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Redes inalámbricas

Pedro Emaldia R.

Definición:

• El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) define una antena como aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas.

• (IEEE Std. 145-1983).

Introducción

• Tiene como característica ser una región de transición entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada y una onda en el espacio libre, a la que puede además asignar un carácter direccional.

• La misión de la antena es radiar la potencia que se le suministra con las características de direccionalidad adecuadas a la aplicación. Por ejemplo, en radiodifusión o comunicaciones móviles se querrá radiar sobre la zona de cobertura de forma omnidireccional, mientras que en radiocomunicaciones fijas interesará que las antenas sean direccionales.

• Asimismo, para poder extraer información se ha de ser capaz de captar en algún punto del espacio la onda radiada, absorber energía de esa onda y entregarla al receptor.

Espectro de frecuencias:

Espectro de frecuencias:

• A frecuencias de microondas existe una subdivisión acuñada desde los primeros tiempos del radar, la que se muestra en la siguiente tabla y que es ampliamente utilizada en la actualidad.

Espectro de frecuencias:

• A frecuencias superiores nos encontramos con las ondas electromagnéticas correspondientes al infrarrojo, visible, ultravioleta y rayos X

Comportamiento de las ondas de radio

• Cuanto más larga la longitud de onda, más lejos llega.

• Cuanto más larga la longitud de onda, mejor viaja a través y alrededor de obstáculos.

• Cuanto más corta la longitud de onda, puede transportar más datos.

Concepto de ancho de banda:

Tipos de antenas:

• Antenas alámbricas. Se distinguen por estar construidas con hilos conductores que soportan las corrientes que dan origen a los campos radiados. Pueden estar formadas por hilos rectos (dipolo, V, rómbica), espiras (circular, cuadrada o de cualquier forma arbitraria) y hélices. Este tipo de antenas se caracterizan por corrientes y cargas que varían de forma armónica con el tiempo y con amplitudes que también varían a lo largo de los hilos.

• Antenas de apertura y reflectores. En ellas la generación de la onda radiada se consigue a partir de una distribución de campos soportada por la antena y se suelen excitar con guías de ondas. Son antenas de apertura las bocinas (piramidales y cónicas), las aperturas y las ranuras sobre planos conductores, y las bocas de guía. El tipo mas común es la característica parabólica

Tipos de antenas:

• Agrupaciones de antenas. En ciertas aplicaciones se requieren características de radiación que no pueden lograrse con un solo elemento; sin embargo, con la combinación de varios de ellos se consigue una gran flexibilidad que permite obtenerlas. Estas agrupaciones pueden realizarse combinando, en principio, cualquier tipo de antena.

Alcance de las ondas de radio en función de la frecuencia

Sistemas de coordenadas:

Radiador isotrópico:

• Sería inútil estudiar antenas si no tuviésemos con qué compararlas, por eso se utiliza una antena conceptual denominada isotrópica.

• El radiador isotrópico es una antena perfectamente omnidireccional, con cero decibelios de ganancia que irradia la señal en forma de esfera perfectamente uniforme con la misma intensidad en todas las direcciones.

• Omnidireccional significa que irradia en forma exactamente igual en todas direcciones.

• Las antenas isotrópicas en la realidad no se pueden construir, pues todas tienen una ganancia determinada mayor en alguna dirección.

Ganancia:

• La ganancia de una antena es una medida de su tendencia a concentrar la señal en una dirección específica.

• Una antena con alta ganancia es una antena altamente direccional mientras que una con baja ganancia es omnidireccional.

• La unidad para medir la ganancia es el decibel.

Isotrópico Omnidireccional Directivo

Ganancia:

Diagramas de radiación

• Si bien la información de la radiación es tridimensional, puede ser de interés, y en muchos casos suficiente, representar un corte del diagrama. Los cortes pueden hacerse de infinitas formas.

• Los más habituales son los que siguen los meridianos en una hipotética esfera (cortes para f constante) o los paralelos (cortes con q constante).

• La información de todos los cortes del diagrama es excesiva, por lo que se recurre a representar dicha información sólo en los planos principales.

Diagramas de radiación:

• Los cortes bidimensionales del diagrama de radiación se pueden representar en coordenadas polares o cartesianas.

• En el primer caso el ángulo en el diagrama polar representa la dirección del

• espacio, mientras que el radio representa la intensidad del campo eléctrico o la densidad de potencia radiada.

• En coordenadas cartesianas se representa el ángulo en abscisas y el campo o la densidad de potencia en ordenadas.

Diagramas de radiación:Coordenadas polares

Diagrama

Diagramas de radiación:Coordenadas cartesianas

Diagrama de radiación

• Un diagrama de radiación es un diagrama o gráfica polar que representa intensidades de campo o densidades de potencia en diversas posiciones angulares en relación con una antena.

• Si la gráfica de radiación se traza en base a intensidad de campo eléctrico o densidad de potencia se llama gráfica de radiación absoluta (es decir, distancia variable y potencia fija).

• Si se grafica intensidad de campo o densidad de potencia con respecto al valor en algún punto de referencia, se llama gráfica de radiación relativa (es decir, potencia variable a distancia fija).

Gráfica de radiación absoluta

• Corresponde a una antena no especificada.

• La línea gruesa representa puntos de igual densidad de potencia (10 μw/m2) .

• Los gradientes circulares indican la distancia en incrementos de 2 Kmtrs.

Lóbulo frontal o principal

Lóbulo menor lateral

Gráfica de radiación relativa

• La siguiente figura corresponde a una antena no especificada.

• La línea gruesa representa puntos a igual distancia (10 kmtrs.) y los gradientes circulares muestran densidad de potencia en saltos de 1 μw/m2

• La máxima radiación está en dirección 0º (5 μw/m2) y la menor radiación es en 180º (1 μw/m2)

• En consecuencia la eficiencia direccional es de 5:1

10 Kmtrs. (línea principal)

Gráfica de radiación relativa

• Muestra la densidad de potencia en decibelios

• En direcciones 45º (positiva y negativa) la densidad de potencia es -3 dB (mitad de potencia) en relación con la densidad de potencia en la dirección de máxima radiación. (0º)

Gráfica de radiación antena omnidireccional

Irradia energía en todas las direcciones por igual y en consecuencia la gráfica de radiación es un círculo (mas bien una esfera)

Funcionamiento básico de una antena

• La línea de Tx. termina en un circuito abierto que representa una discontinuidad abrupta para la onda incidente y tiene la forma de una inversión de fase. Esta inversión de fase hace que se irradie algo del voltaje incidente sin reflejarse hacia la fuente.

• La eficiencia de radiación de una línea de tx abierta es extremadamente baja. La energía irradiada se propaga alejándose de la antena en forma de o.e.m. Transversales.

• La eficiencia de la radiación es la relación entre la energía irradiada y la energía reflejada.

Antena de Hertz

Monopolo vertical

Circuito equivalente

Vi Espacio Carga

Transmisor Receptor

VL

Redes inalámbricas (conceptos)

• ¿Qué es una WLAN?¿Qué es una WLAN?

• En términos sencillos una WLAN hace exactamente lo que su nombre implica: proporciona todas las características y ventajas de las tecnologías LAN pero sin las limitaciones de hilos y cables.

Historia de las WLAN (Wireless LANs)

Fecha Evento

1986 Primeras WLANs. 900 MHz (860 Kb/s). No disponible en Europa.

1993 WLANs de 1 y 2 Mb/s en banda de 2,4 GHz. Primeras disponibles en Europa

7/1997 IEEE aprueba 802.11. 1 y 2 Mb/s. Banda de 2,4 GHz e infrarrojos.

1998 Primeros sistemas de11 Mb/s a 2,4 GHz. Preestándar 802.11b.

9/1999 IEEE aprueba 802.11b (hasta 11 Mb/s, 2,4 GHz) y 802.11a (hasta 54 Mb/s, 5 GHz, no disp. en Europa)

12/2001 Primeros productos comerciales 802.11a

12/2001 Borrador 802.11e (QoS en WLANs)

2003 IEEE aprueba 802.11g (hasta 54 Mb/s, 2,4 GHz)

Evolución de las WLAN

Qué es una WLAN?

• Las WLAN utilizan un medio de transmisión igual que las LAN.

• En lugar de cables utilizan el aire como medio de transmisión.

• Utilizan luz infrarroja (IR) u ondas de radio o Radiofrecuencia (RF).

• La RF es preferida por el alcance y ancho de banda.

WLAN:

• Utilizan las bandas de frecuencias de 2,4 GHz a 5 GHz.

• Estas porciones del espectro de frecuencia están reservadas en casi todo el mundo a los dispositivos sin licencia.

• Proporcionan libertad y flexibilidad para operar en edificios y entre edificios.

• Iconos:

Dispositivos (íconos):

Factores para implantar redes inalámbricas:

• Alta disponibilidad.• Escalabilidad.• Manejabilidad.• Arquitectura abierta.• Seguridad.• Costo económico.

Por qué inalámbrico?

• Si las velocidades de las LAN son mucho mas altas, porqué instalar WLAN?

– El costo de implementación es competitivo respecto de una red cableada.

– Con la variedad de oficinas conectadas, las WLAN permiten administrar el ancho de banda.

– Permiten a los usuarios la movilidad sin dejar de estar conectado.

– Durante las reconfiguraciones de oficinas, no es necesario “recablear”

– Es fácil configurar políticas de seguridad.

Ventajas:

• Movilidad• Escalabilidad• Flexibilidad• Ahorro de costos a corto y largo plazo• Ventajas de instalación• Fiabilidad en entornos complejos• Reducción de tiempo de instalación.

Aplicaciones inalámbricas:

• Comunicaciones persona a persona desde automóviles en movimiento o aviones.

• Transmisiones de comunicaciones por satélite.

• Señales telemétricas a sondas espaciales remotas.

• Enlaces de comunicación con los transbordadores espaciales y las estaciones espaciales.

• Comunicaciones sin las ataduras del cobre o la fibra óptica.

• Comunicaciones del tipo “cualquiera a cualquiera” para intercambiar datos en la red.

Instalación de medios:

• A la hora de diseñar redes, es necesario considerar todos los costos involucrados. Al instalar una LAN es necesario considerar:

– Impacto del diseño del edificio.

– Sistema de calefacción, ventilación, aire acondicionado.

– Sistemas de agua, desagüe, iluminación y eléctrico.

– Los materiales estructurales (piedra, hormigón, madera y acero)

– Normativas contra incendios.

Enlaces inalámbricos edificio a edificio:

• Normalmente se realizan en fibra óptica. No necesitan conexión a tierra.

• Es cara y tecnológicamente compleja.

• La instalación de antenas en techos es una buena alternativa.

• Con puentes WLAN es posible conectar edificios a varias decenas de kilómetros y a velocidades de 11 Mbps.

Tecnologías inalámbricas

Distancia frente a velocidad

Elementos de tecnologías inalámbricas

• La TV• Radio comercial AM/FM• Comunicaciones satelitales• Redes de computadores

Uso tecnologías inalámbricas