamente conectados. Dentro de esta situación restrictiva, se examinan los aspectos clave de la transmisión, interfaces, control de enlace y multiplexación. III. Redes de área amplia: ésta parte examina los mecanismos internos y la tecnología que se han desarrollado para admitir voz, datos y comunicaciones multimedia en redes que cubren grandes distancias. Se examinan las tecnologías tradicionales de conmutación de paquetes y conmutación de circuitos, así como la más reciente de ATM. Un capítulo independiente se dedica a los temas de control de congestión. IV. Redes de área local: ésta parte explora las tecnologías y arquitecturas que se han desarrollado para la interconexión de redes en distancias más cortas. Se analizan los medios de transmisión, las topologías y los protocolos de control de acceso al medio, que son los ingredientes clave del diseño LAN, y se estudian sistemas específicos LAN normalizados. V. Protocolos de red: ésta parte explora tanto los principios arquitectónicos como los mecanismos requeridos para el intercambio de datos entre computadores, estaciones de trabajo, servidores y otros sistemas de procesamiento de datos. Gran parte del material de esta sección se refiere al conjunto de protocolos TCP/IP. Adicionalmente, el libro incluye un extenso glosario, una lista de los acrónimos más frecuentemente usados y una bibliografía. Cada capítulo incluye ejercicios y sugerencias de lecturas complementarias. El libro va dirigido a una audiencia tanto académica como profesional. Para los profesionales interesados en este campo, el libro sirve como obra de referencia básica y es adecuado para autoestudio. Como libro de texto, puede usarse para un curso de uno o dos semestres. Comprende material descrito en el curso de «Redes de comunicaciones entre computadores» del ACM/IEEE Computing Curricula 2001. Los capítulos y partes del libro son suficientemente modulares como para proporcionar gran flexibilidad en la estructuración de cursos. A continuación, se proporcionan algunas sugerencias para diseñar un curso: Fundamentos de comunicaciones de datos: Partes I (introducción) y II (comunicaciones de datos) y Capítulos 10 y 11 (conmutación de circuitos, conmutación de paquetes y ATM). Redes de comunicaciones: si el estudiante tiene conocimientos básicos de comunicaciones de datos, este curso podría comprender: Parte I (introducción), Parte III (WAN) y Parte IV (LAN). Redes de computadores: si el estudiante dispone de conocimientos básicos de comunicaciones de datos, entonces este curso podría incluir: Parte I (introducción), Capítulos 6 y 7 (interfaces de comunicaciones de datos y control de enlace de datos) y la Parte V (protocolos). Además, es posible un curso más profundo, comprendiendo la totalidad del libro salvo ciertos capítulos que no son esenciales en una primera lectura. Los capítulos que podrían ser opcionales son: los Capítulos 3 (transmisión de datos) y 4 (medios de transmisión), si el alumno tiene unos conocimientos básicos sobre estos temas; el Capítulo 8 (multiplexación); el Capítulo 9 (espectro expandido); los Capítulos 12 a 14 (encaminamiento, control de congestión y redes celulares); el Capítulo 18 (interconexión de redes) y el Capítulo 21 (seguridad en redes).

Prólogo

XXV

SERVICIOS INTERNET PARA PROFESORES Y ESTUDIANTES Existe un sitio web para este libro que proporciona ayuda para los estudiantes y profesores. El sitio incluye enlaces a otros lugares relevantes, transparencias con las figuras del libro e información para suscribirse a una lista de distribución de correo de Internet con información sobre este libro. La dirección web de la página es williamstallings.com/DCC/DCC7e.html (véase la sección «Página web para comunicaciones de datos y redes de computadores» que precede a la tabla de contenidos para mayor información). También se ha establecido una lista de distribución de Internet para que los profesores que usen este libro puedan intercambiar información, sugerencias y preguntas entre ellos y con el autor. Tan pronto como se detecten errores tipográficos o de otro tipo se incluirá una fe de erratas del libro en williamstallings.com. PROYECTOS PARA LA ENSEÑANZA DE COMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORES Para muchos profesores, un componente importante de un curso de comunicaciones y redes de computadores es un proyecto o conjunto de proyectos con los que el estudiante vaya adquiriendo experiencia práctica para reforzar los conceptos del texto. Este libro proporciona un grado incomparable de apoyo, ya que incluye una sección de proyectos en el curso. El manual del profesor no sólo incluye una guía de cómo asignar y estructurar los proyectos, sino también un conjunto de proyectos propuestos que abarcan un amplio rango de la materia de este texto, entre los que se encuentran proyectos de investigación, proyectos de simulación, proyectos de modelado analítico y asignación de informes de recopilación bibliográfica. Para más detalles puede verse el Apéndice D. PROGRAMACIÓN DE SOCKETS El libro incluye una breve descripción de los sockets (Apéndice C), junto con una descripción más detallada en el sitio web del libro. El manual del profesor incluye un conjunto de proyectos de programación. La programación de sockets es un aspecto «sencillo» que puede resultar en proyectos prácticos altamente satisfactorios para los alumnos. NOVEDADES EN LA SÉPTIMA EDICIÓN La séptima edición ve la luz menos de 4 años después de la publicación de la sexta edición. Durante este tiempo, el ritmo de los cambios continúa sin disminuir. En esta nueva edición, he tratado de captar estas innovaciones, manteniendo a la vez una visión amplia y comprensible del campo completo. Para realizar este proceso de revisión, la sexta edición fue ampliamente revisada por diversos profesores que imparten esta materia. El resultado es que, en muchos sitios, la narración ha sido clarificada y ajustada, así como mejoradas las ilustraciones. También se han añadido nuevos «problemas de campo». Más allá de estos refinamientos para mejorar la pedagogía y el uso cómodo del libro, se han introducido algunos cambios relevantes a lo largo del mismo. Cada capítulo ha sido revisado, se han añadido nuevos capítulos y se ha modificado la organización global del libro. Los cambios más notables son los siguientes: Comunicaciones inalámbricas y redes. Se ha incrementado significativamente la cantidad de material dedicado a las comunicaciones, redes y estándares inalámbricos. El libro dedica

XXVI

Prólogo

ahora un capítulo a la tecnología de espectro expandido, otro a las redes celulares inalámbricas y otro a las LAN inalámbricas. Ethernet Gigabit. La discusión sobre Ethernet Gigabit ha sido actualizada y se ha añadido una introducción a Ethernet a 10 Gbps. Servicios diferenciados. Se han realizado desarrollos sustanciales desde la publicación de la sexta edición en mejoras a Internet para dar soporte a una variedad de tráfico multimedia y sensible a retardos. El desarrollo más importante, y quizá el vehículo más importante para proporcionar QoS a las redes basadas en IP, lo constituyen los servicios diferenciados (DS, Differentiated services). Esta edición proporciona un minucioso estudio de DS. Tasa de tramas garantizada (GFR, Guaranteed Frame Rate). Desde la sexta edición, se ha estandarizado un nuevo servicio ATM, denominado GFR. GFR ha sido específicamente diseñado para las subredes troncales IP. Esta edición proporciona una explicación de GFR y examina los mecanismos subyacentes en el servicio GFR. Conmutación de etiqueta multiprotocolo (MPLS, Multiprotocol Label Switching). MPLS ha emergido como una tecnología de gran importancia en Internet, siendo cubierta en esta edición. Detalles TCP/IP. Se ha añadido un nuevo capítulo básico sobre TCP e IP, reuniendo material diseminado en la sexta edición. Este material es vital para comprender la QoS y los aspectos de rendimiento de las redes basadas en IP. Además, a través del libro, la mayoría de los tópicos han sido actualizados para reflejar los desarrollos en normalizaciones y tecnología que han tenido lugar desde la publicación de la quinta edición. AGRADECIMIENTOS Esta nueva edición se ha beneficiado de la revisión de una serie de personas que han aportado su tiempo y conocimientos. Las siguientes personas han revisado todo o gran parte del manuscrito: Michael J. Donahoo (Universidad de Baylor), Gary Harbin (Universidad Estatal de Montana), Larry Owens (Universidad Estatal de California en Fresno), S. Hossein Hosseini (U. de WisconsinMilwaukee) y el Dr. Charles Baker (Universidad Metodista Sureña). Gracias también a las muchas personas que realizaron detalladas revisiones técnicas de un único capítulo: Dave Tweed, Bruce Lane, Denis McMahon, Charles Freund, Paul Hoadley, Stephen Ma, Sandeep Subramaniam, Dragan Cvetkovic, Fernando Gont, Neil Giles, Rajes Thundil y Rick Jones. Finalmente, me gustaría dar las gracias a los responsables de la publicación de este libro, todos los cuales realizaron su trabajo, como es habitual, de forma excelente. Esto incluye al personal de Prentice Hall, particularmente a mi editor, Alan Apt, su asistente Patrick Lindner y la directora de producción, Rose Kernan. También, a Jake Warde, de Warde Publishers, que gestionó los suplementos y revisiones, y a Patricia M. Daly, que realizó la maquetación.

CAPÍTULO 0

Guía del lector

0.1. Resumen del texto 0.2. Internet y recursos web Sitios web relacionados con el texto Otros sitios web Grupos de noticias USENET 0.3. Estándares

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Comunicaciones y redes de computadores

1111111111111111111111111111111
Este libro, y el correspondiente sitio web asociado, tienen por objeto de estudio una gran cantidad de materia. A continuación, se proporciona al lector información básica sobre los contenidos considerados a lo largo del texto.

1111111111111111111111111111111

0.1.

RESUMEN DEL TEXTO El libro se ha organizado en las cinco partes siguientes: Parte I. Visión general: presenta una introducción al extenso conjunto de temas abordados en el texto. Además, esta parte incluye una descripción general de las comunicaciones de datos y las redes, así como una discusión de los protocolos OSI y de la familia TCP/IP. Parte II. Comunicaciones de datos: esta parte está relacionada fundamentalmente con el intercambio de datos entre dos dispositivos conectados directamente entre sí. Dentro de este contexto restringido, se estudian los conceptos clave de transmisión, interfaces, control del enlace y multiplexación. Parte III. Redes de área amplia: en esta parte se estudian los mecanismos internos y las interfaces entre el usuario y la red, desarrollados para transmitir voz, datos y comunicaciones multimedia usando redes de larga distancia. Se examinan las tecnologías tradicionales de conmutación de paquetes y de circuitos, así como las tecnologías más recientes de ATM y WAN inalámbricas. Se dedica un capítulo independiente a las cuestiones relacionadas con el control de la congestión. Parte IV. Redes de área local: esta parte explora las tecnologías y arquitecturas desarrolladas para las redes de distancias más cortas. Se analizan los medios de transmisión, las topologías y los protocolos para el control del acceso al medio, los cuales son los ingredientes básicos del diseño LAN. Igualmente, se estudian sistemas LAN concretos que han sido normalizados. Parte V. Arquitectura de comunicaciones y protocolos: en esta parte se exploran tanto los principios arquitectónicos como los mecanismos necesarios para el intercambio de datos entre computadores, estaciones de trabajo, servidores y otros dispositivos de procesamiento. La mayor parte del material de este bloque está relacionado con la familia TCP/IP. Al principio de cada parte, se proporciona un resumen más detallado, capítulo a capítulo, de los contenidos abordados.

0.2.

INTERNET Y RECURSOS WEB Hay una serie de recursos disponibles en Internet y en la Web para complementar este texto que pueden ayudar al lector a estar actualizado respecto a los desarrollos llevados a cabo en este campo. SITIOS WEB RELACIONADOS CON EL TEXTO Se ha habilitado una página web para este libro, disponible en WilliamStallings.com/DCC/ DCC7e.html. Para obtener una descripción detallada de su contenido véase el esquema de dos páginas mostrado al principio del libro.

Guía del lector

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Tan pronto como se detecten erratas tipográficas o cualquier otra clase de errores, se publicarán en el mencionado sitio web. Por favor, comuniquen cualquier tipo de error detectado. En WilliamStallings.com se pueden encontrar listas de erratas para otros libros del autor, así como ofertas para su adquisición. El autor también mantiene un sitio web con recursos para estudiantes de computación en WilliamStallings.com/StudentSupport.html. El objetivo es proporcionar documentos, información y enlaces para los estudiantes de computación. Los enlaces se han estructurado en cuatro categorías: Matemáticas: incluye un repaso básico de matemáticas, una introducción a la teoría de colas, una introducción a los sistemas binario y decimal, así como enlaces a muchos sitios web relacionados con matemáticas. CÓMO (How-to): consejos y directrices para resolver problemas, escribir informes técnicos y preparar presentaciones técnicas. Recursos para investigación: enlaces a colecciones de artículos, informes técnicos y bibliografías relevantes. Miscelánea: Varios documentos y enlaces de utilidad. OTROS SITIOS WEB Hay una cantidad enorme de sitios web con información relacionada con los temas tratados en el libro. En los capítulos siguientes se pueden encontrar referencias de sitios web específicos en cada una de las secciones «Lecturas recomendadas». Debido a la tendencia que tienen las URL de cambiar frecuentemente, no han sido incluidas en este libro. Todos los sitios web citados a lo largo del libro pueden ser explorados a través de los correspondientes enlaces que se han habilitado en la página web del libro. Las siguientes páginas web son de interés general y están relacionadas con las comunicaciones y redes de computadores: El mundo de las redes: información y enlaces a recursos sobre comunicaciones de datos y redes. IETF: mantiene archivos relacionados con Internet y sobre las actividades de la IETF. Incluye una biblioteca de RFC y de borradores indexada por palabras clave, así como otros muchos documentos relacionados con Internet y sus protocolos asociados. Fabricantes: enlaces a miles de páginas web de fabricantes de hardware y software, así como un directorio telefónico de miles de empresas de computadores y redes. IEEE Communications Society: una buena forma de estar informado sobre congresos, publicaciones, etc. ACM Special Interest Group on Communications (SIGCOMM): una buena forma de estar informado sobre congresos, publicaciones, etc. Unión Internacional de Telecomunicaciones: contiene una lista de recomendaciones de la UIT-T, más información para la obtención de documentos de la UIT-T impresos o en CD-ROM. Organización Internacional de Estandarización (ISO): contiene una lista de normas ISO, más información sobre cómo obtener documentos ISO impresos o en CD-ROM. CommWeb: enlaces a fabricantes, tutoriales y otras informaciones de utilidad.

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Comunicaciones y redes de computadores

GRUPOS DE NOTICIAS USENET Existe una serie de grupos de noticias USENET dedicados a aspectos relacionados con la comunicación de datos, las redes y los protocolos. Como en casi todos los otros grupos USENET, en estos grupos hay una alta relación ruido-señal. A pesar de esto, vale la pena comprobar si algo se ajusta a sus necesidades. Los grupos más relevantes son: comp.dcom.lan, comp.dcom.lans.misc: discusiones genéricas sobre LAN; comp.dcom.lans.ethernet: acerca de Ethernet, de sistemas similares y de las normas IEEE 802.3 CSMA/CD; comp.std.wireless: debates sobre redes inalámbricas incluyendo, entre otras, LAN inalámbricas; comp.security.misc: seguridad en computadores y cifrado; comp.dcom.cell-relay: sobre ATM y LAN ATM; comp.dcom.frame-relay: sobre redes frame relay; comp.dcom.net-management: debates sobre aplicaciones de gestión de red, protocolos y estándares; comp.protocol.tcp-ip: sobre la familia TCP/IP.

0.3.

ESTÁNDARES En la industria de las comunicaciones, desde hace tiempo, se aceptó la necesidad de los estándares para definir las características físicas, eléctricas y de procedimiento de los equipos de comunicación. En el pasado, este punto de vista no era compartido por la industria de los computadores. Mientras que los fabricantes de equipos de comunicación comprendieron que sus equipos deberían, en general, interconectarse y comunicarse con equipos desarrollados por terceros, los fabricantes de computadores han venido intentando monopolizar a sus clientes. La proliferación de diferentes computadores y la generalización del procesamiento distribuido han desencadenado una situación insostenible. Los computadores de diferentes fabricantes deben comunicarse entre sí y, es más, dada la evolución actual en la normalización de los protocolos, los clientes no admiten ya tener que desarrollar o adquirir software para adaptar protocolos de uso específico. Como consecuencia, en la actualidad la normalización se está imponiendo en todas las áreas tecnológicas consideradas en este libro. Hay una serie de ventajas y desventajas en el proceso de estandarización. A continuación, se citan las más relevantes. Las principales ventajas son: La existencia de un estándar para un software o equipo dado asegura potencialmente un gran mercado. Esto estimula la producción masiva y, en algunos casos, el uso de integración a gran escala (LSI) o integración a muy gran escala (VLSI), reduciéndose así los costes. Un estándar permite que los productos de diferentes fabricantes se comuniquen, dotando al comprador de mayor flexibilidad en la selección y uso de los equipos. Las principales desventajas son: Los estándares tienden a congelar la tecnología. Mientras que un estándar se desarrolla, se revisa y se adopta, se pueden haber desarrollado otras técnicas más eficaces.

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Hay muchos estándares para la misma función. Este problema en realidad no es atribuible a la estandarización en sí, sino a la forma en la que se hacen las cosas. Afortunadamente, en los últimos años las organizaciones para la definición de estándares han comenzado a cooperar más estrechamente. No obstante, todavía hay áreas donde coexisten varios estándares en conflicto. A lo largo de este libro, se describen los estándares más importantes relacionados con las comunicaciones y los computadores. Se consideran tanto aquellos que en la actualidad están en uso, como los que están en fase de desarrollo. Para la promoción o desarrollo de estos estándares han participado decisivamente varias organizaciones. Las organizaciones más importantes de normalización (en este contexto) son las siguientes: La Asociación Internet: la Asociación Internet (ISOC, Internet SOCiety) es una asociación profesional formada por más de 150 organizaciones y 6.000 miembros individuales de más de 100 países. ISOC lidera el planteamiento de las cuestiones que afectan al futuro de Internet, a la vez que es el organismo en torno al cual se organizan los grupos responsables de la normalización en Internet. A ésta pertenecen, entre otros, el Comité de Arquitectura de Internet (IAB, Internet Architecure Board) y el Comité de Ingeniería de Internet (IETF, Internet Engineering Task Force). Todos los RFC y normas en Internet se desarrollan en estas organizaciones. IEEE 802: el Comité para las Normas 802 LAN/MAN de IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) desarrolla los estándares para las redes de área local y redes de área metropolitana. Los estándares más utilizados son los correspondientes a la familia Ethernet, token ring, LAN inalámbricas, interconexión con puentes y LAN virtuales con puentes. UIT-T: la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) es una organización internacional perteneciente a las Naciones Unidas en la que los gobiernos y el sector privado coordinan las redes y los servicios globales de telecomunicación. El Sector para la Normalización de las Telecomunicaciones (UIT-T) es uno de los tres sectores de la UIT. Su misión es la especificación de normas en el campo de las telecomunicaciones. El Forum ATM: el Forum ATM es una organización internacional sin ánimo de lucro cuyo objetivo es la promoción de los productos y servicios de ATM (Asynchronous Transfer Mode) mediante especificaciones interoperativas rápidamente convergentes. Además, el Forum promueve la cooperación industrial. ISO: La Organización Internacional de Estandarización (ISO1, International Organization for Standardization) es una federación mundial de organismos nacionales de normalización de más de 140 países, uno por cada uno de los países pertenecientes. ISO es una organización no gubernamental que promueve el desarrollo de la normalización y actividades relacionadas con la intención de facilitar el intercambio internacional de bienes y servicios, y el desarrollo de la cooperación en los ámbitos intelectual, científico, tecnológico y económico. El trabajo de ISO consiste en el establecimiento de acuerdos internacionales que se publican como Normas Internacionales. La web correspondiente a este texto contiene un documento con información más detallada acerca de estas organizaciones.

1 ISO no es en realidad el acrónimo (en su lugar debería ser literalmente IOS), sino una palabra derivada de la griega «isos», que significa igual.

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PARTE I

DESCRIPCIÓN GENERAL
CUESTIONES DE LA PARTE I

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l objetivo de la Parte I es definir los conceptos básicos, a la vez que especificar el contexto general en el que se desarrollará el resto del libro. En este capítulo se presenta un amplio espectro de cuestiones relacionadas con el campo de las redes y la transmisión de datos, además, se presentan los conceptos fundamentales relacionados con los protocolos y sus arquitecturas.

ESQUEMA DE LA PARTE I CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES DE DATOS Y REDES

El Capítulo 1 proporciona una descripción general de los contenidos abordados en las Partes II, III y IV del texto; en él se consideran todos los temas que se estudiarán posteriormente. Esencialmente, en el libro se estudian cuatro conceptos: las comunicaciones de datos a través del enlace de transmisión, las redes de área amplia, las redes de área local, y los protocolos y la arquitectura TCP/IP. El Capítulo 1 es una introducción a los tres primeros conceptos mencionados. CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE PROTOCOLOS

En el Capítulo 2 se estudia el concepto de arquitectura de protocolos. Este Capítulo se puede leer inmediatamente después del Capítulo 1, o bien se puede posponer hasta antes del comienzo de las Partes III, IV o V. Tras una introducción general, en este capítulo se estudian las dos arquitecturas más importantes: el modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI, Open System Interconnection) y el modelo TCP/IP. Aunque el modelo OSI se utiliza habitualmente como referencia para introducir los conceptos, la familia de protocolos TCP/IP es, con diferencia, la base de la mayoría de los productos comerciales. Ésta es la razón que justifica su consideración en la Parte V del presente texto.

CAPÍTULO 1

Introducción a las comunicaciones de datos y redes
1.1. Un modelo para las comunicaciones 1.2. Comunicaciones de datos 1.3. Redes Redes Redes Redes Redes de transmisión de datos de área amplia de área local inalámbricas de área metropolitana

1.4. Un ejemplo de configuración

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CUESTIONES BÁSICAS El objetivo de este texto es amplio y abarca tres grandes áreas: comunicaciones, redes y protocolos. Las dos primeras se presentan en este capítulo. El estudio de las comunicaciones aborda la transmisión de señales de forma tal que sea eficaz y segura. Entre otros aspectos, se estudiarán la transmisión y codificación de señales, los medios de transmisión, las interfaces, el control del enlace de datos y la multiplexación. En el estudio de las redes se abordará tanto la tecnología como los aspectos relacionados con las arquitecturas de redes de comunicación utilizadas para la interconexión de dispositivos. Esta materia se divide normalmente en redes de área local (LAN) y redes de área amplia (WAN).

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n torno a los años 1970 y 1980 se produjo una sinergia entre los campos de los computadores y las comunicaciones que desencadenó un cambio drástico en las tecnologías, productos y en las propias empresas que, desde entonces, se dedican conjuntamente a los sectores de los computadores y de las comunicaciones. La revolución experimentada en el sector de los computadores y las comunicaciones ha producido los siguientes hechos significativos: No hay grandes diferencias entre el procesamiento de datos (los computadores) y las comunicaciones de datos (la transmisión y los sistemas de conmutación). No hay diferencias fundamentales entre la transmisión de datos, de voz o de vídeo. Las fronteras entre computadores monoprocesador o multiprocesador, así como las existentes entre las redes de área local, metropolitanas y de área amplia, se han difuminado. Un efecto de esta tendencia ha sido el creciente solapamiento que se puede observar entre las industrias de las comunicaciones y de los computadores, desde la fabricación de componentes hasta la integración de sistemas. Otro resultado es el desarrollo de sistemas integrados que transmiten y procesan todo tipo de datos e información. Las organizaciones de normalización, tanto técnicas como tecnológicas, tienden hacia sistemas públicos integrados que hagan accesibles virtualmente todos los datos y fuentes de información de manera fácil y uniforme a escala mundial. El objetivo fundamental de este texto es proporcionar una visión unificada del vasto campo de las comunicaciones de datos y los computadores. La organización del libro refleja un intento de dividir esta extensa materia en partes coherentes, proporcionando a la vez una visión de su estado actual. Este capítulo introductorio comienza presentando un modelo general para las comunicaciones. Posteriormente, se presentan de forma sucinta las Partes II a IV. En el Capítulo 2 se resume la Parte V.

1.1.

UN MODELO PARA LAS COMUNICACIONES Comenzaremos nuestro estudio considerando el modelo sencillo de sistema de comunicación mostrado en la Figura 1.1a, en la que se propone un diagrama de bloques. El objetivo principal de todo sistema de comunicaciones es intercambiar información entre dos entidades. La Figura 1.1b muestra un ejemplo particular de comunicación entre una estación de

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Figura 1.1. Modelo simplificado para las comunicaciones.

trabajo y un servidor a través de una red telefónica pública. Otro posible ejemplo consiste en el intercambio de señales de voz entre dos teléfonos a través de la misma red anterior. Los elementos clave en este modelo son los siguientes: La fuente. Este dispositivo genera los datos a transmitir. Ejemplos de fuentes pueden ser un teléfono o un computador personal. El transmisor. Normalmente los datos generados por la fuente no se transmiten directamente tal y como son generados. Al contrario, el transmisor transforma y codifica la información, generando señales electromagnéticas susceptibles de ser transmitidas a través de algún sistema de transmisión. Por ejemplo, un módem convierte las cadenas de bits generadas por un computador personal y las transforma en señales analógicas que pueden ser transmitidas a través de la red de telefonía. El sistema de transmisión. Puede ser desde una sencilla línea de transmisión hasta una compleja red que conecte a la fuente con el destino. El receptor. El receptor acepta la señal proveniente del sistema de transmisión y la transforma de tal manera que pueda ser manejada por el dispositivo de destino. Por ejemplo, un módem captará la señal analógica de la red o línea de transmisión y la convertirá en una cadena de bits. El destino. Toma los datos del receptor. Aunque el modelo presentado pueda parecer aparentemente sencillo, en realidad implica una gran complejidad. Para hacerse una idea de la magnitud de ella, la Tabla 1.1 lista algunas de las tareas claves que se deben realizar en un sistema de comunicaciones. Esta relación es un tanto arbitraria ya que se podrían añadir elementos, mezclar ítems, etc; es más, algunos elementos representan tareas que se realizan en diferentes «niveles» del sistema. No obstante, la lista tal y como está es representativa del objeto de estudio de este texto. El primer ítem, denominado utilización del sistema de transmisión, se refiere a la necesidad de hacer un uso eficaz de los recursos utilizados en la transmisión, los cuales se suelen compartir habitualmente entre una serie de dispositivos de comunicación. La capacidad total del medio de transmisión se reparte entre los distintos usuarios haciendo uso de técnicas denominadas de

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TABLA 1.1. Tareas en los sistemas de comunicación. Utilización del sistema de transmisión Implementación de la interfaz Generación de la señal Sincronización Gestión del intercambio Detección y corrección de errores Control de flujo Direccionamiento Encaminamiento Recuperación Formato de mensajes Seguridad Gestión de red

multiplexación. Además, puede que se necesiten técnicas de control de congestión para garantizar que el sistema no se sature por una demanda excesiva de servicios de transmisión. Para que un dispositivo pueda transmitir información tendrá que hacerlo a través de la interfaz con el medio de transmisión. Todas las técnicas de transmisión presentadas en este libro dependen, en última instancia, de la utilización de señales electromagnéticas que se transmitirán a través del medio. Así, una vez que la interfaz está establecida, será necesaria la generación de la señal. Las características de la señal, como la forma y la intensidad, deben ser tales que permitan 1) que la señal se propague a través del medio de transmisión y que 2) se interprete en el receptor como datos. Las señales se deben generar no sólo considerando que deben cumplir los requisitos del sistema de transmisión y del receptor, sino que también deben permitir alguna forma de sincronizar el receptor y el emisor. El receptor debe ser capaz de determinar cuándo comienza y cuándo acaba la señal recibida. Igualmente, deberá conocer la duración de cada elemento de señal. Además de las cuestiones básicas referentes a la naturaleza y temporización de las señales, se necesitará verificar un conjunto de requisitos que se pueden englobar bajo el término gestión del intercambio. Si se necesita intercambiar datos durante un periodo de tiempo, las dos partes deben cooperar. Por ejemplo, para los dos elementos que intervienen en una conversación de telefonía (emisor y receptor), uno de ellos deberá marcar el número del otro, dando lugar a una serie de señales que harán que el otro teléfono suene. En este ejemplo el receptor establecerá la llamada descolgando el auricular. En los dispositivos para el procesamiento de datos se necesitarán ciertas convenciones además del simple hecho de establecer la conexión. Por ejemplo, se deberá establecer si ambos dispositivos pueden transmitir simultáneamente o deben hacerlo por turnos, se deberá decidir la cantidad y el formato de los datos que se transmiten cada vez y se deberá especificar qué hacer en caso de que se den ciertas contingencias, como por ejemplo la detección de un error. Los dos ítems siguientes podrían considerarse dentro de la gestión del intercambio, pero, debido a su importancia, se consideran por separado. En todos los sistemas de comunicación es posible que aparezcan errores; ya que la señal transmitida se distorsiona siempre (por poco que sea) antes de alcanzar su destino. Por tanto, en circunstancias donde no se puedan tolerar, se necesitarán procedimientos para la detección y corrección de errores. Éste es habitualmente el caso en los sistemas para el procesamiento de datos, así por ejemplo, si se transfiere un fichero desde un computador a otro, no sería aceptable que el contenido del fichero se modificara accidentalmente. Por otra parte, para evitar que la fuente no sature el destino transmitiendo datos más rápidamente de lo que el receptor pueda procesar y absorber, se necesitan una serie de procedimientos denominados control de flujo. Conceptos relacionados pero distintos a los anteriores son el direccionamiento y el encaminamiento. Cuando cierto recurso de transmisión se comparte con más de dos dispositivos, el sistema fuente deberá, de alguna manera, indicar la identidad del destino. El sistema de transmisión deberá

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garantizar que ese destino, y sólo ése, recibe los datos. Es más, el sistema de transmisión puede ser una red en la que exista la posibilidad de usar más de un camino para alcanzar el destino; en este caso se necesitará, por tanto, la elección de una de entre las posibles rutas. La recuperación es un concepto distinto a la corrección de errores. En ciertas situaciones en las que el intercambio de información, por ejemplo una transacción de una base de datos o la transferencia de un fichero, se vea interrumpido por algún fallo, se necesitará un mecanismo de recuperación. El objetivo será, pues, o bien ser capaz de continuar transmitiendo desde donde se produjo la interrupción, o, al menos, recuperar el estado en el que se encontraban los sistemas involucrados antes de comenzar el intercambio. El formato de mensajes está relacionado con el acuerdo que debe existir entre las dos partes respecto al formato de los datos intercambiados, como por ejemplo, el código binario usado para representar los caracteres. Además, frecuentemente es necesario dotar al sistema de algunas medidas de seguridad. El emisor puede querer asegurarse de que sólo el destino deseado reciba los datos. Igualmente, el receptor querrá estar seguro de que los datos recibidos no se han alterado en la transmisión y que dichos datos realmente provienen del supuesto emisor. Por último, todo el sistema de comunicación es lo suficientemente complejo como para ser diseñado y utilizado sin más, es decir, se necesitan funcionalidades de gestión de red para configurar el sistema, monitorizar su estado, reaccionar ante fallos y sobrecargas y planificar con acierto los crecimientos futuros. Como se ha visto, de la aproximación simplista de partida hemos formulado una lista más extensa y elaborada de tareas involucradas en todo el proceso de la comunicación. A lo largo de este libro esta lista se estudiará en profundidad, describiendo todo el conjunto de tareas y actividades que pueden englobarse genéricamente bajo los términos comunicación de datos y redes de computadores. 1.2. COMUNICACIONES DE DATOS Tras el estudio de la Parte I, el libro se ha estructurado en cuatro partes adicionales. La segunda parte aborda, fundamentalmente, los temas relacionados con las funciones de comunicación, centrándose en la transmisión de señales de una forma fiable y eficiente. Intencionadamente dicha Parte II se ha titulado «Comunicaciones de datos», aunque con ese término se alude a algunos, o incluso a todos los tópicos de las restantes partes (de la III a la V). Para explicar todos los conceptos abordados en la Parte II, la Figura 1.2 muestra una perspectiva novedosa del modelo tradicional para las comunicaciones de la Figura 1.1a. Dicha figura se explica a continuación, paso a paso, con la ayuda de un ejemplo: la aplicación de correo electrónico. Supóngase que tanto el dispositivo de entrada como el transmisor están en un computador personal. Y que, por ejemplo, el usuario de dicho PC desea enviar el mensaje m a otro. El usuario activa la aplicación de correo en el PC y compone el mensaje con el teclado (dispositivo de entrada). La cadena de caracteres se almacenará temporalmente en la memoria principal como una secuencia de bits (g). El computador se conecta a algún medio de transmisión, por ejemplo una red local o una línea de telefonía, a través de un dispositivo de E/S (transmisor), como por ejemplo un transceptor en una red local o un módem. Los datos de entrada se transfieren al transmisor como una secuencia de niveles de tensión [g(t)] que representan los bits en algún tipo de bus de comunicaciones o

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Figura 1.2. Modelo simplificado para las comunicaciones de datos.

cable. El transmisor se conecta directamente al medio y convierte la cadena [g(t)] en la señal a transmitir [s(t)]. En el Capítulo 5 se describirán las distintas alternativas para esta conversión. Al transmitir s(t) a través del medio, antes de llegar al receptor, aparecerán una serie de dificultades que se estudiarán en el Capítulo 3. Por tanto, la señal recibida r(t) puede diferir de alguna manera de la transmitida s(t). El receptor intentará estimar la señal original s(t), a partir de la señal r(t) y de su conocimiento acerca del medio, obteniendo una secuencia de bits gñ(t). Estos bits se envían al computador de salida, donde se almacenan temporalmente en memoria como un bloque de bits gñ. En muchos casos, el destino intentará determinar si ha ocurrido un error y, en su caso, cooperar con el origen para, eventualmente, conseguir el bloque de datos completo y sin errores. Los datos, finalmente, se presentan al usuario a través del dispositivo de salida, que por ejemplo puede ser la impresora o la pantalla de su terminal. El mensaje recibido por el usuario (mñ) será normalmente una copia exacta del mensaje original (m). Consideremos ahora una conversación usando el teléfono. En este caso, la entrada al teléfono es un mensaje (m) consistente en una onda sonora. Dicha onda se convierte en el teléfono en señales eléctricas con los mismos componentes en frecuencia. Estas señales se transmiten sin modificación a través de la línea telefónica. Por tanto, la señal de entrada g(t) y la señal transmitida s(t) son idénticas. La señal s(t) sufrirá algún tipo de distorsión a través del medio, de tal manera que r(t) no será idéntica a s(t). No obstante, la señal r(t) se convierte recuperando una onda sonora, sin aplicar ningún tipo de corrección o mejora de la calidad. Por tanto, mñ no será una réplica exacta de m. Sin embargo, el mensaje sonoro recibido es normalmente comprensible por el receptor. En el ejemplo anterior no se han considerado otros aspectos fundamentales en las comunicaciones de datos, como lo son las técnicas de control del enlace, necesarias para regular el flujo de datos, o como la detección y corrección de errores. Tampoco se han considerado las técnicas de multiplexación, necesarias para conseguir una utilización eficaz del medio de transmisión. Todos estos aspectos se estudian en la Parte II. 1.3. REDES DE TRANSMISIÓN DE DATOS A veces no es práctico que dos dispositivos de comunicaciones se conecten directamente mediante un enlace punto a punto. Esto es debido a alguna (o a las dos) de las siguientes circunstancias: Los dispositivos están muy alejados. En este caso no estaría justificado, por ejemplo, utilizar un enlace dedicado entre dos dispositivos que puedan estar separados por miles de kilómetros.

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Hay un conjunto de dispositivos que necesitan conectarse entre ellos en instantes de tiempo diferentes. Un ejemplo de esta necesidad es la red de teléfonos mundial o el conjunto de computadores pertenecientes a una compañía. Salvo el caso de que el número de dispositivos sea pequeño, no es práctico utilizar un enlace entre cada dos. La solución a este problema es conectar cada dispositivo a una red de comunicación. Para clasificar las redes tradicionalmente se consideran dos grandes categorías: las redes de área amplia (WAN, Wide Area Networks) y las redes de área local (LAN, Local Area Networks). Las diferencias entre estas dos categorías son cada vez más difusas, tanto en términos tecnológicos como de posibles aplicaciones; no obstante, es una forma natural y didáctica de organizar su estudio, por lo que aquí se adoptará dicha clasificación.

REDES DE ÁREA AMPLIA Generalmente, se considera como redes de área amplia a todas aquellas que cubren una extensa área geográfica, requieren atravesar rutas de acceso público y utilizan, al menos parcialmente, circuitos proporcionados por una entidad proveedora de servicios de telecomunicación. Generalmente, una WAN consiste en una serie de dispositivos de conmutación interconectados. La transmisión generada por cualquier dispositivo se encaminará a través de estos nodos internos hasta alcanzar el destino. A estos nodos (incluyendo los situados en los contornos) no les concierne el contendido de los datos, al contrario, su función es proporcionar el servicio de conmutación, necesario para transmitir los datos de nodo en nodo hasta alcanzar su destino final. Tradicionalmente, las WAN se han implementado usando una de las dos tecnologías siguientes: conmutación de circuitos y conmutación de paquetes. Últimamente, se está empleando como solución la técnica de retransmisión de tramas ( frame relay), así como las redes ATM.

Conmutación de circuitos En las redes de conmutación de circuitos, para interconectar dos estaciones se establece un camino dedicado a través de los nodos de la red. El camino es una secuencia conectada de enlaces físicos entre nodos. En cada enlace, se dedica un canal lógico a cada conexión. Los datos generados por la estación fuente se transmiten por el camino dedicado tan rápido como se pueda. En cada nodo, los datos de entrada se encaminan o conmutan por el canal apropiado de salida sin retardos. El ejemplo más ilustrativo de la conmutación de circuitos es la red de telefonía.

Conmutación de paquetes Un enfoque diferente al anterior es el adoptado en las redes de conmutación de paquetes. En este caso, no es necesario hacer una asignación a priori de recursos (capacidad de transmisión) en el camino (o sucesión de nodos). Por el contrario, los datos se envían en secuencias de pequeñas unidades llamadas paquetes. Cada paquete se pasa de nodo en nodo en la red siguiendo algún camino entre la estación origen y la destino. En cada nodo, el paquete se recibe completamente, se almacena durante un breve intervalo y posteriormente se retransmite al siguiente nodo. Las redes de conmutación de paquetes se usan fundamentalmente para las comunicaciones terminal-computador y computador-computador.

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Retransmisión de tramas (frame relay ) La conmutación de paquetes se desarrolló en la época en la que los servicios de transmisión a larga distancia presentaban una tasa de error relativamente elevada, comparada con los servicios de los que se dispone actualmente. Por tanto, para compensar esos errores relativamente frecuentes, en los esquemas de conmutación de paquetes se realiza un esfuerzo considerable, que se traduce en añadir información redundante en cada paquete así como en la realización de un procesamiento extra, tanto en el destino final como en los nodos intermedios de conmutación, necesario para detectar los errores y, en su caso, corregirlos. Ahora bien, con los modernos sistemas de telecomunicación de alta velocidad, este esfuerzo adicional es innecesario e incluso contraproducente. Es innecesario ya que la tasa de errores se ha reducido drásticamente y los escasos errores que aparecen se pueden tratar en el sistema final mediante dispositivos que operan por encima del nivel de la lógica dedicada a la conmutación de paquetes. A su vez, es contraproducente ya que los bits redundantes introducen un desaprovechamiento de parte de la capacidad proporcionada por la red. La tecnología de retransmisión de tramas se ha desarrollado teniendo presente que las velocidades de transmisión disponibles en la actualidad son mayores, así como que las tasas de error actuales son menores. Mientras que las redes originales de conmutación de paquetes se diseñaron para ofrecer una velocidad de transmisión al usuario final de 64 kbps, las redes con retransmisión de tramas están diseñadas para operar eficazmente a velocidades de transmisión de usuario de hasta 2 Mbps. La clave para conseguir estas velocidades reside en eliminar la mayor parte de la información redundante usada para el control de errores y, en consecuencia, el procesamiento asociado. ATM El Modo de Transferencia Asíncrono (ATM, Asynchronous Transfer Mode), a veces denominado como modo de retransmisión de celdas (cell relay), es la culminación de todos los desarrollos en conmutación de circuitos y conmutación de paquetes. ATM se puede considerar como una evolución de la retransmisión de tramas. La diferencia más obvia entre retransmisión de tramas y ATM es que la primera usa paquetes de longitud variable, llamados «tramas», y ATM usa paquetes de longitud fija denominados «celdas». Al igual que en retransmisión de tramas, ATM introduce poca información adicional para el control de errores, confiando en la inherente robustez del medio de transmisión así como en la lógica adicional localizada en el sistema destino para detectar y corregir errores. Al utilizar paquetes de longitud fija, el esfuerzo adicional de procesamiento se reduce incluso todavía más que en retransmisión de tramas. El resultado es que ATM se ha diseñado para trabajar a velocidades de transmisión del orden de 10 a 100 Mbps, e incluso del orden de Gbps. ATM se puede considerar, a su vez, como una evolución de la conmutación de circuitos. En la conmutación de circuitos se dispone solamente de circuitos a velocidad fija de transmisión entre los sistemas finales. ATM permite la definición de múltiples canales virtuales con velocidades de transmisión que se definen dinámicamente en el instante en el que se crea el canal virtual. Al utilizar celdas de tamaño fijo, ATM es tan eficaz que puede ofrecer un canal a velocidad de transmisión constante aunque esté usando una técnica de conmutación de paquetes. Por tanto, en este sentido, ATM es una generalización de la conmutación de circuitos en la que se ofrecen varios canales, en los que la velocidad de transmisión se fija dinámicamente para cada canal según las necesidades.

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REDES DE ÁREA LOCAL Al igual que las redes WAN, una LAN es una red de comunicaciones que interconecta varios dispositivos y proporciona un medio para el intercambio de información entre ellos. No obstante, hay algunas diferencias entre las LAN y las WAN que se enumeran a continuación: 1. La cobertura de una LAN es pequeña, generalmente un edificio o, a lo sumo, un conjunto de edificios próximos. Como se verá más adelante, esta diferencia en cuanto a la cobertura geográfica condicionará la solución técnica finalmente adoptada. Es habitual que la LAN sea propiedad de la misma entidad propietaria de los dispositivos conectados a la red. En WAN, esto no es tan habitual o, al menos, una fracción significativa de recursos de la red son ajenos. Esto tiene dos implicaciones. La primera es que se debe cuidar mucho la elección de la LAN, ya que, evidentemente, lleva acarreada una inversión sustancial de capital (comparada con los gastos de conexión o alquiler de líneas en redes de área amplia) tanto en la adquisición como en el mantenimiento. Segunda, la responsabilidad de la gestión de la red local recae solamente en el usuario. Por lo general, las velocidades de transmisión internas en una LAN son mucho mayores que en una WAN.

2.

3.

Para las LAN hay muy diversas configuraciones. De entre ellas, las más habituales son las LAN conmutadas y las LAN inalámbricas. Dentro de las conmutadas, las más populares son las LAN Ethernet, constituidas por un único conmutador, o, alternativamente, implementadas mediante un conjunto de conmutadores interconectados entre sí. Otro ejemplo muy relevante son las LAN ATM, caracterizadas por utilizar tecnología de red ATM en un entorno local. Por último, son también destacables las LAN con canal de fibra (Fiber Channel). En las LAN inalámbricas se utilizan diversos tipos de tecnologías de transmisión y distintos tipos de configuraciones. Las LAN se estudian en profundidad en la Parte IV. REDES INALÁMBRICAS Como ya se ha mencionado, las LAN inalámbricas son bastante habituales, fundamentalmente en entornos de oficinas. La tecnología inalámbrica es también muy utilizada en redes de área amplia de voz y datos. Las redes inalámbricas proporcionan ventajas evidentes en términos de movilidad y facilidad de instalación y configuración. Las redes WAN y LAN inalámbricas se estudian, respectivamente, en los Capítulos 14 y 17. REDES DE ÁREA METROPOLITANA Como el propio nombre sugiere, las MAN (Metropolitan Area Network) están entre las LAN y las WAN. El interés en las MAN ha surgido tras ponerse de manifiesto que las técnicas tradicionales de conmutación y conexión punto a punto usadas en WAN, pueden ser no adecuadas para las necesidades crecientes de ciertas organizaciones. Mientras que la retransmisión de tramas y ATM prometen satisfacer un amplio espectro de necesidades en cuanto a velocidades de transmisión, hay situaciones, tanto en redes privadas como públicas, que demandan gran capacidad a coste reducido en áreas relativamente grandes. Para tal fin se han implementado una serie de soluciones, como por ejemplo las redes inalámbricas o las extensiones metropolitanas de Ethernet. El principal mercado para las MAN lo constituyen aquellos clientes que necesitan alta capacidad en un área metropolitana. Las MAN están concebidas para satisfacer estas necesidades de capacidad a un coste reducido y con una eficacia mayor que la que se obtendría mediante una compañía local de telefonía para un servicio equivalente.

18 1.4.

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UN EJEMPLO DE CONFIGURACIÓN Para dar una idea de conjunto de los objetivos de las Partes II, III y IV del texto, en la Figura 1.3 se muestra un escenario de comunicación típico junto con los elementos constituyentes de una red de las usadas en la actualidad. En la esquina superior izquierda, se puede encontrar un usuario residencial conectado a Internet a través de un proveedor de acceso a Internet o, del inglés, ISP (Internet Service Provider) mediante algún tipo de conexión de abonado. Ejemplos habituales para esa conexión son la red pública de telefonía, para lo que el usuario necesitaría un módem (generalmente a 56 Kbps); una línea digital de abonado, DSL (Digital Subscriber Line), tecnología que proporciona un enlace de alta velocidad a través de líneas de telefonía mediante el uso de un

Figura 1.3. Una configuración de red.

Introducción a las comunicaciones de datos y redes

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módem especial DSL; o un acceso de TV por cable, tecnología que requeriría un cable módem. En cualquier caso, quedan por estudiar, entre otras, cuestiones como la codificación de la señal, el control de errores o la estructura interna de la red de acceso del abonado. Generalmente, un ISP estará formado por un conjunto de servidores interconectados entre sí (aunque se muestra sólo un servidor) y conectados a Internet a través de un enlace de alta velocidad. Este enlace puede ser, por ejemplo, una línea SONET (Synchronous Optical NETwork), estudiada en el Capítulo 8. Internet está formada por una serie de encaminadores interconectados a lo largo de todo el globo terrestre. Los encaminadores transmiten los paquetes de datos desde el origen al destino a través de Internet. La parte inferior de la Figura 1.3 muestra una LAN implementada con un único conmutador Ethernet. Esta configuración es muy habitual en negocios, oficinas o cualquier tipo de organización de dimensiones reducidas. La LAN se conecta a Internet a través de un equipo cortafuegos (del inglés firewall ), el cual ofrece servicios de seguridad. También se muestra un encaminador adicional fuera de la LAN conectado a una WAN privada, la cual puede ser una red ATM privada o una red de retransmisión de tramas. En el diseño de los enlaces que conectan a los distintos elementos mostrados (por ejemplo, entre los encaminadores de Internet, o entre los conmutadores en la red ATM, o entre el abonado y el ISP) quedan pendientes una serie de aspectos como la codificación de la señal y el control de errores. La estructura interna de las distintas redes (de telefonía, Ethernet o ATM) plantea cuestiones adicionales. Todas estas cuestiones, surgidas a partir de la Figura 1.3, serán abordadas en las Partes II, III y IV del presente texto.

a

CAPÍTULO 2

Arquitectura de protocolos
2.1. ¿Por qué es necesaria una arquitectura de protocolos? 2.2. Una arquitectura de protocolos simple Un modelo de tres capas Arquitecturas de protocolos normalizadas 2.3. OSI El modelo Normalización dentro del modelo de referencia OSI Primitivas de servicio y parámetros Las capas de OSI 2.4. Arquitectura de protocolos TCP/IP Las capas de TCP/IP TCP y UDP Funcionamiento de TCP e IP Aplicaciones TCP/IP Interfaces de protocolo 2.5. Lecturas recomendadas y sitios web Sitio web recomendado 2.6. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios Términos clave Cuestiones de repaso Ejercicios Apéndice 2A. El protocolo TFTP (Trivial File Transfer Protocol ) Introducción al TFTP Paquetes TFTP Ejemplo de transferencia Errores y retardos Sintaxis, semántica y temporización

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CUESTIONES BÁSICAS Una arquitectura de protocolos es una estructura en capas de elementos hardware y software que facilita el intercambio de datos entre sistemas y posibilita aplicaciones distribuidas, como el comercio electrónico y la transferencia de archivos. En los sistemas de comunicación, en cada una de las capas de la arquitectura de protocolos se implementa uno o más protocolos comunes. Cada protocolo proporciona un conjunto de reglas para el intercambio de datos entre sistemas. La arquitectura de protocolos más utilizada es TCP/IP, constituida por las siguientes capas: física, acceso a la red, internet, transporte y aplicación. Otra arquitectura de protocolos importante es el modelo de siete capas OSI (Open Systems Interconnection).

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n este capítulo se establece el contexto para el resto de los conceptos e ideas que se desarrollarán a lo largo del texto. Se muestra cómo los conceptos abordados en las Partes de la II a la V pertenecen a la extensa área de las comunicaciones y redes de computadores. Este capítulo se puede leer en el orden secuencial presentado o puede dejarse para el principio de las Partes III, IV o V1.

Comenzamos presentando el concepto de arquitectura de protocolos en capas, proponiendo un ejemplo sencillo. A continuación, se define el modelo de referencia para la interconexión de sistemas abiertos OSI (Open Systems Interconnection). OSI es una arquitectura normalizada que frecuentemente se utiliza para describir las funciones de un sistema de comunicación, aunque en la actualidad esté implementada escasamente. Posteriormente se estudia la arquitectura de protocolos más importante, la familia de protocolos TCP/IP. TCP/IP es un concepto vinculado a Internet y es el marco de trabajo para el desarrollo de un conjunto completo de normas para las comunicaciones entre computadores. En la actualidad, todos los fabricantes de computadores dan soporte a esta arquitectura. 2.1. ¿POR QUÉ ES NECESARIA UNA ARQUITECTURA DE PROTOCOLOS? En el intercambio de datos entre computadores, terminales y/u otros dispositivos de procesamiento, los procedimientos involucrados pueden llegar a ser bastante complejos. Considérese, por ejemplo, la transferencia de un archivo entre dos computadores. En este caso, debe haber un camino entre los dos computadores, directo o a través de una red de comunicación, pero además, normalmente se requiere la realización de las siguientes tareas adicionales: 1. 2. El sistema fuente de información debe activar un camino directo de datos o bien debe proporcionar a la red de comunicación la identificación del sistema destino deseado. El sistema fuente debe asegurarse de que el destino está preparado para recibir datos.

1 Puede ser útil para el lector saltarse este capítulo en una primera lectura para, posteriormente, releerlo con más detenimiento antes de afrontar la lectura de la Parte V.

Arquitectura de protocolos

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3.

La aplicación de transferencia de archivos en el origen debe asegurarse de que el programa gestor en el destino está preparado para aceptar y almacenar el archivo para el usuario determinado. Si los formatos de los dos archivos son incompatibles en ambos sistemas, uno de los dos deberá realizar una operación de traducción.

4.

Es evidente que debe haber un alto grado de cooperación entre los computadores involucrados. En lugar de implementar toda la lógica para llevar a cabo la comunicación en un único módulo, el problema se divide en subtareas, cada una de las cuales se realiza por separado. En una arquitectura de protocolos, los distintos módulos se disponen formando una pila vertical. Cada capa de la pila realiza el subconjunto de tareas relacionadas entre sí que son necesarias para comunicar con el otro sistema. Por lo general, las funciones más básicas se dejan a la capa inmediatamente inferior, olvidándose en la capa actual de los detalles de estas funciones. Además, cada capa proporciona un conjunto de servicios a la capa inmediatamente superior. Idealmente, las capas deberían estar definidas de forma tal que los cambios en una capa no deberían necesitar cambios en las otras. Evidentemente, para que haya comunicación se necesitan dos entidades, por lo que debe existir el mismo conjunto de funciones en capas en los dos sistemas. La comunicación se consigue haciendo que las capas correspondientes, o pares, intercambien información. Las capas pares se comunican intercambiando bloques de datos que verifican una serie de reglas o convenciones denominadas protocolo. Los aspectos clave que definen o caracterizan a un protocolo son: La sintaxis: establece cuestiones relacionadas con el formato de los bloques de datos. La semántica: incluye información de control para la coordinación y la gestión de errores. La temporización: considera aspectos relativos a la sintonización de velocidades y secuenciación. En el Apéndice 2A se proporciona un ejemplo específico del protocolo normalizado en Internet para la transferencia de archivos TFTP (Trivial File Transfer Protocol).

2.2. UNA ARQUITECTURA DE PROTOCOLOS SIMPLE Habiendo definido el concepto de protocolo, estamos en disposición de definir el concepto de arquitectura de protocolos. A modo de ejemplo, la Figura 2.1 muestra cómo se podría implementar una aplicación de transferencia de archivos. Para ello se usan tres módulos. Las tareas 3 y 4 de la lista anterior se podrían realizar por el módulo de transferencia de archivos. Los dos módulos de ambos sistemas intercambian archivos y órdenes. Sin embargo, en vez de exigir que el módulo de transferencia se encargue de los detalles con los que se realiza el envío de datos y órdenes, dichos módulos delegan en otros módulos que ofrecen el servicio de transmisión. Cada uno de estos se encargará de asegurar que el intercambio de órdenes y datos se realice fiablemente. Entre otras cosas, estos módulos realizarán la tarea 2, por lo que, a partir de este momento, la naturaleza del intercambio entre los sistemas será independiente de la naturaleza de la red que los interconecta. Por tanto, en vez de implementar la interfaz de red en el módulo de servicio de transmisión, tiene sentido prever un módulo adicional de acceso a la red que lleve a cabo la tarea 1, interaccionando con la red. Resumiendo, el módulo de transferencia de archivos contiene toda la lógica y funcionalidades que son exclusivas de la aplicación, como por ejemplo la transmisión de palabras de paso clave,

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Figura 2.1. Una arquitectura simplificada para la transferencia de archivos.

de órdenes de archivo o de los registros del archivo. Es necesario que esta información (archivos y órdenes) se transmita de una forma fiable. No obstante, estos mismos requisitos de fiabilidad son compartidos por otro tipo de aplicaciones (como por ejemplo, el correo electrónico y la transferencia de documentos). Por tanto, estas funcionalidades se localizan en el módulo separado del servicio de comunicaciones de tal forma que puedan ser utilizadas por otras aplicaciones. El módulo del servicio de comunicaciones trata de asegurar que los dos computadores estén activos y preparados para la transferencia de datos, así como de seguir la pista de los datos que se intercambian, garantizando su envío. No obstante, estas tareas son independientes del tipo de red que se esté usando. Por tanto, la lógica encargada de tratar con la red se considera en un módulo separado de acceso a la misma. De esta forma, si se modifica la red que se esté usando, sólo se verá afectado el módulo de acceso a la red. Así, en vez de disponer de un solo módulo que realice todas las tareas involucradas en la comunicación, se considera una estructura consistente en un conjunto de módulos que realizarán todas las funciones. Esta estructura se denomina arquitectura de protocolos. Llegados a este punto, la siguiente analogía puede ser esclarecedora. Supóngase que un ejecutivo en una oficina, digamos X, necesita enviar un documento a una oficina Y. El ejecutivo en X prepara el documento y quizá le añada una nota. Esto es análogo a las tareas que realiza la aplicación de transferencia de archivos de la Figura 2.1. A continuación, el ejecutivo le pasa el documento a un secretario o administrativo (A). El A de X mete el documento en un sobre y escribe en él la dirección postal de Y, así como el remite correspondiente a la dirección de X. Puede que en el sobre se escriba igualmente «confidencial». Lo realizado por A corresponde con el módulo del servicio de comunicaciones de la Figura 2.1. Llegados aquí, A pasa el sobre al departamento de envíos. Alguien aquí decide cómo enviar el paquete: mediante correo o mensajería. Se añaden los documentos necesarios al paquete y se realiza el envío. El departamento de envíos corresponde al módulo de acceso a la red de la Figura 2.1. Cuando el paquete llega a Y, se desencadena una serie de operaciones similares en capas. El departamento de envíos en Y recibe el paquete y lo pasa al administrativo correspondiente, dependiendo del destino que figure en el paquete. El A abre el paquete, extrae el documento y se lo pasa al ejecutivo correspondiente. A continuación, dentro de esta sección se generalizará el ejemplo anterior para presentar una arquitectura de protocolos simplificada. Posteriormente, consideraremos ejemplos más realistas y complejos, como son TCP/IP y OSI.

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UN MODELO DE TRES CAPAS En términos muy generales, se puede afirmar que las comunicaciones involucran a tres agentes: aplicaciones, computadores y redes. Las aplicaciones se ejecutan en computadores que, generalmente, permiten múltiples aplicaciones simultáneas. Los computadores se conectan a redes y los datos a intercambiar se transfieren por la red de un computador a otro. Por tanto, la transferencia de datos desde una aplicación a otra implica, en primer lugar, la obtención de los mismos y, posteriormente, hacerlos llegar a la aplicación destino en el computador remoto. Teniendo esto presente, parece natural estructurar las tareas de las comunicaciones en tres capas relativamente independientes: la capa de acceso a la red, la capa de transporte y la capa de aplicación. La capa de acceso a la red está relacionada con el intercambio de datos entre el computador y la red a la que está conectado. El computador emisor debe proporcionar a la red la dirección del destino, de tal forma que la red pueda encaminar los datos al destino apropiado. El computador emisor necesitará hacer uso de algunos de los servicios proporcionados por la red, como por ejemplo la gestión de prioridades. Las características del software de esta capa dependerán del tipo de red que se use. Así, se han desarrollado diferentes estándares para conmutación de circuitos, conmutación de paquetes, redes de área local y otros. De esta manera, se pretende separar las funciones que tienen que ver con el acceso a la red en una capa independiente. Haciendo esto, el resto del software de comunicaciones que esté por encima de la capa de acceso a la red no tendrá que ocuparse de las características específicas de la red que se use. El mismo software de las capas superiores debería funcionar correctamente con independencia del tipo de red concreta a la que se esté conectado. Independientemente de la naturaleza de las aplicaciones que estén intercambiando datos, es un requisito habitual que los datos se intercambien de una manera fiable. Esto es, sería deseable estar seguros de que todos los datos llegan a la aplicación destino y, además, llegan en el mismo orden en que fueron enviados. Como se verá, los mecanismos que proporcionan dicha fiabilidad son independientes de la naturaleza de las aplicaciones. Por tanto, tiene sentido concentrar todos estos procedimientos en una capa común que se comparta por todas las aplicaciones, denominada capa de transporte. Finalmente, la capa de aplicación contiene la lógica necesaria para admitir varias aplicaciones de usuario. Para cada tipo distinto de aplicación, como por ejemplo la transferencia de archivos, se necesita un módulo independiente y con características bien diferenciadas. Las Figuras 2.2 y 2.3 ilustran esta arquitectura sencilla. En la Figura 2.2 se muestran tres computadores conectados a una red. Cada computador contiene software en las capas de acceso a la red, de transporte y de aplicación para una o más aplicaciones. Para una comunicación con éxito, cada entidad deberá tener una dirección única. En realidad, se necesitan dos niveles de direccionamiento. Cada computador en la red debe tener una dirección de red. Esto permite a la red proporcionar los datos al computador apropiado. A su vez, cada aplicación en el computador debe tener una dirección que sea única dentro del propio computador; esto permitirá a la capa de transporte proporcionar los datos a la aplicación apropiada. Estas últimas direcciones son denominadas puntos de acceso al servicio (SAP, Service Access Point), o también puertos, evidenciando que cada aplicación accede individualmente a los servicios proporcionados por la capa de transporte. La Figura 2.3 muestra cómo se comunican, mediante un protocolo, los módulos en el mismo nivel de computadores diferentes. Veamos su funcionamiento. Supóngase que una aplicación, asociada al SAP 1 en el computador X, quiere transmitir un mensaje a otra aplicación, asociada al

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Figura 2.2. Redes y arquitecturas de protocolos.

Figura 2.3. Protocolos en una arquitectura simplificada.

SAP 2 del computador Y. La aplicación en X pasa el mensaje a la capa de transporte con instrucciones para que lo envíe al SAP 2 de Y. A su vez, la capa de transporte pasa el mensaje a la capa de acceso a la red, la cual proporciona las instrucciones necesarias a la red para que envíe el mensaje a Y. Debe observarse que la red no necesita conocer la dirección del punto de acceso al servicio en el destino. Todo lo que necesita conocer es que los datos están dirigidos al computador Y. Para controlar esta operación, se debe transmitir información de control junto a los datos del usuario, como así se muestra en la Figura 2.4. Supongamos que la aplicación emisora genera un bloque de datos y se lo pasa a la capa de transporte. Esta última puede fraccionar el bloque en unidades más pequeñas para hacerlas más manejables. A cada una de estas pequeñas unidades, la

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Figura 2.4. Unidades de datos de los protocolos.

capa de transporte le añadirá una cabecera, que contendrá información de control de acuerdo con el protocolo. La unión de los datos generados por la capa superior, junto con la información de control de la capa actual, se denomina unidad de datos del protocolo (PDU, Protocol Data Unit). En este caso, se denominará como PDU de transporte. La cabecera en cada PDU de transporte contiene información de control que será usada por el protocolo de transporte par en el computador Y. La información que se debe incluir en la cabecera puede ser por ejemplo: SAP destino: cuando la capa de transporte destino reciba la PDU de transporte, deberá saber a quién van destinados los datos. Número de secuencia: ya que el protocolo de transporte está enviando una secuencia de PDU, éstas se numerarán secuencialmente para que, si llegan desordenadas, la entidad de transporte destino sea capaz de ordenarlas. Código de detección de error: la entidad de transporte emisora debe incluir un código obtenido en función del resto de la PDU. El protocolo de transporte receptor realiza el mismo cálculo y compara los resultados con el código recibido. Si hay discrepancia se concluirá que ha habido un error en la transmisión y, en ese caso, el receptor podrá descartar la PDU y adoptar las acciones oportunas para su corrección. El siguiente paso en la capa de transporte es pasar cada una de las PDU a la capa de red, con la instrucción de que sea transmitida al computador destino. Para satisfacer este requerimiento, el protocolo de acceso a la red debe pasar los datos a la red con una solicitud de transmisión. Como anteriormente, esta operación requiere el uso de información de control. En este caso, el protocolo de acceso a la red añade la cabecera de acceso a la red a los datos provenientes de la capa de transporte, creando así la PDU de acceso a la red. A modo de ejemplo, la cabecera debe contener la siguiente información: La dirección del computador destino: la red debe conocer a quién (qué computador de la red) debe entregar los datos. Solicitud de recursos: el protocolo de acceso a la red puede pedir a la red que realice algunas funciones, como por ejemplo, gestionar prioridades. En la Figura 2.5 se conjugan todos estos conceptos, mostrando la interacción desarrollada entre los módulos para transferir un bloque de datos. Supongamos que el módulo de transferencia de

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Figura 2.5. Funcionamiento de una arquitectura de protocolos.

archivos en el computador X está transfiriendo, registro a registro, un archivo al computador Y. Cada registro se pasa al módulo de la capa de transporte. Se puede describir esta acción como si se tratase de una orden o una llamada a un procedimiento. Los posibles argumentos pasados en la llamada a este procedimiento serán la dirección del destino, el SAP destino y el registro del archivo. La capa de transporte añade el punto de acceso al servicio e información de control adicional, que se agregará al registro para formar la PDU de transporte. Ésta se pasa a la capa inferior de acceso a la red mediante la llamada a otro procedimiento. En este caso, los argumentos para esta llamada serán la dirección del computador destino y la unidad de datos del protocolo de transporte. La capa de acceso a la red usará esta información para construir la PDU de red. La PDU de transporte es el campo de datos de la PDU de red, y su cabecera contendrá información relativa a las direcciones origen y destino. Nótese que la cabecera de transporte no es «visible» al nivel de acceso a la red; en otras palabras, a dicho nivel no le concierne el contenido concreto de la PDU de transporte. La red acepta la PDU de transporte de X y la transmite a Y. El módulo de acceso a la red en Y recibe la PDU, elimina la cabecera y pasa la PDU de transporte adjunta al módulo de la capa de transporte de Y. La capa de transporte examina la cabecera de la unidad de datos del protocolo de transporte y, en función del contenido del campo de la cabecera que contenga el SAP, entregará el registro correspondiente a la aplicación pertinente, en este caso, al módulo de transferencia de archivos de Y. ARQUITECTURAS DE PROTOCOLOS NORMALIZADAS Cuando se desea establecer una comunicación entre computadores de diferentes fabricantes, el desarrollo del software puede convertirse en una pesadilla. Los distintos fabricantes pueden hacer uso de distintos formatos y protocolos de intercambio de datos. Incluso dentro de una misma línea de productos de un fabricante dado, los diferentes modelos pueden comunicarse de forma diferente. Con la proliferación tanto de las comunicaciones entre computadores como de las redes, el desarrollo de software de comunicaciones de propósito específico es demasiado costoso para ser aceptable. La única alternativa para los fabricantes es adoptar e implementar un conjunto de convenciones comunes. Para que esto ocurra, es necesaria la normalización. Los estándares tienen las siguientes ventajas:

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Los fabricantes están motivados para implementar las normalizaciones con la esperanza de que, debido al uso generalizado de las normas, sus productos tendrán un mercado mayor. Los clientes pueden exigir que cualquier fabricante implemente los estándares. Hay dos arquitecturas que han sido determinantes y básicas en el desarrollo de los estándares de comunicación: el conjunto de protocolos TCP/IP y el modelo de referencia de OSI. TCP/IP es, con diferencia, la arquitectura más usada. OSI, aun siendo bien conocida, nunca ha llegado a alcanzar las promesas iniciales. Además de las anteriores, hay otra arquitectura propietaria ampliamente utilizada: la SNA (System Network Architecture) de IBM. En lo que resta de este capítulo se estudiará OSI y TCP/IP.

2.3.

OSI Los estándares son necesarios para promover la interoperatividad entre los equipos de distintos fabricantes, así como para facilitar economías de gran escala. Debido a la complejidad que implican las comunicaciones, un solo estándar no es suficiente. En su lugar, las distintas funcionalidades deberían dividirse en partes más manejables, estructurándose en una arquitectura de comunicaciones. La arquitectura constituirá, por tanto, el marco de trabajo para el proceso de normalización. Esta línea argumental condujo a la Organización Internacional de Estandarización (ISO, Internacional Organization for Standarization) en 1977 a establecer un subcomité para el desarrollo de tal arquitectura. El resultado fue el modelo de referencia OSI. Aunque los elementos esenciales del modelo se definieron rápidamente, la norma ISO final, ISO 7498, no fue publicada hasta 1984. La CCITT (en la actualidad denominada UIT-T) definió igualmente una versión técnicamente compatible con la anterior, denominada X.200. EL MODELO Una técnica muy aceptada para estructurar los problemas, y así fue adoptada por ISO, es la división en capas. En esta técnica, las funciones de comunicación se distribuyen en un conjunto jerárquico de capas. Cada capa realiza un subconjunto de tareas, relacionadas entre sí, de entre las necesarias para llegar a comunicarse con otros sistemas. Por otra parte, cada capa se sustenta en la capa inmediatamente inferior, la cual realizará funciones más primitivas, ocultando los detalles a las capas superiores. Una capa proporciona servicios a la capa inmediatamente superior. Idealmente, las capas deberían estar definidas para que los cambios en una capa no implicaran cambios en las otras capas. De esta forma, el problema se descompone en varios subproblemas más abordables. La labor de ISO consistió en definir el conjunto de capas, así como los servicios a realizar por cada una de ellas. La división debería agrupar a las funciones que fueran conceptualmente próximas en un número suficiente, tal que cada capa fuese lo suficientemente pequeña, pero sin llegar a definir demasiadas para evitar así sobrecargas en el procesamiento. Las directrices generales que se adoptaron en el diseño se resumen en la Tabla 2.1. El modelo de referencia resultante tiene siete capas, las cuales son mostradas, junto a una breve definición, en la Figura 2.6. La Tabla 2.2 proporciona la justificación para la selección de las capas argumentada por ISO. La Figura 2.7 muestra la arquitectura OSI. Cada sistema debe contener las siete capas. La comunicación se realiza entre las dos aplicaciones de los dos computadores, etiquetadas como aplicación X e Y en la figura. Si la aplicación X quiere transmitir un mensaje a la aplicación Y, invoca

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Tabla 2.1.

Directrices seguidas en la definición de las capas OSI (X.200).

1. No crear demasiadas capas de tal forma que la descripción e integración de las capas implique más dificultades de las necesarias. 2. Crear una separación entre capas en todo punto en el que la descripción del servicio sea reducida y el número de interacciones a través de dicha separación sea pequeña. 3. Crear capas separadas allá donde las funciones sean manifiestamente diferentes tanto en la tarea a realizar como en la tecnología involucrada. 4. Agrupar funciones similares en la misma capa. 5. Fijar las separaciones en aquellos puntos en los que la experiencia acumulada haya demostrado su utilidad. 6. Crear capas que puedan ser rediseñadas en su totalidad y los protocolos cambiados de forma drástica para aprovechar eficazmente cualquier innovación que surja tanto en la arquitectura, el hardware o tecnologías software, sin tener que modificar los servicios ofrecidos o usados por las capas adyacentes. 7. Crear una separación allá donde sea conveniente tener la correspondiente interfaz normalizada. 8. Crear una capa donde haya necesidad de un nivel distinto de abstracción (morfológico, sintáctico o semántico) a la hora de gestionar los datos. 9. Permitir que los cambios en las funciones o protocolos se puedan realizar sin afectar a otras capas. 10. Para cada capa establecer separaciones sólo con sus capas inmediatamente superiores o inferiores. Las siguientes premisas se propusieron igualmente para definir subcapas: 11. Crear posteriores subagrupamientos y reestructurar las funciones formando subcapas dentro de una capa en aquellos casos en los que se necesiten diferentes servicios de comunicación. 12. Crear, allá donde sea necesario, dos o más subcapas con una funcionalidad común, y mínima, para permitir operar con las capas adyacentes. 13. Permitir la no utilización de una subcapa dada.

a la capa de aplicación (capa 7). La capa 7 establece una relación paritaria con la capa 7 del computador destino, usando el protocolo de la capa 7 (protocolo de aplicación). Este protocolo necesita los servicios de la capa 6, de forma tal que las dos entidades de la capa 6 usan un protocolo común y conocido, y así sucesivamente hasta llegar a la capa física, en la que realmente se transmiten los bits a través del medio físico. Nótese que, exceptuando la capa física, no hay comunicación directa entre las capas pares. Esto es, por encima de la capa física, cada entidad de protocolo pasa los datos hacia la capa inferior contigua, para que ésta los envíe a su entidad par. Es más, el modelo OSI no requiere que los dos sistemas estén conectados directamente, ni siquiera en la capa física. Por ejemplo, para proporcionar el enlace de comunicación se puede utilizar una red de conmutación de paquetes o de conmutación de circuitos. La Figura 2.7 también muestra cómo se usan las unidades de datos de protocolo (PDU) en la arquitectura OSI. En primer lugar, considérese la forma más habitual de implementar un protocolo.

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Figura 2.6. Las capas de OSI.

Cuando la aplicación X tiene un mensaje para enviar a la aplicación Y, transfiere estos datos a una entidad de la capa de aplicación. A los datos se les añade una cabecera que contiene información necesaria para el protocolo de la capa 7 (encapsulado). Seguidamente, los datos originales más la cabecera se pasan como una unidad a la capa 6. La entidad de presentación trata la unidad completa como si de datos se tratara y le añade su propia cabecera (un segundo encapsulado). Este proceso continúa hacia abajo hasta llegar a la capa 2, que normalmente añade una cabecera y una cola. La unidad de datos de la capa 2, llamada trama, se pasa al medio de transmisión mediante la capa física. En el destino, al recibir la trama, ocurre el proceso inverso. Conforme los datos ascienden, cada capa elimina la cabecera más externa, actúa sobre la información de protocolo contenida en ella y pasa el resto de la información hacia la capa inmediatamente superior. En cada etapa del proceso, cada una de las capas puede fragmentar la unidad de datos que recibe de la capa inmediatamente superior en varias partes, de acuerdo con sus propias necesidades. Estas unidades de datos deben ser ensambladas por la capa par correspondiente antes de pasarlas a la capa superior.

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Tabla 2.2. Justificación de las capas OSI (X.200) 1. Es esencial que la arquitectura permita la utilización de una variedad realista de medios físicos para la interconexión con diferentes procedimientos de control (por ejemplo, V.24, V.25, etc.). La aplicación de los principios 3, 5 y 8 (Tabla 2.1) nos conduce a la identificación de la capa física como la capa más baja en la arquitectura. 2. Algunos medios de comunicación físicos (por ejemplo, las líneas telefónicas) requieren técnicas específicas para usarlos, al transmitir datos entre sistemas a pesar de sufrir una tasa de error elevada (una tasa de error no aceptable para la gran mayoría de las aplicaciones). Estas técnicas específicas se utilizan en procedimientos de control del enlace de datos que han sido estudiados y normalizados durante una serie de años. También se debe reconocer que los nuevos medios de comunicación física (por ejemplo, la fibra óptica) requerirán diferentes procedimientos de control del enlace de datos. La aplicación de los principios 3, 5 y 8 nos conduce a la identificación de la capa del enlace de datos situada encima de la capa física en la arquitectura. 3. En la arquitectura de sistemas abiertos, algunos sistemas abiertos actuarán como el destino final de los datos. Algunos sistemas abiertos podrían actuar solamente como nodos intermedios (reenviando los datos a otros sistemas). La aplicación de los principios 3, 5 y 7 nos conduce a la identificación de la capa de red encima de la capa del enlace de datos. Los protocolos dependientes de la red, como por ejemplo el encaminamiento, se agrupan en esta capa. Así, la capa de red proporcionará un camino de conexión (conexión de red) entre un par de entidades de transporte incluyendo el caso en el que estén involucrados nodos intermedios. 4. El control del transporte de los datos desde el sistema final origen al sistema final destino (que no se lleva a cabo en nodos intermedios) es la última función necesaria para proporcionar la totalidad del servicio de transporte. Así, la capa superior situada justo encima de la capa de red es la capa de transporte. Esta capa libera a las entidades de capas superiores de cualquier preocupación sobre el transporte de datos entre ellas. 5. Existe una necesidad de organizar y sincronizar el diálogo y controlar el intercambio de datos. La aplicación de los principios 3 y 4 nos conduce a la identificación de la capa de sesión encima de la capa de transporte. 6. El conjunto restante de funciones de interés general son aquellas relacionadas con la representación y la manipulación de datos estructurados, para el beneficio de los programas de aplicación. La aplicación de los principios 3 y 4 nos conduce a la identificación de la capa de presentación encima de la capa de sesión. 7. Finalmente, existen aplicaciones consistentes en procesos de aplicación que procesan la información. Un aspecto de estos procesos de aplicación y los protocolos mediante los que se comunican comprenden la capa de aplicación, que es la capa más alta de la arquitectura.

NORMALIZACIÓN DENTRO DEL MODELO DE REFERENCIA OSI2 La principal motivación para el desarrollo del modelo OSI fue proporcionar un modelo de referencia para la normalización. Dentro del modelo, en cada capa se pueden desarrollar uno o más protocolos. El modelo define en términos generales las funciones que se deben realizar en cada capa y simplifica el procedimiento de la normalización ya que: Como las funciones de cada capa están bien definidas, para cada una de ellas, el establecimiento de normas o estándares se puede desarrollar independiente y simultáneamente. Esto acelera el proceso de normalización.
2

Los conceptos que aquí se introducen son igualmente válidos para la arquitectura TCP/IP.

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Figura 2.7. El entorno OSI.

Como los límites entre capas están bien definidos, los cambios que se realicen en los estándares para una capa dada no afectan al software de las otras. Esto hace que sea más fácil introducir nuevas normalizaciones. La Figura 2.8 muestra el uso del modelo de referencia OSI. La función global de comunicación se descompone en 7 capas distintas, utilizando los principios indicados en la Tabla 2.1. Estos principios esencialmente vienen a ser los mismos que rigen en el diseño modular. Esto es, la función global se descompone en una serie de módulos, haciendo que las interfaces entre módulos sean tan simples como sea posible. Además, se utiliza el principio de ocultación de la información: las capas inferiores abordan ciertos detalles de tal manera que las capas superiores sean ajenas a las particularidades de estos detalles. Dentro de cada capa, se suministra el servicio proporcionado a la capa inmediatamente superior, a la vez que se implementa el protocolo con la capa par en el sistema remoto. La Figura 2.9 muestra de una forma más específica la naturaleza de la normalización requerida en cada capa. Existen tres elementos clave: Especificación del protocolo: dos entidades en la misma capa en sistemas diferentes cooperan e interactúan por medio del protocolo. El protocolo se debe especificar con precisión, ya que están implicados dos sistemas abiertos diferentes. Esto incluye el formato de la unidad de datos del protocolo, la semántica de todos los campos, así como la secuencia permitida de PDU.

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Figura 2.8. La arquitectura OSI como un modelo de referencia para las normalizaciones.

Definición del servicio: además del protocolo o protocolos que operan en una capa dada, se necesitan normalizaciones para los servicios que cada capa ofrece a la capa inmediatamente superior. Normalmente, la definición de los servicios es equivalente a una descripción funcional que definiera los servicios proporcionados, pero sin especificar cómo se están proporcionando. Direccionamiento: cada capa suministra servicios a las entidades de la capa inmediatamente superior. Las entidades se identifican mediante un punto de acceso al servicio (SAP). Así, un punto de acceso al servicio de red (NSAP, Network SAP) identifica a una entidad de transporte usuaria del servicio de red. En los sistemas abiertos, la necesidad de proporcionar una especificación precisa del protocolo se evidencia por sí sola. Los otros dos elementos de la lista anterior requieren más comentarios. Con respecto a la definición de servicios, la motivación para proporcionar sólo una definición funcional es la siguiente. Primero, la interacción entre capas adyacentes tiene lugar dentro de los confines de un único sistema abierto y, por tanto, le incumbe sólo a él. Así, mientras las capas pares en diferentes sistemas proporcionen los mismos servicios a las capas inmediatamente superiores, los detalles de cómo se suministran los servicios pueden diferir de un sistema a otro sin que ello implique pérdida de interoperatividad. Segundo, es frecuente que las capas adyacentes estén implementadas en el mismo procesador. En estas circunstancias, sería interesante dejar libre al programador del sistema para que utilice el hardware y el sistema operativo para que proporcionen una interfaz que sea lo más eficiente posible. En lo que se refiere al direccionamiento, la utilización de un mecanismo de direccionamiento en cada capa, materializado en el SAP, permite que cada capa multiplexe varios usuarios de la capa inmediatamente superior. La multiplexación puede que no se lleve a cabo en todos los niveles. No obstante, el modelo lo permite.

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Figura 2.9. Elementos a normalizar en cada capa.

PARÁMETROS Y PRIMITIVAS DE SERVICIO En la arquitectura OSI los servicios entre capas adyacentes se describen en términos de primitivas y mediante los parámetros involucrados. Una primitiva especifica la función que se va a llevar a cabo y los parámetros se utilizan para pasar datos e información de control. La forma concreta que adopte la primitiva dependerá de la implementación. Un ejemplo es una llamada a un procedimiento. Para definir las interacciones entre las capas adyacentes de la arquitectura se utilizan cuatro tipos de primitivas (X.210). Éstas se definen en la Tabla 2.3. En la Figura 2.10a se muestra la ordenación temporal de estos eventos. A modo de ejemplo, considere la transferencia de datos desde una entidad (N) a su entidad par (N) en otro sistema. En esta situación se verifican los siguientes hechos: 1. La entidad origen (N) invoca a su entidad (N . 1) con una primitiva de solicitud. Asociados a esta primitiva están los parámetros necesarios, como por ejemplo, los datos que se van a transmitir y la dirección destino.
Tabla 2.3. Tipos de primitivas de servicio. SOLICITUD Primitiva emitida por el usuario del servicio para invocar algún servicio y pasar los parámetros necesarios para especificar completamente el servicio solicitado. Primitiva emitida por el proveedor del servicio para: 1. indicar que ha sido invocado un procedimiento por el usuario de servicio par en la conexión y para suministrar los parámetros asociados, o 2. notificar al usuario del servicio una acción iniciada por el suministrador. Primitiva emitida por el usuario del servicio para confirmar o completar algún procedimiento invocado previamente mediante una indicación a ese usuario. Primitiva emitida por el proveedor del servicio para confirmar o completar algún procedimiento invocado previamente mediante una solicitud por parte del usuario del servicio.

INDICACIÓN

RESPUESTA CONFIRMACIÓN

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Figura 2.10. Diagramas temporales de las primitivas de servicio.

2. 3. 4. 5. 6.

La entidad origen (N.1) prepara una PDU (N.1) para enviársela a su entidad par (N.1). La entidad destino (N . 1) entrega los datos al destino apropiado (N) a través de la primitiva de indicación, que incluye como parámetros los datos y la dirección origen. Si se requiere una confirmación, la entidad destino (N) emite una primitiva de respuesta a su entidad (N-1). La entidad (N . 1) convierte la confirmación en una PDU (N . 1). La confirmación se entrega a la entidad (N) a través de una primitiva de confirmación.

Esta secuencia de eventos se conoce como un servicio confirmado, ya que el que inicia la transferencia recibe una confirmación de que el servicio solicitado ha tenido el efecto deseado en el otro extremo. Si solamente se invocan las primitivas de solicitud e indicación (correspondientes a los pasos 1 a 3), entonces se denomina servicio no confirmado: la entidad que inicia la transferencia no recibe confirmación de que la acción solicitada haya tenido lugar (Figura 2.10b). LAS CAPAS DE OSI En esta sección se estudian brevemente cada una de la capas y, donde sea pertinente, se proporcionan ejemplos de normalizaciones para los protocolos de estas capas. Capa física La capa física se encarga de la interfaz física entre los dispositivos. Además, define las reglas que rigen en la transmisión de los bits. La capa física tiene cuatro características importantes: Mecánicas: relacionadas con las propiedades físicas de la interfaz con el medio de transmisión. Normalmente, dentro de estas características se incluye la especificación del conector que transmite las señales a través de conductores. A estos últimos se les denominan circuitos. Eléctricas: especifican cómo se representan los bits (por ejemplo, en términos de niveles de tensión), así como su velocidad de transmisión.

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Funcionales: especifican las funciones que realiza cada uno de los circuitos de la interfaz física entre el sistema y el medio de transmisión. De procedimiento: especifican la secuencia de eventos que se llevan a cabo en el intercambio del flujo de bits a través del medio físico. En el Capítulo 6 se estudian con detalle los protocolos de la capa física. Algunos ejemplos de estándares de esta capa son el EIA-232-F y algunas secciones de los estándares de comunicaciones inalámbricas y LAN. Capa de enlace de datos Mientras que la capa física proporciona exclusivamente un servicio de transmisión de datos, la capa de enlace de datos intenta hacer que el enlace físico sea fiable. Además proporciona los medios para activar, mantener y desactivar el enlace. El principal servicio proporcionado por la capa de enlace de datos a las capas superiores es el de detección y control de errores. Así, si se dispone de un protocolo en la capa de enlace de datos completamente operativo, la capa adyacente superior puede suponer que la transmisión está libre de errores. Sin embargo, si la comunicación se realiza entre dos sistemas que no estén directamente conectados, la conexión constará de varios enlaces de datos en serie, cada uno operando independientemente. Por tanto, en este último caso, la capa superior no estará libre de la responsabilidad del control de errores. El Capítulo 7 se dedica a los protocolos de enlace de datos. Algunos ejemplos de estándares en esta capa son HDLC y LLC. Capa de red La capa de red realiza la transferencia de información entre sistemas finales a través de algún tipo de red de comunicación. Libera a las capas superiores de la necesidad de tener conocimiento sobre la transmisión de datos subyacente y las tecnologías de conmutación utilizadas para conectar los sistemas. En esta capa, el computador establecerá un diálogo con la red para especificar la dirección destino y solicitar ciertos servicios, como por ejemplo, la gestión de prioridades. Existe un amplio abanico de posibilidades para que los servicios de comunicación intermedios sean gestionados por la capa de red. En el extremo más sencillo están los enlaces punto-a-punto directos entre estaciones. En este caso no se necesita capa de red, ya que la capa de enlace de datos puede proporcionar las funciones de gestión del enlace necesarias. Siguiendo en orden de complejidad creciente, podemos considerar un sistema conectado a través de una única red, como una red de conmutación de circuitos o de conmutación de paquetes. Un ejemplo de esta situación es el nivel de paquetes del estándar X.25. La Figura 2.11 muestra cómo la presencia de una red se encuadra dentro de la arquitectura OSI. Las tres capas inferiores están relacionadas con la conexión y la comunicación con la red. Los paquetes creados por el sistema final pasan a través de uno o más nodos de la red, que actúan como retransmisores entre los dos sistemas finales. Los nodos de la red implementan las capas 1 a 3 de la arquitectura. En la figura anterior se muestran dos sistemas finales conectados a través de un único nodo de red. La capa 3 en el nodo realiza las funciones de conmutación y encaminamiento. Dentro del nodo, existen dos capas del enlace de datos y dos capas físicas, correspondientes a los enlaces con los dos

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Figura 2.11. Utilización de un retransmisor.

sistemas finales. Cada capa del enlace de datos (y física) opera independientemente para proporcionar el servicio a la capa de red sobre su respectivo enlace. Las cuatro capas superiores son protocolos «extremo-a-extremo» entre los sistemas finales. En el otro extremo de complejidad, una configuración para la capa de red puede consistir en dos sistemas finales que necesitan comunicarse sin estar conectados a la misma red. Más bien, supondremos que están conectados a redes que, directa o indirectamente, están conectadas entre sí. Este caso requiere el uso de alguna técnica de interconexión entre redes. Estas técnicas se estudiarán en el Capítulo 18. Capa de transporte La capa de transporte proporciona un mecanismo para intercambiar datos entre sistemas finales. El servicio de transporte orientado a conexión asegura que los datos se entregan libres de errores, en orden y sin pérdidas ni duplicaciones. La capa de transporte también puede estar involucrada en la optimización del uso de los servicios de red, y en proporcionar la calidad del servicio solicitada. Por ejemplo, la entidad de sesión puede solicitar una tasa máxima de error determinada, un retardo máximo, una prioridad y un nivel de seguridad dado. El tamaño y la complejidad de un protocolo de transporte dependen de cómo de fiables sean los servicios de red y las redes subyacentes. Consecuentemente, ISO ha desarrollado una familia de cinco protocolos de transporte normalizados, cada uno de ellos especificado para un determinado servicio subyacente. En la arquitectura de protocolos TCP/IP se han especificado dos protocolos para la capa de transporte: el orientado a conexión, TCP (Protocolo de Control de la Transmisión, Transmission Control Protocol) y el no orientado a conexión UDP (Protocolo de Datagrama de Usuario, User Datagram Protocol).

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Capa de sesión Las cuatro capas inferiores del modelo OSI proporcionan un medio para el intercambio fiable de datos permitiendo, a su vez, distintos niveles de calidad de servicio. Para muchas aplicaciones, este servicio básico es, a todas luces, insuficiente. Por ejemplo, una aplicación de acceso a un terminal remoto puede requerir un diálogo half-duplex. Por el contrario, una aplicación para el procesamiento de transacciones puede necesitar la inclusión de puntos de comprobación en el flujo de transferencia para poder hacer operaciones de respaldo y recuperación. De igual manera, otra aplicación para procesar mensajes puede requerir la posibilidad de interrumpir el diálogo, generar nuevos mensajes y, posteriormente, continuar el diálogo desde donde se interrumpió. Todas estas capacidades se podrían incorporar en las aplicaciones de la capa 7. Sin embargo, ya que todas estas herramientas para el control del diálogo son ampliamente aplicables, parece lógico organizarlas en una capa separada, denominada capa de sesión. La capa de sesión proporciona los mecanismos para controlar el diálogo entre las aplicaciones de los sistemas finales. En muchos casos, los servicios de la capa de sesión son parcialmente, o incluso, totalmente prescindibles. No obstante, en algunas aplicaciones su utilización es ineludible. La capa de sesión proporciona los siguientes servicios: Control del diálogo: éste puede ser simultáneo en los dos sentidos ( full-duplex) o alternado en ambos sentidos (half-duplex). Agrupamiento: el flujo de datos se puede marcar para definir grupos de datos. Por ejemplo, si una empresa o almacén está transmitiendo los datos correspondientes a las ventas hacia una oficina regional, éstos se pueden marcar de tal manera que se indique por grupos el final de las ventas realizadas en cada departamento. Este servicio permitiría que el computador destino calcule los totales de las ventas realizadas en cada departamento. Recuperación: la capa de sesión puede proporcionar un procedimiento de puntos de comprobación, de forma que si ocurre algún tipo de fallo entre puntos de comprobación, la entidad de sesión puede retransmitir todos los datos desde el último punto de comprobación. ISO ha definido una normalización para la capa de sesión que incluye como opciones los servicios que se acaban de describir. Capa de presentación La capa de presentación define el formato de los datos que se van a intercambiar entre las aplicaciones y ofrece a los programas de aplicación un conjunto de servicios de transformación de datos. La capa de presentación define la sintaxis utilizada entre las entidades de aplicación y proporciona los medios para seleccionar y modificar la representación utilizada. Algunos ejemplos de servicios específicos que se pueden realizar en esta capa son los de compresión y cifrado de datos. Capa de aplicación La capa de aplicación proporciona a los programas de aplicación un medio para que accedan al entorno OSI. A esta capa pertenecen las funciones de administración y los mecanismos genéricos necesarios para la implementación de aplicaciones distribuidas. Además, en esta capa también residen las aplicaciones de uso general como, por ejemplo, la transferencia de archivos, el correo electrónico y el acceso desde terminales a computadores remotos, entre otras.

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2.4.

LA ARQUITECTURA DE PROTOCOLOS TCP/IP La arquitectura de protocolos TCP/IP es resultado de la investigación y desarrollo llevados a cabo en la red experimental de conmutación de paquetes ARPANET, financiada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Defensa (DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency), y se denomina globalmente como la familia de protocolos TCP/IP. Esta familia consiste en una extensa colección de protocolos que se han especificado como estándares de Internet por parte de IAB (Internet Architecture Board). LAS CAPAS DE TCP/IP El modelo TCP/IP estructura el problema de la comunicación en cinco capas relativamente independientes entre sí: Capa física. Capa de acceso a la red. Capa internet. Capa extremo-a-extremo o de transporte. Capa de aplicación. La capa física define la interfaz física entre el dispositivo de transmisión de datos (por ejemplo, la estación de trabajo o el computador) y el medio de transmisión o red. Esta capa se encarga de la especificación de las características del medio de transmisión, la naturaleza de las señales, la velocidad de datos y cuestiones afines. La capa de acceso a la red es responsable del intercambio de datos entre el sistema final (servidor, estación de trabajo, etc.) y la red a la cual está conectado. El emisor debe proporcionar a la red la dirección del destino, de tal manera que ésta pueda encaminar los datos hasta el destino apropiado. El emisor puede requerir ciertos servicios que pueden ser proporcionados por el nivel de red, por ejemplo, solicitar una determinada prioridad. El software en particular que se use en esta capa dependerá del tipo de red que se disponga. Así, se han desarrollado, entre otros, diversos estándares para la conmutación de circuitos, la conmutación de paquetes (por ejemplo, retransmisión de tramas) y para las redes de área local (por ejemplo, Ethernet). Por tanto, tiene sentido separar en una capa diferente todas aquellas funciones que tengan que ver con el acceso a la red. Haciendo esto, el software de comunicaciones situado por encima de la capa de acceso a la red no tendrá que ocuparse de los detalles específicos de la red a utilizar. El software de las capas superiores debería, por tanto, funcionar correctamente con independencia de la red a la que el computador esté conectado. Para sistema finales conectados a la misma red, la capa de acceso a la red está relacionada con el acceso y encaminamiento de los datos. En situaciones en las que los dos dispositivos estén conectados a redes diferentes, se necesitarán una serie de procedimientos que permitan que los datos atraviesen las distintas redes interconectadas. Ésta es la función de la capa internet. El protocolo internet (IP, Internet Protocol) se utiliza en esta capa para ofrecer el servicio de encaminamiento a través de varias redes. Este protocolo se implementa tanto en los sistemas finales como en los encaminadores intermedios. Un encaminador es un procesador que conecta dos redes y cuya función principal es retransmitir datos desde una red a otra siguiendo la ruta adecuada para alcanzar al destino.

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Independientemente de la naturaleza de las aplicaciones que estén intercambiando datos, es usual requerir que los datos se intercambien de forma fiable. Esto es, sería deseable asegurar que todos los datos llegan a la aplicación destino y en el mismo orden en el que fueron enviados. Como se estudiará más adelante, los mecanismos que proporcionan esta fiabilidad son esencialmente independientes de la naturaleza intrínseca de las aplicaciones. Por tanto, tiene sentido agrupar todos estos mecanismos en una capa común compartida por todas las aplicaciones; ésta se denomina capa extremo-a-extremo, o capa de transporte. El protocolo para el control de la transmisión, TCP (Transmission Control Protocol), es el más utilizado para proporcionar esta funcionalidad. Finalmente, la capa de aplicación contiene toda la lógica necesaria para posibilitar las distintas aplicaciones de usuario. Para cada tipo particular de aplicación, como por ejemplo, la transferencia de archivos, se necesitará un módulo bien diferenciado. La Figura 2.12 muestra las capas de las arquitecturas OSI y TCP/IP, indicando la posible correspondencia en términos de funcionalidad entre ambas. TCP Y UDP La mayor parte de aplicaciones que se ejecutan usando la arquitectura TCP/IP usan como protocolo de transporte TCP. TCP proporciona una conexión fiable para transferir los datos entre las aplicaciones. Una conexión es simplemente una asociación lógica de carácter temporal entre dos entidades de sistemas distintos. Cada PDU de TCP, denominada segmento TCP, contiene en la cabecera la identificación de los puertos origen y destino, los cuales corresponden con los puntos de acceso al servicio (SAP) de la arquitectura OSI. Los valores de los puertos identifican a los respectivos usuarios (aplicaciones) de las dos entidades TCP. Una conexión lógica alude a un par de puertos. Durante la conexión, cada entidad seguirá la pista de los segmentos TCP que vengan y vayan hacia la otra entidad, para así regular el flujo de segmentos y recuperar aquellos que se pierdan o dañen. Además del protocolo TCP, la arquitectura TCP/IP usa otro protocolo de transporte: el protocolo de datagramas de usuario, UDP (User Datagram Protocol). UDP no garantiza la entrega, la

Figura 2.12. Comparación entre las arquitecturas de protocolos TCP/IP y OSI.

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conservación del orden secuencial, ni la protección frente duplicados. UDP posibilita el envío de mensajes entre aplicaciones con la complejidad mínima. Algunas aplicaciones orientadas a transacciones usan UDP. Un ejemplo es SNMP (Simple Network Management Protocol), el protocolo normalizado para la gestión en las redes TCP/IP. Debido a su carácter no orientado a conexión, UDP en realidad tiene poca tarea que hacer. Básicamente, su cometido es añadir a IP la capacidad de identificar los puertos. FUNCIONAMIENTO DE TCP E IP La Figura 2.13 muestra cómo se configuran los protocolos TCP/IP. Para poner de manifiesto que el conjunto total de recursos para la comunicación puede estar formado por varias redes, a dichas redes constituyentes se les denomina subredes. Para conectar un computador a una subred se utiliza algún tipo de protocolo de acceso, por ejemplo, Ethernet. Este protocolo permite al computador enviar datos a través de la subred a otro computador o, en caso de que el destino final esté en otra subred, a un dispositivo de encaminamiento que los retransmitirá. IP se implementa en todos los sistemas finales y dispositivos de encaminamiento. Actúa como un porteador que transportara bloques de datos desde un computador hasta otro, a través de uno o varios dispositivos de encaminamiento. TCP se implementa solamente en los sistemas finales, donde supervisa los bloques de datos para asegurar que todos se entregan de forma fiable a la aplicación apropiada. Para tener éxito en la transmisión, cada entidad en el sistema global debe tener una única dirección. En realidad, se necesitan dos niveles de direccionamiento. Cada computador en una subred dada debe tener una dirección de internet única que permita enviar los datos al computador adecuado. Además, cada proceso que se ejecute dentro de un computador dado debe tener, a su vez,

Figura 2.13. Conceptos de TCP/IP.

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una dirección que sea única dentro del mismo. Esto permite al protocolo extremo-a-extremo (TCP) entregar los datos al proceso adecuado. Estas últimas direcciones se denominan puertos. A continuación se va a describir paso a paso un sencillo ejemplo. Supóngase que un proceso, asociado al puerto 1 en el computador A, desea enviar un mensaje a otro proceso, asociado al puerto 2 del computador B. El proceso en A pasa el mensaje a TCP con la instrucción de enviarlo al puerto 2 del computador B. TCP pasa el mensaje a IP con la instrucción de enviarlo al computador B. Obsérvese que no es necesario comunicarle a IP la identidad del puerto destino. Todo lo que necesita saber es que los datos van dirigidos al computador B. A continuación, IP pasa el mensaje a la capa de acceso a la red (por ejemplo, a la lógica de Ethernet) con el mandato expreso de enviarlo al dispositivo de encaminamiento J (el primer salto en el camino hacia B). Para controlar esta operación se debe transmitir información de control junto con los datos de usuario, como así se sugiere en la Figura 2.14. Supongamos que el proceso emisor genera un bloque de datos y lo pasa a TCP. TCP puede que divida este bloque en fragmentos más pequeños para hacerlos más manejables. A cada uno de estos fragmentos le añade información de control, denominada cabecera TCP, formando un segmento TCP. La información de control la utilizará la entidad par TCP en el computador B. Entre otros, en la cabecera se incluyen los siguientes campos: Puerto destino: cuando la entidad TCP en B recibe el segmento, debe conocer a quién se le deben entregar los datos. Número de secuencia: TCP numera secuencialmente los segmentos que envía a un puerto destino dado para que, si llegan desordenados, la entidad TCP en B pueda reordenarlos. Suma de comprobación: la entidad emisora TCP incluye un código calculado en función del resto del segmento. La entidad receptora TCP realiza el mismo cálculo y compara el resultado con el código recibido. Si se observa alguna discrepancia implicará que ha habido algún error en la transmisión. A continuación, TCP pasa cada segmento a IP con instrucciones para que los transmita a B. Estos segmentos se transmitirán a través de una o varias subredes y serán retransmitidos en uno

Figura 2.14. Unidades de datos de protocolo en la arquitectura TCP/IP.

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o más dispositivos de encaminamiento intermedios. Esta operación también requiere el uso de información de control. Así, IP añade una cabecera de información de control a cada segmento para formar lo que se denomina un datagrama IP. En la cabecera IP, además de otros campos, se incluirá la dirección del computador destino (en nuestro ejemplo B). Finalmente, cada datagrama IP se pasa a la capa de acceso a la red para que se envíe a través de la primera subred. La capa de acceso a la red añade su propia cabecera, creando un paquete, o trama. El paquete se transmite a través de la subred al dispositivo de encaminamiento J. La cabecera del paquete contiene la información que la subred necesita para transferir los datos. La cabecera puede contener, entre otros, los siguientes campos: Dirección de la subred destino: la subred debe conocer a qué dispositivo se debe entregar el paquete. Funciones solicitadas: el protocolo de acceso a la red puede solicitar la utilización de ciertas funciones ofrecidas por la subred, por ejemplo, la utilización de prioridades. En el dispositivo de encaminamiento J, la cabecera del paquete se elimina y, posteriormente, se examina la cabecera IP. El módulo IP del dispositivo de encaminamiento direcciona el paquete a través de la subred 2 hacia B basándose en la dirección destino que contenga la cabecera IP. Para hacer esto, se le añade al datagrama una cabecera de acceso a la red. Cuando se reciben los datos en B, ocurre el proceso inverso. En cada capa se elimina la cabecera correspondiente y el resto se pasa a la capa inmediatamente superior, hasta que los datos de usuario originales alcancen al proceso destino. Como nota final, recuérdese que el nombre genérico del bloque de datos intercambiado en cualquier nivel se denomina unidad de datos del protocolo (PDU, Protocol Data Unit). Consecuentemente, el segmento TCP es la PDU del protocolo TCP. APLICACIONES TCP/IP Se han normalizado una serie de aplicaciones para funcionar por encima de TCP. A continuación se mencionan tres de las más importantes. El protocolo simple de transferencia de correo (SMTP, Simple Mail Transfer Protocol) proporciona una función básica de correo electrónico. Este protocolo establece un mecanismo para transferir mensajes entre computadores remotos. Entre las características de SMTP cabe destacar la utilización de listas de mensajería, la gestión de acuses de recibo y el reenvío de mensajes. El protocolo SMTP no especifica cómo se crean los mensajes. Para este fin se necesita un programa de correo electrónico nativo o un editor local. Una vez que se ha creado el mensaje, SMTP lo acepta y, utilizando TCP, lo envía al módulo SMTP del computador remoto. En el receptor, el módulo SMTP utilizará su aplicación de correo electrónico local para almacenar el mensaje recibido en el buzón de correo del usuario destino. El protocolo de transferencia de archivos (FTP, File Transfer Protocol) se utiliza para enviar archivos de un sistema a otro bajo el control del usuario. Se permite transmitir archivos tanto de texto como en binario. Además, el protocolo permite controlar el acceso de los usuarios. Cuando un usuario solicita la transferencia de un archivo, FTP establece una conexión TCP con el sistema destino para intercambiar mensajes de control. Esta conexión permite al usuario transmitir su identificador y contraseña, además de la identificación del archivo junto con las acciones a realizar sobre el mismo. Una vez que el archivo se haya especificado y su transferencia haya sido aceptada, se establecerá una segunda conexión TCP a través de la cual se materializará la transferencia. El

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archivo se transmite a través de la segunda conexión, sin necesidad de enviar información extra o cabeceras generadas por la capa de aplicación. Cuando la transferencia finaliza, se utiliza la conexión de control para indicar la finalización. Además, esta misma conexión estará disponible para aceptar nuevas órdenes de transferencia. TELNET facilita la realización de conexiones remotas, mediante las cuales el usuario en un terminal o computador personal se conecta a un computador remoto y trabaja como si estuviera conectado directamente a ese computador. El protocolo se diseñó para trabajar con terminales poco sofisticados en modo scroll (avance de pantalla). En realidad, TELNET se implementa en dos módulos: el usuario TELNET interactúa con el módulo de E/S para comunicarse con un terminal local. Este convierte las particularidades de los terminales reales a una definición normalizada de terminal de red y viceversa. El servidor TELNET interactúa con la aplicación, actuando como un sustituto del gestor del terminal, para que de esta forma el terminal remoto le parezca local a la aplicación. El tráfico entre el terminal del usuario y el servidor TELNET se lleva a cabo sobre una conexión TCP. INTERFACES DE PROTOCOLO En la familia de protocolos TCP/IP cada capa interacciona con sus capas inmediatamente adyacentes. En el origen, la capa de aplicación utilizará los servicios de la capa extremo-a-extremo, pasándole los datos. Este procedimiento se repite en la interfaz entre la capa extremo-a-extremo y la capa internet, e igualmente en la interfaz entre la capa internet y la capa de acceso a la red. En el destino, cada capa entrega los datos a la capa superior adyacente. La arquitectura de TCP/IP no exige que se haga uso de todas las capas. Como así se sugiere en la Figura 2.15, es posible desarrollar aplicaciones que invoquen directamente los servicios de cualquier capa. La mayoría de las aplicaciones requieren un protocolo extremo-a-extremo fiable y, por tanto, utilizan TCP. Otras aplicaciones de propósito específico no necesitan de los servicios del TCP. Algunas de estas, por ejemplo, el protocolo simple de gestión de red (SNMP), utilizan un protocolo extremo-a-extremo alternativo denominado protocolo de datagrama de usuario (UDP); otras, en cambio, incluso pueden usar el protocolo IP directamente. Las aplicaciones que no necesiten interconexión de redes y que no necesiten TCP pueden invocar directamente los servicios de la capa de acceso a la red.

2.5.

LECTURAS RECOMENDADAS Y SITIOS WEB Para el lector que esté interesado en profundizar en el estudio de TCP/IP, hay dos trabajos de tres volúmenes cada uno muy adecuados. Los trabajos de Comer y Stevens se han convertido en un clásico y son considerados como definitivos [COME00, COME99, COME01]. Los trabajos de Stevens y Wright son igualmente dignos de mención y más explícitos en la descripción del funcionamiento de los protocolos [STEV94, STEV96, WRIG95]. Un libro más compacto y útil como manual de referencia es [RODR02], en el que se cubre todo el espectro de protocolos relacionados con TCP/IP de una forma concisa y elegante, incluyendo la consideración de algunos protocolos no estudiados en los otros dos trabajos. COME99 Comer, D., y Stevens, D. Internetworking with TCP/IP, Volume II: Design Implementation, and Internals. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1994.

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Figura 2.15. Algunos protocolos en la familia de protocolos TCP/IP.

COME00 Comer D. Internetworking with TCP/IP, Volume I: Principles, Protocols, and Architecture. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2000. COME01 Comer, D., y Stevens, D. Internetworking with TCP/IP, Volume III: Client-Server Programming and Applications. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001. RODR02 Rodríguez, A., et al., TCP/IP: Tutorial and Technical Overview. Upper Saddle River: NJ: Prentice Hall, 2002. STEV94 Stevens, W. TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols. Reading, MA: Addison-Wesley, 1994. STEV96 Stevens, W. TCP/IP Illustrated, Volume 3: TCP for Transactions, HTTP, NNTP, and the UNIX(R) Domain Protocol. Reading, MA: Addison-Wesley, 1996. WRIG95 Wright, G., y Stevens, W. TCP/IP Illustrated, Volume 2: The Implementation. Reading, MA: Addison-Wesley, 1995.

SITIO WEB RECOMENDADO «Networking Links»: ofrece una excelente colección de enlaces relacionadas con TCP/IP.

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2.6.

TÉRMINOS CLAVE, CUESTIONES DE REPASO Y EJERCICIOS TÉRMINOS CLAVE arquitectura de protocolos cabecera capa de aplicación capa de presentación capa de red capa de sesión capa de transporte capa de enlace de datos capa física capa par dispositivo de encaminamiento o encaminador interconexión de redes interconexión de sistemas abiertos (OSI, Open Systems Interconnection) CUESTIONES DE REPASO 2.1 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. ¿Cuál es la función principal de la capa de acceso a la red? ¿Qué tareas realiza la capa de transporte? ¿Qué es un protocolo? ¿Qué es una unidad de datos del protocolo (PDU)? ¿Qué es una arquitectura de protocolos? ¿Qué es TCP/IP? ¿Qué ventajas aporta una arquitectura en capas como la usada en TCP/IP? ¿Qué es un encaminador? Internet protocolo protocolo de control de transmisión (TCP, Transmission Control Protocol) protocolo de datagramas de usuario (UDP, User Datagram Protocol) protocolo internet (IP, Internet Protocol) puerto punto de acceso al servicio (SAP, Service Access Point) subred suma de comprobación unidad de datos del protocolo (PDU, Protocolo Data Unit)

EJERCICIOS 2.1. 2.2. Usando los modelos de capas de la Figura 2.16, describa el procedimiento de pedir y enviar una pizza, indicando las interacciones habidas en cada nivel. a) Los primeros ministros de China y Francia necesitan alcanzar un acuerdo por teléfono, pero ninguno de los dos habla el idioma de su interlocutor. Es más, ninguno tiene cerca un traductor que traduzca el idioma del otro. No obstante, ambos tienen un traductor de inglés. Dibuje un diagrama similar al de la Figura 2.16 que describa la situación y detalle las interacciones que haya en cada nivel. b) Suponga ahora que el traductor del primer ministro chino puede traducir sólo al japonés y que el primer ministro francés tiene un traductor alemán. Un traductor de japonés a alemán se encuentra disponible en Alemania. Dibuje el diagrama que refleje esta nueva situación y describa la hipotética conversación telefónica.

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Figura 2.16. Arquitectura del Ejercicio 2.1.

2.3. 2.4.

Enumere las desventajas del diseño en capas para los protocolos. Dos cuerpos de ejército (de color azul), situados sobre dos colinas, están preparando un ataque a un único ejército (de color rojo) situado en el valle que las separa. El ejército rojo puede vencer por separado a cada cuerpo del ejército azul, pero fracasará si los dos ejércitos azules le atacan simultáneamente. Los cuerpos de ejército azules se comunican mediante un sistema de comunicación no fiable (un soldado de infantería). El comandante de uno de los cuerpos de ejército azul desearía atacar al mediodía. Su problema es éste: si envía un mensaje ordenando el ataque, no puede estar seguro de que el mensaje haya llegado. Podría solicitar una confirmación, pero ésta también podría ser interceptada. ¿Existe algún protocolo que pueda utilizar el ejército azul para evitar la derrota? Una red de difusión es aquella en la que las transmisiones de cualquier estación son recibidas por todas las estaciones conectadas al medio compartido. Ejemplos son una red de área local con topología en bus, como Ethernet, o una red inalámbrica. Discuta si es necesaria o no una capa de red (capa 3 de OSI) en una red de difusión. Basándose en los principios enunciados en la Tabla 2.1: a) Diseñe una arquitectura con ocho capas y ponga un ejemplo de su utilización. b) Diseñe otra con seis capas y ponga otro ejemplo para ésta.

2.5.

2.6

2.7.

En la Figura 2.14, la unidad de datos del protocolo (PDU) de la capa N se encapsula en una PDU de la capa (N . 1). Igualmente, se puede partir la PDU del nivel N en varias PDU del nivel (N . 1) (segmentación) o agrupar varias PDU del nivel N en una única PDU del nivel (N . 1) (agrupamiento). a) En la segmentación, ¿es necesario que cada segmento del nivel (N . 1) contenga una copia de la cabecera del nivel N? b) En el agrupamiento, ¿es necesario que cada una de las PDU conserve su cabecera o se pueden agrupar los datos en una única PDU de nivel N con una única cabecera de nivel N?

2.8.

La versión anterior de la especificación del protocolo TFTP, RFC 783, decía: «Todos los paquetes, exceptuando aquellos utilizados para terminar, se confirman individualmente a menos que el temporizador correspondiente expire.»

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El RFC 1350 modificó esta frase para decir: «Todos los paquetes, exceptuando los ACK (confirmaciones, del inglés ACKnowledgement) duplicados y los utilizados para terminar, se confirman a menos que el correspondiente temporizador expire.» Este cambio se ha introducido para corregir el problema denominado del «aprendiz de brujo». Deduzca y explique el problema. 2.9. ¿Cuál es el factor que determina el tiempo necesario para transferir un archivo usando TFTP?

APÉNDICE 2A. EL PROTOCOLO TFTP (TRIVIAL FILE TRANSFER PROTOCOL ) En este apéndice se proporciona un resumen de la norma protocolo trivial para la transferencia de archivos (TFTP, Trivial File Transfer Protocol) de Internet, definido en el RFC 1350. Nuestro propósito aquí es ilustrar al lector sobre el uso de los elementos de un protocolo. INTRODUCCIÓN A TFTP TFTP es mucho más sencillo que la norma de Internet FTP (RFC 959). No hay mecanismos para controlar el acceso o la identificación de los usuarios. Por tanto, TFTP está sólo indicado para acceder a directorios públicos. Debido a su simplicidad, TFTP se implementa fácilmente y de una forma compacta. Por ejemplo, algunos dispositivos sin discos utilizan TFTP para descargar el código ejecutable para arrancar. TFTP se ejecuta por encima de UDP. La entidad TFTP que inicia la transferencia lo hace enviando una solicitud de lectura o escritura en un segmento UDP al puerto 69 del destino. Este puerto se reconoce por parte del módulo UDP como el identificador del módulo TFTP. Mientras dura la transferencia, cada extremo utiliza un identificador para la transferencia (TID, Transfer identifier) como su número de puerto. PAQUETES TFTP Las entidades TFTP intercambian órdenes, respuestas y datos del archivo mediante paquetes, cada uno de los cuales se transporta en el cuerpo de un segmento UDP. TFTP considera cinco tipos de paquetes (véase Figura 2.17); los dos primeros bytes contienen un código que identifica el tipo de paquete de que se trata: RRQ (Read ReQuest packet): paquete para solicitar permiso para leer un archivo desde el otro sistema. Este paquete indica el nombre del archivo en una secuencia de bytes en ASCII3 terminada por un byte cero. Con este byte cero se indica a la entidad TFTP receptora que el nombre del archivo ha concluido. Este paquete también incluye un campo denominado modo, el cual indica cómo ha de interpretarse el archivo de datos: como una cadena de bytes ASCII o como datos de 8 bits en binario.
ASCII es la norma American Standard Code for Information Interchange especificada por el American Standards Institute. Asigna un patrón único de 7 bits a cada letra, usando el bit octavo como paridad. ASCCI es equivalente al alfabeto de referencia internacional (IRA, Internacional Referente Alphabet), definido por la UIT-T en la recomendación T.50.
3

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Figura 2.17. Formatos de los paquetes TFTP.

WRQ (Write ReQuest packet): paquete para solicitar permiso para enviar un archivo al otro sistema. Datos: los bloques de datos se empiezan a enumerar desde uno y se incrementa su numeración por cada nuevo bloque de datos. Esta convención posibilita que el programa use un número para discriminar entre paquetes nuevos y duplicados. El campo de datos tiene una longitud entre cero y 512 bytes. Cuando es de 512 bytes, se interpreta como que no es el último bloque de datos. Cuando su longitud está comprendida entre cero y 511, indica el final de la transferencia. ACK (Acknowledgement): este paquete confirma la recepción de un paquete WRQ o de datos. El ACK de un paquete de datos contiene el número de bloque del paquete de datos confirmado. Un ACK de un WRQ contendrá un número de bloque igual a cero. Error: estos paquetes pueden corresponder a la confirmación de cualquier tipo de paquete. El código de error es un entero que indica la naturaleza del error (Tabla 2.4). El mensaje de error está destinado a ser interpretado por un humano, debiendo ser código ASCII. Al igual que todas las otras cadenas, se delimita finalmente con un byte cero. Todos los paquetes, excepto los ACK duplicados (posteriormente explicados) y los usados para finalizar, tienen que ser confirmados. Para cualquier paquete se puede devolver un paquete de error. Si no hay errores, se aplica el siguiente convenio: los paquetes de datos o de tipo WRQ se confirman con un paquete ACK. Cuando se envía un RRQ, el otro extremo debe responder (siempre que no haya error) transmitiendo el archivo; por tanto, el primer bloque de datos sirve como confirmación del paquete RRQ. Hasta que no se concluya la transferencia del archivo, cada paquete ACK generado será seguido por un paquete de datos en el otro sentido. De esta forma los paquetes de datos sirven igualmente como confirmaciones. Un paquete de error podrá ser confirmado por cualquier tipo de paquete, dependiendo de las circunstancias.

Arquitectura de protocolos

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Tabla 2.4. Códigos de error en TFTP. Valor 0 1 2 3 4 5 6 7 Significado No definido, ver mensaje de error (si lo hubiera) Archivo no encontrado Fallo en el acceso Disco lleno o cuota excedida Operación TFTP no válida TID desconocido El archivo ya existe Usuario no existente

EJEMPLO DE TRANSFERENCIA El ejemplo que se muestra en la Figura 2.18 corresponde a una transferencia sencilla desde A a B. Se supone que no ocurren errores. Es más, en la figura no se muestran los detalles acerca de la especificación de las opciones. La operación comienza cuando el módulo TFTP del sistema A envía una solicitud de escritura (WRQ) al módulo TFTP del sistema B. El paquete WRQ se transporta en el cuerpo de un segmento UDP. La solicitud de escritura incluye el nombre del archivo (en el ejemplo XXX) y un octeto que indica el modo, binario u octetos. En la cabecera UDP, el puerto destino es el 69, el cual avisa a la entidad UDP receptora que el mensaje está dirigido a la aplicación de TFTP. El número del puerto origen es un TID seleccionado por A, en el ejemplo 1511. El sistema B está preparado para aceptar el archivo. Por tanto, devuelve un ACK con número de bloque 0. En la cabecera UDP, el puerto destino es 1511, el cual habilita a la entidad UDP en A a encaminar el paquete recibido al módulo TFTP, el cual podrá cotejar este TID con el TID del WRQ. El puerto origen es un TID seleccionado por B para la transferencia del archivo, 1660 en el ejemplo. Siguiendo con el ejemplo, se procede a la transferencia del archivo. El envío consiste en uno o más paquetes desde A, cada uno de los cuales ha de ser confirmado por B. El último paquete de datos contiene menos de 512 bytes de datos, lo que indica el fin de la transferencia. ERRORES Y RETARDOS Si TFTP funciona sobre una red o sobre una internet (por oposición a un enlace directo de datos), es posible que ciertos paquetes se pierdan. Debido a que TFTP funciona sobre UDP, el cual no proporciona un servicio con entrega garantizada, se necesita en TFTP un mecanismo que se encargue de tratar con estos posibles paquetes perdidos. En TFTP se usa una técnica habitual basada en expiración de temporizadores. Supóngase que A envía un paquete a B que requiere ser confirmado. (es decir, cualquier paquete que no sea un ACK duplicado o uno utilizado para terminar). Cuando A envía el paquete, inicia un temporizador. Si el temporizador expira antes de que se reciba de B

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Figura 2.18. Ejemplo de funcionamiento de TFTP.

la confirmación, A retransmitirá el mismo paquete anterior. Si de hecho el paquete original se perdió, la retransmisión será la primera instancia del paquete que reciba B. Si el paquete original no se perdió, pero sí la confirmación de B, B recibirá dos copias del mismo paquete, confirmando ambas. Debido al uso de número de bloques, esta última contingencia no introducirá confusión alguna. La única excepción sería el caso de ACK duplicados. En este caso, el segundo ACK se ignorará. SINTAXIS, SEMÁNTICA Y TEMPORIZACIÓN En el Apartado 2.1 se mencionó que las características o aspectos clave de cualquier protocolo se pueden clasificar en sintaxis, semántica y temporización. Estas categorías se pueden identificar fácilmente en TFTP. El formato de los distintos paquetes TFTP constituye la sintaxis del protocolo. La semántica del protocolo consiste en las definiciones de cada uno de los tipos de paquetes y códigos de error. Finalmente, el orden en que se intercambian los paquetes, la numeración de los bloques y el uso de temporizadores son todos ellos aspectos relativos a la temporización de TFTP.

P A R T E II

COMUNICACIONES DE DATOS
CUESTIONES DE LA PARTE II

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n la Parte II se estudia la transferencia de datos entre dos dispositivos que estén directamente conectados; es decir, dos dispositivos que estén enlazados por medio de un único camino y no por una red. Incluso en este contexto tan restringido, hay una cantidad considerable de cuestiones técnicas y de diseño a analizar. En primer lugar, es necesario conocer cómo se transmiten las señales a través del enlace de comunicación. En la transmisión, se utilizarán tanto técnicas analógicas como digitales. En ambos casos, las señales se considerarán que están formadas por un conjunto de componentes espectrales definidas en un rango de frecuencias electromagnéticas. Las propiedades de transmisión de la señal dependerán de las frecuencias involucradas. Igualmente, en la transmisión, los defectos y limitaciones que sufra la señal, por ejemplo la atenuación, dependerán de la frecuencia. Un aspecto independiente de los anteriores es el propio medio que se utilice para la transmisión de la señal, el cual será factor determinante en las prestaciones (velocidad de transmisión y distancia) del sistema de comunicación. Íntimamente relacionado con las señales y los medios de transmisión está el problema de cómo codificar los datos en las señales a transmitir. Las técnicas de codificación son, igualmente, un factor que influirá en las prestaciones del sistema de transmisión. Además de los tres conceptos fundamentales, a saber: la señal, el medio y la codificación, en la Parte II se estudian otros dos aspectos muy importantes en las comunicaciones de datos: la fiabilidad y la eficiencia. En cualquier esquema de comunicaciones, durante la transmisión, siempre habrá una tasa determinada de errores. Para el control del enlace de datos se necesitará un protocolo que proporcione los mecanismos para la detección y recuperación de los errores. Con ello, una línea que no sea fiable se convertirá en un enlace de datos fiable. Finalmente, si la capacidad del enlace es superior a lo requerido por una transmisión típica, en aras de proporcionar un uso eficaz del medio de transmisión, será necesario la utilización de varias técnicas de multiplexación.

ESQUEMA DE LA PARTE II CAPÍTULO 3. TRANSMISIÓN DE DATOS

Los principios generales que rigen en la transmisión de datos están siempre subyacentes en todos los conceptos y técnicas que se presentan en este texto. Para comprender la necesidad de la codifi-

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cación, la multiplexación, la conmutación, el control de errores, etc., el lector debería comprender previamente el comportamiento de la propagación de las señales a través de los medios de transmisión. En el Capítulo 3 se discuten las diferencias entre datos analógicos y digitales y entre la transmisión analógica y la digital. En este capítulo también se estudian los conceptos de atenuación y ruido. CAPÍTULO 4. MEDIOS DE TRANSMISIÓN

Los medios de transmisión se pueden clasificar en guiados o inalámbricos. Los medios guiados más utilizados son el par trenzado, el cable coaxial y la fibra óptica. Entre las técnicas inalámbricas cabe destacar las microondas terrestres y vía satélite, la radiodifusión y los infrarrojos. En el Capítulo 4 se estudian todos estos conceptos. CAPÍTULO 5. TÉCNICAS PARA LA CODIFICACIÓN DE SEÑALES

Los datos pueden ser analógicos (continuos) o digitales (discretos). Para su transmisión, se deben codificar mediante señales eléctricas de características acordes con el medio de transmisión. Tanto los datos analógicos como digitales se pueden representar mediante señales analógicas o digitales; cada una de las cuatro posibilidades se estudian en el Capítulo 5. CAPÍTULO 6. TÉCNICAS DE COMUNICACIÓN DE DATOS DIGITALES

En el Capítulo 6, el interés se desplaza de la transmisión a la comunicación de datos. Para que dos dispositivos que están conectados mediante un medio de transmisión puedan intercambiar datos digitales se necesita un alto grado de cooperación entre ellos. Normalmente, los datos se transmiten de bit en bit. La temporización (la velocidad, la duración y la separación) de estos bits debe ser común en el transmisor y en el receptor. En este capítulo se exploran dos técnicas de comunicación habituales: la asíncrona y la síncrona. A continuación, se estudian los conceptos relacionados con los errores en la transmisión, la detección de errores y las técnicas de corrección. Generalmente, los dispositivos de datos digitales ni se conectan, ni transmiten directamente al medio. En su lugar, este proceso se lleva a cabo mediante la intervención de una interfaz normalizada. CAPÍTULO 7. PROTOCOLOS DE CONTROL DEL ENLACE DE DATOS

El intercambio cooperativo de datos digitales entre dos dispositivos exige algún mecanismo para el control del enlace de datos. El Capítulo 7 estudia las técnicas fundamentales comunes a todos los protocolos para el control del enlace de datos, incluyendo el control del flujo y el control de los errores. A continuación, se estudia el protocolo más utilizado en esta capa: HDLC. CAPÍTULO 8. MULTIPLEXACIÓN

Los equipos y servicios de transmisión son costosos. A menudo es habitual que dos estaciones interconectadas no utilicen toda la capacidad disponible del enlace de datos. Por cuestiones de rendimiento, sería deseable poder compartir esa capacidad. El término genérico con el que se denomina esa técnica es multiplexación.

Parte II

Comunicaciones de datos

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El Capítulo 8 se centra en las tres técnicas más habituales de multiplexación. En primer lugar, se estudia la multiplexación más utilizada, la división en frecuencias (FDM, Frecuency Division Multiplexing), familiar para cualquiera que haya utilizado un receptor de radio o de televisión. La segunda técnica es un caso particular de multiplexación por división en el tiempo (TDM, Time Division Multiplexing) habitualmente denominada TDM síncrona. Esta técnica es habitual para la multiplexación de señales de voz digitalizada. El tercer tipo es otro caso particular de TDM, más compleja que la anterior pero potencialmente más eficaz, denominada TDM estadística o asíncrona. CAPÍTULO 9. ESPECTRO EXPANDIDO

Las técnicas de espectro expandido se utilizan cada vez más en las comunicaciones inalámbricas. Dentro de ellas se consideran dos aproximaciones genéricas: el salto en frecuencias y el espectro expandido por secuencia directa. En el Capítulo 9 se proporciona un resumen de ambas técnicas. En este capítulo además se considera el concepto de acceso múltiple por división de código (CDMA, Code Division Multiple Access), que no es sino una aplicación del espectro expandido para proporcionar acceso múltiple a un canal compartido.

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CAPÍTULO 3

Transmisión de datos

3.1. Conceptos y terminología Terminología utilizada en transmisión de datos Frecuencia, espectro y ancho de banda 3.2. Transmisión de datos analógicos y digitales Datos analógicos y digitales Señales analógicas y digitales Transmisión analógica y digital 3.3. Dificultades en la transmisión Atenuación Distorsión de retardo Ruido 3.4. Capacidad del canal Ancho de banda de Nyquist Fórmula para la capacidad de Shannon El cociente Eb /N0 3.5. Lecturas recomendadas 3.6. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios Términos clave Cuestiones de repaso Ejercicios Apéndice 3A. Decibelios y energía de la señal

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CUESTIONES BÁSICAS Todos los tipos de información considerados en este texto (voz, datos, imágenes, vídeo) se pueden representar mediante señales electromagnéticas. Para transportar la información, dependiendo del medio de transmisión y del entorno donde se realicen las comunicaciones, se podrán utilizar señales analógicas o digitales. Cualquier señal electromagnética, analógica o digital, está formada por una serie de frecuencias constituyentes. Un parámetro clave en la caracterización de la señal es el ancho de banda, definido como el rango de frecuencias contenidas en la señal. En términos generales, cuanto mayor es el ancho de banda de la señal, mayor es su capacidad de transportar información. Uno de los problemas principales en el diseño de un sistema de comunicaciones reside en paliar las dificultades, o defectos, de las líneas de transmisión. Las dificultades más importantes a superar son la atenuación, la distorsión de atenuación, la distorsión de retardo, así como los distintos tipos de ruido. El ruido puede ser, entre otros, de tipo térmico, ruido de intermodulación, diafonía o impulsivo. Al usar señales analógicas, las dificultades en la transmisión causan efectos de naturaleza aleatoria que degradan la calidad de la información recibida y pueden afectar a la inteligibilidad. Cuando se utilizan señales digitales, los defectos en la transmisión pueden introducir bits erróneos en la recepción. El diseñador de un sistema de comunicaciones debe tener presente cuatro factores determinantes: el ancho de banda de la señal, la velocidad de transmisión de la información digital, la cantidad de ruido, además de otros defectos en la transmisión, y, por último, la proporción o tasa de errores tolerable. El ancho de banda disponible está limitado por el medio de transmisión así como por la necesidad de evitar interferencias con señales cercanas. Debido a que el ancho de banda es un recurso escaso, es conveniente hacer máxima la velocidad de transmisión para el ancho de banda disponible. La velocidad de transmisión está limitada por el ancho de banda, por la presencia ineludible de defectos en la transmisión, como el ruido, y, finalmente, por la tasa de errores que sea tolerable.

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l éxito en la transmisión de datos depende fundamentalmente de dos factores: la calidad de la señal que se transmite y las características del medio de transmisión. El objetivo de este capítulo, y del siguiente, es proporcionar al lector un conocimiento intuitivo de la naturaleza de estos dos factores. La primera sección introduce algunos conceptos y terminología comúnmente aceptados en este campo, proporcionando así la base suficiente para abordar el resto del capítulo. La Sección 3.2 clarifica el uso de los conceptos analógico y digital. Tanto los datos analógicos como los digitales se pueden transmitir usando señales analógicas o digitales. Es más, esto es ampliable al procesamiento intermedio que se haga entre la fuente y el destino, pudiendo ser igualmente analógico o digital. En la Sección 3.3 se estudian los defectos presentes en la transmisión que, en definitiva, pueden ser los causantes de los errores en los datos. Dichos errores son fundamentalmente: la atenuación, la distorsión en la atenuación, la distorsión de retardo y los diversos tipos de ruido existentes. Para concluir, se estudia el concepto fundamental de la capacidad del canal.

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3.1. CONCEPTOS Y TERMINOLOGÍA En esta sección se introducen algunos conceptos y términos que se utilizarán en este capítulo y, de hecho, a lo largo de toda la Parte II. TERMINOLOGÍA UTILIZADA EN TRANSMISIÓN DE DATOS La transmisión de datos entre un emisor y un receptor siempre se realiza a través de un medio de transmisión. Los medios de transmisión se pueden clasificar como guiados y no guiados. En ambos casos, la comunicación se realiza usando ondas electromagnéticas. En los medios guiados, por ejemplo en pares trenzados, en cables coaxiales y en fibras ópticas, las ondas se transmiten confinándolas a lo largo de un camino físico. Por el contrario, los medios no guiados, también denominados inalámbricos, proporcionan un medio para transmitir las ondas electromagnéticas sin confinarlas, como por ejemplo en la propagación a través del aire, el mar o el vacío. El término enlace directo se usa para designar un camino de transmisión entre dos dispositivos en el que la señal se propague directamente del emisor al receptor sin ningún otro dispositivo intermedio que no sea un amplificador o repetidor. Estos últimos se usan para incrementar la energía de la señal. Obsérvese que este término se puede aplicar tanto a medios guiados como no guiados. Un medio de transmisión guiado es punto a punto si proporciona un enlace directo entre dos dispositivos que comparten el medio, no existiendo ningún otro dispositivo conectado. En una configuración guiada multipunto, el mismo medio es compartido por más de dos dispositivos. Un medio de transmisión puede ser simplex, half-duplex o full-duplex. En la transmisión simplex, las señales se transmiten sólo en una única dirección; siendo una estación la emisora y otra la receptora. En half-duplex, ambas estaciones pueden transmitir, pero no simultáneamente. En fullduplex, ambas estaciones pueden igualmente transmitir y recibir, pero ahora simultáneamente. En este último caso, el medio transporta señales en ambos sentidos al mismo tiempo. Posteriormente se explicará cómo se realiza este tipo de transmisión. Nótese que estas definiciones son de uso común en los Estados Unidos (son definiciones ANSI). En otros lugares (donde prevalecen las definiciones UIT-T) el término simplex corresponde a half-duplex, tal y como se ha definido antes, y duplex se usa por lo que se ha definido como full-duplex. FRECUENCIA, ESPECTRO Y ANCHO DE BANDA En este texto, se estudiarán las señales electromagnéticas desde el punto de vista de la transmisión de datos. En el punto 3 de la Figura 1.2 se genera una señal en el transmisor que se enviará a través del medio. La señal, que es una función del tiempo, se puede expresar alternativamente en función de la frecuencia; es decir, la señal puede considerarse estar constituida por componentes a diferentes frecuencias. Para comprender y caracterizar el funcionamiento de los sistemas de transmisión de datos el dominio de la frecuencia suele ser más ilustrativo que el dominio del tiempo. A continuación, se introducen ambos dominios. Conceptos en el dominio temporal Toda señal electromagnética, considerada como función del tiempo, puede ser tanto analógica como digital. Una señal analógica es aquella en la que la intensidad de la señal varía suavemente en el tiempo. Es decir, no presenta saltos o discontinuidades1.
1

N. del T.: Por error en la edición 7.a han dejado los títulos de la versión 6.a. No obstante en la traducción se corrige.

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Una señal digital es aquella en la que la intensidad se mantiene constante durante un determinado intervalo de tiempo, tras el cual la señal cambia a otro valor constante2. En la Figura 3.1 se muestran ejemplos de ambos tipos de señales. La señal continua puede corresponder a voz y la señal discreta puede representar valores binarios (0 y 1). Las señales periódicas son el tipo de señales más sencillas que se puede considerar; se caracterizan por contener un patrón que se repite a lo largo del tiempo. En la Figura 3.2 se muestra un ejemplo de señal periódica continua (una onda sinusoidal) y un ejemplo de señal periódica discreta (una onda cuadrada). Matemáticamente, una señal s(t) se dice periódica si y solamente si s(t ! T) % s(t) .ä a t a ! ä

donde la constante T es el periodo de la señal (T debe ser el menor valor que verifique la ecuación). En cualquier otro caso la señal es no periódica. La onda seno es una de las señales periódicas por antonomasia. Una onda seno genérica se representa mediante tres parámetros: la amplitud (A), la frecuencia ( f ) y la fase (h). La amplitud de pico es el valor máximo de la señal en el tiempo; normalmente, este valor se mide en voltios. La frecuencia es la razón (en ciclos por segundo o Hercios (Hz)) a la que la señal se repite. Un parámetro equivalente es el periodo (T), definido como la cantidad de tiempo transcurrido entre dos repeticiones consecutivas de la señal; por tanto, se verifica que T % 1/ f . La fase es una medida de la posición relativa de la señal dentro de un periodo de la misma; este concepto se explicará

Figura 3.1. Señal analógica y señal digital.
2

N. del T.: Por error en la edición 7.a han dejado los títulos de la versión 6.a. No obstante en la traducción se corrige.

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Figura 3.2. Ejemplos de señales periódicas.

más adelante. Más formalmente, en una señal periódica f (t), la fase es la parte fraccionaria t/T del periodo T, en la que t ha avanzado respecto un origen arbitrario. El origen se considera normalmente como el último cruce por cero desde un valor negativo a uno positivo. La expresión genérica para una onda sinusoidal es s(t) % A sen (2n f t ! h) En la Figura 3.3 se muestra el efecto de la variación de cada uno de los tres parámetros antes mencionados. En la parte (a) de la figura la frecuencia es 1 Hz, por tanto, el periodo T % 1 segundo. En la parte (b) se representa una onda seno con la misma fase y frecuencia pero con una amplitud de pico 0,5. En la parte (c) se tiene una señal con frecuencia f % 2, lo cual es equivalente a considerar un periodo T % 0,5. Por último, en la parte (d) de la misma figura se muestra el efecto de un desplazamiento en fase de n/4 radianes, que corresponde a 45 grados (2n radianes % 360o % 1 periodo). En la Figura 3.3, el tiempo se representa en el eje horizontal; la curva representa el valor de la señal en un punto del espacio dado en función del tiempo. Este tipo de gráficas, con un cambio

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Figura 3.3. s(t) % A sen (2nft ! h).

adicional de escala, también se usan representando la distancia en el eje horizontal. En este caso, la curva mostraría el valor de la señal para un instante de tiempo dado en función de la distancia. Por ejemplo, en una transmisión de una señal sinusoidal (léase una onda electromagnética de radiofrecuencia alejada a una cierta distancia de la antena, o un sonido alejado a cierta distancia del altavoz), en un instante determinado, la intensidad de la señal variará sinusoidalmente en función de la distancia desde la fuente. Existe una relación sencilla entre las dos señales seno anteriores (en el tiempo y en el espacio). Dada una señal, se define la longitud de onda, j, como la distancia que ocupa un ciclo o, en otras palabras, se define como la distancia entre dos puntos de igual fase en dos ciclos consecutivos. Supóngase que la señal se propaga a una velocidad v. En ese caso, la longitud de onda se puede relacionar con el periodo de la señal a través de la siguiente expresión: j%vT, o de forma equivalente, j f % v. Es de especial relevancia el caso en que v%c; es decir, cuando la velocidad de propagación en el medio es igual a la de la luz en el vacío, que como es sabido es aproximadamente 3 # 108 m/s. Conceptos en el dominio de la frecuencia En la práctica, las señales electromagnéticas pueden estar compuestas de muchas frecuencias. Por ejemplo, la señal s(t) % (4/n) # (sen (2n f t) ! (1/3) sen (2n(3 f )t))

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se muestra en la Figura 3.4c. En este ejemplo la señal está compuesta por sólo dos términos seno correspondientes a las frecuencias f y 3 f ; dichas componentes se muestran en las partes (a) y (b) de la mencionada figura. Hay dos comentarios interesantes que se pueden hacer a la vista de la figura: La frecuencia de la segunda componente es un múltiplo entero de la frecuencia de la primera. Cuando todas las componentes de una señal tienen frecuencias múltiplo de una dada, esta última se denomina frecuencia fundamental. El periodo de la señal total de componentes es el periodo correspondiente a la frecuencia fundamental. El periodo de la componente (2n f t) es T % 1/ f , y el periodo de s(t) es también T, como se puede observar en la Figura 3.4c.

Figura 3.4. Suma de componentes en frecuencia (T % 1/f ).

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Se puede demostrar, usando el análisis de Fourier, que cualquier señal está constituida por componentes sinusoidales de distintas frecuencias. Sumando un número suficiente de señales sinusoidales, cada una con su correspondiente amplitud, frecuencia y fase, se puede construir cualquier señal electromagnética. En otras palabras, se puede demostrar cualquier señal electromagnética que está constituida por una colección de señales periódicas analógicas (ondas seno) con diferentes amplitudes, frecuencias y fases. La importancia de poder considerar una señal tanto en el dominio de la frecuencia, como en el dominio del tiempo se pondrá de manifiesto conforme vayamos avanzando en nuestro estudio. Para el lector interesado, en el Apéndice B se presenta una introducción al análisis de Fourier. Por tanto, podemos decir que para cada señal hay una función en el dominio del tiempo s(t) que determina la amplitud de la señal en cada instante del tiempo. Igualmente, hay una función S( f ), en el dominio de la frecuencia, que especifica las amplitudes de pico de las frecuencias constitutivas de la señal. En la Figura 3.5a se muestra la señal de la Figura 3.4c en el dominio de la

Figura 3.5. Representaciones en el dominio de la frecuencia.

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frecuencia. Obsérvese que, en este caso, S( f ) es discreta. En la Figura 3.5b se muestra la función en el dominio de la frecuencia correspondiente a una señal pulso cuadrado, con valor 1 entre .X/2 y X/2, y 0 en cualquier otro caso3. Obsérvese que, en este caso, S( f ) es continua y tiene valores distintos de cero indefinidamente, aunque la magnitud de las componentes en frecuencias decrece rápidamente para frecuencias f grandes. Estos comportamientos son habituales en las señales reales. Se define el espectro de una señal como el conjunto de frecuencias que la constituyen. Para la señal de la Figura 3.4c, el espectro se extiende desde f a 3 f . Se define el ancho de banda absoluto de una señal como la anchura del espectro. En el caso de la Figura 3.4c, el ancho de banda es 2 f . Muchas señales, como la de la Figura 3.5b, tienen un ancho de banda infinito. No obstante, la mayor parte de la energía de la señal se concentra en una banda de frecuencias relativamente estrecha. Esta banda se denomina ancho de banda efectivo o, simplemente, ancho de banda. Para concluir, definiremos el término componente continua (dc). Si una señal contiene una componente de frecuencia cero, esa componente se denomina continua (dc, direct current). Por ejemplo, en la Figura 3.6 se muestra el resultado de sumarle una componente continua a la señal de la Figura 3.4c. Sin componente continua, la señal tiene una amplitud media igual a cero, vista en el

Figura 3.6. Señal con componente continua (dc).

3

La definición matemática es: una señal s(t) es continua si lím s(t) para todo a. tra 66

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dominio del tiempo. Si tiene componente continua, tendrá un término de frecuencia f % 0 y, por tanto, una amplitud promedio distinta de cero. Relación entre la velocidad de transmisión y el ancho de banda Se ha definido el ancho de banda efectivo como la banda en la que se concentra la mayor parte de la energía de la señal. La mayor parte es un concepto algo impreciso. La cuestión importante aquí es que, aunque una forma de onda dada contenga frecuencias en un rango extenso, por cuestiones prácticas, cualquier sistema de transmisión (transmisor más medio más receptor) sólo podrá transferir una banda limitada de frecuencias. Esto hace que la velocidad de transmisión máxima en el medio esté limitada. Para explicar esta cuestión, consideremos la onda cuadrada de la Figura 3.2b. Supongamos que un 0 binario se representa mediante un pulso positivo y un 1 por un pulso negativo. Por tanto, la forma de onda representa la secuencia binaria 0101... La duración de cada pulso es 1/(2 f ); luego la velocidad de transmisión es 2 f bits por segundo (bps). ¿Cuáles son las componentes en frecuencia de esta señal? Para responder a esta cuestión, consideremos de nuevo la Figura 3.4. Al sumar las ondas seno de frecuencias f y 3 f, se obtiene una forma de onda que empieza a parecerse a la onda cuadrada original. Continuemos el proceso sumando otra onda seno con frecuencia 5 f, como se muestra en la Figura 3.7a, y posteriormente sumando otra onda seno de frecuencia 7 f, también mostrada en la Figura 3.7b. Al sumar más términos múltiplos impares de la frecuencia f, convenientemente escalados, se irá aproximando la onda cuadrada cada vez con más precisión. De hecho, se puede demostrar que las componentes en frecuencia de una onda cuadrada con amplitudes A y .A se pueden expresar como ä 4 sen (2nk f t) s(t) % A # # ; n k impar, k%1 k

Luego, esta forma de onda tiene un número infinito de componentes en frecuencia y, por tanto, un ancho de banda infinito. Sin embargo, la amplitud de pico de la componente k-ésima, k f, es solamente 1/k. Por tanto, la mayor parte de la energía de esta forma de onda está contenida en las primeras componentes. ¿Qué ocurre si se limita el ancho de banda sólo a las tres primeras componentes? Ya hemos visto la respuesta en la Figura 3.7a. Como se puede ver, la forma de la onda resultante se aproxima razonablemente bien a la onda cuadrada original. Las Figuras 3.4 y 3.7 pueden servir para ilustrar la relación entre la velocidad de transmisión y el ancho de banda. Supongamos que se está utilizando un sistema de transmisión digital capaz de transmitir señales con un ancho de banda de 4 MHz. Intentemos transmitir una secuencia de unos y ceros alternantes, como la onda cuadrada de la Figura 3.7c. ¿Qué velocidad de transmisión se puede conseguir? Para responder a esta pregunta consideremos los siguientes tres casos: Caso I. Aproximemos nuestra onda cuadrada con una forma de onda como la de la Figura 3.7a. Aunque es una forma de onda «distorsionada» es suficiente para que el receptor sea capaz de discriminar entre un 0 o un 1 binarios. Ahora bien, si tomamos una f % 106 ciclos/segundo % 1 MHz, entonces el ancho de banda de la señal 4 1 1 s(t) % # sen ((2n # 106)t) ! sen ((2n # 3 # 106)t) ! sen ((2n # 5 # 106)t) n 3 5

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Figura 3.7. Componentes en frecuencia de una onda cuadrada (T % 1/f ).

será igual a (5 # 106) . 106 % 4 MHz. Obsérvese que para f % 1 MHz, el periodo de la frecuencia fundamental es T % 1/106 % 10.6 % 1 ]s. Luego, si se considera esta forma de onda como una cadena de 0 y 1, un bit aparecerá cada 0,5 ]s, lo que corresponde a una velocidad de 2 # 106 % 2 Mbps. Así, para un ancho de banda de 4 MHz, se consigue una velocidad de transmisión de 2 Mbps. Caso II. Ahora supongamos que se dispone de un ancho de banda de 8 MHz. Considérese de nuevo la Figura 3.7a, pero ahora con f % 2 MHz. Usando un razonamiento idéntico al anterior, el ancho de banda de la señal es igual a (5 # 2 # 106) . (2 # 106) % 8 MHz. Pero en este caso T % 1/ f % 0,5 ]s. Por tanto, aparece un bit cada 0,25 ]s siendo la velocidad de transmisión, en este de caso, igual a 4 Mbps. Como conclusión, si se duplica el ancho de banda, dejando el resto de parámetros igual, se duplica la velocidad de transmisión potencial.

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Caso III. Ahora supongamos que la forma de onda de la Figura 3.4c se considera adecuada para aproximar una onda cuadrada. Es decir, la diferencia entre un pulso positivo y un pulso negativo en la Figura 3.4c es suficientemente grande para que la forma de onda pueda representar adecuadamente la secuencia de unos y ceros. Supóngase, como en el caso II, que f % 2 MHz y que T % 1/ f % 0,5 ]s, de tal manera que aparece un bit cada 0,25 ]s, siendo la velocidad de transmisión igual a 4 Mbps. Considerando la Figura 3.4c, el ancho de banda de la señal es igual a (3 # 2 # 106) . (2 # 106) % 4 MHz. Por tanto, un ancho de banda dado puede proporcionar varias velocidades de transmisión, dependiendo de la habilidad que exhiba el receptor para distinguir diferencias entre los 1 y 0 en presencia de ruido y de otros defectos. Resumiendo, Caso I: ancho de banda % 4 MHz, velocidad de transmisión % 2 Mbps. Caso II: ancho de banda % 8 MHz, velocidad de transmisión % 4 Mbps. Caso III: ancho de banda % 4 MHz, velocidad de transmisión % 4 Mbps. De las observaciones precedentes, se pueden extraer las siguientes conclusiones. En general, cualquier onda digital tendrá un ancho de banda infinito. Si se intenta transmitir esta forma de onda como una señal por cualquier medio, el sistema de transmisión limitará el ancho de banda que se puede transmitir. Es más, para cualquier medio, cuanto mayor sea el ancho de banda transmitido, mayor será el coste. Luego, por un lado, razones prácticas y económicas sugieren que la información digital se aproxime por una señal de ancho de banda limitado. Por otro lado, limitar el ancho de banda introduce distorsiones, las cuales hacen que la interpretación de la señal recibida sea más difícil. Cuanto mayor es la limitación en el ancho de banda, mayor es la distorsión y mayor es la posibilidad de que se cometan errores en el receptor. Una ilustración adicional puede servir para reforzar estos conceptos. En la Figura 3.8 se muestra una cadena de bits con una velocidad de transmisión de 2.000 bits por segundo. Con un ancho de banda igual a 2.500 Hz, o incluso 1.700 Hz, la representación es bastante buena. Es más, estos resultados son generalizables de la siguiente manera. Si la velocidad de transmisión de la señal digital es W bps, entonces se puede obtener una representación muy buena con un ancho de banda de 2W Hz. No obstante, a menos que el ruido sea muy elevado, la secuencia de bits se puede recuperar con un ancho de banda menor (véase el apartado dedicado a la capacidad del canal en la Sección 3.4). Por tanto, hay una relación directa entre la velocidad de transmisión y el ancho de banda: cuanto mayor es la velocidad de transmisión de la señal, mayor es el ancho de banda efectivo necesitado. Visto de otra manera, cuanto mayor es el ancho de banda de un sistema de transmisión, mayor es la velocidad con la que se pueden transmitir los datos en el sistema. Otra observación interesante es la siguiente: si consideramos que el ancho de banda de una señal está centrado sobre una frecuencia dada, denominada frecuencia central, cuanto mayor sea dicha frecuencia central, mayor es el ancho de banda potencial y, por tanto, mayor puede ser la velocidad de transmisión. Por ejemplo, para una señal centrada en torno a 2 MHz, su ancho de banda máximo es de 4 MHz. Posteriormente, tras el estudio de las dificultades presentes en la transmisión, en la Sección 3.4 se volverá a la discusión de la relación entre el ancho de banda y la velocidad de transmisión.

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Figura 3.8. Efecto del ancho de banda en las señales digitales.

3.2.

TRANSMISIÓN DE DATOS ANALÓGICOS Y DIGITALES Los términos analógico y digital corresponden respectivamente, por lo general, a continuo y discreto. Estos dos términos se aplican con frecuencia en el marco de las comunicaciones en al menos tres contextos diferentes: datos, señalización y transmisión. Escuetamente, se define dato como cualquier entidad capaz de transportar información. Las señales son representaciones eléctricas o electromagnéticas de los datos. La señalización es el hecho de la propagación física de las señales a través de un medio adecuado. Por último, se define transmisión como la comunicación de datos mediante la propagación y el procesamiento de señales. En lo que sigue, se intentará clarificar estos conceptos abstractos, considerando las diferencias entre los términos analógico y digital referidos a los datos, las señales y la transmisión. DATOS ANALÓGICOS Y DIGITALES Los conceptos de datos analógicos o digitales son bastante sencillos. Los datos analógicos pueden tomar valores en un intervalo continuo. Por ejemplo, el vídeo y la voz son valores de intensidad

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que varían continuamente. La mayor parte de los datos que se capturan con sensores, como los de temperatura y de presión, toman valores continuos. Los datos digitales toman valores discretos, como por ejemplo las cadenas de texto o los números enteros. El ejemplo más familiar o cercano de datos analógicos es la señal de audio, la cual se puede percibir directamente por los seres humanos en forma de ondas de sonido. La Figura 3.9 muestra el espectro acústico de la voz humana y de las señales de música4. Se pueden encontrar componentes en frecuencia entre 100 Hz y 7 kHz. Aunque la mayor parte de la energía de la voz está concentrada en las frecuencias bajas, experimentalmente se ha demostrado que las frecuencias por debajo de 600 o 700 Hz contribuyen poco a la inteligibilidad de la voz en el oído humano. Una señal de voz típica tiene un rango dinámico aproximadamente de 25 dB5, es decir, la potencia máxima es del orden de 300 veces superior a la potencia mínima. La Figura 3.9 también muestra el espectro y rango dinámico de la señal de música. Otro ejemplo típico de datos analógicos es el vídeo. En este caso, es más fácil caracterizar los datos en términos del espectador (o destino) de la pantalla de TV, que en términos de la escena original (o fuente) que se graba en la cámara de TV. Para producir una imagen en la pantalla, un haz de electrones barre la superficie de la pantalla de izquierda a derecha y de arriba a abajo. En la televisión en blanco y negro la iluminación (en una escala del negro al blanco) que se produce en un punto determinado es proporcional a la intensidad del haz cuando pasa por ese punto. Por tanto, en cualquier instante de tiempo el haz toma un valor de intensidad analógico para así producir el brillo deseado en ese punto de la pantalla. Es más, cuando el haz hace el barrido, el valor analógico cambia. Por tanto, la imagen de vídeo se puede considerar como una señal analógica variable en el tiempo.

Figura 3.9. Espectro acústico de la voz y música [CARN99a].

Ésta es una definición ideal. De hecho, la transición entre un nivel de tensión y otro no puede ser instantánea, ya que siempre habrá un pequeño periodo de transición. No obstante, una señal digital real se aproxima mucho al modelo ideal de niveles constantes de tensión con transiciones instantáneas. 5 De hecho, la función S( f ) en este ejemplo es simétrica respecto f % 0 y, por tanto, está definida para valores negativos de la frecuencia. La existencia de frecuencias negativas es un artificio matemático cuya justificación cae fuera del propósito de este texto.

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La Figura 3.10a muestra el proceso de barrido. Al final de cada línea de barrido, el haz se vuelve rápidamente hacia la izquierda (retroceso horizontal). Cuando el haz alcanza la parte más baja, se vuelve rápidamente a la línea superior (retroceso vertical). Obsérvese que el haz se anula durante los retrocesos. Para conseguir una resolución adecuada, el haz describe un total de 483 líneas horizontales a una velocidad de 30 barridos de pantalla por segundo. Después de diversas pruebas se ha demostrado que esa velocidad produciría una sensación de parpadeo, en lugar de una sensación de movimiento suave, como sería deseable. Para producir una imagen sin parpadeo, y sin incrementar con ello el ancho de banda requerido, se utiliza una técnica denominada entrelazado. Tal y como se muestra en la Figura 3.10b, las líneas pares e impares se escanean por separado de forma alternante en los campos par e impar respectivamente. El campo impar corresponde al escaneado desde A hasta B y el campo par desde C hasta D. El haz alcanza la mitad de la línea inferior de la pantalla tras barrer 214,5 líneas. En ese instante, el haz se reposiciona rápidamente a lo alto de la pantalla, volviendo a la mitad de la línea superior de la pantalla visible, para generar las 241,5 líneas adicionales entrelazadas con las originales. Así pues, la pantalla se refresca 60 veces por segundo, en lugar de las 30 anteriores, y con ello se elimina el parpadeo. Las cadenas de caracteres, o de texto, son un ejemplo típico de datos digitales. Mientras que los datos en formato de texto son más adecuados para los seres humanos, en general, no se pueden

Figura 3.10. Barrido de vídeo entrelazado.

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transmitir o almacenar fácilmente (en forma de caracteres) en los sistemas de procesamiento o comunicación. Tales sistemas están diseñados para tratar datos binarios. Para esto se han diseñado un gran número de códigos mediante los cuales los caracteres se representan como secuencias de bits. Quizá, el ejemplo más antiguo y conocido es el código Morse. En nuestros días, el código más utilizado es el Alfabeto de Referencia Internacional (IRA, International Reference Alphabet)6. Cada carácter se representa en este código por un patrón único de 7 bits; por tanto, se pueden representar 128 caracteres distintos. Esto implica un número mayor del necesario, por lo que algunos patrones, de entre los 128, se utilizan como caracteres de control. Los caracteres codificados con IRA se almacenan o transmiten casi siempre usando 8 bits por carácter. El bit número 8 se utiliza como bit de paridad para la detección de errores. Este bit se elige de forma tal que el número de unos binarios en el octeto sea siempre impar (paridad impar) o siempre par (paridad par). Así pues, se podrán detectar los errores de transmisión que cambien un único bit o cualquier número impar de ellos. SEÑALES ANALÓGICAS Y DIGITALES En un sistema de comunicaciones, los datos se propagan de un punto a otro mediante señales electromagnéticas. Una señal analógica es una onda electromagnética que varía continuamente y que, según sea su espectro, puede propagarse a través de una serie de medios; por ejemplo, a través de un medio guiado como un par trenzado, un cable coaxial, un cable de fibra óptica, o a través de medios no guiados, como la atmósfera o el espacio. Una señal digital es una secuencia de pulsos de tensión que se puede transmitir a través de un medio conductor; por ejemplo, un nivel de tensión positiva constante puede representar un 0 binario y un nivel de tensión negativa constante puede representar un 1. La principal ventaja de la señalización digital es que en términos generales, es más económica que la analógica, a la vez de ser menos susceptible a las interferencias de ruido. La principal desventaja es que las señales digitales sufren más con la atenuación que las señales analógicas. En la Figura 3.11 se muestra una secuencia de pulsos de tensión, generados por una fuente que utiliza dos niveles. También se muestra la tensión recibida en algún punto distante de un medio conductor. Debido a la atenuación, o reducción, de la energía de la señal que sufren las frecuencias altas, los pulsos se hacen más pequeños a la vez que se suavizan. Esta atenuación puede implicar perder con facilidad la información contenida en la señal propagada. A continuación, se darán algunos ejemplos específicos de tipos de señales y, posteriormente, se discutirán las relaciones existentes entre datos y señales.

Figura 3.11. Atenuación de señales digitales.
6 Nótese que en el eje x se usa una escala logarítmica. De igual forma, como el eje y está en decibelios, en realidad es escala logarítmica también. En el documento de repaso de matemáticas del sitio web de recursos para estudiantes de computación, localizado en WilliamStallings.com/StudentsSupport.html, hay un resumen sobre las escalas logarítmicas.

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Ejemplos Volvamos a los tres ejemplos de la sección anterior. Para cada uno de ellos, se describirá la señal y su ancho de banda estimado. El ejemplo más típico de información analógica es el audio, o información acústica, la cual se percibe directamente por los seres humanos como ondas de sonido. Un tipo de información acústica es, desde luego, la voz humana, la cual tiene componentes en frecuencias desde los 20 Hz a los 20 kHz. Para su transmisión, este tipo de información se puede convertir fácilmente a una señal electromagnética (véase Figura 3.12). En particular, todas las frecuencias sonoras, cuya amplitud se mide en términos de sonoridad, se convierten a frecuencias electromagnéticas, cuyas amplitudes se miden en voltios. Los teléfonos tienen un mecanismo sencillo para realizar esta conversión. En el caso de datos acústicos (voz), los datos se pueden representar directamente mediante una señal electromagnética que ocupe el mismo espectro. Sin embargo, es necesario establecer un compromiso entre la fidelidad del sonido cuando se vaya a transmitir eléctricamente y el coste de la transmisión, el cual aumentará al aumentar el ancho de banda. Aunque, como ya se ha mencionado, el espectro de la voz está aproximadamente entre 100 Hz y 7 kHz, un ancho de banda mucho más estrecho producirá una calidad aceptable. El espectro estándar para las señales de voz está entre 300 y 3.400 Hz. Esta reducción es adecuada para la transmisión de la voz, ya que a la vez se reduce la capacidad de transmisión necesaria y se posibilita el uso de teléfonos de coste muy bajo. Así pues, el teléfono transmisor convierte la señal acústica de entrada en una señal electromagnética en el rango de 300 a 3.400 Hz. Esta señal se transmite a través del sistema telefónico al receptor, el cual la reproduce generando un sonido acústico. Ahora consideremos la señal de vídeo. Para generar la señal de vídeo se usa una cámara de TV, que en realidad realiza funciones similares a un receptor de TV. Un componente de la cámara es una placa fotosensible, sobre la que se enfoca ópticamente la imagen. Un haz de electrones barre la placa de izquierda a derecha y de arriba abajo, de igual manera que en la Figura 3.10. Al efectuar el barrido, se genera una señal eléctrica proporcional a la intensidad de la imagen en cada punto particular. Como ya se ha mencionado, se barren 483 líneas a una razón de 30 barridos completos por segundo. Estos números son aproximados, ya que se pierde tiempo en el retroceso vertical del haz de barrido. El estándar en EE.UU. es de 525 líneas, de las cuales se pierden 42 durante el retroceso vertical. Por tanto, la frecuencia de barrido horizontal es (525 líneas) # (30 barridos/ s) % 15.750 líneas por segundo, o lo que es lo mismo 63,5 ks/línea. De estos 63,5 ks/línea, aproximadamente 11 ks están reservados para el retroceso horizontal, quedando pues un total de 52,5 ks por línea de vídeo.

Figura 3.12. Conversión de voz a señal analógica.

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Estamos ya en disposición de estimar el ancho de banda que se necesita para la señal de vídeo. Para hacer esto se deben estimar las frecuencias superior (máxima) e inferior (mínima) de la banda. Utilizaremos el siguiente razonamiento para determinar la frecuencia máxima: dicha frecuencia ocurriría durante el barrido horizontal si la imagen cambiara alternativamente de blanco a negro tan rápido como fuera posible. Se puede estimar el valor máximo considerando la resolución de la imagen de vídeo. En la dimensión vertical hay 483 líneas, de forma tal que la resolución vertical máxima sería 483. Experimentalmente se ha demostrado que la resolución real subjetiva es alrededor del 70% de ese número, es decir, 338 líneas. Para conseguir una imagen compensada, las resoluciones vertical y horizontal deberán ser aproximadamente las mismas. La resolución horizontal debería ser 4/3 # 338 % 450 líneas, ya que la relación de la anchura de la pantalla de TV respecto a la altura es de 4:3. En el peor de los casos, la línea de barrido consistiría en 450 elementos alternantes de blanco y negro. El barrido resultante sería una onda en la que cada ciclo consistiría en dos niveles de tensión correspondientes al negro (el mayor) y al blanco (el inferior). Por tanto, habría 450/2 % 225 ciclos de la onda cada 52,5 ]s, proporcionando una frecuencia máxima de 4,2 MHz. Este razonamiento aproximado es, en realidad, bastante preciso. El límite inferior será una frecuencia cero o continua, donde el valor de continua corresponde a la iluminación promedio de la imagen (es decir, el valor promedio en el que la señal supera el nivel de referencia del negro). Por tanto, el ancho de banda de la señal de vídeo es aproximadamente 4 MHz . 0 % 4 MHz. En la discusión anterior no se han considerado ni las componentes de color ni las de audio. Obsérvese que si se incluyen dichas componentes el ancho de banda sigue siendo aproximadamente 4 MHz. Finalmente, el tercer ejemplo mencionado anteriormente es el correspondiente a datos binarios digitales. La información binaria se genera en terminales, computadores y otros equipos para el procesamiento de datos; posteriormente, para su transmisión, se convierte a pulsos digitales de tensión, como se muestra en la Figura 3.13. Normalmente, para estos datos se usan dos niveles de tensión constante (dc), un nivel para el 1 binario y otro para el 0 (en el Capítulo 5, se verá que ésta es una de las posibles alternativas, llamada NRZ). Lo interesante aquí es el ancho de banda de dicha señal. Éste dependerá de la forma de la onda exacta y de la secuencia de unos y ceros. Para una mejor comprensión, considérese la Figura 3.8 y compárese con la Figura 3.7. Como se puede observar, al aumentar el ancho de banda de la señal, la aproximación a la cadena de pulsos digitales es mejor.

Figura 3.13. Conversión de la entrada de un PC a señal digital.

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Datos y señales En la discusión anterior se han considerado señales analógicas para representar datos analógicos y señales digitales para representar datos digitales. Generalmente, los datos analógicos son función del tiempo y ocupan un espectro en frecuencias limitado; estos datos se pueden representar mediante una señal electromagnética que ocupe el mismo espectro. Los datos digitales se pueden representar mediante señales digitales con un nivel de tensión diferente para cada uno de los dígitos binarios. Como se muestra en la Figura 3.14, éstas no son las únicas posibilidades. Los datos digitales se pueden también representar mediante señales analógicas usando un módem (modulador/demodulador). El módem convierte la serie de pulsos binarios de tensión (bi-valuados) en una señal analógica, codificando los datos digitales haciendo variar alguno de los parámetros característicos de una señal denominada portadora. La señal resultante ocupa un cierto espectro de frecuencias centrado

Figura 3.14. Señalización analógica y digital de datos analógicos y digitales.

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en torno a la frecuencia de la portadora. De esta manera se podrán transmitir datos digitales a través de medios adecuados a la naturaleza de la señal portadora. Los módem más convencionales representan los datos binarios en el espectro de la voz y, por tanto, hacen posible que los datos se propaguen a través de líneas telefónicas convencionales. En el otro extremo de la línea, el módem demodula la señal para recuperar los datos originales. Realizando una operación muy similar a la que realizan los módem, los datos analógicos se pueden representar mediante señales digitales. El dispositivo que realiza esta función para la voz se denomina codec (codificador-decodificador). Esencialmente, el codec toma la señal analógica, que representa directamente a la voz, y la aproxima mediante una cadena de bits. En el receptor, dichos bits se usan para reconstruir los datos analógicos. Así pues, la Figura 3.14 sugiere que los datos se pueden codificar de varias maneras. Este punto se volverá a tratar en el Capítulo 5. TRANSMISIÓN ANALÓGICA Y DIGITAL Tanto las señales analógicas como las digitales se pueden transmitir si se emplea el medio de transmisión adecuado. El medio de transmisión en concreto determinará cómo se tratan estas señales. En la Tabla 3.1 se resumen los métodos de transmisión de datos. La transmisión analógica es una forma de transmitir señales analógicas con independencia de su contenido; las señales pueden representar datos analógicos (por ejemplo, voz) o datos digitales (por ejemplo, los datos binarios modulados en un módem). En cualquier caso, la señal analógica se irá debilitando (atenuándose) con la distancia. Para conseguir distancias más largas, el sistema de transmisión analógico incluye amplificadores que inyectan energía en la señal. Desgraciadamente, el amplificador también inyecta energía en las componentes de ruido. Para conseguir distancias mayores, al utilizar amplificadores en cascada, la señal se distorsiona cada vez más. En el caso de los datos analógicos, como la voz, se puede tolerar una pequeña distorsión, ya que en ese caso los datos siguen siendo inteligibles. Sin embargo, para los datos digitales los amplificadores en cascada introducirán errores. La transmisión digital, por el contrario, es dependiente del contenido de la señal. Una señal digital sólo se puede transmitir a una distancia limitada, ya que la atenuación, el ruido y otros aspectos negativos pueden afectar a la integridad de los datos transmitidos. Para conseguir distancias mayores se usan repetidores. Un repetidor recibe la señal digital, regenera el patrón de ceros y unos, y los retransmite. De esta manera se evita la atenuación. Para señales analógicas se puede usar la misma técnica anterior si la señal transmitida transporta datos digitales. En este caso, el sistema de transmisión tendrá repetidores convenientemente espaciados en lugar de amplificadores. Dichos repetidores recuperan los datos digitales a partir de la señal analógica y generan una señal analógica limpia. De esta manera, el ruido no es acumulativo. Un problema a resolver es la elección del mejor método de transmisión. Para resolver este problema, la industria de las telecomunicaciones y sus usuarios han optado por la transmisión digital. Tanto las comunicaciones a larga distancia, como los servicios de comunicación a distancias cortas (por ejemplo, entre edificios) se han reconvertido a digital y, lo que es más, la señalización digital se está introduciendo en todos los sistemas donde sea factible. Las razones más importantes que justifican esta elección son: Tecnología digital: las mejoras en las tecnologías de integración a gran escala (LSI) y a muy gran escala (VLSI) se han traducido en una disminución continua, tanto en coste como en el tamaño, de la circuitería digital. Los equipos analógicos no han experimentado una reducción similar.

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Tabla 3.1. Transmisión analógica y digital. (a) Datos y señales
Señal analógica Hay dos alternativas (1) la señal ocupa el mismo espectro que los datos analógicos; (2) los datos analógicos se codifican ocupando una porción distinta del espectro. Señal digital Los datos analógicos se codifican utilizando un codec para generar una cadena de bits.

Datos analógicos

Datos digitales

Los datos digitales se codifican usando Hay dos alternativas (1) la señal consiste un módem para generar señal analó- en dos niveles de tensión que represengica. tan dos valores binarios (2) los datos digitales se codifican para producir una señal digital con las propiedades deseadas.

(b) Tratamiento de señales
Transmisión analógica Se propaga a través de amplificadores; se trata de igual manera si la señal se usa para representar datos analógicos o digitales. Transmisión digital Se supone que la señal analógica representa datos digitales. La señal se propaga a través de repetidores; en cada repetidor, los datos digitales se obtienen de la señal de entrada y se usan para regenerar una nueva señal analógica de salida. La señal digital representa una cadena de unos o ceros, los cuales pueden representar datos digitales o pueden ser resultado de la codificación de datos analógicos. La señal se propaga a través de repetidores; en cada repetidor, se recupera la cadena de unos y ceros a partir de la señal de entrada, a partir de los cuales se genera la nueva cadena de salida.

Señal analógica

No se usa.

Señal digital

Integridad de los datos: al usar repetidores en lugar de amplificadores, el ruido y otros efectos negativos no son acumulativos. Por tanto, usando tecnología digital es posible transmitir datos conservando su integridad a distancias mayores utilizando incluso líneas de calidad inferior. Utilización de la capacidad: en términos económicos, el tendido de líneas de transmisión de banda ancha ha llegado a ser factible, incluso para medios como canales vía satélite y fibra óptica. Para usar eficazmente todo ese ancho de banda se necesita un alto grado de mutiplexación. La multiplexación se puede realizar más fácilmente y con menor coste usando técnicas digitales (división en el tiempo) que con técnicas analógicas (división en frecuencia). Estas cuestiones se estudiarán en el Capítulo 8. Seguridad y privacidad: las técnicas de cifrado se pueden aplicar fácilmente a los datos digitales o a los analógicos que se hayan digitalizado previamente.

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Integración: en el tratamiento digital de datos analógicos y digitales todas las señales tienen igual forma y pueden ser procesadas de una forma similar. Este hecho posibilita economías de gran escala mediante la integración de voz, vídeo y datos.

3.3.

DIFICULTADES EN LA TRANSMISIÓN En cualquier sistema de comunicaciones se debe aceptar que la señal que se recibe diferirá de la señal transmitida debido a varias adversidades y dificultades sufridas en la transmisión. En las señales analógicas, estas dificultades pueden degradar la calidad de la señal. En las señales digitales, se generarán bits erróneos: un 1 binario se transformará en un 0 y viceversa. En este apartado se van a estudiar las dificultades mencionadas comentando sus efectos sobre la capacidad de transportar información en los enlaces de transmisión; en el Capítulo 5 se presentan algunas medidas a tomar para paliar el efecto de estas dificultades. Las dificultades más significativas son: La atenuación y la distorsión de atenuación. La distorsión de retardo. El ruido. ATENUACIÓN En cualquier medio de transmisión la energía de la señal decae con la distancia. En medios guiados, esta reducción de la energía es por lo general exponencial y, por tanto, se expresa generalmente como un número constante en decibelios por unidad de longitud. En medios no guiados, la atenuación es una función más compleja de la distancia y es dependiente, a su vez, de las condiciones atmosféricas. Se pueden establecer tres consideraciones respecto a la atenuación. Primera, la señal recibida debe tener suficiente energía para que la circuitería electrónica en el receptor pueda detectar la señal adecuadamente. Segunda, para ser recibida sin error, la señal debe conservar un nivel suficientemente mayor que el ruido. Tercera, la atenuación es habitualmente una función creciente de la frecuencia. Los dos primeros problemas se resuelven controlando la energía de la señal, para ello se usan amplificadores o repetidores. En un enlace punto a punto, la energía de la señal en el transmisor debe ser lo suficientemente elevada como para que se reciba con inteligibilidad, pero no tan elevada que sature la circuitería del transmisor o del receptor, lo que generaría una señal distorsionada. A partir de cierta distancia, la atenuación es inaceptable, lo que requiere la utilización de repetidores o amplificadores que realcen la señal periódicamente. Este tipo de problemas son todavía más complejos en líneas multipunto, en las que la distancia entre el transmisor y el receptor es variable. El tercer problema es especialmente relevante para el caso de las señales analógicas. Debido a que la atenuación varía en función de la frecuencia, la señal recibida está distorsionada, reduciendo así la inteligibilidad. Para soslayar este problema, existen técnicas para ecualizar la atenuación en una banda de frecuencias dada. En las líneas telefónicas esto se realiza cambiando las propiedades eléctricas de la línea, usando normalmente bobinas de carga, las cuales suavizan los efectos de la atenuación. Otra aproximación alternativa es la utilización de amplificadores que amplifiquen más las frecuencias altas que las bajas.

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En la Figura 3.15a se incluye un ejemplo, en el que se representa la atenuación como función de la frecuencia para una línea convencional. En dicha figura, la atenuación se ha obtenido como una medida relativa respecto de la atenuación a 1.000 Hz. Los valores positivos en el eje y representan atenuaciones mayores que la sufrida a 1.000 Hz. A la entrada se aplica un tono a 1.000 Hz

Figura 3.15. Distorsión de atenuación y de retardo para un canal de voz.

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con una potencia conocida, posteriormente se mide la potencia P1.000 en la salida. Este procedimiento se repite para cualquier otra frecuencia f, y la atenuación relativa en decibelios es7 Nf % .100 log10 Pf P1.000

En la Figura 3.15a la línea continua muestra la atenuación sin ecualización. Como se puede observar, las componentes en frecuencia en el extremo superior de la banda de voz se atenúan mucho más que las componentes en bajas frecuencias. Es evidente que esto distorsiona la señal de voz recibida. La línea discontinua muestra los efectos de la ecualización. Al aplanar la atenuación relativa, se consigue una mejora en la calidad de la señal de voz. Esto también permite, al usar un módem para transmitir datos digitales, una velocidad superior. La distorsión de atenuación es un problema mucho menor para las señales digitales. Como ya se ha mencionado, la energía de la señal digital decae rápidamente con la frecuencia (véase Figura 3.5b); la mayor parte de sus componentes están concentradas en torno a la frecuencia fundamental o velocidad de transmisión (en bits/segundo o bps) de la señal. DISTORSIÓN DE RETARDO La distorsión de retardo es un fenómeno debido a que la velocidad de propagación de una señal a través de un medio guiado varía con la frecuencia. Para una señal limitada en banda, la velocidad tiende a ser mayor cerca de la frecuencia central y disminuye al acercarse a los extremos de la banda. Por tanto, las distintas componentes en frecuencia de la señal llegarán al receptor en instantes diferentes de tiempo, dando lugar a desplazamientos de fase entre las diferentes frecuencias. Este efecto se llama distorsión de retardo, ya que la señal recibida está distorsionada debido al retardo variable que sufren sus componentes. La distorsión de retardo es particularmente crítica en la transmisión de datos digitales. Supóngase que se está transmitiendo una secuencia de bits, utilizando una señal analógica o digital. Debido a la distorsión de retardo, algunas de las componentes de la señal en un bit se desplazarán hacia otras posiciones, provocando interferencia entre símbolos. Este hecho es un factor (de gran importancia) que limita la velocidad de transmisión máxima en un canal de transmisión. Para compensar la distorsión de retardo también se pueden emplear técnicas de ecualización. Usando de nuevo como ejemplo una línea telefónica, en la Figura 3.15b se muestra el efecto de la ecualización del retardo en función de la frecuencia. RUIDO Para cualquier dato transmitido, la señal recibida consistirá en la señal transmitida modificada por las distorsiones introducidas en la transmisión, además de señales no deseadas que se insertarán en algún punto entre el emisor y el receptor. A estas últimas señales no deseadas se les denomina ruido. El ruido es el factor de mayor importancia de entre los que limitan las prestaciones de un sistema de comunicación.

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El concepto de decibelio se explica en el Apéndice 3A.

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La señal de ruido se puede clasificar en cuatro categorías: Ruido térmico. Ruido de intermodulación. Diafonía. Ruido impulsivo. El ruido térmico se debe a la agitación térmica de los electrones. Está presente en todos los dispositivos electrónicos y medios de transmisión; como su nombre indica, es función de la temperatura. El ruido térmico está uniformemente distribuido en el espectro de frecuencias usado en los sistemas de comunicación, es por esto por lo que a veces se denomina ruido blanco. El ruido térmico no se puede eliminar y, por tanto, impone un límite superior en las prestaciones de los sistemas de comunicación. Es especialmente dañino en las comunicaciones satelitales ya que, en estos sistemas, la señal recibida por las estaciones terrestres es muy débil. En cualquier dispositivo o conductor, la cantidad de ruido térmico presente en un ancho de banda de 1 Hz es N0 % kT (W/Hz) donde8 N0 % densidad de potencia del ruido, en vatios por 1 Hz de ancho de banda. k % constante de Boltzmann % 1,38 # 10.23 J/K. T % temperatura absoluta, en grados Kelvin. Ejemplo 3.1. A temperatura ambiente, es decir a T % 17 oC, o 290 K, la densidad de potencia del ruido térmico será: N0 % (1,38 # 10.23) # 290 % 4 # 10.21 W/Hz % .204 dBW/Hz donde dBW corresponde a decibelios-vatio, unidad definida en el Apéndice 3A. Se supone que el ruido es independiente de la frecuencia. Así pues, el ruido térmico presente en un ancho de banda de B hercios se puede expresar como N % kTB o, expresado en decibelios-vatio, N % 10 log k ! 10 log T ! 10 log B % .228,6 dBW ! 10 log T ! 10 log B

8 IRA se define en la Recomendación de la UIT-T T.50. Inicialmente se denominó International Alphabet Number 5 (IA5). La versión del IRA en EE.UU. se denomina American Standard Code for Information Interchange (ASCII). En la página web del libro se puede encontrar una descripción y una tabla con el código IRA.

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Ejemplo 3.2. Dado un receptor con una temperatura efectiva de ruido de 294 K y un ancho de banda de 10 MHz, el ruido térmico a la salida del receptor será N % .228,6 dBW ! 10@ log (294) ! 10 log 107 % .228,6 ! 24,7 ! 70 % .133,9 dBW Cuando señales de distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión puede producirse ruido de intermodulación. El efecto del ruido de intermodulación es la aparición de señales a frecuencias que sean suma o diferencia de las dos frecuencias originales o múltiplos de éstas. Por ejemplo, la mezcla de las señales de frecuencias f1 y f2 puede producir energía a frecuencia f1 ! f2. Estas componentes espúreas podrían interferir con otras componentes a frecuencia f1 ! f2. El ruido de intermodulación se produce cuando hay alguna no linealidad en el transmisor, en el receptor o en el sistema de transmisión. Idealmente, estos sistemas se comportan como sistemas lineales; es decir, la salida es igual a la entrada multiplicada por una constante. Sin embargo, en cualquier sistema real, la salida es una función más compleja de la entrada. El comportamiento no lineal puede aparecer debido al funcionamiento incorrecto de los sistemas o por sobrecargas producidas al utilizar señales con mucha energía. Bajo estas circunstancias es cuando aparecen los términos suma o diferencia no deseados. La diafonía la ha podido experimentar todo aquel que al usar un teléfono haya oído otra conversación; se trata, en realidad, de un acoplamiento no deseado entre las líneas que transportan las señales. Esto puede ocurrir por el acoplamiento eléctrico entre cables de pares cercanos o, en raras ocasiones, en líneas de cable coaxial que transporten varias señales. La diafonía también puede aparecer cuando las señales no deseadas se captan en las antenas de microondas; aunque éstas se caracterizan por ser altamente direccionales, la energía de las microondas se dispersa durante la transmisión. Generalmente, la diafonía es del mismo orden de magnitud (o inferior) que el ruido térmico. Los ruidos antes descritos son de magnitud constante y razonablemente predecibles. Así pues, es posible idear un sistema de transmisión que les haga frente. Por el contrario, el ruido impulsivo es no continuo y está constituido por pulsos o picos irregulares de corta duración y de amplitud relativamente grande. Se generan por una gran diversidad de causas, por ejemplo, por perturbaciones electromagnéticas exteriores producidas por tormentas atmosféricas o por fallos y defectos en los sistemas de comunicación. Generalmente, el ruido impulsivo no tiene mucha transcendencia para los datos analógicos. Por ejemplo, la transmisión de voz se puede perturbar mediante chasquidos o crujidos cortos, sin que ello implique pérdida significativa de inteligibilidad. Sin embargo, el ruido impulsivo es una de las fuentes principales de error en la comunicación digital de datos. Por ejemplo, un pico de energía con duración de 0,01 s no inutilizaría datos de voz, pero podría corromper aproximadamente 560 bits si se transmitieran a 56 kbps. La Figura 3.16 muestra un ejemplo del efecto del ruido sobre una señal digital. Aquí el ruido consiste en un nivel relativamente pequeño de ruido térmico más picos ocasionales de ruido impulsivo. Los datos digitales se recuperan muestreando la señal recibida una vez por cada intervalo de duración del bit. Como se puede observar, el ruido es a veces suficiente para convertir un 1 en un 0, o un 0 en un 1.

Transmisión de datos

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Figura 3.16. Efecto del ruido en una señal digital.

3.4.

CAPACIDAD DEL CANAL Previamente se ha estudiado que hay una gran variedad de efectos nocivos que distorsionan o corrompen la señal. Para los datos digitales, la cuestión a resolver es en qué medida estos defectos limitan la velocidad con la que se pueden transmitir. Se denomina capacidad del canal a la velocidad máxima a la que se pueden transmitir los datos en un canal, o ruta de comunicación de datos, bajo unas condiciones dadas. Hay cuatro conceptos en juego relacionados entre sí, que son: La velocidad de transmisión de los datos: velocidad, expresada en bits por segundo (bps), a la que se pueden transmitir los datos. El ancho de banda: ancho de banda de la señal transmitida; éste estará limitado por el transmisor y por la naturaleza del medio de transmisión; se mide en ciclos por segundo o hercios. El ruido: nivel medio de ruido a través del camino de transmisión. La tasa de errores: tasa a la que ocurren los errores. Se considera que ha habido un error cuando se recibe un 1 habiendo transmitido un 0, o se recibe un 0 habiendo transmitido un 1.

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Comunicaciones y redes de computadores

El problema considerado aquí es el siguiente: los servicios de comunicaciones son por lo general caros y, normalmente, cuanto mayor es el ancho de banda requerido por el servicio, mayor es el coste. Es más, todos los canales de transmisión de interés práctico están limitados en banda. Las limitaciones surgen de las propiedades físicas de los medios de transmisión o por limitaciones que se imponen deliberadamente en el transmisor para prevenir interferencias con otras fuentes. Por consiguiente, es deseable hacer un uso tan eficiente como sea posible del ancho de banda limitado. En el caso de los datos digitales, esto significa que dado un ancho de banda sería deseable conseguir la mayor velocidad de datos posible no superando la tasa de errores permitida. El mayor inconveniente para conseguir este objetivo es la existencia de ruido. ANCHO DE BANDA DE NYQUIST Para comenzar, considérese el caso de un canal exento de ruido. En este entorno, la limitación en la velocidad de los datos está impuesta simplemente por el ancho de banda de la señal. Nyquist formalizó esta limitación, afirmando que si la velocidad de transmisión de la señal es 2B, entonces una señal con frecuencias no superiores a B es suficiente para transportar esta velocidad de transmisión de la señal. Y viceversa: dado un ancho de banda B, la mayor velocidad de transmisión de la señal que se puede conseguir es 2B. Esta limitación está provocada por la interferencia entre símbolos que se produce por la distorsión de retardo. Este resultado es de utilidad en el diseño de convertidores digital a analógico; en la página web del libro se facilita su demostración. Obsérvese que en el último párrafo nos hemos referido a la velocidad de la señal. Si las señales a transmitir son binarias (dos niveles de tensión), la velocidad de transmisión de datos que se puede conseguir con B Hz es igual a 2B bps. Por ejemplo, considérese un canal de voz que se utiliza mediante un módem para transmitir datos digitales. Supóngase un ancho de banda de 3100 Hz. Entonces, la capacidad C del canal es 2B % 6.200 bps. No obstante, como se verá en el Capítulo 5, se pueden usar señales con más de dos niveles; es decir, cada elemento de señal puede representar a más de dos bits. Por ejemplo, si se usa una señal con cuatro niveles de tensión, cada elemento de dicha señal podrá representar dos bits. La formulación de Nyquist para el caso de señales multinivel es C % 2B log2 M donde M es el número de señales discretas o niveles de tensión. Así pues, para M % 8, valor típico que se usa en algunos módem, la capacidad resulta ser 18.600 bps, siendo el ancho de banda igual a 3.100 Hz. Por tanto, para un ancho de banda dado, la velocidad de transmisión de datos se puede incrementar considerando un número mayor de señales diferentes. Sin embargo, esto supone una dificultad mayor en el receptor: en lugar de tener que distinguir una de entre dos señales, deberá distinguir una de entre M posibles señales. El ruido y otras dificultades en la línea de transmisión limitarán el valor de M. FÓRMULA PARA LA CAPACIDAD DE SHANNON La fórmula de Nyquist implica que al duplicar el ancho de banda se duplica la velocidad de transmisión, si todo lo demás se mantiene inalterado. Ahora establezcamos una relación entre la velocidad de transmisión, el ruido y la tasa de errores. La presencia de ruido puede corromper uno o más bits. Si se aumenta la velocidad de transmisión, el bit se hace más «corto», de tal manera que dado un patrón de ruido, éste afectará a un mayor número de bits. Así pues, dado un nivel de ruido, cuanto mayor es la velocidad de transmisión, mayor es la tasa de errores.

Transmisión de datos

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La Figura 3.16 ilustra esta relación. Si se incrementa la velocidad de transmisión de los datos, entonces habrá más bits durante el intervalo de duración del ruido y, por tanto, habrá un mayor número de errores. Todos estos conceptos se han relacionado en la fórmula desarrollada por el matemático Claude Shannon. Como se ha comentado, cuanto mayor es la velocidad de transmisión, mayor es el daño que puede ocasionar el ruido. Dado un nivel de ruido, es de esperar que incrementando la energía de la señal se mejoraría la recepción de datos en presencia de ruido. Un parámetro fundamental en el desarrollo de este razonamiento es la relación señal-ruido (SNR, o S/N)9, que se define como el cociente de la potencia de la señal entre la potencia del ruido presente en un punto determinado en el medio de transmisión. Generalmente, este cociente se mide en el receptor, ya que es aquí donde se realiza el procesado de la señal y la eliminación del ruido no deseado. Por cuestiones de comodidad, la SNR se expresa en decibelios: SNRdB % 10 log10 potencia de señal potencia de ruido

Esta expresión muestra, en decibelios, cuánto excede la señal al nivel de ruido. Una SNR alta significará una señal de alta calidad y, por tanto, la necesidad de un número reducido de repetidores. La relación señal-ruido es importante en la transmisión de datos digitales, ya que ésta determina la máxima velocidad de transmisión que se puede conseguir. Una conclusión de Shannon es que la capacidad máxima del canal, en bits por segundo, verifica la ecuación C % B log2 (1 ! SNR) (2.1)

donde C es la capacidad del canal en bits por segundo y B es el ancho de banda del canal en hercios. La fórmula de Shannon representa el máximo límite teórico que se puede conseguir. Sin embargo, en la práctica, se consiguen velocidades mucho menores. Una razón para esto reside en el hecho de que la fórmula anterior supone ruido blanco (ruido térmico). Además, no se han tenido en cuenta el ruido impulsivo, la distorsión de atenuación o la distorsión de retardo. La capacidad, tal y como se ha calculado en la fórmula precedente, se denomina capacidad libre de errores. Shannon probó que si la velocidad de información real en el canal es menor que la capacidad libre de errores, entonces es teóricamente posible encontrar una codificación de la señal que consiga una transmisión exenta de errores a través del canal. Desafortunadamente, el teorema de Shannon no sugiere la manera de encontrar dicho código, pero proporciona un criterio de referencia con el que se pueden comparar las prestaciones de los esquemas de comunicación reales. Pueden ser instructivas otras consideraciones adicionales que se deducen a partir de la ecuación anterior. Para un nivel de ruido dado, podría parecer que la velocidad de transmisión se puede aumentar incrementando tanto la energía de la señal como el ancho de banda. Sin embargo, al aumentar la energía de la señal, también lo hacen las no linealidades del sistema, dando lugar a un aumento del ruido de intermodulación. Obsérvese igualmente que, como el ruido se ha supuesto blanco, cuanto mayor sea el ancho de banda, más ruido se introducirá en el sistema. Por tanto, cuando B aumenta, la SNR disminuye.

9

En todo el texto, a menos que se indique lo contrario, log (x) significa log10 (x).

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Ejemplo 3.3. En el siguiente ejemplo se relacionan las formulaciones de Shannon y Nyquist. Supóngase que el espectro de un canal está situado entre 3 MHz y 4 MHz y que la SNRdB % 24 dB. En este caso, B % 4 MHz . 3 MHz % 1 MHz SNRdB % 24 dB % 10 log10 (SNR) SNR % 251 Usando la fórmula de Shannon se tiene que C % 106 # log2 (1 ! 251) ] 106 # 8 % 8 Mbps Éste es, como ya se ha mencionado, un límite teórico difícil de alcanzar. No obstante, supóngase que este límite se puede alcanzar. Según la fórmula de Nyquist, ¿cuántos niveles de señalización se necesitarán? Se tiene que C % 2B log2 M 8 # 106 % 2 # (106) # log2 M 4 % log2 M M % 16

EL COCIENTE Eb /N0 Finalmente, en este apartado se presenta un parámetro relacionado con la SNR que es más adecuado para determinar las tasas de error y la velocidad de transmisión. Además se usa habitualmente para medir la calidad de las prestaciones de los sistemas de comunicación digital. Este parámetro es el cociente de la energía de la señal por bit entre la densidad de potencia del ruido por hercio, Eb/N0. Sea una señal, digital o analógica, que contenga datos digitales binarios transmitidos a una determinada velocidad R. Teniendo en cuenta que 1 W % 1 J/s, la energía por bit de la señal será Eb % STb, donde S es la potencia de la señal y Tb es el tiempo necesario para transmitir un bit. La velocidad de transmisión es R % 1/Tb. Por tanto, Eb S/R S % % N0 N0 kTR o, expresado en decibelios,

AB
Eb N0

dB

% SdBW . 10 log R . 10 log k . 10 log T % SdBW . 10 log R ! 228,6 dBW . 10 log T

El cociente Eb/N0 es importante ya que para los datos digitales la tasa de error por bit es una función (decreciente) de este cociente. Dado un valor de Eb/N0 necesario para conseguir una tasa de errores deseada, los parámetros se pueden seleccionar de acuerdo con la fórmula anterior. Nótese que cuando se aumenta la velocidad de transmisión R, la potencia de la señal transmitida, relativa al ruido, debe aumentarse para mantener el cociente Eb/N0 requerido.

Transmisión de datos

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Intentemos inferir intuitivamente este resultado a partir de la Figura 3.16. La señal aquí considerada es digital, pero el mismo razonamiento podría extenderse para el caso de una señal analógica. En algunos casos, el ruido es suficiente como para alterar el valor de un bit. Ahora, si la velocidad de transmisión se duplicase, los bits tendrían asociada una duración menor, con lo que el mismo ruido podría destruir dos bits. Por tanto, para una señal y ruido de energías constantes, un incremento en la velocidad de transmisión aumentaría la tasa de error. La ventaja del cociente Eb/N0 sobre la SNR es que esta última depende del ancho de banda. Ejemplo 3.4. En la modulación digital binaria PSK (Phase-Shift Keying) (definida en el Capítulo 5), para obtener una tasa de error por bit igual a 10.4 (un bit erróneo cada 10.000) se necesita un cociente Eb/N0 % 8,4 dB. Si la temperatura efectiva es 290 oK (temperatura ambiente) y la velocidad de transmisión es 2.400 bps, ¿qué nivel de señal recibida se necesita? En este caso se tiene que 8,4 % S(dBW) . 10 log 2.400 ! 228,6 dBW . 10 log 290 % S(dBW) . (10)(3,38) ! 228,6 . (10)(2,46) S % .161,8 dBW Se puede establecer la relación entre Eb/N0 y la SNR de la siguiente manera. Se tiene que Eb S % N 0 N 0R El parámetro N0 es la densidad de potencia del ruido en vatios/hercio. Por tanto, el ruido en una señal con ancho de banda BT es N % N0BT. Sustituyendo, se tiene que Eb S B T % N0 N R (2.2)

Otra formulación de interés es la relación entre la eficiencia espectral y Eb/N0. La fórmula de Shannon [Ecuación (2.1)] se puede rescribir como S % 2C/B . 1 N Usando la Ecuación (2.2), igualando BT con B y R con C, tenemos que Eb B C/B % (2 . 1) N0 C Ésta es una fórmula útil que relaciona la eficiencia espectral alcanzable C/B con Eb/N0. Ejemplo 3.5. Supóngase que queremos encontrar el máximo Eb/N0 necesario para conseguir una eficiencia espectral de 6 bps/Hz. Entonces Eb/N0 % (1/6)(26 . 1) % 10,5 % 10,21 dB.

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3.5.

LECTURAS RECOMENDADAS Hay muchos libros que cubren los aspectos fundamentales de la transmisión analógica y digital. [COUC97] es bastante completo. Una referencia de calidad es [FREE99], en la que se incluyen algunos de los ejemplos proporcionados a lo largo de este capítulo, y [HAYK01]. COUC01 Couch, L. Digital and Analog Communicastions Systems. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001. FREE99 Freeman, R. Fundamentals of Telecommunications. New York: Wiley, 1999. HAYK01 Haykin, S. Communication Systems. New York: Wiley, 2001.

3.6.

TÉRMINOS CLAVE, CUESTIONES DE REPASO Y EJERCICIOS TÉRMINOS CLAVE amplitud de pico ancho de banda ancho de banda absoluto ancho de banda efectivo aperiódico atenuación capacidad del canal componente dc dato dato analógico datos digitales decibelio (dB) diafonía distorsión de atenuación distorsión de retardo dominio de la frecuencia dominio del tiempo enlace directo enlace multipunto enlace punto-a-punto espectro fase frecuencia CUESTIONES DE REPASO 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. ¿En qué se diferencia un medio guiado de un medio no guiado? ¿Cuáles son las diferencias entre una señal electromagnética analógica y una digital? ¿Cuáles son las tres características más importantes de una señal periódica? ¿Cuántos radianes hay en 360o? frecuencia central frecuencia fundamental full-duplex half-duplex inalámbrico longitud de onda medio guiado medio no guiado periodo ruido ruido de intermodulación ruido impulsivo ruido térmico señal señal analógica señal digital señal periódica señalización simplex transmisión transmisión analógica transmisión digital

Transmisión de datos

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3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9.

¿Cuál es la relación entre la longitud de onda y la frecuencia en una onda seno? ¿Cuál es la relación entre el espectro de una señal y su ancho de banda? ¿Qué es la atenuación? Defina la capacidad de un canal. ¿Qué factores clave afectan a la capacidad de un canal?

EJERCICIOS 3.1. a) En una configuración multipunto, sólo un dispositivo puede trasmitir cada vez, ¿por qué? b) Hay dos posibles aproximaciones que refuerzan la idea de que, en un momento dado, sólo un dispositivo puede transmitir. En un sistema centralizado, una estación es la responsable del control y podrá transmitir o decidir que lo haga cualquier otra. En el método descentralizado, las estaciones cooperan entre sí, estableciéndose una serie de turnos. ¿Qué ventajas y desventajas presentan ambas aproximaciones? 3.2. 3.3. Una señal tiene una frecuencia fundamental de 1000 Hz. ¿Cuál es su periodo? Simplifique las siguientes expresiones: a) sen (2n f t . n) ! sen (2n f t ! n) b) sen 2n f t ! sen (2n f t . n) 3.4. El sonido se puede modelar mediante funciones sinusoidales. Compare la frecuencia relativa y la longitud de onda de las notas musicales. Piense que la velocidad del sonido es igual a 330 m/s y que las frecuencias de una escala musical son:
Nota Frecuencia DO 264 RE 297 MI 330 FA 352 SOL 396 LA 440 SI 495 DO 528

3.5.

Si la curva trazada con una línea continua de la Figura 3.17 representa al sen (2nt), ¿qué función corresponde a la línea discontinua? En otras palabras, la línea discontinua se puede expresar como A sen (2n f t ! h); ¿qué son A, f y h ?

Figura 3.17. Figura del Ejercicio 3.5.

90

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3.6.

Exprese la señal (1 ! 0,1 cos 5t) cos 100t como combinación lineal de funciones sinusoidales; encuentre la amplitud, frecuencia y fase de cada una de las componentes. (Sugerencia: use la expresión del cos a cos b). Encuentre el periodo de la función f (t) % (10 cos t)2. Sean dos funciones periódicas f1(t) y f2(t), con periodos T1 y T2 respectivamente. ¿Es periódica la función f (t) % f1(t) ! f2(t)? Si es así, demuéstrelo. Si no, ¿bajo qué condiciones f (t) será periódica? La Figura 3.4 muestra el efecto resultante al eliminar las componentes de alta frecuencia de un pulso cuadrado, considerando sólo las componentes de baja frecuencia. ¿Cómo sería la señal resultante en el caso contrario (es decir, quedándose con todos los armónicos de frecuencia alta y eliminando los de bajas frecuencias)? La Figura 3.5b muestra la función correspondiente a un pulso rectangular en el dominio de la frecuencia. Este pulso puede corresponder a un 1 digital en un sistema de comunicación. Obsérvese que se necesita un número infinito de frecuencias (con amplitud decreciente cuanto mayor es la frecuencia). ¿Qué implicaciones tiene este hecho en un sistema de transmisión real? El IRA es un código de 7 bits que permite la definición de 128 caracteres. En los años setenta, muchos medios de comunicación recibían las noticias a través de un servicio que usaba 6 bits denominado TTS. Este código transmitía caracteres en mayúsculas y minúsculas, así como caracteres especiales y órdenes de control. Generalmente, se utilizan 100 caracteres. ¿Cómo cree que se puede conseguir esto? ¿Cuál es el incremento posible en la resolución horizontal para una señal de vídeo de ancho de banda 5 MHz? ¿Y para la resolución vertical? Responda ambas cuestiones por separado; es decir, utilice el incremento de ancho de banda para aumentar la resolución horizontal o la vertical, pero no ambas. a) Suponga que se transmite una imagen digitalizada de TV de 480 # 500 puntos, en la que cada punto puede tomar uno de entre 32 posibles valores de intensidad. Supóngase que se envían 30 imágenes por segundo (esta fuente digital es aproximadamente igual que los estándares adoptados para la difusión de TV). Determine la velocidad de transmisión R de la fuente en bps. b) Suponga que la fuente anterior se transmite por un canal de 4,5 MHz de ancho de banda con una relación señal-ruido de 35 dB. Encuentre la capacidad del canal en bps. c) ¿Cómo se deberían modificar los parámetros del apartado (a) para permitir la transmisión de la señal de TV en color sin incrementar el valor de R?

3.7. 3.8.

3.9.

3.10.

3.11.

3.12.

3.13.

3.14. 3.15. 3.16.

Dado un amplificador con una temperatura efectiva de ruido de 10.000 oK y con un ancho de banda de 10 MHz, ¿cuánto será el nivel de ruido térmico a la salida? ¿Cuál es la capacidad para un canal de un «teletipo» de 300 Hz de ancho de banda con una relación señal-ruido de 3 dB? Para operar a 9.600 bps se usa un sistema de señalización digital: a) Si cada elemento de señal codifica una palabra de 4 bits, ¿cuál es el ancho de banda mínimo necesario? b) ¿Y para palabras de 8 bits?

Transmisión de datos

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3.17. 3.18.

¿Cuál es el nivel de ruido térmico para un canal de ancho de banda de 10 kHz y 1000 W de potencia operando a 50 oC? Considérense los trabajos de Shannon y Nyquist sobre la capacidad del canal. Cada uno de ellos estableció un límite superior para la razón de bits del canal basándose en dos aproximaciones diferentes. ¿Cómo se pueden relacionar ambas aproximaciones? Sea un canal con una capacidad de 20 Mbps. El ancho de banda de dicho canal es 3 MHz. ¿Cuál es la relación señal-ruido admisible para conseguir la mencionada capacidad? La onda cuadrada de la Figura 3.7c, con T % 1 ms, se transmite a través de un filtro paso bajo ideal de ganancia unidad con frecuencia de corte a 8 kHz. a) Determine la potencia de la señal de salida. b) Suponiendo que a la entrada del filtro hay un ruido térmico con N0 % 0,1 ]W/Hz, encuentre la relación señal-ruido en dB a la salida.

3.19. 3.20.

3.21.

Si el nivel recibido de una señal en un sistema digital es de .151 dBW y la temperatura efectiva del ruido en el receptor es de 1.500 K, ¿cuánto es el cociente Eb/N0 para un enlace que transmita a 2.400 bps? Rellene las casillas vacías de la siguiente tabla correspondientes a distintas potencias necesarias para obtener la correspondiente relación expresada en decibelios.
Decibelios Pérdidas Ganancias 1 2 3 0,5 2 4 5 6 7 8 9 10 0,1 10

3.22.

3.23. 3.24.

Si un amplificador tiene una ganancia en tensión de 30 dB, ¿cuál es su relación de tensiones de entrada y salida? Si un amplificador proporciona a la salida 20 W, ¿cuánto proporcionará expresado en dBW?

APÉNDICE 3A. DECIBELIOS Y ENERGÍA DE LA SEÑAL Un parámetro importante en cualquier sistema de transmisión es la energía de la señal transmitida. Al propagarse la señal en el medio habrá una pérdida, o atenuación, de energía de la señal. Para compensar este hecho es necesario introducir amplificadores cada cierta distancia que restituyan la energía de la señal. Los valores de ganancias, pérdidas y, en general, de todas las magnitudes relativas se suelen expresar en decibelios, ya que: La energía de la señal decae, por lo general, exponencialmente. Por tanto, las pérdidas se pueden expresar cómodamente en decibelios, ya que es una unidad logarítmica. En un sistema de transmisión, las ganancias y pérdidas en cascada se pueden calcular fácilmente mediante sumas o restas, respectivamente. El decibelio es una medida del cociente o proporción entre dos niveles de la señal: GdB % 10 log10 Psalida Pentrada

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donde NdB % número de decibelios. Pentrada % potencia de entrada. Psalida % potencia de salida. log10 % logaritmo en base 10. La Tabla 3.2 muestra varias potencias de 10 expresadas en decibelios. En la bibliografía hay algunas inconsistencias a la hora de usar los términos ganancia y pérdida. Si un valor GdB es positivo, corresponde en realidad a una ganancia en potencia. Por ejemplo, una ganancia de 3 dB significa que la potencia se ha doblado. Si el valor de GdB es negativo, en realidad implica una pérdida de potencia. Por ejemplo, una ganancia de .3 dB, significa que la potencia se ha dividido por la mitad, es decir, es una pérdida de potencia. Normalmente eso se expresa diciendo que ha habido una pérdida de 3 dB. Sin embargo, algunas referencias dirían que ha habido una pérdida de .3dB. Tiene más sentido decir que una ganancia negativa corresponde a una pérdida positiva. Por tanto, definimos la pérdida en decibelios LdB, como LdB % .10 log10 Psalida Pentrada % 10 log10 Pentrada Psalida (2.2)

Tabla 3.2. Valores en decibelios.
Cociente de potencias 10
1

dB 10 20 30 40 50 60

Cociente de potencias 10
.1

dB .10 .20 .30 .40 .50 .60

102 10
3

10.2 10
.3

104 10
5

10.4 10
.5

106

10.6

Ejemplo 3.6. Si en una línea de transmisión se transmite una señal con una potencia de 10 mW y a cierta distancia se miden 5 mW, la pérdida se puede expresar como LdB%10 log (10/5) % 10(0,3) % 3 dB. Obsérvese que el decibelio es una medida de una diferencia relativa, es decir, no es absoluta. Una pérdida de 1.000 W a 500 W es igualmente una pérdida de 3 dB. El decibelio también se usa para medir diferencias de tensión, ya que la potencia es proporcional al cuadrado de la tensión: P% donde P % potencia disipada en una resistencia R. V % caída de tensión en la resistencia R. V2 R

Transmisión de datos

93

Por tanto, LdB % 10 log Pentrada V2 Ventrada entrada/R % 10 log 2 % 20 log V salida/R Psalida Vsalida

Ejemplo 3.7. Los decibelios son útiles para determinar la ganancia o pérdida acumulada por una serie de elementos de transmisión. Sea un conjunto de elementos atacados por una potencia de entrada igual a 4 mW. Sea el primer elemento una línea de transmisión con 12 dB de atenuación (.12 dB de ganancia), el segundo elemento un amplificador con una ganancia igual a 35 dB y, por último, una línea de transmisión con 10 dB de pérdida. La ganancia o atenuación neta será (.12 ! 35 . 10) % 13 dB. El cálculo de la potencia de salida Psalida es, GdB % 13 % 10 log (Psalida/4 mW) Psalida % 4 # 101,3 mW % 79,8 MW Los valores en decibelios se refieren a magnitudes relativas a cambios en magnitud, no a valores absolutos. A veces es conveniente expresar un nivel absoluto de potencia o tensión en decibelios para facilitar así el cálculo de la pérdida o ganancia con respecto a un valor inicial de señal. El dBW (decibelio-vatio) se usa frecuentemente en aplicaciones de microondas. Se elige como referencia el valor de 1 W y se define como 0 dBW. Se define, por tanto, el nivel absoluto de potencia en dBW como PotenciadBW % 10 log PotenciaW 1 W

Ejemplo 3.8. Una potencia de 1.000 W corresponde a 30 dBW y una potencia de 1 mW corresponde a .30 dBW. Otra unidad es el dBm (decibelio-milivatio), en la que se usa 1 mW como referencia. Así 0 dBM % 1 mW. La fórmula es PotenciadBW % 10 log Obsérvense las siguientes relaciones !30 dBm % 0 dBW 0 dBm % .30 dBW Otra unidad frecuente en los sistemas de televisión por cable y en las aplicaciones LAN de banda ancha es el dBmV (decibelio-milivoltio). Ésta es una medida absoluta, donde 0 dBmV equivale a 1 mV. Por tanto, TensióndBmV % 20 log TensiónmV 1 mV PotenciamW 1 mW

En este caso se ha supuesto que la caída de tensión se realiza en una resistencia de 75 ohmios.

a

CAPÍTULO 4

Medios de transmisión
4.1. Medios de transmisión guiados Par trenzado Cable coaxial Fibra óptica 4.2. Transmisión inalámbrica Antenas Microondas terrestres Microondas por satélite Ondas de radio Infrarrojos 4.3. Propagación Propagación Propagación Propagación inalámbrica superficial de ondas aérea de ondas en la trayectoria visual

4.4. Transmisión en la trayectoria visual Pérdida en el espacio libre Absorción atmosférica Multitrayectorias Refracción 4.5. Lecturas recomendadas y sitios web 4.6. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios Términos clave Cuestiones de repaso Ejercicios

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1111111111111111111111111111111
CUESTIONES BÁSICAS Los medios de transmisión se pueden clasificar como guiados y no guiados. Los medios guiados proporcionan un camino físico a través del cual se propaga la señal; entre éstos están el par trenzado, el cable coaxial y la fibra óptica. Los medios no guiados utilizan una antena para transmitir a través del aire, el vacío o el agua. Tradicionalmente, el par trenzado ha sido el medio por excelencia utilizado en las comunicaciones de cualquier tipo. Con el cable coaxial se pueden obtener mayores velocidades de transmisión para mayores distancias. Por esta razón, el coaxial se ha utilizado en redes de área local de alta velocidad y en aplicaciones de enlaces troncales de alta capacidad. No obstante, la capacidad tremenda de la fibra óptica la hace más atractiva que el coaxial y, en consecuencia, la fibra ha copado la mayor parte del mercado de las LAN de alta velocidad y las aplicaciones a larga distancia. La emisión por radio, las microondas terrestres y los satélites son las técnicas que se utilizan en la transmisión no guiada. La transmisión por infrarrojos se utiliza en algunas aplicaciones LAN.

1111111111111111111111111111111

E

n los los sistemas de transmisión de datos, el medio de transmisión es el camino físico entre el transmisor y el receptor. Según se estudió en el Capítulo 3, en los medios guiados las ondas electromagnéticas se transmiten a través de un medio sólido, como por ejemplo un par trenzado de cobre, un cable coaxial o una fibra óptica. En los medios no guiados, la transmisión inalámbrica se realiza a través de la atmósfera, el espacio exterior o el agua. Las características y calidad de la transmisión están determinadas tanto por el tipo de señal como por las características del medio. En el caso de los medios guiados, el medio, en sí mismo, es lo que más limitaciones impone a la transmisión. En medios no guiados, las características de la transmisión están más determinadas por el ancho de banda de la señal emitida por la antena que por el propio medio. Una propiedad fundamental de las señales transmitidas mediante antenas es la direccionalidad. En general, a frecuencias bajas las señales son omnidireccionales; es decir, la señal desde la antena se emite y propaga en todas direcciones. A frecuencias más altas, es posible concentrar la señal en un haz direccional. En el diseño de sistemas de transmisión es deseable que tanto la distancia como la velocidad de transmisión sean lo más grandes posibles. Hay una serie de factores relacionados con el medio de transmisión y con la señal que determinan tanto la distancia como la velocidad de transmisión: El ancho de banda: si todos los otros factores se mantienen constantes, al aumentar el ancho de banda de la señal, la velocidad de transmisión se puede incrementar. Dificultades en la transmisión: las dificultades, como por ejemplo la atenuación, limitan la distancia. En los medios guiados, el par trenzado sufre de mayores adversidades que el cable coaxial que, a su vez, es más vulnerable que la fibra óptica. Interferencias: las interferencias resultantes de la presencia de señales en bandas de frecuencias próximas pueden distorsionar o destruir la señal. Las interferencias son especialmente relevantes en los medios no guiados, pero a la vez son un problema a considerar en los medios guiados. En medios guiados, las emisiones de cables cercanos pueden causar interferencias. Así, por ejemplo, es frecuente embutir múltiples cables de pares trenzados dentro de

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una misma cubierta. Las interferencias también pueden aparecer en las transmisiones no guiadas. Un apantallamiento adecuado del medio guiado puede minimizar este problema. Número de receptores: un medio guiado se puede usar tanto para un enlace punto a punto como para un enlace compartido, mediante el uso de múltiples conectores. En este último caso, cada uno de los conectores utilizados puede atenuar y distorsionar la señal, por lo que la distancia y/o la velocidad de transmisión disminuirán. En la Figura 4.1 se muestra el espectro electromagnético, así como la frecuencia a la que operan diferentes técnicas de transmisión sobre medios guiados y no guiados. En este capítulo se estudiarán las diferentes alternativas tanto para medios guiados como para no guiados. En todos los casos, se describirán físicamente los sistemas, se discutirán brevemente las aplicaciones y se resumirán las características principales de transmisión.

Figura 4.1. Espectro electromagnético para las telecomunicaciones.

4.1.

MEDIOS DE TRANSMISIÓN GUIADOS En los medios de transmisión guiados, la capacidad de transmisión, en términos de velocidad de transmisión o ancho de banda, depende drásticamente de la distancia y de si el medio es punto a punto o multipunto. En la Tabla 4.1 se indican las características típicas de los medios guiados más comunes para aplicaciones punto a punto de larga distancia. El estudio de la utilización de estos medios en LAN se aplaza para más adelante, a la Parte IV del libro. Los tres medios guiados que más se utilizan en la transmisión de datos son el par trenzado, el cable coaxial y la fibra óptica (véase Figura 4.2). A continuación, examinaremos cada uno de ellos.

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Tabla 4.1. Características de transmisión de medios guiados punto-a-punto [GLOV98].
Rango de frecuencias Par trenzado (con carga) Pares trenzados (cables multi-pares) Cable coaxial Fibra óptica
THz % Terahercios % 10
12

Atenuación típica 0,2 dB/km @ 1 kHz 3 dB/km @ 1 kHz 7 dB/km @ 10 MHz 0,2 a 0,5 dB/km

Retardo típico 50 ]s/km 5 ]s/km 4 ]s/km 5 ]s/km

Separación entre repetidores 2 km 2 km 1 a 9 km 40 km

0 para 3,5 kHz 0 para 1 MHz 0 para 500 MHz 180 para 370 THz
Hz.

Figura 4.2. Medios de transmisión guiados.

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PAR TRENZADO El par trenzado es el medio guiado más económico y, a la vez, es el más usado. Descripción física El par trenzado consiste en dos cables de cobre embutidos en un aislante, entrecruzados en forma de bucle espiral. Cada par de cables constituye un enlace de comunicación. Normalmente, varios pares se encapsulan conjuntamente mediante una envoltura protectora. En el caso de largas distancias, la envoltura puede contener cientos de pares. El uso del trenzado tiende a reducir las interferencias electromagnéticas (diafonía) entre los pares adyacentes dentro de una misma envoltura. Para este fin, los pares adyacentes dentro de una misma envoltura se trenzan con pasos de torsión diferentes. En enlaces de larga distancia, la longitud del trenzado varía entre 5 cm y 15 cm. Los conductores que forman el par tienen un grosor que varía entre 0,4 mm y 0,9 mm. Aplicaciones Tanto para señales analógicas como para señales digitales, el par trenzado es con diferencia el medio de transmisión más usado. El par trenzado es el medio más usado en las redes de telefonía e, igualmente, su uso es básico en el tendido de redes de comunicación dentro de edificios. En telefonía, el terminal de abonado se conecta a la central local, también denominada «central final», mediante cable de par trenzado, denominado bucle de abonado. Igualmente, dentro de los edificios de oficinas, cada teléfono se conecta mediante par trenzado a la central privada (PBX, Private Branch Exchange). Estas instalaciones de pares trenzados se diseñaron para transportar tráfico de voz mediante señalización analógica. No obstante, con el uso de los módem, esta infraestructura puede utilizarse para transportar tráfico digital a velocidades de transmisión reducidas. En la señalización digital, el par trenzado es, igualmente, el más utilizado. Es habitual que los pares trenzados se utilicen para las conexiones al conmutador digital o a la PBX digital a velocidades de 64 Kbps. El par trenzado también se utiliza, dentro de edificios, como medio de transmisión para las redes de área local. La velocidad típica en este tipo de configuraciones está en torno a los 10 Mbps. No obstante, recientemente se han desarrollado redes de pares trenzados con velocidades de hasta 1 Gbps, aunque estas configuraciones están bastante limitadas en el número de posibles dispositivos a conectar y en la extensión geográfica de la red. Para aplicaciones de larga distancia, el par trenzado se puede utilizar a velocidades de 4 Mbps o incluso mayores. El par trenzado es mucho menos costoso que cualquier otro medio de transmisión guiado (cable coaxial o fibra óptica) y, a la vez, es más sencillo de manejar. Características de transmisión El par trenzado se puede usar para transmitir tanto señales analógicas como señales digitales. Al transmitir señales analógicas exige amplificadores cada 5 km o 6 km. Para transmisión digital (usando tanto señales analógicas como digitales), el par requiere repetidores cada 2 km o 3 km. Comparado con otros medios guiados (como el cable coaxial o la fibra óptica), el par trenzado permite distancias menores, menor ancho de banda y menor velocidad de transmisión. En la Figura 4.3a, se muestra la fuerte dependencia de la atenuación con la frecuencia que presenta el par

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Figura 4.3. Atenuación en los medios guiados típicos.

trenzado. El par es también muy vulnerable a otras dificultades en la transmisión. Este medio se caracteriza por su gran susceptibilidad a las interferencias y al ruido, debido a su fácil acoplamiento con campos electromagnéticos externos. Así, por ejemplo, un cable conductor situado en paralelo con una línea de potencia que conduzca corriente alterna captará energía con una frecuencia de 60 Hz1. El ruido impulsivo también afecta a los pares trenzados. Para reducir estos efectos negativos es posible tomar algunas medidas. Por ejemplo, el apantallamiento del cable con una malla metálica reduce las interferencias externas. El trenzado en los cables reduce las interferencias de baja frecuencia y el uso de distintos pasos de torsión entre los pares adyacentes reduce la diafonía. En sistemas con señalización analógica punto a punto, un par trenzado puede ofrecer hasta 1 MHz de ancho de banda, lo que permite transportar un buen número canales de voz. En el caso de señalización digital punto a punto de larga distancia, se pueden conseguir del orden de unos pocos Mbps; para distancias cortas, ya hay disponibles productos comerciales que proporcionan 1 Gbps. Pares trenzados apantallados y sin apantallar Hay dos variantes de pares trenzados: apantallados y sin apantallar. En telefonía, el par trenzado no apantallado (UTP, Unshielded Twisted Pair) es el cable más habitual. Es práctica común la preinstalación de par trenzado no apantallado en edificios, aunque normalmente se dimensiona muy por encima de lo que verdaderamente se necesita para el servicio de telefonía. Esto es así porque el par
1

N. del T.: 50 Hz en Europa.

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sin apantallar es el menos caro de todos los medios de transmisión que se usan en las redes de área local, además de ser fácil de instalar y manipular. El par trenzado sin apantallar se puede ver afectado por interferencias electromagnéticas externas, incluyendo interferencias de pares cercanos o fuentes de ruido próximas. Una manera de mejorar las características de transmisión de este medio es embutiéndolo dentro de una malla metálica, reduciéndose así las interferencias. El par trenzado apantallado (STP, Shielded Twisted Pair) proporciona mejores prestaciones a velocidades de transmisión superiores. Ahora bien, este último es más costoso y difícil de manipular que el anterior. UTP tipo 3 y tipo 5 En la mayoría de los edificios de oficinas se hace una preinstalación con par trenzado de 100 ohmios, denominado par de calidad telefónica (voice-grade). Es por esto por lo que este tipo de preinstalaciones se deben considerar siempre como una alternativa, bastante atractiva y poco costosa, para ser utilizada como medio de transmisión en las LAN. No obstante, hay que tener en cuenta que las velocidades de transmisión y las distancias que se pueden alcanzar con este medio son limitadas. En 1991, la EIA (Electronic Industries Association) publicó el documento EIA-568, denominado Estándar para los cables de telecomunicaciones en edificaciones comerciales (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard), que define el uso de pares trenzados sin apantallar de calidad telefónica y de pares apantallados como medios de transmisión de datos en edificios. Nótese que, por aquel tiempo, las características de dichos medios eran suficientes para el rango de frecuencias y velocidades típicas necesarias en las aplicaciones ofimáticas. Es más, en esa época, las LAN tenían por objetivo velocidades de transmisión comprendidas entre 1 y 16 Mbps. Con el tiempo, los usuarios han migrado a estaciones de trabajo y aplicaciones de mayores prestaciones. Como consecuencia, ha habido un interés creciente en LAN que proporcionen hasta 100 Mbps sobre medios no costosos. Como respuesta a esa necesidad, en 1995 se propuso el EIA-568A. Esta norma incorpora los avances más recientes, tanto en el diseño de cables y conectores, como en los métodos de test. En esta especificación se consideran cables de pares apantallados a 150 ohmios y pares no apantallados de 100 ohmios. En el estándar EIA-568-A se consideran tres tipos o categorías de cables UTP: Tipo 3: cables y hardware asociado, diseñados para frecuencias de hasta 16 MHz. Tipo 4: cables y hardware asociado, diseñados para frecuencias de hasta 20 MHz. Tipo 5: cables y hardware asociado, diseñados para frecuencias de hasta 100 MHz. De entre los anteriores, los tipos 3 y 5 son los más utilizados en los entornos LAN. El tipo 3 coincide con los cables de calidad telefónica que existen en la mayoría de las edificaciones. Con un diseño apropiado y a distancias limitadas, con cables tipo 3 se pueden conseguir velocidades de hasta 16 Mbps. El tipo 5 (data-grade) es un cable de mejores características para la transmisión de datos, por lo que cada vez se está utilizando más como preinstalación en los edificios de reciente construcción. Con un diseño apropiado y a distancias limitadas, con cables tipo 5 se pueden alcanzar 100 Mbps. La diferencia esencial entre los cables tipo 3 y 5 está en el número de trenzas por unidad de longitud. El cable tipo 5 es más trenzado, siendo su paso de trenzado del orden de 0,6 cm a 0,85 cm,

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mientras que el tipo 3 tiene una trenza cada 7,5 cm o 10 cm. El trenzado del tipo 5 es por supuesto más caro, ahora bien, proporciona prestaciones superiores que el de tipo 3. En la Tabla 4.2 se resumen las prestaciones de los mencionados cables: UTP tipo 3 y UTP tipo 5, así como el cable STP especificado en el EIA-568-A. El primer parámetro utilizado en la comparativa es la atenuación. Como es sabido, la energía de la señal decrece con la distancia recorrida en cualquier medio de transmisión. En medios guiados la atenuación obedece a una ley exponencial, por tanto, se expresa normalmente como un número constante de decibelios por unidad de longitud.
Tabla 4.2. Comparativa de pares trenzados apantallados y sin apantallar.
Atenuación (dB por 100 m) Frecuencia (MHz) 1 4 16 25 100 300 UTP tipo 3 2,6 5,6 13,1 — — — UTP tipo 5 2,0 4,1 8,2 10,4 22,0 — STP 150 ohmios 1,1 2,2 4,4 6,2 12,3 21,4 Diafonía cercana al extremo (dB) UTP tipo 3 41 32 23 — — — UTP tipo 5 62 53 44 41 32 — STP 150 ohmios 58 58 50,4 47,5 38,5 31,3

La diafonía denominada cercana al extremo es debida a la inducción que provoca un par conductor en otro par cercano. Por conductor debe entenderse tanto los pares que forman el cable como los contactos o «pines» (patillas metálicas) del conector. La denominación cercana al extremo hace referencia al acoplamiento que tiene lugar cuando la señal a transmitir entra en el cable y retorna a través del otro par conductor en el mismo extremo del enlace (es decir, la señal transmitida es captada por un par receptor cercano).
Tabla 4.3. Clases y tipos de pares trenzados.
Tipo 3 Clase C Ancho de banda Cable Coste (tipo 5 % 1) 16 MHz UTP 0,7 Tipo 5 Clase D 100 MHz UTP/FTP 1 Tipo 6 Clase E 200 MHz UTP/FT 1,5 Tipo 7 Clase F 600 MHz SSTP 2,2

Clase 5E 100 MHz UTP/FTP 1,2

UTP % Par trenzado no apantallado (Unshielded Twisted Pair). FTP % Par trenzado con papel de plata (Foil Twisted Pair). SSTP % Par trenzado tipo 7 (Shielded-Sreen Twisted Pair).

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Tabla 4.4. Alternativas de altas prestaciones para el cableado de cobre en LAN [JOHN98].
Nombre Construcción
El cable está constituido por 4 pares de cobre de 0,5 mm con una cubierta termoplástica de poliolefina o de etileno-propileno fluorado (FEP, Fluorinated Ethylene Propylene). La funda exterior es de policloruro de vinilo (PVC, polyvinylchlorides), una poliolefina ignífuga o un fluoropolímero. El cable está constituido por 4 pares de cobre de 0,5 mm con una cubierta termoplástica de poliolefina o de etileno-propileno fluorado (FEP). La funda exterior es de policloruro de vinilo (PVC), una poliolefina ignífuga o un fluoropolímero. Ha sido fabricado y diseñado con más cuidado. El cable está constituido por 4 pares de cobre de 0,50 a 0,53 mm con una cubierta termoplástica de poliolefina o de etileno-propileno fluorado (FEP). La funda exterior es de policloruro de vinilo (PVC), una poliolefina ignífuga o un fluoropolímero. Ha sido fabricado y diseñado con mucho más cuidado. Los conectores tienen un diseño avanzado. El cable está constituido por 4 pares de cobre de 0,5 mm con una cubierta termoplástica de poliolefina o de etileno-propileno fluorado (FEP). Los pares están cubiertos por una malla de papel de plata. La funda exterior es de policloruro de vinilo (PVC), una poliolefina ignífuga o un fluoropolímero. El cable está constituido por 4 pares de cobre de 0,5 mm con una cubierta termoplástica de poliolefina o de etileno-propileno fluorado (FEP). Los pares están cubiertos por una malla de papel de plata, recubiertos de una malla metálica. La funda exterior es de policloruro de vinilo (PVC), una poliolefina ignífuga o un fluoropolímero. También denominado PiMF (pares en papel de plata, Pairs in Metal Foil), el SSTP está constituido por 4 pares de 0,45-0,45 mm pares de cobre con una cubierta termoplástico de poliolefina o de etileno-propileno fluorado (FEP). Los pares están cubiertos individualmente por una malla longitudinal o helicoidal de papel de plata, recubiertos por una malla metálica. La funda exterior es de policloruro de vinilo (PVC) una poliolefina ignífuga o un fluoropolímero.

Prestaciones esperadas
Distintos cables mezclados y acoplados con el hardware de conexión de distintos fabricantes pueden llegar a verificar los requisitos de ISO clase D y de la norma TIA tipo 5. No hay garantía alguna por parte de los fabricantes.

Coste

UTP tipo 5

1

UTP tipo 5 mejorado (Clase 5E, Enhanced)

Los componentes tipo 5 de un suministrador, o de varios, han sido deliberadamente acoplados en impedancia. Ofrecen una ACR mejor que el tipo 5 y la clase D, así como una garantía de 10 años o superior.

1,2

UTP tipo 6

Los componentes tipo 6 de un fabricante deben estar extremadamente acoplados. Se garantiza así una ACR (ancho de banda efectivo) igual a 0 en el canal para frecuencias iguales a 200 MHz o superiores. Es el mejor UTP disponible. Se está desarrollando la especificación de las prestaciones para el UTP tipo 6 a 250 MHz. Los componentes tipo 5 de uno o varios fabricantes se han diseñado expresamente para minimizar la susceptibilidad EMI y para maximizar la inmunidad EMI. Se pueden ofrecer distintas calidades con diversos valores ACR. Los componentes tipo 5 de uno o varios fabricantes deben estar expresamente diseñados para minimizar la susceptibilidad EMI y para maximizar la inmunidad EMI. Ofrece una protección superior a las EMI que el FTP.

1,5

Par trenzado con papel de plata, FTP (Foil Twisted Pair)

1,3

Par trenzado con papel de plata apantallado, SFTP (Shielded Foil Twisted Pair)

1,4

El cable tipo 7 proporciona ACR positivas entre 600 y 1.200 MHz. El apantallado individual de los pares consigue una ACR extraordinaria.

2,2

Par trenzado tipo 7, SSTP (Shielded-Screen Twisted Pair)

ACR % Cociente entre la atenuación y la diafonía (Attenuation to Crosstalk Ratio). EMI % Interferencia electromagnética (Electromagnetic Interferente).

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CABLE COAXIAL Descripción física El cable coaxial, al igual que el par trenzado, tiene dos conductores, pero está construido de forma diferente para que pueda operar sobre un rango de frecuencias mayor. Consiste en un conductor cilíndrico externo que rodea a un cable conductor interior (véase Figura 4.2b). El conductor interior se mantiene a lo largo del eje axial mediante una serie de anillos aislantes regularmente espaciados, o bien mediante un material sólido dieléctrico. El conductor exterior se protege con una cubierta o funda. El cable coaxial tiene un diámetro aproximado entre 1 cm y 2,5 cm. Comparado con el par trenzado, el cable coaxial se puede usar para cubrir mayores distancias así como para conectar un número mayor de estaciones en líneas compartidas. Aplicaciones El cable coaxial es quizá el medio de transmisión más versátil, por lo que se está utilizando cada vez más en una gran variedad de aplicaciones. Las más importantes son: La distribución de televisión. La telefonía a larga distancia. Los enlaces en computadores a corta distancia. Las redes de área local. El cable coaxial se emplea para la distribución de las señales de TV por cable hasta el domicilio de los usuarios. Diseñado inicialmente para proporcionar servicio de televisión a áreas remotas (CATV, Community Antenna Television), la TV por cable llega a casi tantos hogares y oficinas como el sistema telefónico. El sistema de TV por cable puede transportar docenas, e incluso cientos de canales, a distancias de hasta varias decenas de kilómetros. Tradicionalmente, el coaxial ha sido un elemento fundamental en la red de telefonía a larga distancia. En la actualidad tiene una fuerte competencia en la fibra óptica, las microondas terrestres y las comunicaciones vía satélite. Usando multiplexación por división en frecuencia (FDM, Frequency Division Multiplexing, véase Capítulo 8), el cable coaxial puede transportar simultáneamente más de 10.000 canales de voz. El cable coaxial también se usa frecuentemente para conexiones entre periféricos o dispositivos a distancias cortas. Usando señalización digital, el coaxial se puede utilizar como medio de transmisión en canales de entrada/salida (E/S) de alta velocidad en computadores. Características de transmisión El cable coaxial se usa para transmitir tanto señales analógicas como digitales. Como se puede observar en la Figura 4.3b, el cable coaxial tiene una respuesta en frecuencias mejor que la del par trenzado permitiendo, por tanto, mayores frecuencias y velocidades de transmisión. Debido al apantallamiento, por construcción, el cable coaxial es mucho menos susceptible que el par trenzado tanto a interferencias como a diafonía. Sus principales limitaciones son la atenuación, el ruido térmico y el ruido de intermodulación. Este último aparece sólo cuando sobre el mismo cable se usan simultáneamente varios canales o bandas de frecuencias (FDM).

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En la transmisión de señales analógicas a larga distancia se necesitan amplificadores separados entre sí a distancias del orden de pocos kilómetros, siendo esta separación tanto menor cuanto mayor sea la frecuencia de trabajo. El espectro de la señalización analógica se extiende hasta aproximadamente 500 MHz. En la señalización digital, en cambio, se necesita un repetidor cada kilómetro aproximadamente, e incluso menos cuanto mayor sea la velocidad de transmisión. FIBRA ÓPTICA Descripción física La fibra óptica es un medio flexible y delgado (de 2 a 125 ]m) capaz de confinar un haz de naturaleza óptica. Para construir la fibra se pueden usar diversos tipos de cristales y plásticos. Las pérdidas menores se han conseguido con la utilización de fibras de silicio ultrapuro fundido. Las fibras ultrapuras son muy difíciles de fabricar; las fibras de cristal multicomponente son más económicas y, aunque sufren mayores pérdidas, proporcionan unas prestaciones suficientes. La fibra de plástico tiene todavía un coste menor, pudiendo ser utilizada en enlaces de distancias más cortas, en los que sean aceptables pérdidas moderadamente altas. Un cable de fibra óptica tiene forma cilíndrica y está formado por tres secciones concéntricas: el núcleo, el revestimiento y la cubierta (véase Figura 4.2c). El núcleo es la sección más interna; está constituido por una o varias fibras de cristal o plástico, con un diámetro entre 8 y 100 ]m. Cada fibra está rodeada por su propio revestimiento, que no es sino otro cristal o plástico con propiedades ópticas distintas a las del núcleo. La separación entre el núcleo y el revestimiento actúa como un reflector, confinando así el haz de luz, ya que de otra manera escaparía del núcleo. La capa más exterior que envuelve a uno o varios revestimientos es la cubierta. La cubierta está hecha de plástico y otros materiales dispuestos en capas para proporcionar protección contra la humedad, la abrasión, posibles aplastamientos y otros peligros. Aplicaciones Uno de los avances tecnológicos más significativos y rompedores en la transmisión de datos ha sido el desarrollo de los sistemas de comunicación de fibra óptica. No en vano, la fibra disfruta de una gran aceptación para las telecomunicaciones a larga distancia y, cada vez, está siendo más utilizada en aplicaciones militares. Las mejoras constantes en las prestaciones a precios cada vez inferiores, junto con sus ventajas inherentes, han contribuido decisivamente para que la fibra sea un medio atractivo en los entornos de red de área local. Las características diferenciales de la fibra óptica frente al cable coaxial y al par trenzado son: Mayor capacidad: el ancho de banda potencial y, por tanto, la velocidad de transmisión, en las fibras es enorme. Experimentalmente se ha demostrado que se pueden conseguir velocidades de transmisión de cientos de Gbps para decenas de kilómetros de distancia. Compárese con el máximo que se puede conseguir en el cable coaxial de cientos de Mbps sobre aproximadamente 1 km, o con los escasos Mbps que se pueden obtener para la misma distancia, o compárese con los 100 Mbps o incluso 1 Gbps para pocas decenas de metros que se consiguen en los pares trenzados. Menor tamaño y peso: las fibras ópticas son apreciablemente más finas que el cable coaxial o que los pares trenzados embutidos, por lo menos en un orden de magnitud para capacidades de transmisión comparables. En las conducciones o tubos de vacío previstos para el

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cableado en las edificaciones, así como en las conducciones públicas subterráneas, la utilización de tamaños pequeños tiene unas ventajas evidentes. La reducción en tamaño lleva a su vez aparejada una reducción en peso que disminuye, a su vez, la infraestructura necesaria. Atenuación menor: la atenuación es significativamente menor en las fibras ópticas que en los cables coaxiales y pares trenzados (véase Figura 4.3c), además, es constante a lo largo de un gran intervalo. Aislamiento electromagnético: los sistemas de fibra óptica no se ven afectados por los efectos de campos electromagnéticos exteriores. Estos sistemas no son vulnerables a interferencias, ruido impulsivo o diafonía. Por la misma razón, las fibras no radian energía, produciendo interferencias despreciables con otros equipos que proporcionan, a la vez, un alto grado de privacidad; además, relacionado con esto, la fibra es por construcción difícil de «pinchar». Mayor separación entre repetidores: cuantos menos repetidores haya el coste será menor, además de haber menos fuentes de error. Desde este punto de vista, las prestaciones de los sistemas de fibra óptica han sido mejoradas de manera constante y progresiva. Para la fibra es práctica habitual necesitar repetidores separados entre sí del orden de decenas de kilómetros e, incluso, se han demostrado experimentalmente sistemas con separación de cientos de kilómetros. Por el contrario, los sistemas basados en coaxial y en pares trenzados requieren repetidores cada pocos kilómetros. Las cinco aplicaciones básicas en las que la fibra óptica es importante son: Transmisiones a larga distancia. Transmisiones metropolitanas. Acceso a áreas rurales. Bucles de abonado. Redes de área local. La transmisión a largas distancias mediante fibras es cada vez más común en las redes de telefonía. En estas redes, las distancias medias son aproximadamente 1.500 km; además, se caracterizan por tener una gran capacidad (normalmente de 20.000 a 60.000 canales de voz). En cuanto al coste, estos sistemas son competitivos con los enlaces de microondas; estando tan por debajo, en coste, del cable coaxial que en muchos países desarrollados la fibra está incluso desbancando al coaxial en telefonía. Paralelamente, la fibra óptica cada vez se utiliza más como medio de transmisión en cables submarinos. Los circuitos troncales en áreas metropolitanas tienen una longitud media de 12 km, pudiendo albergar hasta 100.000 canales de voz por cada grupo troncal. La mayoría de los servicios se están desplegando usando conducciones subterráneas sin repetidores, las cuales se utilizan para enlazar centrales telefónicas dentro del área metropolitana. A esta categoría pertenecen igualmente las rutas que enlazan las líneas de larga distancia de microondas, que llegan hasta las áreas perimetrales de las ciudades, con las centrales de telefonía situadas dentro del casco urbano. Los accesos a áreas rurales, para enlazar pueblos con ciudades, tienen generalmente longitudes que van desde los 40 a 160 km. En Estados Unidos, estos enlaces a su vez conectan frecuentemente centrales telefónicas pertenecientes a diferentes compañías. La mayoría de estos sistemas tienen menos de 5.000 canales de voz. Normalmente, la tecnología utilizada en estas aplicaciones compite con las microondas.

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Los bucles de abonado son fibras que van directamente desde las centrales al abonado. El uso de la fibra en estos servicios esta empezando a desplazar a los enlaces de par trenzado o coaxial, dado que, cada vez más, las redes de telefonía están evolucionando hacia redes integradas capaces de gestionar no sólo voz y datos, sino también imágenes y vídeo. El uso de la fibra en este contexto está encabezado fundamentalmente por grandes clientes (empresas), no obstante, la fibra como medio de acceso desde los domicilios particulares aparecerá en un futuro a corto plazo. Finalmente, una aplicación importante de la fibra óptica está en las redes de área local. Recientemente, se han desarrollado estándares y productos para redes de fibra óptica con capacidades que van desde 100 Mbps hasta 10 Gbps, las cuales a su vez permiten cientos, incluso miles de estaciones, en grandes edificios de oficinas. Las ventajas de la fibra óptica respecto del par trenzado o del cable coaxial serán cada vez más convincentes conforme la demanda de información multimedia vaya aumentando (voz, datos, imágenes y vídeo). Características de transmisión La fibra óptica propaga internamente el haz de luz que transporta la señal codificada de acuerdo con el principio de reflexión total. Este fenómeno se da en cualquier medio transparente que tenga un índice de refracción mayor que el medio que lo contenga. En efecto, la fibra óptica funciona como una guía de ondas para el rango de frecuencias que va desde 1014 hasta 1015 Hz, cubriendo parte del espectro visible e infrarrojo. En la Figura 4.4 se muestra el principio que rige la propagación del haz de luz en la fibra óptica. La luz proveniente de la fuente penetra en el núcleo cilíndrico de cristal o plástico. Los rayos que inciden con ángulos superficiales se reflejan y se propagan dentro del núcleo de la fibra, mientras que para otros ángulos de incidencia, los rayos son absorbidos por el material que forma el revestimiento. Este tipo de propagación se llama multimodal de índice discreto, aludiendo al hecho de que hay multitud de ángulos para los que se da la reflexión total. En la transmisión

Figura 4.4. Modos de transmisión en las fibras ópticas.

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multimodo, existen múltiples caminos que verifican la reflexión total, cada uno con diferente longitud y, por tanto, con diferente tiempo de propagación. Esto hace que los elementos de señalización que se transmitan (los pulsos de luz) se dispersen en el tiempo, limitando así la velocidad a la que los datos puedan ser correctamente recibidos. Dicho de otra forma, la necesidad de separar los pulsos de luz limita la velocidad de transmisión de los datos. Este tipo de fibra es más adecuada para la transmisión a distancias cortas. Cuando el radio del núcleo se reduce, la reflexión total se dará en un número menor de ángulos. Al reducir el radio del núcleo a dimensiones del orden de magnitud de la longitud de onda un solo ángulo, o modo, podrá pasar el rayo axial. Este tipo de propagación, denominada monomodo, proporciona prestaciones superiores debido a la existencia de un único camino posible, impidiéndose así la distorsión multimoda. Las fibras monomodo se utilizan generalmente en aplicaciones de larga distancia, por ejemplo en telefonía y televisión por cable. Finalmente, se puede conseguir un tercer modo de transmisión variando gradualmente el índice de refracción del núcleo, este modo se denomina multimodo de índice gradual. Las características de este último modo están entre las de los otros dos modos comentados. Estas fibras, al disponer de un índice de refracción superior en la parte central, hacen que los rayos de luz avancen más rápidamente conforme se alejan del eje axial de la fibra. En lugar de describir un zig-zag, la luz en el núcleo describe curvas helicoidales debido a la variación gradual del índice de refracción, reduciendo así la longitud recorrida. El efecto de tener una mayor velocidad de propagación y una longitud inferior posibilita que la luz periférica llegue al receptor al mismo tiempo que los rayos axiales del núcleo. Las fibras de índice gradual se utilizan frecuentemente en las redes de área local. En los sistemas de fibra óptica se usan dos tipos diferentes de fuentes de luz: los diodos LED (Light Emitting Diodes) y los diodos ILD (Injection Laser Diode). Ambos son dispositivos semiconductores que emiten un haz de luz cuando se les aplica una tensión. El LED es menos costoso, opera en un rango mayor de temperaturas y tiene un tiempo de vida media superior. El ILD, cuyo funcionamiento está basado en el mismo principio que los láser, es más eficaz y puede proporcionar velocidades de transmisión superiores. Existe una relación entre la longitud de onda utilizada, el tipo de transmisión y la velocidad de transmisión que se puede conseguir. Tanto en monomodo como en multimodo se pueden admitir diferentes longitudes de onda, pudiéndose utilizar como fuentes tanto láser como diodos LED. En las fibras ópticas, debido a las características de la atenuación del medio y por las propiedades de las fuentes y receptores, la luz se propaga en cuatro regiones o «ventanas» mostradas en la Tabla 4.5. Nótese el tremendo ancho de banda disponible. Para las cuatro ventanas, los anchos de banda son 33 THz, 12 THz, 4 THz y 7 THz, lo que corresponde a varios órdenes de magnitud más que el ancho de banda disponible en el espectro de radio-frecuencia.
Tabla 4.5. Rangos de frecuencia para varias fibras ópticas.
Rango de longitudes de onda (en el vacío) (nm) 820 a 900 1.280 a 1.350 1.528 a 1.561 1.561 a 1.620 Rango de frecuencia (THz) 366 a 33 234 a 222 196 a 192 192 a 185 S C L Etiqueta Tipo de fibra Multimodo Monomodo Monomodo Monomodo Aplicación LAN Varias WDM WDM

WDM % Multiplexación por división en frecuencias (Wavelength Division Multiplexing, véase Capítulo 8).

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Un posible aspecto confuso de las cifras que se dan para la transmisión con fibras ópticas es que, siempre, las prestaciones de la fibra se facilitan en términos de longitud de onda en lugar de en frecuencias. Las longitudes de onda que aparecen en gráficas y tablas corresponden a transmisión en el vacío. Sin embargo, en la fibra la velocidad de propagación es siempre inferior a la velocidad de la luz en el vacío (c), consecuentemente, aunque la frecuencia de la señal no cambia, la longitud de onda sí. Ejemplo 4.1. Para una longitud de onda en el vacío de 1.550 nm, la frecuencia correspondiente es f % c/j % (3 # 108)/(1.550 # 10.9) % 193,4 # 102 % 193,4 THz. En una fibra monomodo convencional, la velocidad de propagación es aproximadamente v % 2,04 # 108. En este caso, una frecuencia de 193,4 THz corresponde a una longitud de onda de j % v/f % % (2,04 # 108)/(193,4 # 1012) % 1.055 nm. Por tanto, en esta fibra, cuando se mencione una longitud de onda de 1.550 nm, en realidad la longitud de onda real es 1.055 nm. Las cuatro ventanas de transmisión están en la zona infrarroja del espectro de frecuencias, por debajo del espectro visible que está situado entre los 400 y 700 nm. Las pérdidas son menores cuanto mayores sean las longitudes de onda, permitiendo así mayores velocidades de transmisión sobre distancias superiores. En la actualidad, la mayoría de las aplicaciones usan como fuentes diodos LED a 850 nm. Aunque esta elección es relativamente barata, su uso está generalmente limitado a velocidades de transmisión por debajo de 100 Mbps y a distancias de pocos kilómetros. Para conseguir mayores velocidades de transmisión y mayores distancias es necesario transmitir con un LED o un láser a 1.300 nm y, si todavía se necesitan mejores prestaciones, entonces hay que recurrir al uso de emisores láser a 1.500 nm. En la Figura 4.3c se muestra la atenuación en función de la longitud de onda para una fibra óptica convencional. La forma irregular de la curva se debe a los distintos factores que contribuyen a la atenuación. Los dos más importantes son la absorción y la dispersión (scattering). En este contexto, la dispersión se refiere al cambio de dirección que sufren los rayos de luz al chocar con pequeñas partículas o impurezas del medio. 4.2. TRANSMISIÓN INALÁMBRICA En el estudio de las comunicaciones inalámbricas se van a considerar tres intervalos de frecuencias. El primer intervalo definido, desde 1 GHz (Gigahercio % 109 Hercios) hasta 40 GHz, se denomina de frecuencias microondas. En estas frecuencias de trabajo se pueden conseguir haces altamente direccionales, por lo que las microondas son adecuadas para enlaces punto a punto. Las microondas también se usan en las comunicaciones satelitales. Las frecuencias que van desde 30 MHz a 1 GHz son adecuadas para las aplicaciones omnidireccionales. A este rango de frecuencias lo denominaremos intervalo de ondas de radio. Otro intervalo importante de frecuencias, para aplicaciones de cobertura local, es la zona infrarroja del espectro, definida aproximadamente por el rango de frecuencias comprendido entre 3 # 1011 y 2 # 1014 Hz. Los infrarrojos son útiles para las conexiones locales punto a punto, así como para aplicaciones multipunto dentro de áreas confinadas, por ejemplo dentro de una habitación. En los medios no guiados, la transmisión y la recepción se realiza mediante una antena. Antes de estudiar los distintos tipos de transmisiones inalámbricas, a continuación se proporciona una breve introducción a las antenas.

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ANTENAS Una antena se puede definir como un conductor eléctrico (o un conjunto de conductores) utilizado para radiar o captar energía electromagnética. Para transmitir la señal, la energía eléctrica proveniente del transmisor se convierte a energía electromagnética en la antena, radiándose al entorno cercano (la atmósfera, el espacio o el agua). Para recibir una señal, la energía electromagnética capturada por la antena se convierte a energía eléctrica y se pasa al receptor. En las comunicaciones bidireccionales, la misma antena se puede usar y, a menudo se usa, tanto para la transmisión como para la recepción. Esto es factible debido a que cualquier antena transfiere energía desde el entorno hacia el receptor con la misma eficacia con la que transfiere energía en el sentido contrario, suponiendo que se usa la misma frecuencia en ambas direcciones. En otras palabras, las características de una antena son las mismas para recibir que para transmitir energía electromagnética. En general, una antena radiará potencia en todas las direcciones, si bien normalmente no lo hará igual de bien en todas las direcciones. Una forma habitual de caracterizar las prestaciones de una antena es mediante su diagrama de radiación, el cual consiste en una representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena en función de la dirección. El diagrama de radiación más simple corresponde con el caso ideal, denominado la antena isotrópica. Una antena isotrópica es un punto en el espacio que radia potencia de igual forma en todas las direcciones. En este caso, el diagrama de radiación consistirá en una esfera centrada en la posición de la antena isotrópica. La antena parabólica de reflexión Un tipo muy importante de antenas son las denominadas antenas parabólicas de reflexión, las cuales se utilizan en aplicaciones de microondas terrestres y satelitales. Si se recuerdan conceptos de geometría básica, una parábola es el lugar geométrico de todos los puntos que equidistan de una línea recta dada y de un punto fijo que no pertenecen a la recta. El punto de referencia se denomina foco y la línea recta se denomina generatriz (véase Figura 4.5a). Si la parábola se hace girar en torno a su eje se genera una superficie denominada paraboloide. Cualquier corte o sección paralelos al eje de un paraboloide será una parábola; además, cualquier sección perpendicular al eje será un círculo. Este tipo de superficies se utilizan en faros, telescopios ópticos y radiotelescopios, así como en antenas de microondas, ya que se verifica la siguiente propiedad: las ondas reflejadas en una parábola y que provengan de cualquier fuente de energía electromagnética (o sonido) que esté situada en su foco, seguirán trayectorias paralelas al eje de la parábola. En la Figura 4.5b se muestra una sección transversal de este efecto. Teóricamente, este efecto consigue un haz paralelo sin dispersión alguna. En la práctica, habrá dispersión debido a que la fuente de energía siempre ocupará más de un punto. Cuanto mayor sea el diámetro de la antena, más direccional será el haz. En el receptor, si las ondas recibidas son paralelas al eje de la parábola reflectante, la señal resultante estará concentrada en el foco. Ganancia de una antena La ganancia de una antena es una medida de su direccionalidad. Dada una dirección, se define la ganancia de una antena como la potencia de salida, en esa dirección, comparada con la potencia transmitida en cualquier dirección por una antena omnidirecional ideal (o antena isotrópica). Por ejemplo, si una antena proporciona una ganancia de 3 dB en una dirección, esa antena mejora a la antena isotrópica en esa dirección en 3 dB, es decir, en un factor 2. El incremento de potencia radiada en una dirección dada se consigue a expensas de la potencia radiada en las otras direcciones.

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Figura 4.5. Antena parabólica de reflexión.

Es importante resaltar que la ganancia de una antena no se refiere al incremento de potencia transmitida respecto a la potencia de entrada, sino que es una medida de la direccionalidad. Un concepto relacionado con la ganancia de una antena es el área efectiva. El área efectiva de una antena está relacionada con su tamaño físico y con su geometría. La relación entre la ganancia de una antena y su área efectiva viene dada por: G% donde 4nAe 4nf 2Ae % j2 c2 (4.1)

G % ganancia de la antena. Ae % área efectiva. f % frecuencia de la portadora. c % velocidad de la luz (]3 # 108 m/s). j % longitud de onda de la portadora. Por ejemplo, el área efectiva de una antena isotrópica ideal es j2/4n, siendo la ganancia en potencia igual a 1; el área efectiva de una antena parabólica de área A será 0,56A, siendo la ganancia en potencia igual a 7A/j2. Ejemplo 4.2. Sea una antena parabólica de reflexión con un diámetro de 2 m, funcionando a una frecuencia de 12 GHz. ¿Cuál es su área efectiva y la ganancia de la antena? Se tiene que el área es A % nr2 % n y el área efectiva es Ae % 0,56n. La longitud de onda es j % c/f % % (3 # 108)/(12 # 109) % 0,025 m. Entonces G % (7A)/j2 % (7 # n)/(0,025)2 % 35.186; GdB % 45,46 dB

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MICROONDAS TERRESTRES Descripción física La antena más común en las microondas es la parabólica tipo «plato». El diámetro típico es de unos 3 metros. Esta antena se fija rígidamente de forma tal que el haz debe estar perfectamente enfocado siguiendo la trayectoria visual hacia la antena receptora. Las antenas de microondas se sitúan a una altura suficientemente elevada sobre el nivel del suelo para así conseguir una separación mayor entre ellas y evitar posibles obstáculos en la transmisión. Para conseguir transmisiones a larga distancia, se concatenan distintos enlaces punto a punto entre antenas situadas en torres adyacentes, hasta cubrir la distancia deseada. Aplicaciones Los sistemas de microondas terrestres se usan principalmente en servicios de telecomunicación de larga distancia, como alternativa al cable coaxial o a las fibras ópticas. Para una distancia dada, las microondas requieren menor número de repetidores o amplificadores que el cable coaxial pero, por el contrario, exigen que las antenas estén perfectamente alineadas. El uso de las microondas es frecuente en la transmisión de televisión y de voz. Otro uso cada vez más frecuente es en enlaces punto a punto a cortas distancias entre edificios. En este último caso, aplicaciones típicas son circuitos cerrados de TV o interconexiones entre redes locales. Además, las microondas a corta distancia también se utilizan en las aplicaciones denominadas bypass. Al usar la técnica bypass una determinada compañía puede establecer un enlace privado hasta el centro proveedor de transmisiones a larga distancia, evitando así tener que contratar el servicio a la compañía telefónica local. Las microondas también se utilizan frecuentemente en los sistemas celulares, los cuales serán estudiados en el Capítulo 14. Características de transmisión El rango de operación de las microondas cubre una parte sustancial del espectro electromagnético. Su banda de frecuencias está comprendida entre 1 y 40 GHz. Cuanto mayor sea la frecuencia utilizada, mayor es el ancho de banda potencial y, por tanto, mayor es la posible velocidad de transmisión. En la Tabla 4.6 se indican diversos valores de anchos de banda y velocidades de transmisión de datos para algunos sistemas típicos.
Tabla 4.6. Prestaciones típicas de las microondas digitales.
Banda (GHz) 2 6 11 18 Ancho de banda (MHz) 7 30 40 220 Velocidad de transmisión (Mbps) 12 90 135 274

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Al igual que en cualquier sistema de transmisión, la principal causa de pérdidas en las microondas es la atenuación. Para la microondas (y también para la banda de radiofrecuencias), la pérdida se puede expresar como L % 10 log

A B
4nd j

2

dB

(4.2)

donde d es la distancia y j es la longitud de onda, expresadas en las mismas unidades. Es decir, la pérdida varía con el cuadrado de la distancia, a diferencia del cable coaxial y el par trenzado, en los que las pérdidas tienen una dependencia exponencial con la distancia (siendo lineal si se expresa en decibelios). Por tanto, en los sistemas que usan microondas, los amplificadores o repetidores pueden estar más separados entre sí (de 10 km a 100 km generalmente). La atenuación aumenta con la lluvia, siendo este efecto especialmente significativo para frecuencias por encima de 10 GHZ. Otra dificultad adicional son las interferencias. Debido a la popularidad creciente de las microondas, las áreas de cobertura se pueden solapar, haciendo que las interferencias sean siempre un peligro potencial. Así pues, la asignación de bandas tiene que realizarse siguiendo una regulación estricta. Las bandas más usuales en la transmisión a larga distancia se sitúan entre 4 GHz y 6 GHz. Debido a la creciente congestión que están sufriendo estas bandas, últimamente se está utilizando igualmente la banda de 11 GHz. La banda de 12 GHz se usa para la distribución de TV por cable. Aquí, las microondas se utilizan para distribuir la señal de TV a las instalaciones locales de CATV. Posteriormente, las señales se distribuyen a los usuarios finales mediante cable coaxial. Las microondas a altas frecuencias se están utilizando en enlaces punto a punto entre edificios cercanos. Para tal fin, se usa generalmente la banda de 22 GHz. Las bandas de frecuencias superiores son menos útiles para distancias más largas, debido a que cada vez la atenuación es mayor; ahora bien, son bastante adecuadas para distancias más cortas. Y lo que es más, a frecuencias superiores, las antenas son más pequeñas y más baratas. MICROONDAS POR SATÉLITE Descripción física Un satélite de comunicaciones es esencialmente una estación que retransmite microondas. Se usa como enlace entre dos o más receptores/transmisores terrestres, denominados estaciones base. El satélite recibe la señal en una banda de frecuencia (canal ascendente), la amplifica o repite y, posteriormente, la retransmite en otra banda de frecuencia (canal descendente). Cada uno de los satélites geoestacionarios operará en una serie de bandas de frecuencias llamadas canales transpondedores, o simplemente transpondedores (transponders). La Figura 4.6 muestra dos configuraciones usuales en las comunicaciones vía satélite. En la primera de ellas, el satélite se utiliza para proporcionar un enlace punto a punto entre dos antenas terrestres alejadas entre sí. En la segunda, el satélite se usa para conectar una estación base transmisora con un conjunto de receptores terrestres. Para que un satélite de comunicaciones funcione con eficacia, generalmente se exige que se mantenga en una órbita geoestacionaria, es decir, que mantenga su posición respecto de la tierra. Si no fuera así, no estaría constantemente alineado con las estaciones base. El satélite, para mantenerse geoestacionario, debe tener un periodo de rotación igual al de la tierra y esto sólo ocurre a una distancia aproximada de 35.863 km sobre el Ecuador.

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Figura 4.6. Configuraciones de comunicaciones satelitales.

Si dos satélites utilizaran la misma banda de frecuencias y estuvieran suficientemente próximos podrían interferirse mutuamente. Para evitar esto, los estándares actuales exigen una separación mínima de 4o (desplazamiento angular medido desde la superficie terrestre) en la banda 4/6 GHz, o una separación de al menos 3o en la banda de 12/14 GHz. Por tanto, el número máximo de posibles satélites está bastante limitado. Aplicaciones Las comunicaciones satelitales han sido una revolución tecnológica de igual magnitud que la desencadenada por la fibra óptica. Entre las aplicaciones más importantes de los satélites cabe destacar: La difusión de televisión. La transmisión telefónica a larga distancia. Las redes privadas.

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Debido a que los satélites son de multidifusión por naturaleza, su utilización es muy adecuada para la distribución de TV, por lo que están siendo ampliamente utilizados, tanto en los Estados Unidos como en el resto del mundo. Tradicionalmente, en la distribución de TV una emisora local proporciona la programación a toda la red. Para ello, los programas se transmiten al satélite, que es el encargado de difundirlo a toda una serie de estaciones receptoras, las cuales redistribuyen la programación a los usuarios finales. La PBS (Public Broadcasting Service) es una red que distribuye su programación casi exclusivamente mediante el uso de canales vía satélite. Otras redes comerciales también utilizan el satélite como parte esencial de su sistema y, de igual manera, los sistemas de distribución de la TV por cable utilizan, cada vez más, el satélite como medio para obtener su programación. La aplicación más reciente de la tecnología del satélite a la televisión es la denominada difusión directa vía satélite (DBS, Direct Broadcast Satellite), en la que la señal de vídeo se transmite directamente desde el satélite a los domicilios de los usuarios. La disminución, tanto en coste como en tamaño, de las antenas receptoras ha hecho que esta tecnología sea factible económicamente, con lo que el número de canales disponibles es cada vez mayor. En las redes públicas de telefonía, la transmisión vía satélite se utiliza también para proporcionar enlaces punto a punto entre las centrales. Es el medio óptimo para los enlaces internacionales que tengan un alto grado de utilización. Además, las comunicaciones satelitales son competitivas comparadas con los sistemas terrestres en gran parte de los enlaces internacionales de larga distancia. Finalmente, la tecnología vía satélite puede facilitar un elevado número de aplicaciones de gran interés comercial. El suministrador del servicio de transmisión vía satélite puede dividir la capacidad total disponible en una serie de canales, alquilando su uso a terceras compañías. Dichas compañías, equipadas con una serie de antenas distribuidas en diferentes localizaciones, pueden utilizar un canal del satélite para establecer una red privada. Tradicionalmente, tales aplicaciones eran bastante caras, estando limitado su uso a grandes empresas. Recientemente se ha desarrollado una alternativa de bajo coste: el sistema de terminales de pequeña abertura (VSAT, Very Small Aperture Terminal). En la Figura 4.7 se muestra una configuración VSAT típica, consistente en una serie de estaciones equipadas con una antena VSAT de bajo coste. Mediante el uso de algún procedimiento

Figura 4.7. Configuración VSAT típica.

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regulador, estas estaciones compartirán la capacidad del canal del satélite para transmitir a la estación central, o concentrador. Esta estación puede intercambiar información con cada uno de los abonados y puede, a su vez, retransmitir los mensajes a otras estaciones. Características de transmisión El rango de frecuencias óptimo para la transmisión vía satélite está en el intervalo comprendido entre 1 y 10 GHz. Por debajo de 1 GHZ, el ruido producido por causas naturales es apreciable, incluyendo el ruido galáctico, el solar, el atmosférico y el producido por interferencias con otros dispositivos electrónicos. Por encima de los 10 GHz, la señal se ve severamente afectada por la absorción atmosférica y por las precipitaciones. La mayoría de los satélites que proporcionan servicio de enlace punto a punto operan en el intervalo entre 5,925 y 6,425 GHz para la transmisión desde las estaciones terrestres hacia el satélite (canal ascendente) y entre 3,7 y 4,2 GHz para la transmisión desde el satélite hasta la Tierra (canal descendente). Este intervalo de frecuencias se conoce como la banda 4/6 GHz. Nótese que las frecuencias ascendentes son diferentes de las descendentes. En una transmisión continua y sin interferencias, el satélite no puede transmitir y recibir en el mismo rango de frecuencias. Así pues, las señales que se reciben desde las estaciones terrestres en una frecuencia dada se deberán devolver en otra distinta. La banda 4/6 GHz está dentro de la zona óptima de frecuencias (de 1 a 10 GHz); ahora bien, su utilización exhaustiva la ha llevado a la saturación. Debido a posibles interferencias (por ejemplo, con microondas terrestres operando en ese mismo rango), las restantes frecuencias del intervalo óptimo no se pueden utilizar. Este hecho ha motivado que se hayan asignado otras bandas alternativas como la 12/14 GHz (el canal ascendente está situado entre 14 y 14,5 GHz y el descendente está entre 11,7 a 12,2 GHz). En esta banda aparecen problemas de atenuación que se deben solventar. No obstante, se pueden usar receptores terrestres más baratos y de dimensiones más reducidas. Se ha pronosticado que esta banda también se saturará, por lo que se está proyectando la utilización de la banda 20/30 GHz (enlace ascendente: desde 27,5 a 30,0 GHz; enlace descendente: de 17,7 a 20,2 GHz). En esta banda la atenuación es incluso superior, ahora bien, por el contrario proporcionará un ancho de banda mayor (2.500 MHz comparados con los 500 MHz anteriores), a la vez que los receptores podrán ser todavía más pequeños y económicos. Es interesante comentar algunas de las propiedades peculiares de las comunicaciones vía satélite. En primer lugar, debido a las grandes distancias involucradas, el retardo de propagación es aproximadamente del orden de un cuarto de segundo para una transmisión que vaya desde una estación terrestre hasta otra y que pase por el satélite. Este retardo es apreciable si se trata de una conversación telefónica ordinaria. Además, estos retrasos introducen problemas adicionales a la hora de controlar los errores y el flujo en la transmisión. Estos problemas se estudian en capítulos posteriores. En segundo lugar, los satélites con microondas son intrínsecamente un medio idóneo para las aplicaciones multidestino, es decir, aplicaciones en las que varias estaciones necesiten transmitir hacia el satélite e, igualmente, varias estaciones necesiten recibir la señal transmitida por el satélite. ONDAS DE RADIO Descripción física La diferencia más apreciable entre las microondas y las ondas de radio es que estas últimas son omnidireccionales, mientras que las primeras tienen un diagrama de radiación mucho más direccio-

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nal. Este hecho hace que las ondas de radio no necesiten antenas parabólicas ni necesitan que dichas antenas estén instaladas sobre una plataforma rígida para estar alineadas. Aplicaciones Con el término radio se alude de una manera poco precisa a toda la banda de frecuencias comprendida entre 3 kHz y 300 GHz. Aquí, de una manera informal, se está utilizando el término ondas de radio para aludir a la banda VHF y parte de UHF: de 30 MHz a 1 GHz. Este rango abarca a la radio comercial FM así como a la televisión UHF y VHF. Este intervalo también se utiliza para ciertas aplicaciones de redes de datos. Características de transmisión El rango de frecuencias comprendido entre 30 MHz y 1GHz es muy adecuado para la difusión simultánea a varios destinos. A diferencia de las ondas electromagnéticas con frecuencias menores, la ionosfera es transparente para las ondas con frecuencias superiores a 30 MHz. Así pues, la transmisión es sólo posible cuando las antenas estén alineadas. En esa banda no se producirán interferencias entre los transmisores debidas a las reflexiones en la atmósfera. A diferencia de la región de las microondas, las ondas de radio son menos sensibles a la atenuación producida por la lluvia. Como en el caso de las microondas, la cantidad de atenuación debida a la distancia verifica la 4nd 2 Ecuación (4.2); es decir, 10 log . Debido a que tienen una longitud de onda mayor, las onj das de radio sufren, en términos relativos, una atenuación menor.

A B

Un factor muy relevante en las ondas de radio son las interferencias por multitrayectorias. Entre las antenas, debido a la reflexión en la superficie terrestre, el mar u otros objetos, pueden aparecer multitrayectorias. Este efecto aparece con frecuencia en los receptores de TV y consiste en la aparición de varias imágenes (o sombras) producidas, por ejemplo, cuando pasa un avión por el espacio aéreo cercano. INFRARROJOS Las comunicaciones mediante infrarrojos se llevan a cabo mediante transmisores/receptores (transceptores, transceivers) que modulan luz infrarroja no coherente. Los transceptores deben estar alineados directamente, o bien deben estar accesibles a través de la reflexión en una superficie, como por ejemplo el techo de la habitación. Una diferencia significativa entre los rayos infrarrojos y las microondas es que los primeros no pueden atravesar las paredes. Por tanto, los problemas de seguridad y de interferencias que aparecen en las microondas no se presentan en este medio de transmisión. Es más, no hay problemas de asignación de frecuencias ya que para operar en esta banda no se necesitan permisos.

4.3.

PROPAGACIÓN INALÁMBRICA Toda señal radiada por una antena puede seguir tres posibles trayectorias: la superficial, la aérea o la trayectoria visual (LOS, Line of Sight). La Tabla 4.7 muestra el intervalo de frecuencias

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Tabla 4.7. Bandas de frecuencias.
Rango de frecuencias Uso típico 30 a 300 Hz 10.000 a 1.000 km GW Líneas de potencia; se utilizan en algunos sistemas de control domésticos Rango de longitudes de onda en el espacio libre Características de propagación

Banda

Frecuencias extremadamente bajas (ELF, Extremely Low Frequency) 300 a 3.000 Hz 3 a 30 kHz 100 a 10 km GW con baja atenuación diurna y nocturna; alto nivel de ruido atmosférico 1.000 a 100 km GW

Frecuencias de voz (VF, Voice Frequency)

Se usan en los bucles de abonado de los sistemas de telefonía Navegación en alta mar; comunicaciones submarinas

Frecuencias muy bajas (VLF, Very Low Frequency) 30 a 300 kHz 10 a 1 km

Frecuencias bajas (LF, Low Frequency) 1.000 a 100 m GW y SW nocturna; baja atenuación nocturna, siendo alta la diurna; ruido atmosférico SW; la calidad varía a lo largo del día, con las estaciones y la frecuencia LOS; dispersión (scattering) debido a la inversión de temperaturas; ruido cósmico LOS; ruido cósmico

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GW; ligeramente menos fiable que Navegación en alta mar; VLF; absorción diurna radiolocalización para comunicaciones marinas Radio marítima; búsqueda de direcciones; radiodifusión AM Radioaficionados; radiodifusión internacional; comunicaciones militares; navegación aérea de larga distancia y comunicaciones marítimas Televisión VHF; radiodifusión FM, comunicaciones AM en aviones; ayudas a la navegación de aviones Televisión UHF; telefonía celular; radar; enlaces de microondas; sistemas de comunicación personal

Frecuencias medias (MF, 300 a 3.000 kHz Medium Frequency) 3 a 30 MHz 100 a 10 m

Frecuencias altas (HF, High Frequency)

Frecuencias muy altas (VHF, Very High Frequency) 300 a 3.000 MHz 100 a 10 cm

30 a 300 MHz

10 a 1 m

Frecuencias ultra altas (UHF, Ultra High Frequency) 3 a 30 GHz 10 a 1 cm

Frecuencias super altas (SHF, Super High Frequency) 30 a 300 GHz 10 a 1 mm

LOS; la lluvia atenúa por encima Comunicaciones satelitales; radar; de 10 GHz; atenuación atmosférica enlaces de microondas terrestres; bucles debido al vapor de agua y al locales inalámbricos oxígeno LOS; atenuación atmosférica debido al vapor de agua y al oxígeno LOS Experimental; bucles locales inalámbricos

Frecuencias extremadamente altas (EHF, Extremely High Frequency)

Infrarrojos 400 a 900 THz

300 GHz a 400 THz 1 a 770 nm 700 a 330 nm

LAN infrarrojas; aplicaciones de electrónica de consumo LOS Comunicaciones ópticas

Luz visible

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predominante para cada modo de los anteriores. Este texto se centrará casi exclusivamente en las comunicaciones que usen LOS; no obstante, en esta sección se proporciona un breve resumen de cada uno de los tres modos. PROPAGACIÓN SUPERFICIAL DE ONDAS La propagación superficial (GW, Ground Wave) (véase Figura 4.8a) sigue, con más o menos precisión, el contorno de la superficie terrestre, pudiendo alcanzar grandes distancias, más allá de la

Figura 4.8. Modos de propagación inalámbricos.

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línea del horizonte visual. Este efecto se da para frecuencias de hasta 2 MHz. Hay varios factores que justifican la tendencia que tienen las ondas electromagnéticas con estas frecuencias a seguir la curvatura terrestre. El primer factor es que la onda electromagnética induce una corriente en la superficie terrestre que frena al frente de onda cerca de la superficie, haciendo que éste se curve hacia abajo, adaptándose así a la curvatura de la superficie terrestre. Otro de los factores es la difracción, la cual es un fenómeno que tiene que ver con el comportamiento de las ondas electromagnéticas en presencia de obstáculos. Las ondas electromagnéticas a estas frecuencias son dispersadas por la atmósfera, de forma tal que no llegan a penetrar en las capas altas. El ejemplo más conocido de propagación terrestre es la radio AM. PROPAGACIÓN AÉREA DE ONDAS La propagación aérea de ondas (SW, Sky Wave) se utiliza por los radio-aficionados (amateur radio o CB radio, en inglés) y en las emisiones internacionales de radio comercial, como la BBC o la «Voice of America». En este tipo de propagación, la señal proveniente de la antena terrestre se refleja en la capa ionizada de la atmósfera alta (la ionosfera), volviendo así hacia la tierra. Aunque así dicho pareciera que la onda se refleja en la ionosfera, como si se tratara de una superficie reflectante, el efecto, en realidad, es refractario. A continuación, se explica en qué consiste la refracción. Una señal que se propague de esta manera se desplazará dando una serie de saltos, entre la ionosfera y la superficie terrestre (véase Figura 4.8a). Utilizando este modo de transmisión se puede conseguir que la onda se reciba a miles de kilómetros del transmisor. PROPAGACIÓN EN LA TRAYECTORIA VISUAL Por encima de 30 MHz, los modos de propagación superficial o aérea no funcionan, por lo que las comunicaciones han de realizarse siguiendo la línea de visión (LOS, Line-of-Sight) (véase Figura 4.8c). En las comunicaciones vía satélite, las señales por encima de 30 MHz no se reflejan en la ionosfera, por lo que para esas frecuencias no es posible transmitir entre estaciones terrestres y satélites que estén por debajo de la línea del horizonte. En comunicaciones superficiales, para este modo de transmisión, la antena emisora y la receptora deben estar alineadas según la trayectoria visual efectiva. Se usa el término efectiva ya que las microondas son pandeadas o refractadas por la atmósfera. La cantidad de pandeo, e incluso la dirección seguida, dependerá de las condiciones, aunque, por lo general, las microondas siguen la curvatura de la tierra, por lo que llegarán más lejos que si siguieran la línea de visión óptica. Refracción Antes de seguir adelante, en esta sección se proporciona un breve repaso a la refracción. La refracción se produce debido a que la velocidad de las ondas electromagnéticas es una función de la densidad del medio atravesado. En el vacío, una onda electromagnética (por ejemplo la luz o una onda de radio) se propaga aproximadamente a 3 # 108 m/s. Ésta es la constante c, denominada velocidad de la luz, aunque en realidad se está refiriendo a la velocidad de la luz en el vacío2. En
2

El valor exacto es 299.792.458 m/s.

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el aire, agua, cristal o cualquier otro medio transparente, o parcialmente transparente, las ondas electromagnéticas viajan a velocidades menores que c. Cuando una onda electromagnética pasa de un medio con una densidad a otro con densidad distinta, su velocidad cambia. El efecto de esto es desviar la dirección de la onda en la separación entre los dos medios. Al pasar de un medio menos denso a otro con densidad mayor, la onda se desviará hacia el medio más denso. Este fenómeno se puede observar sumergiendo parcialmente un palo en agua. El índice de refracción de un medio respecto a otro es igual al seno del ángulo de incidencia dividido entre el seno del ángulo de refracción. El índice de refracción es también igual al cociente entre las velocidades respectivas en los dos medios. El índice absoluto de refracción de un medio se calcula en comparación con el del vacío. El índice de refracción varía con la longitud de onda, de forma tal que la refracción sufrida por señales con distintas longitudes de onda será diferente. Aunque en una separación discreta entre dos medios la desviación de la onda será abrupta y de una vez, si se trata de una separación continua, en la que el índice de refracción varíe gradualmente, la onda se desviará gradualmente. Bajo condiciones normales de propagación, el índice de refracción de la atmósfera disminuye con la altura, por lo que las ondas de radio viajan más lentamente cerca de la tierra que a alturas mayores. Como consecuencia, se tiene que las ondas de radio se desvían suavemente hacia la tierra. Línea de visión óptica y de radio Si no hay obstáculos, la línea de visión óptica se puede expresar cómo: d % 3,57∂h donde d es la distancia entre la antena y el horizonte en kilómetros y h es la altura de la antena en metros. La línea de visión efectiva, o de radio, se expresa como (véase Figura 4.9) d % 3,57∂Kh donde K es un factor de ajuste que tiene en cuenta la refracción. Una buena aproximación es K % 4/3. Así, la distancia máxima entre dos antenas siguiendo propagación LOS es 3,57(∂Kh1 ! ∂Kh2) donde h1 y h2 son respectivamente las alturas de las antenas.

Figura 4.9. Horizonte óptico y de radio.

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Ejemplo 4.3. La distancia máxima entre dos antenas para transmisión LOS, a una altura de 100 m y la otra situada a nivel de la superficie, es d % 3,57∂Kh % 3,57∂133 % 41 km Ahora, supóngase que la antena receptora está a una altura de 10 m. Para conseguir la misma distancia, ¿a qué altura debería estar la antena transmisora? 41 % 3,57(∂Kh1 ! ∂13,3) ∂Kh1 % 41 . ∂13,3 % 7,84 3,57

7,842 h1 % % 46,2 m 1,33 Esto implica un ahorro de 50 m en la altura de la antena emisora. Este ejemplo pone de manifiesto las ventajas que se pueden conseguir al elevar la antena receptora sobre la superficie, ya que se reduce la altura de la antena emisora.

4.4.

TRANSMISIÓN EN LA TRAYECTORIA VISUAL En la Sección 3.3 se han estudiado algunas de las dificultades habituales tanto en las transmisiones guiadas como en las inalámbricas. En esta sección ampliaremos el estudio para considerar algunas dificultades específicas de la transmisión inalámbrica siguiendo la trayectoria visual. PÉRDIDA EN EL ESPACIO LIBRE En cualquier tipo de comunicación inalámbrica la señal se dispersa con la distancia. Por tanto, una antena dada con un superficie fija recibirá menos potencia cuanto más alejada esté de la antena emisora. En comunicaciones vía satélite ésta es la principal causa de las pérdidas. Incluso en el caso de que se suponga que no hay otros fenómenos de atenuación o impedimentos, una señal transmitida se atenúa con la distancia debido a que la señal ocupa un área cada vez mayor. Este tipo de atenuación se denomina pérdida en el espacio libre, la cual se puede expresar en términos del cociente entre la potencia radiada, Pt y la potencia recibida en la antena, Pr, o también en decibelios, multiplicando por 10 el logaritmo del cociente. Para la antena isotrópica ideal, la pérdida en el espacio libre es Pt (4nd)2 (4nfd)2 % % Pr j2 c2 donde Pt % potencia de la señal en la antena emisora. Pr % potencia de la señal en la antena receptora. j % longitud de onda de la portadora. d % longitud o separación entre las antenas. c % velocidad de la luz (3 # 108 m/s).

Medios de transmisión

123

Donde d y j están expresadas en la misma unidad (por ejemplo en metros). Se puede reescribir como LdB % 10 log Pt % 20 log Pr

J

4nd % .20 log (j) ! 20 log (d) ! 21,98 dB j (4.3)

% 20 log

J

4nfd % 20 log ( f ) ! 20 log (d) . 147,56 dB c

En la Figura 4.10 se representa la ecuación3 de la pérdida en el espacio libre. Para otro tipo de antenas, se ha de tener en cuenta la ganancia de la misma, la cual verifica la ecuación de la pérdida en el espacio libre: Pt (4n)2(d)2 (jd)2 (cd)2 % % % 2 Pr GrGtj2 Ar At f A r At

Figura 4.10. Pérdida en el espacio libre.
3 Como se menciona en el Apéndice 3A, en la bibliografía hay algunas inconsistencias en el uso de los términos ganancia y pérdida. La Ecuación (4.3) sigue la convención de la Ecuación (2.2).

124

Comunicaciones y redes de computadores

donde Gt % ganancia de la antena emisora. Gr % ganancia de la antena receptora. At % área efectiva de la antena emisora. Ar % área efectiva de la antena receptora. El cociente de la tercera igualdad anterior se ha obtenido usando la relación entre la ganancia de una antena y el área efectiva, Ecuación (4.1). Se puede rescribir la ecuación de la pérdida como LdB % 20 log (j) ! 20 log (d) . 10 log (At Ar) % .20 log ( f ) ! 20 log (d) . 10 log (At Ar) ! 169,54 dB (4.4)

Por tanto, para antenas con las mismas dimensiones e igualmente separadas, cuanto mayor es la longitud de onda de la portadora (es decir, cuanto menor es la frecuencia de la portadora f ) mayor es la pérdida en el espacio libre. Es interesante comparar la Ecuación (4.3) con la Ecuación (4.4). La Ecuación (4.3) indica que, al aumentar la frecuencia, la pérdida en el espacio libre también aumenta; esto puede indicar que a altas frecuencias, las pérdidas pueden llegar a ser intolerables. Sin embargo, la Ecuación (4.4) muestra que esto (el incremento en la pérdida) se puede compensar fácilmente aumentando las ganancias de las antenas. De hecho, hay una ganancia neta al aumentar la frecuencia, manteniendo los otros factores constantes. La Ecuación (4.3) muestra que, para una distancia fija, un incremento en frecuencias implica un incremento en la pérdida medida en un factor igual a 20 log ( f ). No obstante, si se tiene en cuenta la ganancia de la antena, para una antena con un área fija, entonces el cambio en la pérdida viene dado por .20 log ( f ); es decir, realmente hay una disminución de la pérdida al aumentar la frecuencia. Ejemplo 4.4. Calcular la pérdida en el espacio libre de una antena isotrópica a 4 GHz para el camino más corto a un satélite geoestacionario (35.863 km). A 4 GHz, la longitud de onda es (3 # 108)/(4 # 109) % 0,075 m. Entonces, LdB % .20 log (0,075) ! 20 log (35,853 # 106) ! 21,98 % 195,6 dB Ahora, considérese la ganancia de las antenas situadas en tierra y en el satélite. Valores típicos son 48 dB y 44 dB respectivamente. La pérdida en el espacio libre es LdB % 195,6 . 44 . 48 % 103,6 dB Si ahora se supone que la potencia transmitida es 250 W en la estación terrestre. ¿Cuál será la potencia recibida por la antena del satélite? Una potencia de 250 W se traduce en 24 dBW, por lo que la potencia recibida es 24 . 103,6 % .79,6 dBW.

ABSORCIÓN ATMOSFÉRICA Entre la antena emisora y la receptora existe una pérdida adicional causada por la absorción atmosférica. El vapor de agua y el oxígeno son los principales causantes de esta atenuación. Hay un pico de absorción en la vecindad de los 22 GHz debido al vapor de agua. A frecuencias por debajo de 15 GHz, la atenuación es menor. La presencia de oxígeno causa un pico de absorción en torno a 60 GHz, aunque es menos apreciable por debajo de 30 GHz. La lluvia y la niebla (gotitas de agua suspendidas) hacen que las ondas de radio se dispersen (sufran scattering) y, en definitiva, se

Medios de transmisión

125

atenúen. En este contexto, el término scattering se refiere al fenómeno que consiste en el cambio de dirección o frecuencia que sufre una onda al encontrarse con partículas de materia. Ésta puede ser la causa principal de la pérdida de la señal. Por tanto, en zonas de grandes precipitaciones, o las longitudes de los caminos a recorrer se acortan, o se deben usar bandas de frecuencias menores. MULTITRAYECTORIAS En aplicaciones inalámbricas, en las que hay una libertad relativa para situar las antenas, se pueden localizar de forma tal que no haya obstáculos entre ellas, así estarán perfectamente alineadas siguiendo la trayectoria visual desde la antena emisora a la receptora. Esto es lo habitual en muchas aplicaciones vía satélite y en microondas punto a punto. En otros casos, como en la telefonía móvil, hay un gran número de obstáculos. La señal se refleja en tantos obstáculos que el receptor recibirá varias versiones de la señal con retardos diferentes. De hecho, en casos extremos, no se recibirá la señal directa. Dependiendo de las diferencias entre las longitudes de las trayectorias del camino directo y los reflejados, la señal recibida total puede llegar a ser mayor o menor que la señal original. El realce o cancelación de la señal proveniente de las múltiples trayectorias se puede controlar para el caso de que las antenas estén fijas y sean bien conocidas, al igual que entre satélites y estaciones terrestres. Una excepción es el caso en el que la trayectoria pase a través de agua, ya que en ese caso habría que tener presente la superficie reflectante del agua en movimiento. En la telefonía móvil o en transmisiones entre antenas no fijas, las multitrayectorias son un problema de suma importancia. La Figura 4.11 muestra, en términos genéricos, los distintos tipos de interferencias por multitrayectorias que se pueden dar en transmisiones superficiales usando microondas fijas o comunica-

Figura 4.11. Ejemplos de interferencias por multitrayectorias.

126

Comunicaciones y redes de computadores

ciones móviles. En el caso de microondas con antenas inmóviles, además de la transmisión siguiendo la trayectoria visual, la señal puede seguir una trayectoria curva a través de la atmósfera debido a la refracción, pudiéndose reflejar igualmente en la superficie terrestre. En el caso de comunicaciones móviles, tanto las diversas infraestructuras como los accidentes topográficos pueden presentar superficies de reflexión. REFRACCIÓN Las ondas de radio se pueden refractar (o desviar) cuando se propagan a través de la atmósfera. La refracción es causada por los cambios en la velocidad de la señal al cambiar su altura o por otro tipo de cambios espaciales debido a las condiciones atmosféricas. Normalmente, la velocidad de la señal aumenta con la altura, haciendo que las ondas de radio se desvíen hacia la superficie terrestre. No obstante, en ciertas ocasiones, las condiciones metereológicas pueden implicar variaciones en la velocidad con la altura que sean significativamente distintas de las variaciones típicas esperadas. Esto puede dar lugar a que sólo una fracción, o incluso nada, de la onda transmitida siguiendo la trayectoria visual llegue a la antena receptora.

4.5.

LECTURAS RECOMENDADAS Y SITIOS WEB [FREE98] presenta una descripción detallada de las características de transmisión de los medios citados en este capítulo. En [REEV95] se realiza un excelente estudio de los pares trenzados y de las fibras ópticas. [BORE97] es un tratado completo sobre los componentes de la transmisión sobre fibra óptica. Otro artículo de calidad sobre el tema es [WILL97]. [FREE02] es una referencia técnica muy detallada sobre fibras ópticas. En [STAL00] se discuten con más detalle las características de los medios de transmisión en LAN. Para un tratamiento más profundo de la propagación y transmisión inalámbrica, véanse [STAL02] y [RAPP96]. [FREE97] es una referencia técnica excelente en cuestiones inalámbricas. BORE97 Borella, M., et al., «Optical Components for WDM Lightwave Networks». Proceedings of the IEEE, agosto 1997. FREE97 Freeman, R. Radio System Deisgn for Telecommunications. New York: Wiley, 1997. FREE98 Freeman, R. Telecommunication Transmission Handbook. New York: Wiley, 1998. FREE02 Freeman, R. Fiber-Optic Systems for Telecommunications. New York: Wiley, 2002. RAPP96 Rappaport, T. Wireless Communications. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1996. REEV95 Reeve, W. Subscriber Loop Signaling and Transmission Hanbdbook. Piscataway, NJ: IEEE Press, 1995. STAL00 Stallings, W. Local and Metropolitan Area Networks, 4th Edition. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2000. STAL02 Stallings, W. Wireless Communications and Networks. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002. WILL97 Willner, A. «Mining the Optical Bandwidth for a Terabit per Second». IEEE Spectrum, abril 1997.

Medios de transmisión

127

SITIOS WEB RECOMENDADOS «Simeon Company»: una buena colección de artículos técnicos sobre cableado, además de información sobre estándares de cableado. «Wireless Developer Network»: noticias, tutoriales y discusiones sobre distintos aspectos de las comunicaciones inalámbricas. 4.6. TÉRMINOS CLAVE, CUESTIONES DE REPASO Y EJERCICIOS TÉRMINOS CLAVE absorción atmosférica antena antena direccional antena isotrópica antena omnidireccional antena parabólica de reflexión área efectiva atenuación cable coaxial dispersión (Scattering) fibra óptica frecuencias de microondas ganancia de una antena índice de refracción infrarrojo trayectoria visual (LOS, Line of Sight) LOS óptica medio de transmisión CUESTIONES DE REPASO 4.1 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. ¿Por qué hay dos cables en un par trenzado de cobre? ¿Cuáles son las limitaciones del par trenzado? ¿Cuál es la diferencia entre el par trenzado no apantallado y el par trenzado apantallado? Describir los principales componentes del cable de fibra óptica. ¿Qué ventajas y desventajas tiene la transmisión de microondas? ¿Qué es la difusión directa por satélite (DBS, Direct Broadcast Satellite)? ¿Por qué un satélite debe usar frecuencias ascendentes y descendentes distintas? Indique las diferencias más significativas entre la difusión de radio y las microondas. ¿Qué dos funciones realiza una antena? medio guiado medio no guiado microondas terrestres multitrayectoria par trenzado par trenzado apantallado (STP, Shielded Twisted Pair) par trenzado no apantallado (UTP, Unshielded Twisted Pair) pérdida en el espacio libre propagación aérea de ondas propagación superficial de ondas radio radio LOS reflexión refracción satélite transmisión inalámbrica

128

Comunicaciones y redes de computadores

4.10. 4.11. 4.12. 4.13. 4.14. 4.15.

¿Qué es una antena isotrópica? ¿Cuál es la ventaja de una antena parabólica por reflexión? ¿Qué factores determinan la ganancia de una antena? ¿Cuál es la principal causa de la pérdida de señal en comunicaciones vía satélite? ¿Qué es la refracción? ¿Qué diferencia hay entre difracción y dispersión?

EJERCICIOS 4.1. Supóngase que unos datos se almacenan en disquetes de 1,4 Mbytes que pesan 30 g cada uno y que una compañía aérea transporta 104 kg de disquetes a una velocidad de 1.000 km/h sobre una distancia de 5.000 km. ¿Cuál es la velocidad de transmisión en bits por segundo de este sistema? Sea una línea telefónica caracterizada por una pérdida de 20 dB. La potencia de la señal a la entrada es de 0,5 W y el nivel del ruido a la salida es de 4,5 ]W. Calcule la relación señal ruido para la línea en dB. Dada una fuente de 100 W, determine la máxima longitud alcanzable en los siguientes medios de transmisión, si la potencia a recibir es 1 vatio: a) Un par trenzado de 0,5 mm (24 gauges) a 300 kHz. b) Un par trenzado de 0,5 mm (24 gauges) a 1 MHz. c) e) 4.4. 4.5. 4.6. Un cable coaxial de 9,5 mm a 1 MHz. Una fibra óptica trabajando a su frecuencia óptima. d) Un cable coaxial de 9,5 mm a 25 MHz. El cable coaxial es un sistema de transmisión con dos conductores. ¿Qué ventaja tiene conectar la malla exterior a tierra? Demuestre que duplicando la frecuencia de transmisión o duplicando la distancia entre las antenas de transmisión y recepción, la potencia recibida se atenúa en 6 dB. La profundidad en el océano a la que se detectan las señales electromagnéticas generadas desde aeronaves crece con la longitud de onda. Por tanto, los militares encontraron que usando longitudes de onda muy grandes, correspondientes a 30 Hz, podrían comunicarse con cualquier submarino alrededor del mundo. La longitud de las antenas es deseable que sea del orden de la mitad de la longitud de onda. ¿Cuál debería ser la longitud típica de las antenas para operar a esas frecuencias? La potencia de la señal de voz está concentrada en torno a los 300 Hz. Las antenas para transmitir esta frecuencia deberían tener un tamaño enormemente grande. Esto hace que, para transmitir voz por radio, la señal deba enviarse modulando una señal de frecuencia superior (portadora) para la que la antena correspondiente requiera un tamaño menor. a) ¿Cuál debe ser la longitud de una antena, equivalente a la mitad de la longitud de onda, para enviar una señal de 300 Hz?

4.2.

4.3.

4.7.

Medios de transmisión

129

b) Una posible alternativa es emplear algún esquema de modulación, como los descritos en el Capítulo 5, de tal manera que la señal a transmitir tenga un ancho de banda estrecho, centrado en torno a la frecuencia portadora. Supóngase que quisiéramos una antena de 1 metro de longitud. ¿Qué frecuencia de portadora debería utilizarse? 4.8. Hay leyendas sobre gente que es capaz de recibir la señal de radio a través de los empastes de los dientes. Supóngase que tiene un empaste de 2,5 mm (0,0025 m) de largo que actuara a modo de antena, siendo igual su longitud a la mitad de la longitud de onda. ¿Qué frecuencia recibiría? Suponga una comunicación entre dos satélites que cumple la ley del espacio libre. Suponga que la señal es muy débil. Se disponen de dos alternativas de diseño. Una consiste en utilizar una frecuencia igual al doble de la frecuencia actual y la otra consiste en duplicar el área efectiva de las dos antenas. Manteniendo todos los demás parámetros inalterados, ¿se conseguirá la misma potencia recibida? o, en caso contrario, ¿cuál de las dos alternativas proporcionaría una potencia recibida superior? ¿Cuál sería el incremento de potencia recibida en el mejor de los casos? En la transmisión de radio en el espacio libre, la potencia de la señal se reduce proporcionalmente al cuadrado de la distancia recorrida desde la fuente, mientras que en una transmisión en un cable, la atenuación es una cantidad fija en dB por kilómetro. En la siguiente tabla se muestra, en dB, la reducción relativa a una referencia dada para la transmisión en el espacio libre y en un cable uniforme. Rellene las celdas que faltan para completar la tabla.
Longitud (km) 1 2 4 8 16 Radio (dB) .6 Cable (dB) .3

4.9.

4.10.

4.11.

En la Sección 4.2 se ha establecido que si una fuente de energía electromagnética se sitúa en el foco de un paraboloide, y que si el paraboloide tiene una superficie reflectante, entonces, la onda se reflejará en líneas paralelas al eje del paraboloide. Para demostrar esto considérese, por ejemplo, la parábola mostrada en la Figura 4.12. Sea P(x1, y1) un punto de la parábola y sea PF la línea que une P con el foco. Construya la línea L que pasa por P paralela al eje x y la recta M tangente a la parábola en P. El ángulo entre L y M es b y el ángulo entre PF y M es a. El ángulo a es el ángulo con el que el rayo que pasa por F incide en la parábola en P. Debido a que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, el rayo reflejado por P debe ser igual al ángulo a. Por tanto, si se demuestra que a % b, se habrá demostrado que los rayos que se emitan desde F y sean reflejados por la parábola serán paralelos al eje x. a) Demuestre primero que tan b % (p/y1). Sugerencia: recuérdese de trigonometría que la pendiente de una recta es igual a la tangente del ángulo que forma esa recta con el eje x positivo. Igualmente, recuérdese que la pendiente de una recta tangente a una curva en un punto dado es igual a la derivada de la curva en ese punto.

130

Comunicaciones y redes de computadores

Figura 4.12. Parábola de reflexión.

b) Ahora demuéstrese que tan a % (p/y1), lo que demostraría que a % b. Sugerencia: recuérdese de trigonometría que la fórmula de la tangente de la diferencia entre dos ángulos a1 y a2, es tan (a2 . a1) % (tan a2 . tan a1)/(1 ! tan a2 # tan a1). 4.12. 4.13. A menudo es más conveniente expresar las distancias en km en lugar de en m y las frecuencias en MHz en lugar de Hz. Rescriba la Ecuación (4.1) usando estas unidades. Suponga que un transmisor emite 50 W de potencia. a) Exprese la potencia transmitida en dBm y dBW. b) Si la potencia del transmisor se aplica a una antena con ganancia unidad, usando una frecuencia de portadora de 900 MHz, ¿cuál es la potencia recibida, en dBm, en el espacio libre a una distancia de 100 m? c) 4.14. Repita el Apartado (b) para una distancia de 10 km. d) Repita (c) pero suponiendo una ganancia para la antena de recepción de 2. Un transmisor de microondas tiene una salida de 0,1 W a 2 GHz. Suponga que este transmisor se utiliza en un sistema de comunicación de microondas en el que las antenas transmisora y receptora son parábolas, cada una con un diámetro igual a 1,2 m. a) ¿Cuál es la ganancia de cada antena en decibelios? b) Teniendo en cuenta la ganancia de la antena para la señal transmitida, ¿cuál es la potencia efectiva radiada? c) Si la antena receptora se sitúa a 24 km de la antena transmisora en el espacio libre, determine la potencia de la señal a la salida de la antena receptora en dBm.

Medios de transmisión

131

4.15.

En la Sección 4.3 se afirma que si no hay obstáculos intermedios, la trayectoria visual óptica se puede expresar como d % 3,75∂h, donde d es la distancia entre la antena y el horizonte, en kilómetros, y h es la altura de la antena, en metros. Teniendo en cuenta que el radio de la Tierra es 6.370 km, obtenga la expresión anterior. Sugerencia: supóngase que la antena es perpendicular a la superficie terrestre y nótese que la recta que une el punto más alto de la antena y el horizonte es la tangente a la superficie terrestre en el horizonte. Para visualizar más claramente el problema, dibuje un gráfico con la antena, la trayectoria visual y el radio de la Tierra. Calcule la altura de una antena de una emisora de TV que sea capaz de alcanzar clientes alejados a 80 km. Suponga que un rayo de luz visible pasa desde la atmósfera hasta el agua formando un ángulo con el horizonte de 30o. ¿Cuál es el ángulo del rayo en el agua? Nota: en condiciones atmosféricas normales en la superficie terrestre, un valor razonable del índice de refracción es 1,0003. El valor típico del índice de refracción en el agua es 4/3.

4.16. 4.17.

a

CAPÍTULO 5

Técnicas para la codificación de señales
5.1. Datos digitales, señales digitales No retorno a cero Binario multinivel Bifase Velocidad de modulación Técnicas de aleatorización 5.2. Datos digitales, señales analógicas Modulación por desplazamiento de amplitud Modulación por desplazamiento de frecuencia Modulación por desplazamiento de fase Prestaciones Modulación de amplitud en cuadratura 5.3. Datos analógicos, señales digitales Modulación por impulsos codificados Modulación delta Prestaciones 5.4. Datos analógicos, señales analógicas Modulación de amplitud Modulación angular 5.5. Lecturas recomendadas 5.6. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios Términos clave Cuestiones de repaso Ejercicios

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Comunicaciones y redes de computadores

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CUESTIONES BÁSICAS Tanto la información analógica como la digital pueden ser codificadas mediante señales analógicas o digitales. La elección de un tipo particular de codificación dependerá de los requisitos exigidos, del medio de transmisión, así como de los recursos disponibles para la comunicación. Datos digitales, señales digitales: la forma más sencilla de codificar digitalmente datos digitales es asignar un nivel de tensión al uno binario y otro nivel distinto para el cero. Para mejorar las prestaciones hay que utilizar códigos distintos al anterior, alterando el espectro de la señal y proporcionando capacidad de sincronización. Datos digitales, señales analógicas: los módem convierten los datos digitales en señales analógicas de tal manera que se puedan transmitir a través de líneas analógicas. Las técnicas básicas son la modulación por desplazamiento de amplitud (ASK), modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) y modulación por desplazamiento de fase (PSK). En todas ellas, para representar los datos digitales, se modifican uno o más parámetros característicos de la señal portadora. Datos analógicos, señales digitales: los datos analógicos, como por ejemplo la voz y el vídeo, frecuentemente, se digitalizan para ser transmitidos en sistemas digitales. La técnica más sencilla es la modulación por impulsos codificados (PCM) la cual implica un muestreo periódico de los datos analógicos y una cuantización de las muestras. Datos analógicos, señales analógicas: los datos analógicos se modulan mediante una portadora para generar una señal analógica en una banda de frecuencias diferente, la cual se puede utilizar en un sistema de transmisión analógico. Las técnicas básicas son la modulación de amplitud (AM), la modulación de frecuencia (FM) y la modulación de fase (PM).

1111111111111111111111111111111

E

n el Capítulo 3 se hizo una diferenciación entre los datos analógicos o digitales y entre lo que son señales analógicas o digitales. En la Figura 3.11 se sugería que ambos tipos de datos se pueden codificar usando cualquiera de los dos tipos de señal.

La Figura 5.1 es otro gráfico en el que se identifican todos los procesos involucrados. En la señalización digital, una fuente de datos g(t), que puede ser tanto analógica como digital, se codi-

Figura 5.1. Técnicas de codificación y modulación.

Técnicas para la codificación de señales

135

fica en una señal digital x(t). La forma de onda en particular que adopte x(t) dependerá de la técnica de codificación elegida, la cual se elegirá intentando optimizar el uso del medio de transmisión. Por ejemplo, la codificación se puede elegir intentando minimizar el ancho de banda o se puede elegir para minimizar la tasa de errores. La transmisión analógica se basa en una señal continua de frecuencia constante denominada señal portadora. La frecuencia de la portadora se elige de tal forma que sea compatible con las características del medio que se vaya a utilizar. Los datos se pueden transmitir modulando la señal portadora. La modulación es el proceso de codificar los datos generados por la fuente en la señal portadora de frecuencia fc. Todas las técnicas de modulación se basan en la modificación de uno o más de los tres parámetros fundamentales que caracterizan a la portadora en el dominio de la frecuencia: la amplitud, la frecuencia y la fase. La señal de entrada m(t) (que puede ser tanto analógica como digital) se denomina señal moduladora o, también, señal en banda base. A la señal resultante de la modulación de la portadora se le denomina señal modulada s(t). Como se indica en la Figura 5.1b, s(t) es una señal limitada en banda (pasobanda). La localización del ancho de banda dependerá de fc ya que, por lo general, estará centrado en torno a ésta. De nuevo, el procedimiento de codificación se elegirá intentando optimizar algunas de las características de la transmisión. Cada una de las cuatro posibles combinaciones mostradas en la Figura 5.1 se utilizan ampliamente; si bien, las razones por las que se elige una u otra, en una transmisión determinada, dependerán de varios factores, como los que se indican a continuación: Datos digitales, señales digitales: en términos generales, el equipamiento para la codificación digital usando señales digitales es menos complejo y menos costoso que el equipamiento utilizado para transmitir datos digitales usando señales analógicas mediante modulación. Datos analógicos, señales digitales: la conversión de los datos analógicos a digitales permite la utilización de técnicas de transmisión y de equipos de conmutación modernos. Las ventajas de la aproximación digital se describieron en la Sección 3.2. Datos digitales, señales analógicas: algunos medios de transmisión, como por ejemplo la fibra óptica o los medios no guiados, sólo permiten la propagación de señales analógicas. Datos analógicos, señales analógicas: los datos analógicos de naturaleza eléctrica se pueden transmitir fácilmente y con bajo coste en banda base. Esto es lo que se hace, por ejemplo, en la transmisión de voz en las líneas de calidad telefónica. La modulación se usa frecuentemente para desplazar el ancho de banda de la señal en banda base hacia otra zona del espectro. De esta manera, se permite que varias señales, cada una en una posición diferente del espectro, compartan el mismo medio de transmisión. Este procedimiento se denomina multiplexación por división en frecuencias. A continuación, se examinarán las técnicas involucradas en las cuatro combinaciones anteriores. 5.1. DATOS DIGITALES, SEÑALES DIGITALES Una señal digital es una secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos. Cada pulso es un elemento de señal. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit en los elementos de señal. En el caso más sencillo, habrá una correspondencia uno a uno entre los bits y dichos elementos. En la Figura 3.16 se muestra un ejemplo en el que un 1 binario se representa mediante un nivel bajo de tensión y un 0 binario se representa por un nivel de tensión mayor. En esta sección se mostrará

136

Comunicaciones y redes de computadores

que, además de la mostrada en la figura mencionada, hay una gran cantidad de alternativas para la codificación. En primer lugar, se va a introducir un poco de terminología. Si todos los elementos de señal tienen el mismo signo algebraico (es decir, si son todos positivos o todos negativos) la señal es unipolar. En una señal polar, por el contrario, un estado lógico se representará mediante un nivel positivo de tensión y el otro mediante un nivel negativo. La velocidad de transmisión de una señal, o simplemente la velocidad de transmisión, es la velocidad, expresada en bits por segundo, a la que se transmiten los datos. Se define la duración o longitud de un bit como el tiempo empleado en el transmisor para emitir un bit; para una velocidad de transmisión R, la duración de un bit será 1/R. La velocidad de modulación, por el contrario, es la velocidad a la que cambia el nivel de la señal, que como se explicará más adelante, dependerá del esquema de codificación elegido. La velocidad de modulación se expresa en baudios, que equivale a un elemento de señal por segundo. Para concluir, por razones históricas, se usan los términos «marca» y «espacio» aludiendo a los dígitos binarios 1 y 0 respectivamente. En la Tabla 5.1 se resume la terminología aquí introducida, que se aclarará posteriormente en esta sección mediante un ejemplo.
Tabla 5.1. Terminología básica en transmisión de datos.
Término Datos Velocidad de transmisión Bits Bits por segundo (bps) Digital: pulso de tensión de amplitud constante. Analógico: pulso de frecuencia, fase y amplitud constantes Velocidad de modulación o de señalización Elementos de señal por segundo (baudios). Unidades Definición Un valor binario cero o uno Velocidad a la que se transmiten los datos Parte de la señal correspondiente al código de señalización más corto

Elemento de señal

Velocidad a la que se transmiten los elementos de señal

Las tareas involucradas al interpretar las señales digitales en el receptor se pueden resumir de nuevo considerando la Figura 3.16. En primer lugar, el receptor debe conocer o determinar la duración de cada bit. Es decir, el receptor, con mayor o menor precisión, debe conocer cuándo comienza y cuándo acaba cada bit. En segundo lugar, el receptor debe determinar si el nivel de cada bit es alto (0) o bajo (1). En la Figura 3.16, estas tareas se realizan muestreando a la mitad del intervalo temporal que ocupa cada bit y comparando posteriormente el valor obtenido con un umbral. Debido a la existencia de ruido y otros defectos en la transmisión puede que haya errores, como se muestra en la mencionada figura. ¿Qué factores determinan el éxito o el fracaso del receptor al interpretar la señal de entrada? Ya se vio en el Capítulo 3 que hay tres factores importantes: la relación señal ruido (o mejor, el cociente Eb/N0), la velocidad de transmisión y el ancho de banda. Si se suponen los otros factores constantes, se puede afirmar que: Un incremento en la velocidad de transmisión aumentará la tasa de errores por bit (BER, Bit Error Rate)1.
1 BER es la medida más habitual para determinar la cantidad de errores en cualquier línea de transmisión de datos; se define como la probabilidad de que un bit se reciba erróneamente. También se denomina fracción de errores por bit. Este

Técnicas para la codificación de señales

137

Un aumento en la relación SNR reduce la tasa de errores por bit. Un incremento del ancho de banda permite un aumento en la velocidad de transmisión. Hay otro factor que se puede utilizar para mejorar las prestaciones del sistema, el cual no es otro sino el propio esquema de codificación. El esquema de codificación es simplemente la correspondencia que se establece entre los bits de los datos con los elementos de señal. Se han intentado una gran diversidad de aproximaciones. En lo que sigue, se describen algunas de las más utilizadas; éstas se definen en la Tabla 5.2 y se muestran en la Figura 5.2.
Tabla 5.2. Definición de los formatos para la codificación de señales digitales.

No retorno a nivel cero (NRZ-L) 0 % nivel alto 1 % nivel bajo No retorno a cero invertido (NRZI) 0 % no hay transición al comienzo del intervalo (un bit cada vez) 1 % transición al comienzo del intervalo Bipolar-AMI 0 % no hay señal 1 % nivel positivo o negativo, alternante Pseudoternaria 0 % nivel positivo a negativo, alternante 1 % no hay señal Manchester 0 % transición de alto a bajo en mitad del intervalo 1 % transición de bajo a alto en mitad del intervalo Manchester diferencial Siempre hay una transición en mitad del intervalo 0 % transición al principio del intervalo 1 % no hay transición al principio del intervalo B8ZS Igual que el bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de ocho ceros se reemplaza por una cadena que tiene dos violaciones de código. HDB3 Igual que el bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de cuatro ceros se reemplaza por una cadena que contiene una violación de código.

Antes de describir las técnicas de codificación propiamente dichas, a continuación se consideran los siguientes procedimientos a tener en cuenta para su evaluación y comparación. Espectro de la señal: hay varios aspectos del espectro de la señal que son importantes. La ausencia de componentes a altas frecuencias significa que se necesita menos ancho de banda para su transmisión. Es más, la ausencia de componente en continua (dc) es también una característica deseable. Si la señal tiene continua, para su transmisión se requiere la existencia de una conexión física directa; si la señal no contiene componente continua, es posible su transmisión mediante transformadores acoplados. De esta manera, se proporciona un aislamiento eléctrico excelente y se reducen las interferencias. Por último, la importancia de los último término es más esclarecedor, ya que el término tasa se refiere normalmente a una cantidad que varía con el tiempo. Desgraciadamente, la mayoría de los libros y documentos de normalización consideran a la R de BER como Rate (tasa) y no como Ratio (fracción).

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Figura 5.2. Formatos de codificación utilizando señales digitales.

efectos relacionados con la distorsión de la señal y las interferencias depende de las propiedades espectrales de la señal transmitida. En la práctica, es frecuente que la función de transferencia del canal se deteriore en las proximidades de los límites de la banda. Por tanto, un buen diseño debería concentrar la potencia transmitida en la parte central del ancho de banda de la señal transmitida. En tal caso, se tendrá una distorsión menor en la señal recibida. Para conseguir este objetivo, los códigos se pueden diseñar de forma que se modifique adecuadamente el espectro de la señal transmitida. Sincronización: ya se ha mencionado la necesidad de determinar el principio y fin de cada bit. Esto no es una tarea fácil. Una solución, bastante costosa, es transmitir una señal de reloj por separado para sincronizar el receptor con el transmisor. Una alternativa es proporcionar la sincronización mediante la propia señal transmitida, lo que puede conseguirse si se adopta un esquema de codificación adecuado. Detección de errores: en el Capítulo 6 se discutirán algunas de las técnicas que se usan para la detección de errores y, además, se mostrará que estas técnicas son responsabilidad de una capa situada encima del nivel de señalización, denominada control del enlace de datos. No obstante, es útil incorporar alguna capacidad de detección de errores en el propio esquema de codificación, situado en la capa física, permitiéndose así que los errores se detecten más rápidamente.

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Inmunidad al ruido e interferencias: algunos códigos exhiben un comportamiento superior que otros en presencia de ruido. Las prestaciones se expresan habitualmente mediante la BER. Coste y complejidad: aunque el coste económico de la lógica digital continúa bajando, no se debe ignorar este factor. En particular, cuanto mayor es la velocidad de modulación para una velocidad de transmisión dada, mayor es el coste. En lo que sigue se describirán algunos códigos que implican una velocidad de modulación superior a la velocidad de transmisión de datos real. Volvamos ya a la presentación y discusión de los diversos esquemas de codificación. NO RETORNO A CERO La forma más frecuente y fácil de transmitir señales digitales es mediante la utilización de un nivel diferente de tensión para cada uno de los dos dígitos binarios. Los códigos que siguen esta estrategia comparten la propiedad de que el nivel de tensión se mantiene constante durante la duración del bit; es decir, no hay transiciones (no hay retorno al nivel cero de tensión). Por ejemplo, la ausencia de tensión se puede usar para representar un 0 binario, mientras que un nivel constante y positivo de tensión puede representar al 1. Este código se denomina no retorno a cero (NRZ, Nonreturn to Zero). Sin embargo, es más habitual usar un nivel negativo para representar un valor binario y una tensión positiva para representar al otro. Este último código, mostrado2 en la Figura 5.2, se denomina código no retorno a nivel cero (NRZ-L, Nonreturn to Zero-Level). NRZ-L se usa generalmente para generar o interpretar los datos binarios en terminales y otros dispositivos. Si se utiliza un código diferente, éste se generará usualmente a partir de la señal NRZ-L —en los términos que se muestran en la Figura 5.1, la señal NRZ-L es g(t) y la señal codificada es x(t)—. Una variante del NRZ se denomina NRZI (Noreturn to Zero, invert on ones). Al igual que NRZ-L, NRZI mantiene constante el nivel de tensión durante la duración de un bit. Los datos se codifican mediante la presencia o ausencia de una transición de la señal al principio del intervalo de duración del bit. Un 1 se codifica mediante la transición (bajo a alto o alto a bajo) al principio del intervalo de señalización, mientras que un cero se representa por la ausencia de transición. NRZI es un ejemplo de codificación diferencial. En la codificación diferencial, en lugar de determinar el valor absoluto, la señal se decodifica en función de los cambios entre los elementos de señal adyacentes. En términos generales, la codificación de cada bit se hace de la siguiente manera: si se trata del valor binario 0, se codifica con la misma señal que el bit anterior; si se trata de un valor binario 1, entonces se codifica con una señal diferente que la utilizada para el bit precedente. Una ventaja de este esquema es que en presencia de ruido puede ser más seguro detectar una transición en lugar de comparar un valor con un umbral. Otra ventaja es que en un sistema de transmisión complejo, no es difícil perder la polaridad de la señal. Por ejemplo, en una línea de par trenzado, si los cables se invierten accidentalmente, se invertirán todos los 1 y 0 en NRZ-L. Esto no pasa en un esquema diferencial. Los códigos NRZ son los más fáciles de implementar y, además, se caracterizan por hacer un uso eficaz del ancho de banda. Esta última propiedad se pone de manifiesto en la Figura 5.3, en la que se compara la densidad espectral de varios esquemas de codificación. En dicha figura, la fre2 En esta figura, una tensión negativa representa un 1 binario y una positiva representa un 0. Esta definición es posiblemente contraria a la definición utilizada en otros textos. La definición aquí presentada es coherente con la usada en NRZ-L en las interfaces de comunicaciones de datos y en las normalizaciones que controlan dichas interfaces.

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Figura 5.3. Densidad espectral de varios esquemas de codificación.

cuencia está normalizada a la velocidad de transmisión de los datos. Como se puede ver, en los códigos NRZ y NRZI la mayor parte de la energía está comprendida entre la componente continua y la mitad de la velocidad de transmisión. Por ejemplo, si se usa un código NRZ para generar una señal a una velocidad de transmisión de 9.600 bps, la mayor parte de la energía estará concentrada entre la componente continua (dc) y 4.800 Hz. La principal limitación de las señales NRZ es la presencia de una componente dc continua y la ausencia de capacidad de sincronización. Para ilustrar esta última desventaja, téngase en cuenta que una cadena larga de unos o de ceros en un esquema NRZ-L, o una cadena de ceros en el NRZI, se codificará como un nivel de tensión constante durante un intervalo de tiempo largo. En estas circunstancias, cualquier fluctuación entre los relojes del transmisor y el receptor dará lugar a una pérdida de sincronización entre ambos. Debido a su sencillez y a las características de su respuesta en frecuencias relativamente bajas, los códigos NRZ se usan normalmente en las grabaciones magnéticas. No obstante, sus limitaciones hacen que estos códigos no sean atractivos para aplicaciones de transmisión de señales. BINARIO MULTINIVEL Las técnicas de codificación denominadas binario multinivel subsanan algunas de las deficiencias mencionadas para los códigos NRZ. Estos códigos usan más de dos niveles de señal. En la Figura 5.2 se muestran dos ejemplos, el bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion) y el pseudoternario3.
Estos términos no se usan con consistencia en la bibliografía. En algunos textos, estos dos términos se usan para esquemas de codificación diferentes a los aquí definidos e, igualmente, para los códigos mostrados en la Figura 5.2 se usa una gran diversidad de términos. La nomenclatura que se ha adoptado corresponde con la utilizada en varios estándares de la UIT-T.
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En el caso del esquema bipolar-AMI, un 0 binario se representa por ausencia de señal y el 1 binario se representa como un pulso positivo o negativo. Los pulsos correspondientes a los 1 deben tener una polaridad alternante. Este tipo de esquema tiene las siguientes ventajas. En primer lugar, no habrá problemas de sincronización en el caso de que haya una cadena larga de unos. Cada 1 fuerza una transición, por lo que el receptor se puede sincronizar en dicha transición. Una cadena larga de ceros sigue siendo un problema. En segundo lugar, ya que los elementos de señal correspondientes a 1 alternan el nivel de tensión, no hay componente continua. Además, el ancho de banda de la señal resultante es considerablemente menor que el correspondiente a NRZ (véase Figura 5.3). Por último, la alternancia entre los pulsos proporciona una forma sencilla de detectar errores. Cualquier error aislado, tanto si elimina como si introduce un pulso, implica un incumplimiento de dicha propiedad. Los comentarios del párrafo anterior son también trasladables a los códigos pseudoternarios. En este caso, el bit 1 se representa por la ausencia de señal y el 0 mediante pulsos de polaridad alternante. No hay ninguna ventaja particular de esta codificación respecto de la anterior, siendo la base de muchas aplicaciones. No obstante, el grado de sincronización proporcionado por estos códigos todavía presenta algunos problemas (una cadena larga de ceros en el caso del AMI, o de unos en el pseudoternario). Para solventar dichos problemas se han propuesto otros códigos. Una posibilidad es insertar bits que fuercen transiciones. Este procedimiento se adopta en RDSI para la transmisión a velocidades relativamente bajas. Desde luego, este esquema es costoso para velocidades de transmisión superiores, ya que significaría un aumento en la, ya de por sí, alta velocidad de transmisión. Para resolver este problema a altas velocidades de transmisión se utiliza una técnica que implica desordenar o revolver los datos (técnicas de aleatorización, en inglés scrambling). Posteriormente, en esta sección se proporcionarán dos ejemplos de esta técnica. Así pues, con las modificaciones pertinentes, el esquema binario multinivel soslaya los problemas de los códigos NRZ. Por supuesto, al igual que en cualquier otra decisión de ingeniería, siempre existe un compromiso. Con la codificación binaria multinivel, la señal puede tomar tres posibles valores en cada elemento de señal, lo que representaría log2 3 % 1,58 bits de información, aunque en realidad transporta sólo un bit de información. Por tanto, el código binario multinivel no es tan eficaz como los NRZ. Otra forma de enunciar este hecho es que el receptor de señales codificadas con binario multinivel se ve obligado a distinguir entre tres niveles (!A, .A, 0), en lugar de los dos niveles de los otros esquemas presentados anteriormente. Por tanto, para obtener la misma probabilidad de error, la señal de un código binario multinivel necesita aproximadamente 3 dB más de potencia que las señales bivaluadas. Este hecho se muestra en la Figura 5.4. Dicho de otra forma, dada una relación señal ruido, la tasa de errores por bit para los códigos NRZ es significativamente menor que la correspondiente en un código binario multinivel.

BIFASE Bajo el término bifase se engloba a un conjunto de técnicas de codificación alternativas diseñadas para superar las dificultades encontradas en los códigos NRZ. Dos de estas técnicas, denominadas Manchester y Manchester diferencial, se usan frecuentemente en los sistemas de comunicación. En el código Manchester, siempre hay una transición en mitad del intervalo de duración del bit. Esta transición en la mitad del bit sirve como procedimiento de sincronización, a la vez que sirve para transmitir los datos: una transición de bajo a alto representa un 1 y una transición de alto

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Figura 5.4. Tasas de error por bit teóricas para varios esquemas de codificación digital.

a bajo representa un 04. En Manchester diferencial, la transición a mitad del intervalo se utiliza tan sólo para proporcionar sincronización. La codificación de un 0 se representa por la presencia de una transición al principio del intervalo del bit, y un 1 se representa mediante la ausencia de una transición al principio del intervalo. El código Manchester diferencial tiene como ventajas adicionales las derivadas de la utilización de una aproximación diferencial. Todas las técnicas bifase fuerzan al menos una transición por cada bit pudiendo tener hasta dos en ese mismo periodo. Por tanto, la velocidad de modulación máxima es el doble que en los códigos NRZ; esto significa que el ancho de banda necesario es por tanto mayor. No obstante, los esquemas bifase tienen las siguientes ventajas: Sincronización: debido a que la transición que ocurre durante el intervalo de duración correspondiente a un bit siempre está presente, el receptor puede sincronizarse usando dicha transición. Por esta razón a los códigos bifase también se les denomina autosincronizados. No tienen componente en continua: los códigos bifase no tienen componente en continua, lo que implica todas las ventajas mencionadas anteriormente. Detección de errores: se pueden detectar errores si se descubre una ausencia de la transición esperada en mitad del intervalo. Para que el ruido produjera un error no detectado tendría que invertir la señal antes y después de la transición. Como se puede ver en la Figura 5.3, el ancho de banda en los códigos bifase es razonablemente estrecho, además no contiene componente continua. Aun así, es más ancho que el ancho de banda de los códigos binarios multinivel.
La definición del código Manchester presentada aquí es opuesta a la que se usa en muchos libros de texto prestigiosos (por ejemplo: [TANE03], [KURO01], [LEON00], [WALR00] y [PETE00]) en los que un 0 binario corresponde a una transición bajo a alto, y un 1 binario corresponde a una transición alto a bajo. Aquí, la definición adoptada es coherente con la definición adoptada en varios estándares para LAN, como por ejemplo la norma IEEE 802.3.
4

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Los códigos bifase se usan con frecuencia en los esquemas de transmisión de datos. Uno de los más conocidos es el código Manchester, elegido como parte de la especificación de la norma IEEE 802.3 (Ethernet) para la transmisión en redes LAN de cable coaxial en banda base o par trenzado con bus CSMA/CD. El Manchester diferencial se ha elegido en la norma IEEE 802.5 para redes LAN en anillo con paso de testigo, en las que se usan pares trenzados apantallados. VELOCIDAD DE MODULACIÓN Cuando se usan técnicas de codificación de señales, se debe hacer una diferenciación entre la velocidad de transmisión de los datos (expresada en bits por segundo) y la velocidad de modulación (expresada en baudios). La velocidad de transmisión, también denominada tasa de bits, es 1/TB, donde TB % duración de un bit. La velocidad de modulación es aquella a la que se generan los elementos de señal. Considérese, por ejemplo, la codificación Manchester. El elemento de señal mínimo tiene una duración igual a la mitad de la duración del intervalo correspondiente a un bit. Si se tratara de una cadena de bits todos iguales a 0, o a 1, se generaría una serie de pulsos como los mencionados. Por tanto, la velocidad máxima de modulación en el código Manchester es 2/TB. Este caso se muestra en la Figura 5.5, correspondiente a la transmisión de una cadena de unos a una velocidad de transmisión igual a 1 Mbps usando NRZI y Manchester. En general, R R D% % L log2 M donde D % velocidad de modulación en baudios. R % velocidad de transmisión en bps. M % número de elementos de señalización diferentes % 2L. L % número de bits por elemento de señal. (5.1)

Figura 5.5. Una cadena de unos a 1 Mbps.

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Una forma de caracterizar la velocidad de modulación es determinando el número medio de transiciones que se dan en el intervalo de tiempo correspondiente a la duración de un bit. En general, esto dependerá de la secuencia en particular de bits que se transmitan. En la Tabla 5.3 se comparan las velocidades de modulación para diversas técnicas. En dicha tabla se indican las velocidades de transición de la señal normalizadas para el caso de una cadena de unos y ceros alternantes, así como para las cadenas de datos correspondientes a la velocidad de modulación máxima y mínima.
Tabla 5.3. Velocidades normalizadas de transición de la señal, para varios esquemas de codificación de señales digitales.
Mínimo NRZ-L NRZI Bipolar-AMI Pseudoternario Manchester Manchester diferencial 0 (todo 0 o 1) 0 (todo 0) 0 (todo 0) 0 (todo 1) 1,0 (1010...) 1,0 (todo 1) 101010... 1,0 0,5 1,0 1,0 1,0 1,5 1,0 1,0 (todo 1) 1,0 1,0 2,0 (todo 0 o 1) 2,0 (todo 0) Máximo

TÉCNICAS DE ALEATORIZACIÓN El éxito obtenido por los esquemas bifase en el entorno de las redes LAN a velocidades relativamente altas (hasta 10 Mbps), no es trasladable a las redes de larga distancia. La razón principal estriba en el hecho de que la bifase requiere una alta velocidad de modulación comparada con la velocidad de transmisión obtenida para los datos. Este tipo de desventaja es más relevante, y por tanto más costosa, en redes de larga distancia. Un enfoque alternativo, denominado aleatorización, consiste en utilizar alguna técnica que desordene la información. La idea subyacente en este tipo de técnicas es sencilla: reemplazar las secuencias de bits que den lugar a niveles de tensión constante por otras secuencias que proporcionen suficiente número de transiciones, de tal forma que el reloj del receptor pueda mantenerse sincronizado. En el receptor se debe identificar la secuencia reemplazada y sustituirla por la secuencia original. La secuencia reemplazada tendrá la misma longitud que la original. Por tanto, este procedimiento no implica penalización en la velocidad de transmisión de los datos. Los objetivos en el diseño de estas técnicas, se pueden resumir en: Evitar la componente en continua. Evitar las secuencias largas que correspondan a niveles de tensión nula. No reducir la velocidad de transmisión de los datos. Tener capacidad para detectar errores. En la Figura 5.6 se muestran dos de las técnicas que se usan frecuentemente en las comunicaciones a larga distancia. Un esquema de codificación que se usa habitualmente en Norteamérica se denomina bipolar con sustitución de ocho ceros (B8ZS, Bipolar with 8-Zeros Substitution) el cual se basa en un

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Figura 5.6. Reglas de codificación para B8ZS y HDB3.

AMI bipolar. Previamente se ha mencionado que el inconveniente de los códigos AMI es que una secuencia larga de ceros puede dar lugar a una pérdida de sincronización. Para evitar este problema, la codificación se realiza de acuerdo con las siguientes reglas: Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue positivo, dicho octeto se codifica como 000!.0.!. Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue negativo, dicho octeto se codifica como 000.!0!.. Con este procedimiento se fuerzan dos violaciones de código (esto es, combinaciones de estados de señalización no permitidos por el código) del código AMI. Estas dos violaciones tienen una probabilidad muy baja de haber sido causadas por el ruido u otros defectos en la transmisión. Por tanto, el receptor identificará ese patrón y lo interpretará convenientemente como un octeto todo ceros. Un esquema de codificación que se utiliza habitualmente en Europa y Japón es el denominado bipolar de alta densidad de tres ceros (HDB3, High Density Bipolar-3 Zeros), (véase Tabla 5.4). Al igual que el anterior, se basa en la codificación AMI. En este esquema, las cadenas de cuatro ceros se reemplazan por cadenas que contienen uno o dos pulsos. En este caso, el cuarto cero se sustituye por una violación del código. Además, en las violaciones siguientes, se considera una
Tabla 5.4. Reglas de sustitución en HDB3.
Número de pulsos bipolares (unos) desde la última sustitución Polaridad del pulso anterior . ! Impar 000. 000! Par !00! .00.

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regla adicional para asegurar que las mismas tengan una polaridad alternante, evitando así la introducción de componente continua. Es decir, si la última violación fue positiva la siguiente deberá ser negativa, y viceversa. En la Tabla 5.4 se indica que esta condición se determina dependiendo de (1) si el número de pulsos desde la última violación es par o impar, y (2) dependiendo de la polaridad del último pulso anterior a la aparición de los cuatro ceros. En la Figura 5.3 se muestran las propiedades espectrales de los dos códigos mencionados. Como se puede observar, ninguno de los dos contiene componente de continua. La mayor parte de la energía se concentra en una región estrecha en torno a la frecuencia correspondiente a la mitad de la velocidad de transmisión. Por tanto, estos códigos son adecuados para la transmisión a altas velocidades.

5.2.

DATOS DIGITALES, SEÑALES ANALÓGICAS Consideremos ahora el caso de la transmisión de datos digitales usando señales analógicas. La situación más habitual para este tipo de comunicaciones es la transmisión de datos digitales a través de la red de telefonía pública. Esta red se diseñó para recibir, conmutar y transmitir señales analógicas en el rango de frecuencias de voz entre 300 y 3.400 Hz. No es adecuada, por tanto, para la transmisión de señales digitales desde el terminal de abonado (aunque esto está cambiando progresivamente). No obstante, se pueden conectar dispositivos digitales a través de la red mediante el uso de dispositivos módem (modulador-demodulador), los cuales convierten los datos digitales en señales analógicas y viceversa. En la red telefónica los módem se usan para que las señales estén en el rango de frecuencias de la voz, si bien, las mismas técnicas se pueden usar para módem a frecuencias más altas (por ejemplo, microondas). En esta sección se presentan estas técnicas y se proporciona una breve discusión de las prestaciones de las distintas alternativas posibles. Como ya se ha comentado previamente, la modulación implica la modificación de uno o varios de los tres parámetros fundamentales que caracterizan a la señal portadora: la amplitud, la frecuencia o la fase. Consecuentemente, hay tres técnicas básicas de codificación o, mejor dicho, de modulación que transforman los datos digitales en señales analógicas, como se muestra en la Figura 5.7: modulación por desplazamiento de amplitud (ASK, Amplitude Shift Keying), modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK, Frequency-Shift Keying) y modulación por desplazamiento de fase (PSK, Phase-Shift Keying). En todos los casos, la señal resultante ocupa un ancho de banda centrado en torno a la frecuencia de la portadora.

MODULACIÓN POR DESPLAZAMIENTO DE AMPLITUD En ASK, los dos valores binarios se representan mediante dos amplitudes diferentes de la portadora. Es usual que una de las amplitudes sea cero; es decir, uno de los dígitos binarios se representa mediante la presencia de la portadora a amplitud constante y el otro mediante la ausencia de portadora (véase Figura 5.7a). La señal transmitida por cada intervalo correspondiente a la duración de un bit es, por tanto: ASK s(t) %

E

A cos (2n fct) 0

1 binario 0 binario

(5.2)

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Figura 5.7. Modulación de datos digitales usando señales analógicas.

en la que la portadora es A cos (2n fct). ASK es sensible a cambios repentinos de la ganancia. Además, es una técnica de modulación bastante ineficaz. En líneas de calidad telefónica, ASK se usa en el mejor de los casos a 1.200 bps. La técnica ASK se usa para la transmisión de datos digitales en fibras ópticas. En los transmisores con LED, la Ecuación (5.2) sigue siendo válida. Es decir, un elemento de señal se representa mediante un pulso de luz, mientras que el otro elemento se representa mediante la ausencia de luz. Los transmisores láser tienen normalmente un valor fijo de la corriente de polarización (current bias) que hace que el dispositivo emita, para el último caso, una señal de baja intensidad. Este pequeño nivel será uno de los elementos de señalización, mientras que el otro será un haz de luz de mayor amplitud. MODULACIÓN POR DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA El esquema FSK más habitual es el binario, BFSK (binary FSK). En este caso, los dos valores binarios se representan mediante dos frecuencias diferentes, próximas a la frecuencia de la portadora (véase Figura 5.7b). La señal transmitida en cada intervalo correspondiente a la duración de un bit será BFSK s(t) %

E

A cos (2n f1t) A cos (2n f2t)

1 binario 0 binario

(5.3)

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donde f1 y f2 corresponden a desplazamientos de la frecuencia portadora fc, de igual magnitud, pero en sentidos opuestos. En la Figura 5.8 se muestra un ejemplo del uso de BFSK en una transmisión full-duplex en una línea de calidad telefónica. Dicha figura corresponde con la especificación de la serie de módem Bell System 108. Recuérdese que una línea de calidad telefónica deja pasar frecuencias en el rango aproximado de 300 a 3.400 Hz y que full-duplex significa que las señales se transmiten simultáneamente en ambos sentidos. Para transmitir en full-duplex, el ancho de banda anterior se divide en dos. En uno de los sentidos (correspondiente a la transmisión o a la recepción) las frecuencias utilizadas para representar al 1 o 0 están centradas en torno a 1.170 Hz, desplazándose 100 Hz a cada lado. El efecto de usar estas dos frecuencias corresponde a la transmisión de una señal cuyo espectro corresponde con la zona sombreada de la izquierda de la Figura 5.8. De igual manera, para el otro sentido (recepción o transmisión) el módem utilizará señales correspondientes a desplazamientos de 100 Hz en torno a la frecuencia central de 2.125 Hz. Estas señales corresponden con el área sombreada de la derecha en la Figura 5.8. Obsérvese que hay un pequeño solapamiento entre las bandas, es decir, hay una pequeña interferencia. BFSK es menos sensible a errores que ASK. En líneas de calidad telefónica, se utiliza generalmente a velocidades de hasta 1.200 bps. También se usa frecuentemente en transmisión de radio a más altas frecuencias (desde 3 hasta 30 MHz). También se puede usar incluso a frecuencias superiores en redes de área local que utilicen cable coaxial. Una señal más eficaz en el uso del ancho de banda, pero también más susceptible a errores, es la FSK múltiple (MFSK, Multiple FSK), en la que se usan más de dos frecuencias. En este caso, cada elemento de señalización representará más de un bit. La señal MFSK transmitida durante el intervalo correspondiente a un elemento de señalización se define como: MFSK donde fi % fc ! (2i . 1 . M) fd fc % la frecuencia de la portadora. fd % la diferencia de frecuencias. M % el número de elementos de señalización diferentes. L % el número de bits por elemento de señalización. si(t) % A cos 2n fit, 1mimM (5.4)

Figura 5.8. Transmisión FSK full-duplex en una línea de calidad telefónica.

Técnicas para la codificación de señales

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Figura 5.9. Utilización de frecuencias en MFSK (M % 4).

Para igualar la velocidad de transmisión de la secuencia de bits a la entrada, cada uno de los elementos de señalización a la salida se genera durante un periodo de Ts % LT segundos, donde T es el periodo correspondiente a la duración de un bit (velocidad de transmisión % 1/T). Por tanto, cada elemento de señalización, que en este caso es un tono puro con frecuencia constante, codificará L bits. El ancho de banda necesario es 2M fd. Se puede demostrar que la separación en frecuencia mínima necesaria es 2 fd % 1/Ts. Por tanto, el modulador requiere un ancho de banda igual a Wd % 2M fd % M/Ts. Ejemplo 5.1. Siendo fc % 250 kHz, fd % 25 kHz y M % 8 (L % 3 bits), para codificar 3 bits se tendrán las siguientes asignaciones de frecuencias para cada una de las 8 posibilidades: f1 % 75 kHz 000 f5 % 275 kHz 100 f2 % 125 kHz 001 f6 % 325 kHz 101 f3 % 175 kHz 010 f7 % 375 kHz 110 f4 % 225 kHz 011 f8 % 425 kHz 111

Este esquema puede proporcionar una velocidad de transmisión igual a 2 fd % 1/Ts % 50 kbps. La Figura 5.9 muestra un ejemplo de MFSK con M % 4. Para la secuencia de bits de entrada se codifican 2 bits cada vez, usando una frecuencia distinta para cada una de las cuatro posibles parejas de los bits de entrada. MODULACIÓN POR DESPLAZAMIENTO DE FASE En el esquema PSK, la fase de la señal portadora se desplaza para representar los datos digitales. PSK de dos niveles En la Figura 5.7c se muestra un ejemplo del sistema más simple, conocido como desplazamiento de fase binario, que utiliza dos fases para representar los dos dígitos binarios. La señal transmitida resultante durante el intervalo correspondiente a un bit es BPSK s(t) %

E

A cos (2n fct) A cos (2n fct) 1 binario % A cos (2n fct ! n) .A cos (2n fct) 0 binario

E

(5.5)

El término de la derecha de la Ecuación (5.5) se debe a que un deslazamiento de 180o (n) es equivalente a invertir la onda sinusoidal, o lo que es lo mismo, a multiplicarla por .1. Esto nos permite utilizar esta expresión más cómoda. Si se dispone de una secuencia de bits y se define d(t) como la función discreta igual a !1 durante la duración de un bit si el bit correspondiente en la

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secuencia de entrada es 1, e igual a .1 durante la duración de un bit si el bit correspondiente en la secuencia de entrada es 0, entonces, la señal transmitida se puede definir como BPSK sd(t) % A d(t) cos (2n fct) (5.6)

Una alternativa a la PSK de dos niveles es la PSK diferencial (DPSK, Differential PSK). En la Figura 5.10 se muestra un ejemplo. En este esquema, un 0 binario se representa enviando un elemento de señal con la misma fase que el elemento anterior transmitido. Un 1 binario se representa enviando un elemento de señalización con fase invertida respecto al anterior elemento transmitido. El término diferencial se refiere al hecho de que el desplazamiento de fase es respecto al bit transmitido anterior, en lugar de ser respecto a una señal de referencia. En la codificación diferencial, la información a transmitir se representa en términos de los cambios introducidos entre los símbolos consecutivos, en lugar de en los elementos de señalización en sí. DPSK evita la necesidad de utilizar en el receptor un oscilador local de fase preciso, el cual debe estar acoplado con el transmisor. Mientras que la fase anterior se reciba correctamente, la referencia de fase será correcta. PSK de cuatro niveles Se puede conseguir un uso más eficaz del ancho de banda si cada elemento de señalización representa más de un bit. Por ejemplo, en lugar de un desplazamiento de fase de 180o, como se hace en BPSK, una técnica habitual de codificación, conocida como modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK, Quadrature Phase Shift Keying), considera desplazamientos múltiplos de n/2 (90o). n A cos 2n fct ! 11 4

QPSK

s(t) %

Por tanto, cada elemento de señalización representa dos bits en lugar de uno.

E

A cos 2n fct !

3n A cos 2n fct . 4 A cos 2n fct . n 4

A A A A

3n 4

B B B B

01 (5.7) 00 10

Figura 5.10. Modulación por desplazamiento de fase diferencial (DPSK).

Técnicas para la codificación de señales

151

En la Figura 5.11 se muestra un esquema genérico de modulación QPSK. La entrada consiste en una secuencia de dígitos binarios con una velocidad R % 1/Tb, siendo Tb la duración de cada bit. Esta secuencia se separa en dos secuencias, cada una de ellas a R/2 bps, simplemente asignando un bit alternativamente a cada una de las secuencias. Las dos secuencias se denominan secuencia en fase I (in-phase) y secuencia en cuadratura Q (quadrature phase). En el diagrama, la secuencia superior se modula con una portadora de frecuencia fc, multiplicando la secuencia de bits por la portadora. Por cuestiones de comodidad en la estructura del modulador, se hace corresponder el 1 binario con ∂1/2 y el 0 binario con . ∂1/2. Por tanto, un 1 binario se representa mediante una versión escalada de la onda portadora, mientras que un 0 binario se representa mediante una versión escalada y negativa de la onda portadora, ambas con amplitud constante. La misma portadora se desplaza 90o y se utiliza para modular la secuencia binaria inferior. Las dos señales moduladas se suman y se transmiten. La señal transmitida se puede expresar como: QPSK s(t) % 1 ∂2 I(t) cos 2n fct . 1 ∂2 Q(t) sen 2n fct

La Figura 5.12 muestra un ejemplo de codificación QPSK. Cada una de las dos secuencias moduladas es una señal BPSK con una velocidad de transmisión igual a la mitad de la de la secuencia de bits original. Por tanto, las señales combinadas tienen una velocidad de símbolos igual a la mitad de la velocidad de los bits a la entrada. Nótese que desde el instante que transcurre entre un símbolo y el siguiente, es factible un cambio de fase de hasta 180o (n). La Figura 5.11 también muestra una variante de QPSK denominada QPSK desplazada (OQPSK, offset QPSK), o también QPSK ortogonal. La diferencia reside en introducir un retardo igual al intervalo de duración de un bit en la secuencia Q, dando lugar a la siguiente señal: s(t) % 1 ∂2 I(t) cos 2n fct . 1 ∂2 Q(t . Tb) sen 2n fct

Debido a que OQPSK se diferencia de QPSK sólo en el retardo introducido en la secuencia Q, sus características espectrales y sus prestaciones frente a errores son las mismas. A partir de la

Figura 5.11. Moduladores QPSK y OQPSK.

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Figura 5.12. Ejemplos de formas de onda en QPSK y OQPSK.

Figura 5.12, se puede observar que sólo uno de los dos bits en el par puede cambiar de signo en cualquier instante de tiempo y, por tanto, el cambio en la fase de la señal combinada nunca sobrepasa los 90o (n/2). Esto puede ser una ventaja debido a que las limitaciones físicas en los moduladores de fase hacen que sea difícil conseguir grandes desplazamientos de fase a velocidades de transición altas. OQPSK también proporciona mejores prestaciones cuando el canal de transmisión (incluyendo al transmisor y el receptor) tiene componentes no lineales significativas. El efecto de las no linealidades ensancha el ancho de banda de la señal, lo que puede causar interferencias con canales adyacentes. Si los cambios de fase son menores es más fácil controlar este ensanchamiento; de ahí la ventaja de OQPSK sobre QPSK. PSK multinivel La utilización de varios niveles se puede extender para transmitir más de dos bits de una vez. Por ejemplo, usando ocho ángulos de fase diferentes es posible transmitir de una vez tres bits. Es más, cada ángulo puede tener más de una amplitud. Por ejemplo, un módem estándar a 9.600 bps utiliza 12 ángulos de fase, cuatro de los cuales tienen dos valores de amplitud, dando lugar a 16 elementos de señalización diferentes. Este último ejemplo pone de manifiesto la diferencia entre velocidad de transmisión R (en bps) y velocidad de modulación D (en baudios) de la señal. Supongamos que este sistema se empleara sobre una señal digital en la que cada bit se representara por un pulso constante de tensión, tomando un nivel para el uno binario y otro nivel distinto para el cero. La velocidad de transmisión sería R % 1/Tb. Sin embargo, la señal codificada contendrá L % 4 bits por cada elemento de señalización, utilizando M % 16 combinaciones distintas de amplitud y fase. La velocidad de modulación, en este caso, es R/4, ya que cada elemento de señal transporta cuatro bits. Por tanto, la velocidad

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de señalización es 2.400 baudios, pero la velocidad de transmisión es igual a 9.600 bps. Esta misma aproximación posibilita mayores velocidades de transmisión en líneas de calidad telefónica mediante la utilización de esquemas de modulación más complejos. PRESTACIONES El primer parámetro que se debe considerar para comparar las prestaciones de los distintos esquemas de modulación digital a analógico es el ancho de banda de la señal modulada. Éste dependerá de diversos factores, entre otros, de la propia definición que se haga de ancho de banda, así como de la técnica de filtrado que se use para obtener la señal paso banda. Aquí se utilizarán los resultados obtenidos en [COUC01]. El ancho de banda BT para ASK es de la forma ASK BT % (1 ! r)R (5.8)

donde R es la velocidad de transmisión y r está relacionada con la técnica de filtrado aplicada para limitar el ancho de banda de la señal, permitiendo así su posterior transmisión. Generalmente, se verifica que 0 a r a 1. Así, el ancho de banda está directamente relacionado con la velocidad de transmisión. La expresión anterior es también válida para PSK. Para FSK, el ancho de banda se puede expresar como FSK BT % 2BF ! (1 ! r)R (5.9)

donde BF % f2 . fc % fc . f1 es el desplazamiento de la frecuencia de la señal modulada respecto de la frecuencia de la portadora. Cuando se usan frecuencias muy altas, el término BF es el dominante. Por ejemplo, uno de los estándares que utiliza FSK en redes locales multipunto sobre cable coaxial usa BF % 1,25 MHz, fc % 5 MHz y R % 1 Mbps. En este caso, el término 2BF % 2,5 MHz domina. En el ejemplo mencionado anteriormente del módem Bell 108, BF % 100 Hz, fc % 1170 Hz (en un sentido), y R % 300 bps. En este caso, domina el término (1 ! r)R. Utilizando PSK multinivel (MPSK) se pueden conseguir mejoras significativas en el ancho de banda. En general, MPSK BT %

A B A
BT %

1!r 1!r R% R L log2 M

B

(5.10)

donde L es el número de bits codificados en cada elemento de señalización y M es el número de elementos de señalización diferentes. Para FSK multinivel (MFSK), se tiene que MFSK

A

(1 ! r)M R log2 M

B

(5.11)

En la Tabla 5.5 se muestra el cociente entre las velocidades de transmisión, R, y el ancho de banda necesario para distintos esquemas de modulación. Este cociente también se denomina eficiencia del ancho de banda. Como su nombre indica, este parámetro es una medida de la eficiencia en la utilización del ancho de banda al transmitir los datos. Por tanto, las mejoras introducidas al utilizar un esquema de señalización multinivel son ya evidentes.

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Tabla 5.5. Cociente entre las velocidades de transmisión y el ancho de banda para distintos esquemas de codificación digital a analógico. r%0 ASK FSK Banda ancha (BF A R) Banda estrecha (BF ] fc) PSK Señalización multinivel L % 4, b % 2 L % 8, b % 3 L % 16, b % 4 L % 32, b % 5 1,0

r % 0,5
0,67

r%1
0,5

V0 1,0 1,0

V0 0,67 0,67

V0 0,5 0,5

2,00 3,00 4,00 5,00

1,33 2,00 2,67 3,33

1,00 1,50 2,00 2,50

Por supuesto, la discusión anterior hace referencia al espectro de la señal de entrada a la línea de transmisión. Observe que todavía no se ha mencionado nada relacionado con la presencia de ruido. En la Figura 5.4 se resumen algunos resultados relevantes basados en ciertas suposiciones relativas a los sistemas de transmisión [COUC01]. Aquí se representa la tasa de errores por bit en función del cociente Eb/N0, definido en el Capítulo 3. Por supuesto, cuando este cociente aumenta, la tasa de errores disminuye. Es más, DPSK y BPSK mejoran a ASK y a BFSK en, aproximadamente, 3 dB. La Figura 5.13 muestra la misma información para distintos valores de M para MFSK y MPSK. Hay una diferencia importante. Para MFSK, la probabilidad de error para un valor dado de Eb/N0 decrece al aumentar M; lo contrario ocurre en MPSK. Por el contrario, si se comparan las Ecuaciones (6.10) y (6.11), la eficiencia del ancho de banda en MFSK decrece al aumentar M, siendo lo contrario cierto para el esquema MPSK.

Figura 5.13. Tasas de error por bit teóricas para los esquemas multinivel MFSK y MPSK.

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Ejemplo 5.2. ¿Cuál es la eficiencia del ancho de banda en FSK, ASK, PSK y QPSK, siendo la tasa de errores por bit igual a 10.7 en un canal con una SNR de 12 dB? Utilizando la Ecuación (2.2), se tiene que R Eb % 12 dB . BT N0 Para FSK y ASK, a partir de la Figura 5.4: Eb % 14,2 dB N0

AB

dB

AB
R BT Para PSK, a partir de la Figura 5.4:

% .2,2 dB R % 0,6 BT

dB

Eb % 11,2 dB N0

AB
R BT

% 0,8 dB

dB

R % 1,2 BT En QPSK se debe tener en cuenta que la velocidad de modulación debe verificar que D%R/2. Por tanto, R % 2,4 BT Como se muestra en el ejemplo anterior, los esquemas ASK y FSK proporcionan la misma eficiencia del ancho de banda; PSK es mejor y se consigue todavía mayor eficiencia si se utiliza una señalización multinivel. Es conveniente hacer una comparación de estas necesidades de ancho de banda con las correspondientes a la señalización digital. Una buena aproximación es BT % 0,5(1 ! r)D donde D es la velocidad de modulación. En NRZ se cumple que D % R, luego R 2 % BT 1 ! r

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Por tanto, la señalización digital es comparable en cuanto a la eficiencia del ancho de banda con ASK, FSK y PSK. Se puede observar una mejora significativa en la señalización analógica al utilizar técnicas multinivel. MODULACIÓN DE AMPLITUD EN CUADRATURA La modulación de amplitud en cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) es una técnica de señalización analógica que se utiliza en algunas normas inalámbricas y en las líneas de abonado digitales asimétricas (ADSL, Asymmetric Digital Subscriber Line); ambas tecnologías serán explicadas en el Capítulo 8. Esta técnica de modulación es una combinación de ASK y PSK. También se puede considerar como una generalización de QPSK. En QAM se aprovecha el hecho de que es posible enviar simultáneamente dos señales diferentes sobre la misma frecuencia portadora, utilizando dos réplicas de la misma, desplazadas entre sí 90o. En QAM cada portadora se modula usando ASK. Las dos señales independientes se transmiten sobre el mismo medio. En el receptor, las dos señales se demodulan, combinándose para reproducir la señal binaria de entrada. En la Figura 5.14 se muestra, en términos generales, el esquema de modulación QAM. La entrada al sistema es una cadena de bits con velocidad igual a R bps. Esta cadena se separa en dos secuencias a R/2 bps cada una, tomando los bits de forma alternante. En el diagrama, la secuencia de arriba se modula mediante ASK sobre una portadora de frecuencia fc; este procedimiento se lleva a cabo sin más que multiplicar la secuencia por la portadora. Por tanto, un cero binario será representado mediante la ausencia de portadora, mientras que un uno binario se representará mediante la presencia de una señal portadora de amplitud constante. Esta misma portadora se desplaza 90o y, a su vez, se usa para la modulación ASK de la secuencia binaria de abajo. Las dos señales moduladas se suman y, posteriormente, se transmiten. La señal transmitida, por tanto, se puede expresar como QAM s(t) % d1(t) cos 2n fct ! d2(t) sen 2n fct

Si se utiliza un esquema ASK con dos niveles, entonces, cada una de las dos secuencias binarias se podrá representar mediante dos estados, que combinadas dan lugar a una señal con 4 (2 # 2) posibles estados de señalización. Esto es, esencialmente QPSK. Si se usa ASK con cuatro niveles

Figura 5.14. Modulador QAM.

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(esto es, cuatro niveles diferentes de amplitud), entonces, la secuencia combinada podrá tomar uno de entre 16 (4 # 4) estados. En la práctica, se implementan sistemas con 64, e incluso, 256 estados. Para un ancho de banda dado, cuanto mayor sea el número de estados, mayor será la velocidad de transmisión posible. Desde luego, como ya se ha comentado previamente, cuanto mayor sea el número de estados, mayor será la tasa potencial de errores por bit debida al ruido y a la atenuación.

5.3.

DATOS ANALÓGICOS, SEÑALES DIGITALES En esta sección se estudia el proceso de la transformación de datos analógicos en señales digitales. Estrictamente hablando, es más correcto referirse a este proceso como la conversión de datos analógicos a datos digitales; este proceso es también denominado digitalización. Una vez que los datos analógicos se convierten a digitales puede ocurrir una serie de cosas; de entre ellas, las tres más habituales son las siguientes: 1. 2. 3. Los datos digitales se transmiten usando NRZ-L. En este caso, se habrá realizado directamente una conversión de datos analógicos a señales digitales. Los datos digitales se codifican usando un código diferente al NRZ-L. Por tanto, en este caso se necesitaría un paso adicional. Los datos digitales se convierten en señales analógicas, usando una de las técnicas de modulación presentadas en la Sección 5.2.

Este último procedimiento, aparentemente curioso, se muestra en la Figura 5.15, en la que se representan algunos datos de voz digitalizados, los cuales son posteriormente convertidos en señales analógicas tipo ASK. Este procedimiento permite la transmisión digital, en el mismo sentido que la definición del Capítulo 3. Los datos de voz, al haber sido digitalizados, se pueden procesar como si fueran digitales, incluso cuando los requisitos de la transmisión (por ejemplo, al usar microondas) fuercen la utilización de señales analógicas. El dispositivo que se utiliza para la conversión de los datos analógicos en digitales y que, posteriormente, recupera los datos analógicos iniciales a partir de los digitales se denomina codec (codificador-decodificador). En esta sección se estudiarán las dos técnicas más importantes usadas en los codec, es decir, la modulación por impulsos codificados y la modulación delta. La sección concluye comparando sus prestaciones.

Figura 5.15.

Digitalización de datos analógicos.

MODULACIÓN POR IMPULSOS CODIFICADOS La modulación por impulsos codificados (PCM, Pulse Code Modulation) se basa en el teorema de muestreo:

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Teorema de muestreo. Si una señal f (t) se muestrea a intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor que el doble de la frecuencia más alta de la señal, las muestras así obtenidas contienen toda la información de la señal original. La función f (t) se puede reconstruir a partir de estas muestras mediante la utilización de un filtro paso baja. Para el lector interesado, en el sitio web asociado a este texto se proporciona la demostración del teorema anterior. Si los datos de voz se limitan a frecuencias por debajo de 4000 Hz, lo que significa que la inteligibilidad se conserva, para caracterizar completamente la señal de voz sería suficiente obtener 8000 muestras por segundo. Obsérvese que aún se trata de muestras analógicas, denominadas muestras de modulación por impulsos de amplitud (PAM, Pulse Amplitude Modulation). Para convertir las muestras PAM a digital, a cada una de ellas se les debe asignar un código binario. En la Figura 5.16 se muestra un ejemplo en el que se supone que la señal original está limitada en banda, siendo B el ancho de banda. Las muestras PAM se toman a una tasa igual a 2B, o lo que es lo mismo, una vez cada Ts % 1/2B segundos. Cada muestra PAM se aproxima mediante su cuantización en uno de los 16 posibles niveles. Por tanto, cada una de las muestras se puede representar por 4 bits. Sin embargo, debido a que los niveles cuantizados son sólo aproximaciones, es imposible recuperar la señal original con exactitud. Utilizando muestras de 8 bits, lo que permite 256 niveles de cuantización, la calidad de la señal de voz resultante es comparable a la que se consigue mediante transmisión analógica. Nótese que esto implica que para una única señal de voz se necesitan 8.000 muestras por segundo # 8 bits por muestra % 64 kbps. Así pues, la técnica PCM genera la señal digital tomando como entrada la señal analógica continua en el tiempo y en amplitud (véase Figura 5.17). La señal digital resultante consiste en bloques de n bits, donde cada número de n bits corresponde con la amplitud de un impulso PCM. En el receptor, este procedimiento se invierte para obtener así la señal analógica. Obsérvese, no

Figura 5.16. Ejemplo de modulación por impulsos codificados.

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Figura 5.17. Diagrama de bloques del esquema PCM.

obstante, que este proceso viola las condiciones exigidas por el teorema de muestreo. Al cuantizar los impulsos PAM, la señal original sólo se aproxima, por lo que no podrá ser recuperada con exactitud. Este efecto se denomina error de cuantización o ruido de cuantización. La razón señalruido para el ruido de cuantización se puede expresar como [GIBS93]: SNRdB % 20 log 2n ! 1,76 dB % 6,02n ! 1,76 dB Por tanto, en la cuantización, cada bit adicional que se use aumentará la SNR en 6 dB, lo que es igual a un factor 4. Generalmente, el esquema PCM se refina mediante técnicas denominadas de codificación no lineal, en las que los niveles de cuantización no están igualmente separados. El problema que surge al considerar separaciones entre niveles iguales es que el valor medio del valor absoluto del error, para cada muestra, es el mismo, independientemente del nivel de la señal. Por consiguiente, los niveles de señal más pequeños estarán, en términos relativos, más distorsionados. Al usar un número mayor de niveles de cuantización para señales de poca amplitud y un número menor para las señales de mayor amplitud se consigue una reducción en la distorsión media de la señal (por ejemplo, véase la Figura 5.18). El mismo efecto se puede conseguir usando cuantización uniforme, pero comprimiendo y, posteriormente, expandiendo la señal analógica de entrada. Este procedimiento consiste en comprimir a la entrada el rango de intensidades de la señal, asignando a las señales de baja amplitud una ganancia superior que a las señales de amplitud mayor. En la salida se realiza la operación contraria. En la Figura 5.19 se representa una función típica de compresión-expansión. Nótese que el

Figura 5.18. Efecto de la codificación no-lineal.

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Figura 5.19.

Funciones típicas de compresión-expansión.

efecto en la entrada es comprimir las muestras de forma tal que los valores grandes se reducen con respecto a los valores pequeños. Por tanto, teniendo un número fijo de niveles de cuantización, se dispondrá de más niveles para las señales de menor nivel. A la salida, la compresión-expansión expande las muestras de forma tal que se restauran los valores originales. En un sistema PCM la codificación no lineal puede conseguir una mejora significativa de la SNR. Para las señales de voz se han conseguido mejoras de 24 a 30 dB.

MODULACIÓN DELTA Para mejorar las prestaciones de la codificación PCM, o para reducir su complejidad, se han desarrollado un gran número de técnicas. Una de las alternativas de mayor aceptación es la modulación delta (DM, Delta Modulation). En la modulación delta, la entrada analógica se aproxima mediante una función escalera que en cada intervalo de muestreo (Ts) sube o baja un nivel de cuantización (d). En la Figura 5.20 se muestra un ejemplo, en el que la función escalera está superpuesta a la señal original. La característica principal de la función escalera es que su comportamiento es binario: en cada instante de muestreo la función sube o baja una cantidad constante d. Por tanto, la salida del modulador delta se puede representar mediante un único bit para cada muestra. Resumiendo, en lugar de aproximar a las amplitudes, DM obtiene una cadena de bits que aproxima a la derivada de la señal analógica de entrada: se genera un 1 si la función escalera sube en el siguiente intervalo o un 0, en cualquier otro caso.

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Figura 5.20. Ejemplo de modulación delta.

La transición (hacia arriba o hacia abajo) que ocurre en cada intervalo de muestreo se elige de tal manera que la función escalera se aproxime tanto como sea posible a la forma de onda de la señal original. La Figura 5.21 muestra este procedimiento, que básicamente consiste en un mecanismo de realimentación. Al transmitir ocurre lo siguiente: para cada intervalo de muestreo, la señal analógica de entrada se compara con el valor más reciente de la función escalera. Si el valor de la forma de onda muestreada supera el de la función escalera, se genera un 1; en otro caso, se generará un 0. Por tanto, la función escalera siempre se modifica en la dirección de la señal de entrada. La salida del proceso DM es, por tanto, una secuencia binaria que se puede usar en el receptor para reconstruir la función escalera. La función reconstruida se podrá suavizar mediante algún procedimiento de integración o mediante un filtro paso baja que genere una aproximación analógica a la señal de entrada. Hay dos parámetros importantes en el esquema DM: el tamaño del paso asignado a cada dígito binario, d, y la frecuencia de muestreo. Como se muestra en la Figura 5.20, d se debe elegir de forma que se consiga un compromiso entre dos tipos de error o ruidos. Cuando la señal analógica varíe muy lentamente, habrá ruido de cuantización, siendo este ruido tanto mayor cuanto mayor sea d. Por el contrario, cuando la señal de entrada cambie tan rápidamente que la función escalera no la pueda seguir, se producirá un ruido de sobrecarga en la pendiente. Este ruido aumenta al disminuir d. Debe quedar claro que la precisión de este esquema se puede mejorar aumentando la frecuencia de muestreo. No obstante, esto incrementará la velocidad de transmisión de los datos a la salida. La principal ventaja de DM respecto a PCM es su sencillez de implementación. No obstante, PCM consigue en general una mejor SNR para la misma velocidad de transmisión.

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Figura 5.21. Modulación delta.

PRESTACIONES Se puede conseguir una buena calidad de reproducción de voz con 128 niveles en PCM, es decir, con 7 bits (27 % 128). La señal de voz, siendo conservador, ocupa un ancho de banda de 4 kHz. Por tanto, de acuerdo con el teorema de muestreo, las muestras se pueden tomar a una razón de 8.000 muestras por segundo. Esto implica que, para los datos digitales codificados en PCM, se obtiene una velocidad de transmisión igual a 8.000 # 7 % 56 kbps. Veamos qué implicaciones tiene esto desde el punto de vista del ancho de banda necesario. Una señal analógica de voz ocupa 4 kHz. Esta señal analógica de 4 kHz se convierte mediante PCM en una señal digital a 56 kbps. De acuerdo con el criterio de Nyquist (véase Capítulo 3) esta señal digital necesitaría aproximadamente 28 kHz de ancho de banda. Este hecho será tanto más evidente cuanto mayor sea el ancho de banda de la señal considerada. Por ejemplo, un esquema típico PCM para televisión en color de 4,6 MHz de ancho de banda utiliza códigos de 10 bits, que se transmiten a 92 Mbps. A pesar de lo elevado de estas cifras, las técnicas de transmisión digital se utilizan cada vez más en la transmisión de datos analógicos. Este hecho está justificado por las siguientes razones: Debido a que se usan repetidores en lugar de amplificadores, no hay ruido aditivo. Como se verá posteriormente, para señales digitales, en lugar de utilizar multiplexación por división en frecuencias (FDM, Frecuency-Division Multiplexing) se usa la multiplexación

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por división en el tiempo (TDM, Time-Division Multiplexing). En TDM no hay ruido de intermodulación, aunque, como ya se ha visto, sí que está presente en FDM. La conversión a señales digitales permite el uso de técnicas más eficaces de conmutación. Es más, se han desarrollando técnicas que proporcionan códigos más eficaces. Para el caso de la voz, un objetivo que parece razonable está en torno a 4 kbps. Para la codificación de señales de vídeo, se puede usar el hecho de que la mayor parte de los elementos de la imagen no cambian cuadro a cuadro. Las técnicas de codificación que aprovechan las dependencias existentes entre cuadros consecutivos permiten reducir la velocidad de transmisión para la señal de vídeo hasta 15 Mbps y, para secuencias que varíen poco, por ejemplo una tele-conferencia, se puede reducir hasta 64 kbps, o incluso menos. Finalmente, hay que decir que, en muchos casos, el uso de un sistema de telecomunicación dará lugar tanto a una conversión de digital a analógico como a una de analógico a digital. La mayoría de los terminales en las redes de telecomunicación son analógicos y las redes utilizan una mezcla de técnicas y dispositivos analógicos y digitales. Por tanto, los datos digitales en el terminal del usuario se deberán convertir a analógico mediante un módem, posteriormente, se deberán digitalizar mediante un codec y, posiblemente, todavía sufran conversiones adicionales antes de alcanzar su destino final. Debido a esto, los servicios de telecomunicación gestionan señales analógicas que representan tanto voz como datos digitales. Las características de la forma de las ondas respectivas son bastante diferentes. Mientras que las señales de voz tienden a estar concentradas en la parte baja del ancho de banda (véase Figura 3.9), la codificación analógica de señales digitales tiene una distribución espectral más uniforme, conteniendo, por tanto, más componentes a altas frecuencias. Algunos estudios han demostrado que, debido a la presencia de estas frecuencias altas, en la digitalización de señales analógicas que representan datos digitales, es preferible el uso de técnicas tipo PCM, en lugar de optar por procedimientos similares a DM. 5.4. DATOS ANALÓGICOS, SEÑALES ANALÓGICAS La modulación se ha definido como el proceso de combinar una señal de entrada m(t) y una portadora a frecuencia fc para producir una señal s(t) cuyo ancho de banda esté (normalmente) centrado en torno a fc . Para el caso de datos digitales, la justificación de la modulación es evidente: será necesaria cuando sólo exista la posibilidad de transmisión analógica, permitiendo así convertir los datos digitales en analógicos. Sin embargo, cuando los datos son analógicos, la justificación no es tan evidente. Después de todo, las señales de voz se transmiten a través de líneas telefónicas usando su espectro original (esto se denomina transmisión en banda base). Existen dos razones fundamentales para la transmisión de señales analógicas mediante modulación analógica: Para llevar a cabo una transmisión más efectiva puede que se necesite una frecuencia mayor. En los medios no guiados es prácticamente imposible transmitir señales en banda base, ya que el tamaño de las antenas tendría que ser de varios kilómetros de diámetro. La modulación permite la multiplexación por división en frecuencias, técnica muy importante que se estudiará en el Capítulo 8. En esta sección consideraremos las técnicas más importantes para la modulación de datos analógicos: la modulación de amplitud (AM, Amplitude Modulation), la modulación de frecuencia (FM, Frecuency Modulation) y la modulación de fase (PM, Phase Modulation). Al igual que antes, para llevar a cabo la modulación se utilizan los tres parámetros básicos de la portadora.

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MODULACIÓN DE AMPLITUD La modulación de amplitud (AM), mostrada en la Figura 5.22, es la técnica más sencilla de modulación. Matemáticamente, el proceso se puede expresar como AM s(t) % [1 ! nax(t)] cos 2n fct (5.12)

donde cos 2n fct es la portadora y x(t) es la señal de entrada (los datos), ambas normalizadas a la amplitud unidad. El parámetro na, denominado índice de modulación, es el cociente entre la amplitud de la señal de entrada y la amplitud de la portadora. De acuerdo con la notación previa, la señal de entrada será m(t) % nax(t). El «1» en la Ecuación (5.12) es una componente continua que, como se explica a continuación, evita pérdidas de información. Este esquema también se denomina transmisión en doble banda lateral con portadora (DSBTC, Double Sideband Transmitted Carrier). Ejemplo 5.3. Obtener la expresión de s(t), si x(t), la señal moduladora en amplitud es cos 2n fmt. Se tiene que s(t) % [1 ! na cos 2n fmt] cos 2n fct Utilizando identidades trigonométricas, la expresión anterior se puede desarrollar, obteniéndose s(t) % cos 2n fct ! na na cos 2n( fc . fm)t ! cos 2n( fc ! fm)t 2 2

La señal resultante tiene una componente a la frecuencia original de la portadora, más un par de componentes adicionales separadas fm hercios de la frecuencia de la portadora.

Figura 5.22. Modulación de amplitud.

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A partir de la expresión (5.12) y de la Figura 5.22, se puede observar que AM implica la multiplicación de la señal de entrada por la portadora. La envolvente de la señal resultante es [1 ! nax(t)] y, mientras que na a 1, la envolvente será una reproducción exacta de la señal original. Si na b 1, la envolvente cruzará el eje de tiempos, perdiéndose así información. Es instructivo observar el espectro de la señal AM. En la Figura 5.23 se muestra un ejemplo. El espectro está formado por la portadora original más el espectro de la señal de entrada trasladada a fc. La parte del espectro para la que 8 f 8 b 8 fc8 es la banda lateral superior y la porción del espectro para la que 8 f 8 a 8 fc8 es la banda lateral inferior. Tanto la banda superior como la inferior son réplicas exactas del espectro original M( f ), estando la banda inferior invertida en frecuencias. A modo de ejemplo, considérese la modulación de la señal de voz, con un espectro comprendido entre 300 y 3.000 Hz, sobre una portadora de 60 kHz. La señal resultante estará constituida por la banda superior, entre 60,3 y 63 kHz, y la banda inferior entre 57 y 59,7 kHz, además de la portadora de 60 kHz. Una relación importante es Pt % Pc 1 !

A

n2 a 2

B

donde Pt es la potencia total transmitida en s(t) y Pc es la potencia transmitida en la portadora. Es deseable hacer na tan grande como sea posible, de tal manera que la mayor parte de la potencia de la señal transmitida se use para transportar información. Ahora bien, na debe mantenerse menor que 1. Debería estar claro que s(t) contiene componentes innecesarias, ya que cada una de las bandas laterales contiene todo el espectro de m(t). Una variante de AM, denominada AM de banda lateral única (SSB, Single Sideband), aprovecha este hecho transmitiendo sólo una de las bandas laterales, eliminando la otra y la portadora. Las principales ventajas de esta aproximación son:

Figura 5.23. Espectro de una señal AM.

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Sólo se necesita la mitad del ancho de banda, es decir BT % B, donde B es el ancho de banda de la señal original. En DSBTC, BT % 2B. Se necesita menos potencia, ya que se ahorra la potencia correspondiente a la portadora y a la otra banda lateral. Otra variante es la doble banda lateral con portadora suprimida (DSBSC, Double Sideband Supressed Carrier), en la que se filtra la frecuencia portadora y se transmiten las dos bandas laterales. Con este procedimiento se ahorra algo de potencia, pero se utiliza igual ancho de banda que en DSBTC. La desventaja de suprimir la portadora es que dicha componente se puede usar para la sincronización. Por ejemplo, supóngase que la señal analógica original es una forma de onda ASK que codifica datos digitales. El receptor necesitará conocer dónde comienza cada bit, para así interpretar correctamente los datos. Una portadora constante proporciona un mecanismo de sincronización con el que se puede temporizar la llegada de los bits. Una aproximación que implica un compromiso es la denominada banda lateral residual (VSB, Vestigial Sideband), en la que se usa una de las bandas laterales y una portadora de potencia reducida. MODULACIÓN ANGULAR La modulación de frecuencia (FM) y la modulación de fase (PM) son casos particulares de la denominada modulación angular. La señal modulada se expresa como Modulación angular s(t) % Ac cos [2n fct ! h(t)] (5.13)

En la modulación de fase, la fase es proporcional a la señal moduladora: PM donde np es el índice de modulación de fase. En la modulación de frecuencia, la derivada de la fase es proporcional a la señal moduladora: FM

h(t) % npm(t)

(5.14)

h ñ(t) % nf m(t)

(5.15)

donde nf es el índice de modulación de frecuencia. Para el lector que desee una explicación más detallada, sígase la siguiente argumentación matemática. La fase de s(t) en cualquier instante dado es 2n fct ! h(t). La desviación de la fase instantánea respecto de la señal portadora es h(t). En PM, esta desviación instantánea de fase es proporcional a m(t). Debido a que la frecuencia se puede definir como la razón del cambio de fase de una señal, la frecuencia instantánea de s(t) viene dada por 2n fi(t) % d [2n fct ! h(t)] dt 1 h ñ(t) 2n

fi(t) % fc !

y la desviación de la frecuencia instantánea respecto a la frecuencia de la portadora es h ñ(t), que en FM es proporcional a m(t).

Técnicas para la codificación de señales

167

En la Figura 5.24 se muestra la modulación de amplitud, frecuencia y fase de una señal seno. El aspecto de las señales FM y PM es muy parecido. De hecho, es imposible diferenciarlas sin tener un conocimiento previo de la función de modulación. Respecto a FM, se pueden realizar las siguientes observaciones. La desviación de pico BF se puede obtener como 1 BF % n A Hz 2n f m

Figura 5.24. Modulación de amplitud, fase y frecuencia de una portadora sinusoidal mediante una señal sinusoidal.

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donde Am es al valor máximo de m(t). Por tanto, un incremento en la amplitud de m(t) aumentará BF, lo que, intuitivamente, debería aumentar el ancho de banda transmitido BT. Sin embargo, como se evidencia a partir de la Figura 5.24, esto no incrementa el nivel de potencia medio de la señal FM, igual a Ac2/2. Esto es diferente a lo que ocurre en AM, ya que el nivel de modulación afecta a la potencia de la señal AM pero no afecta a su ancho de banda. Ejemplo 5.4. Obtener la expresión de s(t) si h(t), la señal modulada en fase, es np cos 2n fmt. Supóngase que Ac % 1. Entonces, se obtiene directamente que s(t) % cos [2n fct ! np cos 2n fmt] La desviación intantánea de fase respecto a la señal portadora es np cos 2n fmt. El ángulo de fase de la señal varía respecto de su valor no modulado como una señal sinusoidal, siendo el valor de pico de la desviación en fase igual a np. La expresión anterior se puede desarrollar teniendo en cuenta las identidades trigonométricas de Bessel, es decir: ä s(t) % ; n%.ä Jn(np) cos 2n fct ! 2nn fmt !

A

nn 2

B

donde Jn(np) es la n-ésima función de Bessel de primera clase. Teniendo en cuenta que J.n(x) % (.1)nJn(x) se puede rescribir como s(t) % J0(np) cos 2n fc t ! ä n%1

! ; Jn(np) cos 2n( fc ! n fm)t !

C A

nn (n ! 2)n ! cos 2n( fc . n fm)t ! 2 2

B

A

BD

La señal resultante tiene una componente a la frecuencia de la portadora original más un conjunto de bandas laterales desplazadas respecto de fc por todos los posibles múltiplos de fm. Para np @ 1, los términos de orden superior caen rápidamente.

Ejemplo 5.5. Obtener la expresión de s(t) si h ñ(t), la señal moduladora en frecuencias, es de la forma .nf sen 2n fmt. La expresión de h ñ(t) se ha elegido por cuestiones de sencillez. Se tiene que

h(t) % .
Por tanto,

I

nf sen 2n fmt dt %

nf cos 2n fmt 2n fm

s(t) % cos 2n fct ! % cos 2n fct !

C C

nf cos 2n fmt 2n fm BF cos 2n fmt fm

D

D

Técnicas para la codificación de señales

169

La desviación de la frecuencia instantánea respecto de la frecuencia de la portadora es .nf sen 2n fmt. La frecuencia de la señal varía sinusoidalmente en torno a su valor no modulado, siendo la desviación máxima en frecuencias igual a nf radianes/segundo. Sustituyendo BF/fm por np, la expresión para la señal FM es idéntica a la correspondiente señal PM, es decir, el desarrollo de Bessel es el mismo. Al igual que en AM, tanto FM como PM dan lugar a una señal cuyo ancho de banda está centrado en torno a fc . Sin embargo, a continuación se verá que las magnitudes de sus anchos de banda son muy diferentes. La modulación de amplitud es un proceso lineal que produce frecuencias correspondientes a la suma y a la diferencia de la portadora y de las componentes de la señal moduladora. Por tanto, para AM se tiene que BT % 2B No obstante, la modulación de ángulo incluye un término de la forma cos (h(t)), que evidentemente es no lineal. Este término generará un gran rango de frecuencias. En definitiva, para una señal moduladora sinusoidal de frecuencia fm, s(t) contendrá componentes en fc ! fm, fc ! 2 fm, y así sucesivamente. En el caso más general, para la transmisión de una señal FM o PM se necesitará un ancho de banda infinito. En la práctica, una buena aproximación nemotécnica es la denominada ley de Carson [COUC01], dada por BT % 2(b ! 1)B donde npAm para PM b % BF n A f m % para FM B 2nB La expresión para FM se puede rescribir de la siguiente manera BT % 2BF ! 2B Luego, tanto FM como PM necesitan un ancho de banda mayor que AM. 5.5. LECTURAS RECOMENDADAS Por diversos motivos, es difícil encontrar manuales que presenten un tratamiento riguroso sobre los esquemas de codificación digital a digital. [SKLA01] y [BERG96] presentan estudios de utilidad. Por el contrario, hay un gran número de buenas referencias sobre los esquemas de modulación analógica de datos digitales. Una buena elección sería [COUC01], [XION00] y [PROA02]; estos tres también proporcionan un buen tratamiento de la modulación analógica y digital de datos analógicos. [PEAR92] contiene una exposición excepcionalmente clara que cubre las técnicas de digital a analógico, de analógico a digital y de analógico a analógico. [FREE98] es un texto instructivo que abarca conceptos como la velocidad de transmisión, la velocidad de modulación y el ancho de banda. [SKLA93] es un tutorial recomendable que explica más ampliamente los conceptos abordados en los capítulos precedentes relacionados con la eficiencia del ancho de banda y los esquemas de codificación.

E

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Comunicaciones y redes de computadores

BERG96 Bergmans, J. Digital Baseband Transmission and Recording. Boston: Kluwer, 1996. COUC01 Couch, L. Digital and Analog Communication Systems. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001. FREE98 Freeman, R. «Bits, Symbols, Baud, and Bandwidth». IEEE Communications Magazine, abril 1998. PEAR92 Pearson, J. Basic Communication Theory. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1992. PROA02 Proakis, J. Communication Systems Engineering. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002. SKLA01 Sklar, B. Digital Communications: Fundamentals and Applications. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2001. SKLA93 Sklar, B. «Defining, Designing, and Evaluating Digital Communication Systems». IEEE Communications Magazine, noviembre 1993. XION00 Xiong, F. Digital Modulation Techniques. Boston: Artech House, 2000.

5.6.

TÉRMINOS CLAVE, CUESTIONES DE REPASO Y EJERCICIOS TÉRMINOS CLAVE aleatorización (scrambling) AMI (Alternate Mark Inversion) B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) bifase binario multinivel bipolar-AMI codificación diferencial eficiencia del ancho de banda frecuencia portadora HDB3 (High-Density Bipolar-3 zeros) Manchester Manchester diferencial modulación modulación angular modulación de amplitud en cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) modulación delta (DM, Delta Modulation) modulación de amplitud (AM, Amplitude Modulation) modulación de fase (PM, Phase Modulation) modulación de frecuencia (FM, Frequency Modulation) modulación por desplazamiento de amplitud (ASK, Amplitude Shift Keying) modulación por desplazamiento de fase (PSK, Phase Shift Keying) modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK, Frequency Shift Keying) modulación por impulsos codificados (PCM, Pulse Code Modulation) modulación por impulsos de amplitud (PAM, Pulse Amplitude Modulation) no retorno a cero (NRZ, Non-Return to Zero) no retorno a nivel cero (NRZ-L, Non-Return to Zero-Level) no retorno a cero invertido (NRZI, Non-Return to Zero Inverted) polar pseudoternario PSK diferencial (DPSK, Differential PSK) PSK en cuadratura (QPSK, Quadrature PSK) señal en banda base tasa de bits erróneos (BER, Bit Error Rate) unipolar velocidad de modulación

Técnicas para la codificación de señales

171

CUESTIONES DE REPASO 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8. 5.9. 5.10. 5.11. 5.12. Enumere y defina brevemente los factores importantes que se deben usar para comparar y evaluar las distintas técnicas de codificación digital a digital. ¿Qué es la codificación diferencial? Explique las diferencias entre NRZ-L y NRZI. Describa dos técnicas binarias multinivel de codificación digital a digital. Defina la codificación bifase y describa dos técnicas de codificación bifase. Explique la técnica de aleatorización en el contexto de la codificación digital a digital. ¿Qué hace un módem? ¿Cómo se representan los datos binarios usando modulación por desplazamiento de amplitud? ¿Qué limitaciones tiene esta aproximación? ¿Cuál es la diferencia entre QPSK y QPSK desplazada? ¿Qué es QAM? ¿Qué enuncia el teorema de muestreo respecto a la frecuencia de muestreo necesaria para una señal analógica? ¿Cuáles son las diferencias entre las modulaciones angulares PM y FM?

EJERCICIOS 5.1. 5.2. 5.3. ¿Cuál de las señales de la Tabla 5.2 usa codificación diferencial? Obtengar los algoritmos que implementen cada uno de los códigos de la Tabla 5.2 a partir de NRZ-L. A veces para las grabaciones en cintas magnéticas de alta densidad se usa una versión modificada del código NRZ, denominada NRZ-mejorado (E-NRZ, Enhanced NRZ). El E-NRZ implica la separación de la cadena de datos NRZ-L en palabras de 7 bits; se invierten los bits 2, 3, 6 y 7, y se añade un bit de paridad a cada palabra. El bit de paridad se elige para que el número total de unos en la palabra de 8 bits sea impar. ¿Qué ventajas tiene E-NRZ respecto NRZ-L? ¿Tiene desventajas? Desarrolle el diagrama de estados (máquina de estados finitos) de la codificación pseudoternaria. Considérese el siguiente esquema de codificación. A la entrada se tienen datos binarios, am, con m % 1, 2, 3, ... Supóngase que se realiza un procesamiento en dos niveles. En primer lugar, se genera un conjunto de números binarios de acuerdo con la siguiente expresión b0 % 0 bm % (am ! bm.1) mod 2 que se codifican de acuerdo con cm % bm . bm.1

5.4. 5.5.

172

Comunicaciones y redes de computadores

En el receptor, los datos originales se recuperan mediante am % cm mod 2 a) Compruebe que los valores recibidos de am son iguales a los valores transmitidos. b) ¿Qué tipo de codificación es ésta? 5.6. Para la cadena de bits 01001110, represente las formas de onda de cada uno de los códigos mostrados en la Tabla 5.2. Supóngase que en NRZI el nivel de la señal para codificar el bit anterior fue alto; que el bit 1 precedente en el esquema AMI correspondió a un nivel de tensión negativa; y que para el código pseudoternario el bit 0 más reciente se codificó con una tensión negativa. La forma de onda de la Figura 5.25 corresponde a una cadena de bits codificada con código Manchester. Determine el principio y el final de los bits (es decir, extraiga la señal de reloj) y obtenga la secuencia de datos.

5.7.

Figura 5.25. Secuencia Manchester.

5.8.

Supóngase una secuencia de datos binarios formada por una serie larga de 1 consecutivos, seguida de un cero al que le sigue otra serie larga de 1; si se suponen las mismas condiciones que en el Ejercicio 5.6, dibuje la forma de onda correspondiente a esta secuencia si se codifica con a) NRZ-L b) Bipolar-AMI c) Pseudoternario

5.9.

Suponga que la forma de onda de un código bipolar-AMI correspondiente a la secuencia 0100101011 se transmite por un canal ruidoso. La forma de onda recibida se muestra en la Figura 5.26, en la que se ha incluido un error en un bit. Localice dónde está el error y justifique la respuesta.

Figura 5.26. Forma de onda bipolar AMI recibida.

Técnicas para la codificación de señales

173

5.10.

Una ventaja de la codificación bipolar es que una violación en la polaridad (es decir, dos pulsos ! consecutivos, o dos pulsos . consecutivos, separados por un número indeterminado de ceros) le indicará al receptor que ha habido un error en la transmisión. Desafortunadamente, al recibir la violación, el receptor no puede determinar qué bit es erróneo (solamente detectará que ha ocurrido un error). Para la secuencia bipolar !.0!.0.! la cual tiene una violación bipolar, determine dos secuencias de bits distintas que al ser transmitidas (con un bit erróneo) resulten en la misma secuencia anterior.

5.11.

En la Figura 5.27 se muestra el demodulador QAM correspondiente al modulador QAM de la Figura 5.14. Muestre que este sistema recupera las dos señales d1(t) y d2(t), las cuales, si se combinaran darían lugar a la señal de entrada.

Figura 5.27. Demodulador QAM.

5.12.

En los dos esquemas de señalización PSK y QPSK, se utiliza una onda seno. La duración del elemento de señalización es 10.5 segundos. Si la señal recibida es s(t) % 0,005 sen (2n 106t ! h) voltios y el ruido en el receptor es 2,5 # 10.8 vatios, determine Eb/N0 (en dB) para cada caso.

5.13.

Obténgase la expresión de la velocidad de modulación D (en baudios) en función de la velocidad de transmisión R para una modulación QPSK en la que se utilicen las técnicas de codificación digital mostradas en la Tabla 5.2. ¿Qué SNR se necesita para conseguir una eficiencia del ancho de banda igual a 1,0 en los esquemas ASK, FSK, PSK y QPSK? Suponga que la tasa de errores por bit es 10.6. Una señal NRZ-L se pasa a través de un filtro con r % 0,5 y, posteriormente, se modula sobre una portadora. La velocidad de transmisión es 2.400 bps. Calcule el ancho de banda para ASK y FSK. Para FSK suponga que las frecuencias utilizadas son 50 kHz y 55 kHz. Suponga que el canal de una línea telefónica se ecualiza para permitir la transmisión de datos en el rango de frecuencias de 600 hasta 3.000 Hz. El ancho de banda disponible es de 2.400 Hz. Para r % 1, calcule el ancho de banda necesario para QPSK a 2.400 bps y para

5.14. 5.15.

5.16.

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Comunicaciones y redes de computadores

4.800 bps, ambas con ocho bits de señalización multinivel. ¿Es dicho ancho de banda adecuado? 5.17. 5.18. 5.19. 5.20. En la codificación de señales analógicas que representen datos digitales, ¿por qué PCM es preferible a DM? ¿Es el módem un dispositivo que realiza las funciones inversas de un codec? Es decir, ¿podría un módem funcionar como un codec invertido o viceversa? Una señal se cuantiza utilizando 10 bits PCM. Calcule la relación señal-ruido de cuantización. Considere una señal de audio cuyas componentes espectrales estén comprendidas en el rango de 300 a 3.000 Hz. Suponga que se usa una frecuencia de muestreo de 7.000 muestras por segundo para generar una señal PCM. a) Para una SNR % 30 dB, ¿cuántos niveles se necesitan en un cuantizador uniforme? b) ¿Cuál es la velocidad de transmisión necesaria? 5.21. Determine el tamaño del escalón d que se necesita para evitar el ruido de sobrecarga en la pendiente en función de la componente máxima en frecuencias de la señal. Suponga que todas las componentes tienen amplitud A. Un codificador PCM acepta señales en un rango de 10 voltios de tensión y genera códigos de 8 bits usando cuantización uniforme. La tensión máxima normalizada cuantizada es 1 . 2.8. Determine: a) El tamaño del escalón normalizado. b) El tamaño del escalón real en voltios. c) e) f) 5.23. El máximo nivel cuantizado en voltios. La resolución real. El porcentaje de resolución. d) La resolución normalizada.

5.22.

La forma de onda analógica que se muestra en la Figura 5.28 se va a codificar usando modulación delta. El periodo de muestreo y el tamaño del escalón se muestran en la figura mediante una cuadrícula. En la misma figura se muestran la primera salida DM y la correspondiente función escalera. Obtener el resto de la función escalera y la salida DM. Indique las regiones en las que haya distorsión de sobrecarga en la pendiente. Para la señal modulada en ángulo correspondiente a la siguiente expresión s(t) % 10 cos [(108)nt ! 5 sen 2n(103)t] determine la máxima desviación de fase y la máxima desviación en frecuencia.

5.24.

5.25.

Supóngase la señal modulada en ángulo correspondiente a la siguiente expresión s(t) % 10 cos [2n(106)t ! 0,1 sen (103)nt] a) Exprese s(t) como una señal PM, siendo np % 10. b) Exprese s(t) como una señal FM, siendo nf % 10p.

Técnicas para la codificación de señales

175

Figura 5.28. Ejemplo de modulación delta.

5.26.

Sean m1(t) y m2(t) dos señales correspondientes a dos mensajes. Sean s1(t) y s2(t) las correspondientes señales moduladas, en las que se ha utilizado una portadora de frecuencia fc. a) Demuestre que, si se utiliza un sencillo esquema AM, m1(t) ! m2(t) genera una señal modulada igual a una combinación lineal de s1(t) y s2(t). Esto justifica el por qué, a veces, a AM se le denomina modulación lineal. b) Demuestre que, si se utiliza un esquema simple PM, entonces m1(t) ! m2(t) genera una señal modulada no igual a una combinación lineal de s1(t) y s2(t). Esto justifica el por qué, a veces, a PM se le denomina modulación no lineal.

a

CAPÍTULO 6

Técnicas de comunicación de datos digitales
6.1. Transmisión asíncrona y síncrona Transmisión asíncrona Transmisión síncrona 6.2. Tipos de errores 6.3. Detección de errores Comprobación de paridad Comprobación de redundancia cíclica (CRC) 6.4. Corrección de errores Principios generales de los códigos de bloque 6.5. Configuraciones de línea Topología Full-duplex y half-duplex 6.6. Interfaces V.24/EIA-232-F Interfaz física de RDSI 6.7. Lecturas recomendadas 6.8. Términos clave, cuestiones de repaso y ejercicios Términos clave Cuestiones de repaso Ejercicios

178

Comunicaciones y redes de computadores

1111111111111111111111111111111
CUESTIONES BÁSICAS La transmisión de una cadena de bits desde un dispositivo a otro, a través de una línea de transmisión, implica un alto grado de cooperación entre ambos extremos. Uno de los requisitos esenciales es la sincronización. El receptor debe saber la velocidad a la que se están recibiendo los datos, de tal manera que pueda muestrear la línea a intervalos constantes de tiempo para así determinar cada uno de los bits recibidos. Para este propósito, se utilizan habitualmente dos técnicas. En la transmisión asíncrona, cada carácter se trata independientemente. El primer bit de cada carácter es un bit de comienzo que alerta al receptor sobre la llegada del carácter. El receptor muestrea cada bit del carácter y busca el comienzo del siguiente. Esta técnica puede que no funcione correctamente para bloques de datos excesivamente largos debido a que el reloj del receptor podría perder el sincronismo respecto del emisor. No obstante, la transmisión de datos en bloques grandes es más eficaz que la transmisión carácter a carácter. Para el envío de bloques grandes se utiliza la transmisión síncrona. Cada bloque de datos forma una trama la cual incluirá, entre otros campos, los delimitadores de principio y de fin. Al transmitir la trama se empleará alguna técnica de sincronización, por ejemplo, la obtenida con el código Manchester. La detección de errores se lleva a cabo calculando un código en función de los bits de entrada. El código se añade a los bits a transmitir. Para comprobar si ha habido errores, el receptor calcula el código en función de los bits recibidos y lo compara con el código recibido. La corrección de errores opera de forma similar a la detección de errores, pero en este caso será posible corregir ciertos errores en la secuencia de bits recibida. Para transmitir a través de un medio, todo dispositivo lo hará mediante alguna interfaz. La interfaz no sólo define las características eléctricas de la señal sino que, además, especifica la conexión física, así como los procedimientos para enviar y recibir bits.

1111111111111111111111111111111

E

n los tres capítulos anteriores se han estudiado fundamentalmente los aspectos principales de la transmisión de datos, como la caracterización de las señales y los medios de transmisión, la codificación de señales y la medida de las prestaciones. En este capítulo centraremos nuestra atención en la comunicación de datos. Para que dos dispositivos conectados por un medio de transmisión intercambien datos es necesario un alto grado de cooperación. Normalmente, los datos se transmiten bit a bit a través del medio; la temporización (es decir, la velocidad de transmisión, la duración y la separación entre bits) de estos bits debe ser común en el receptor y en el transmisor. En la Sección 6.1 se estudian dos técnicas que son habituales para el control de la temporización: la transmisión síncrona y la asíncrona. En la sección siguiente se estudia el problema de los errores. Como ya se ha comentado, la transmisión de datos no es un proceso libre de errores, por lo que será necesario algún mecanismo que los controle. Tras un breve estudio, en el que se distingue entre errores en bits aislados y errores a ráfagas, en este capítulo se presentan dos enfoques para tratar los errores: la detección de errores y la corrección de errores. A continuación se revisan las configuraciones más habituales en las líneas de transmisión. Finalmente, se estudia la interfaz física entre los dispositivos de transmisión de datos y la línea de transmisión. Normalmente, los dispositivos de datos digitales no se conectan directamente a través del medio. En su lugar, la conexión se realiza a través de una interfaz normalizada que proporciona un control considerable sobre la interacción de los dispositivos de recepción/emisión con la línea de transmisión.

Técnicas de comunicación de datos digitales

179

6.1. TRANSMISIÓN ASÍNCRONA Y SÍNCRONA En este texto se estudia fundamentalmente la transmisión serie de datos, es decir, la transmisión de datos a través de un único camino, en lugar de utilizar un conjunto de líneas en paralelo, como es habitual en los dispositivos de E/S y en los buses internos de los computadores. En la transmisión serie, los elementos de señalización se envían a través de la línea de transmisión de uno en uno. Cada elemento puede ser: Menor que un bit: como en el caso de la codificación Manchester. Un bit: NRZ-L es un ejemplo digital y FSK es un ejemplo analógico. Mayor que un bit: como por ejemplo en QPSK. Para simplificar, en el razonamiento que sigue, mientras no se especifique lo contrario, supondremos que se usa un bit por elemento de señalización. Esta simplificación no va a influir en el tratamiento llevado a cabo. Recuérdese que (véase Figura 3.15) para determinar el valor binario en la recepción de los datos digitales se realiza un muestreo de la señal por cada bit recibido. En este caso, los defectos en la transmisión pueden corromper la señal de tal manera que se cometan errores ocasionales. El problema anterior se agrava por la dificultad adicional de la temporización: para que el receptor muestree los bits recibidos correctamente debe conocer el instante de llegada, así como la duración de cada bit. Supóngase que el emisor emite una cadena de bits. Esto se hará de acuerdo con el reloj del transmisor. Por ejemplo, si los datos se transmiten a un millón de bits por segundo (1 Mbps), significará que se transmite un bit cada 1/106 % 1 microsegundo (]s), medidos con el reloj del emisor. Generalmente, el receptor intentará muestrear el medio en la parte central de cada bit, obteniendo una muestra por cada intervalo de duración de un bit. En el ejemplo, el muestreo se hará cada 1 ]s. Si el receptor delimita las duraciones basándose en su propio reloj, se puede presentar un problema si los dos relojes (el del emisor y el del receptor) no están sincronizados con precisión. Si hay una pérdida de sincronismo del 1 por ciento (el reloj del receptor es un 1 por ciento más rápido, o lento, que el reloj del transmisor), entonces el primer muestreo estará desplazado 0,01 veces la duración del bit (0,01 ]s) del instante central del intervalo (es decir, a 0,5 ]s del principio o del final del intervalo). Tras 50 muestras, o más, el receptor puede obtener un error debido a que el muestreo lo realizará en un instante incorrecto (50 # 0,01 % 0,5 ]s). Si la pérdida de sincronismo fuera menor, el error ocurriría más tarde. En cualquier caso, si se emite un número suficiente de bits, dicho error aparecerá irremediablemente si no se adoptan medidas para sincronizar al transmisor y al receptor. TRANSMISIÓN ASÍNCRONA Hay dos enfoques habituales para resolver el problema de la sincronización. El primero se denomina, de una manera no muy acertada, transmisión asíncrona. En esta aproximación, el problema de la temporización se evita no enviando cadenas de bits largas de forma ininterrumpida. En su lugar, los datos se transmiten enviándolos carácter a carácter. Normalmente, cada carácter tiene una longitud de 5 a 8 bits1. La temporización o sincronización se debe mantener solamente durante
El número de bits correspondiente a cada carácter depende del código que se utilice. Ya se ha mencionado un ejemplo, el código IRA, en el que se usan siete bits por carácter. Otro código habitual es el EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code), que es de 8 bits y se utiliza en todas las máquinas de IBM, excepto en los computadores personales y estaciones de trabajo.
1

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Figura 6.1. Transmisión asíncrona.

la duración del carácter, ya que el receptor tiene la oportunidad de resincronizarse al principio de cada nuevo carácter. Esta técnica se va a explicar con la ayuda de la Figura 6.1. Cuando no se transmite ningún carácter, la línea entre el emisor y el receptor estará en estado de reposo. La definición de reposo es equivalente al elemento de señalización correspondiente al 1 binario. Así, en la señalización NRZ-L (véase Figura 5.2), habitual en la transmisión asíncrona, el estado de reposo correspondería con la presencia de una tensión negativa en la línea. El principio de cada carácter se indica mediante un bit de comienzo que corresponde al valor binario 0. A continuación se transmite el carácter, comenzando por el bit menos significativo, que tendrá entre cinco y ocho bits. A modo de ejemplo, en los caracteres IRA, a los bits de datos se les añade un bit de paridad, el cual ocupa, por tanto, la posición correspondiente al bit más significativo. El bit de paridad se determina en el emisor, de tal manera que el número de unos dentro del carácter, incluyendo el bit de paridad, sea par (paridad par) o impar (paridad impar), dependiendo del criterio que se elija. Este bit se usa en el receptor para la detección de errores, como se explica en la Sección 6.3. Por último, está el denominado elemento de parada, que corresponde a un 1 binario. Se debe especificar la longitud mínima del elemento de parada, la cual normalmente es igual a 1, 1,5 o 2 veces la duración de un bit convencional. No se especifica un valor máximo. Debido a que el elemento de parada es igual que el estado de reposo, el transmisor seguirá transmitiendo la señal de parada hasta que se transmita el siguiente carácter. Este esquema no es muy exigente en cuanto a los requisitos de temporización. Por ejemplo, usualmente los caracteres IRA se envían como unidades de 8 bits, incluyendo el bit de paridad. Si

Técnicas de comunicación de datos digitales

181

el receptor es un 5 por ciento más rápido, o más lento, que el emisor, el octavo muestreo estará desplazado un 45 por ciento, lo que significa que todavía es aceptable. En la Figura 6.1c se muestra el efecto de un error de temporización lo suficientemente grande como para provocar un error en la recepción. En este ejemplo supondremos una velocidad de transmisión de 10.000 bits por segundo (10 kbps); por tanto, se transmite un bit cada 0,1 milisegundos (ms), es decir, tiene una duración de 100 ]s. Supongamos que el receptor está fuera de sincronismo un 6 por ciento, es decir, en 6 ]s cada intervalo de duración de un bit. Por tanto, el receptor muestrea el carácter de entrada cada 94 ]s (medidos con el reloj del transmisor). Como se puede observar, la última muestra será errónea. Un error como el anterior en realidad dará lugar a dos errores. Primero, el último bit muestreado será incorrecto, y segundo, la cuenta de bits puede estar desalineada. Si el bit 7 es un 1 y el bit 8 es un 0, el bit 8 se puede interpretar erróneamente como un bit de comienzo. Este tipo de error se denomina error de delimitación de trama, ya que a la unidad constituida por el carácter más el bit de comienzo y el elemento de parada se denomina trama. Se puede dar igualmente un error de delimitación de trama si el ruido hace que se detecte un bit de comienzo erróneamente durante el estado de reposo. La transmisión asíncrona es sencilla y de bajo coste, si bien requiere 2 o 3 bits suplementarios por cada carácter. Por ejemplo, en un código de 8 bits sin bit de paridad y con un elemento de parada de duración 1 bit, de cada diez bits, dos no contendrán información ya que se dedicarán a la sincronización; por tanto, los bits suplementarios llegan a un 20 por ciento. Por descontado que el porcentaje de bits suplementarios se podría reducir mediante la transmisión de bloques con más bits entre el bit de comienzo y el de parada. No obstante, como se muestra en la Figura 6.1c, cuanto mayor sea el bloque de bits, mayor será el error de temporización acumulativo. Para conseguir un mejor rendimiento en la sincronización se puede usar una estrategia diferente denominada transmisión síncrona. TRANSMISIÓN SÍNCRONA En la transmisión síncrona, cada bloque de bits se transmite como una cadena estacionaria sin utilizar códigos de comienzo o parada. El bloque puede tener una longitud de muchos bits. Para prevenir la pérdida de sincronismo entre el emisor y el receptor, sus relojes se deberán sincronizar de alguna manera. Una posibilidad puede ser proporcionar la señal de reloj a través de una línea independiente. Uno de los extremos (el receptor o el transmisor) enviará regularmente un pulso de corta duración. El otro extremo utilizará esta señal a modo de reloj. Esta técnica funciona bien a distancias cortas. Sin embargo, a distancias superiores, los pulsos de reloj pueden sufrir las mismas dificultades y defectos que las propias señales de datos, por lo que pueden aparecer errores de sincronización. La otra alternativa consiste en incluir la información relativa a la sincronización en la propia señal de datos. En señalización digital, esto se puede llevar a cabo mediante la codificación Manchester o Manchester diferencial. En señalización analógica se han desarrollado, a su vez, varias técnicas; por ejemplo, usando la fase de la propia portadora. En la transmisión síncrona se requiere además un nivel de sincronización adicional para que el receptor pueda determinar dónde está el comienzo y el final de cada bloque de datos. Para llevar a cabo esto, cada bloque comienza con un patrón de bits denominado preámbulo y, por lo general, termina con un patrón de bits denominado final. Además de los anteriores, se añaden otros bits que se utilizan en los procedimientos de control del enlace estudiados en el Capítulo 7. Al conjunto de bits, o unidad de información formada por los datos más el preámbulo más los bits de final junto con la información de control se le denomina trama. El formato en particular de la trama dependerá del procedimiento de control del enlace que se utilice.

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Figura 6.2. Formato de una trama síncrona.

En la Figura 6.2 se muestra, en términos generales, un formato típico de una trama en una transmisión síncrona. Normalmente, la trama comienza con un preámbulo de 8 bits llamado delimitador ( flag). El mismo delimitador se utiliza igualmente como indicador del final de la trama. El receptor buscará la aparición del delimitador que determina el comienzo de la trama. Este delimitador estará seguido por algunos campos de control, el campo de datos (de longitud variable para la mayoría de los protocolos), más campos de control y, por último, se repetirá el delimitador indicando el final de la trama. Para los bloques de datos que sean suficientemente grandes, la transmisión síncrona es mucho más eficiente que la asíncrona. La transmisión asíncrona requiere un 20 por ciento, o más, de bits suplementarios. La información de control, el preámbulo y el final son normalmente menos de 100 bits. Por ejemplo, en HDLC, uno de los esquemas más utilizados (estudiado en el Capítulo 7), se definen 48 bits de control, preámbulo y final. Por tanto, por cada bloque de datos de 1.000 caracteres, cada trama contendrá 48 bits de bits suplementarios y 1.000 # 8 % 8.000 bits de datos, lo que corresponde a un porcentaje de bits suplementarios igual a 48/8.048 # 100% % 0,6% solamente.

6.2.

TIPOS DE ERRORES En los sistemas de transmisión digital, se dice que ha habido un error cuando se altera un bit. Es decir, cuando se transmite un 1 binario y se recibe un 0, o cuando se transmite un 0 binario y se recibe un 1. Existen dos tipos de errores: errores aislados o errores a ráfagas. Los primeros corresponden con eventualidades que alteran a un solo bit, sin llegar a afectar a los vecinos. Por el contrario, se dice que ha habido una ráfaga de longitud B cuando se recibe una secuencia de B bits en la que el primero, el último y cualquier número de bits intermedios son erróneos. De forma más precisa, la norma IEEE 100 define una ráfaga de errores como: Ráfaga de errores: grupo de bits en el que dos bits erróneos cualquiera estarán siempre separados por menos de un número x de bits correctos. El último bit erróneo en l ráfaga y el primer bit erróneo de la siguiente estarán, consecuentemente, separados por al menos x bits correctos. Por tanto, en una ráfaga de errores habrá un conjunto de bits con un número dado de errores, aunque no necesariamente todos los bits en el conjunto sean erróneos. Un error aislado se puede dar en presencia de ruido blanco, cuando cualquier deterioro aleatorio en la relación señal-ruido sea suficiente para confundir al receptor en un único bit. Por lo general, las ráfagas son más frecuentes y más difíciles de tratar. Pueden estar causadas por ruido impulsivo, descrito en el Capítulo 3. En entornos de comunicación móvil, otra causa para las ráfagas son los desvanecimientos, descritos en el Capítulo 14. Téngase en cuen ta que los efectos de una ráfaga serán siempre mayores cuanto mayor sea la velocidad de transmisión.

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Ejemplo 6.1. Supóngase un ruido impulsivo o un desvanecimiento de 1 ]s. A una velocidad de transmisión de 1 Mbps causará una ráfaga de 10 bits. A 100 Mbps la ráfaga será de 100 bits.

6.3.

DETECCIÓN DE ERRORES En todo sistema de transmisión habrá ruido, independientemente de cómo haya sido diseñado. El ruido dará lugar a errores que modificarán uno o varios bits de la trama. En lo que sigue, se supondrá que los datos se transmiten mediante una o varias secuencias contiguas de bits, denominadas tramas. A continuación, se definen las siguientes probabilidades para los posibles errores en las tramas transmitidas: Pb : Probabilidad de que un bit recibido sea erróneo, también se denomina tasa de error por bit (BER, Bit Error Rate). P1 : probabilidad de que una trama llegue sin errores. P2 : probabilidad de que, utilizando un algoritmo para la detección de errores, una trama llegue con uno o más errores no detectados. P3 : probabilidad de que, utilizando un algoritmo para la detección de errores, una trama llegue con uno o más errores detectados y sin errores indetectados. En primer lugar, se considerará el caso en el que no se toman medidas para detectar errores. En ese caso, la probabilidad de errores detectados (P3) es cero. Para calcular las otras probabilidades se supondrá que todos los bits tienen una probabilidad de error (Pb) constante e independiente. Entonces se tiene que: P1 % (1 . Pb)F P2 % 1 . P1 donde F es el número de bits por trama. Dicho en palabras, como cabría esperar, la probabilidad de que una trama llegue sin ningún bit erróneo disminuye al aumentar la probabilidad de que un bit sea erróneo. Además, la probabilidad de que una trama llegue sin errores disminuye al aumentar la longitud de la misma; cuanto mayor es la trama, mayor número de bits tendrá, y mayor será la probabilidad de que alguno de los bits sea erróneo. Ejemplo 6.2. Un objetivo predefinido en las conexiones RDSI es que la BER en un canal a 64 kbps debe ser menor que 10.6 para, por lo menos, el 90% de los intervalos observados de 1 minuto de duración. Supóngase ahora que se tiene un usuario con requisitos menos exigentes para el que, en el mejor de los casos, una trama con un bit erróneo no detectable ocurriera por cada día de funcionamiento continuo en una canal a 64 kbps. Supóngase que la longitud de la trama es de 1.000 bits. El número de tramas que se pueden transmitir por día es 5,529 # 106, lo que implica una tasa de tramas erróneas P2 % 1/(5,529 # 106) % 0,18 # 10.6. Pero si se supone un valor de Pb igual a 10.6, entonces P1 % (0,999999)1000 % 0,999 y, por tanto, P2 % 10.3, lo que está tres órdenes de magnitud por encima de lo requerido. Éste es el tipo de resultados que justifica el uso de técnicas para la detección de errores. Todas ellas se basan en el siguiente principio (véase Figura 6.3). Dada una trama de bits, se añaden bits

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Figura 6.3. Procedimiento para detectar errores.

adicionales por parte del transmisor para formar un código con capacidad de detectar errores. Este código se calculará en función de los otros bits que se vayan a transmitir. Generalmente, para un bloque de datos de k bits, el algoritmo de detección de errores utiliza un código de n . k bits, siendo (n . k) a k. El código de detección de errores, también llamado bits de comprobación, se añade al bloque de datos para generar la trama de n bits de longitud, la cual será posteriormente transmitida. El receptor separará la trama recibida en los k bits de datos y los (n . k) bits correspondientes al código de detección de errores. El receptor realizará el mismo cálculo sobre los bits de datos recibidos y comparará el resultado con los bits recibidos en el código de detección de errores. Se detectará un error si, y solamente si, los dos resultados mencionados no coinciden. Por tanto, P3 es la probabilidad de que la trama contenga errores y el sistema los detecte. P2 se denomina tasa de error residual y se define como la probabilidad de que no se detecte un error aunque se esté usando un esquema de detección de errores. COMPROBACIÓN DE PARIDAD El esquema más sencillo para detectar errores consiste en añadir un bit de paridad al final de cada bloque de datos. Un ejemplo típico es la transmisión de caracteres en la que se añade un bit de paridad por cada carácter IRA de 7 bits. El valor de este bit se determina de tal forma que el carácter resultante tenga un número impar de unos (paridad impar) o un número par (paridad par). Ejemplo 6.3. Si el transmisor está transmitiendo una G en IRA (1110001) y utiliza paridad impar, añadirá un 1 y transmitirá 111100012. El receptor examinará el carácter recibido y si el

2 Recuérdese del Apartado 5.1 que el bit menos significativo de un carácter se transmite primero y que el bit de paridad es el bit más significativo.

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número total de unos es impar, supondrá que no ha habido errores. Si un bit (o cualquier número impar de bits) se invierte erróneamente durante la transmisión (por ejemplo, 11000011), entonces el receptor detectará un error. Nótese, no obstante, que si dos (o cualquier número par) de bits se invierten debido a un error, aparecerá un error no detectado. Normalmente, se utiliza paridad par para la transmisión síncrona y paridad impar para la asíncrona. La utilización de bits de paridad no es infalible, ya que los impulsos de ruido son, a menudo, lo suficientemente largos como para destruir más de un bit, especialmente a velocidades de transmisión altas. COMPROBACIÓN DE REDUNDANCIA CÍCLICA (CRC) Uno de los códigos para la detección de errores más habitual y más potente son los de comprobación de redundancia cíclica (CRC, Cyclic Redundancy Check), que se pueden explicar de la siguiente manera. Dado un bloque o mensaje de k-bits, el transmisor genera una secuencia de (n . k) bits, denominada secuencia de comprobación de la trama (FCS, Frame Check Sequence), de tal manera que la trama resultante, con n bits, sea divisible por algún número predeterminado. El receptor dividirá la trama recibida entre ese número y si no hay resto en la división, supondrá que no ha habido errores3. Para clarificar el funcionamiento de este procedimiento, a continuación se va a explicar de tres maneras: usando aritmética módulo 2, mediante polinomios y usando lógica digital. Aritmética módulo 2 La aritmética módulo 2 hace uso de sumas binarias sin acarreo, lo cual es exactamente igual que la operación lógica exclusive-OR. La operación de resta binaria sin acarreos es también igual que la operación lógica exclusive-OR. Por ejemplo: 1111 !1010 0101 1111 .0101 1010 11001 # 11 11001 11001 101011

Algunas definiciones: T % trama de n bits a transmitir. M % mensaje con k bits de datos, correspondientes con los primeros k bits de T. F % (n . k) bits de FCS, los últimos (n . k) bits de T. P % patrón de n . k ! 1 bits; éste es el divisor elegido. El objetivo es que la división T/P no tenga resto alguno. Es evidente que T % 2n.kD ! F
3 Este procedimiento es ligeramente diferente al de la Figura 6.3. Como se verá más adelante, el procedimiento de la CRC se puede realizar de la siguiente manera. El receptor podría realizar una división sobre los bits de datos de entrada y comparar el resultado con los bits de comprobación.

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Es decir, multiplicar D por 2n.k en realidad equivale a desplazar hacia la izquierda n . k bits, añadiendo ceros al resultado. Finalmente, en la obtención de T, al sumar F lo que estamos haciendo es, en realidad, concatenar D y F. El objetivo es hacer T divisible entre P. Supóngase que se divide 2n.kD entre P: 2n.kD R %Q! P P (6.1)

Hay un cociente y un resto. El resto será siempre al menos un bit más corto que el divisor, ya que la división es módulo 2. La secuencia de comprobación de la trama, o FCS, será igual al resto de la división. Entonces T % 2n.kD ! R (6.2)

¿Satisface R la condición exigida de que la división T/P tenga resto cero? Para comprobarlo considérese que T 2n.kD ! R 2n.kD R % % ! P P P P Sustituyendo en la Ecuación (6.1)4, se tiene que R R T %Q! ! P P P No obstante, cualquier número binario sumado a módulo 2 consigo mismo es igual a cero. Por tanto, T R!R %Q! %Q P P No hay resto y, por tanto, T es divisible entre P. Así pues, la FCS se genera fácilmente: simplemente se divide 2n.kD entre P y se usan los (n . k) bits del resto como FCS. En el receptor se dividirá T entre P y, si no ha habido errores, no se obtendrá resto alguno. Ejemplo 6.4. 1. Sean: mensaje D % 1010001101 (10 bits) patrón P % 110101 (6 bits) FCS R % a calcular (5 bits) Por tanto, n % 15, k % 10 y (n . k) % 5. 2.
4

El mensaje se multiplica por 25, resultando 101000110100000.
N. del T.: Hay una errata en la edición inglesa.

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3.

El resultado anterior se divide entre P:
1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0