UM MTI InzirilloR

Universidad de Mendoza

Facultad de Ingeniera Tesis de Maestra en Teleinformtica

Transmisin de datos para estaciones mviles en la banda de HF

Autor: Ing. Roberto Inzirillo

Directores de Tesis: Magister Ing. Osvaldo Marianetti

Ing. Osvaldo Rosso

Mendoza, septiembre de 2007

Dedicado a mi esposa, Carla. Y a mis hijos:

Franco, Carla, Bianca, Sofa y Luca.

AGRADECIMIENTOS:

A mis padres, por su amor incondicional y continuo apoyo.

A mis colegas de la Facultad de Ingeniera y del IEMA, que me

acompaaron durante mi crecimiento personal y profesional.

A mis alumnos que me han servido de inspiracin durante tantos aos.

RESUMEN

En el presente trabajo se propone la transmisin mediante ondas de

radiofrecuencia de informacin en forma de datos digitales, como

alternativa a las redes existentes, pensando en sitios de poca o ninguna

penetracin de otros medios de comunicacin y una alternativa

econmicamente viable e independiente a las comunicaciones satelitales.

El captulo I representa los planteos iniciales del problema, los objetivos,

alcances y limitaciones del presente documento. Se analiza el problema

de la transmisin de datos y el uso de las seales de radio para

transmisin de datos desde una perspectiva de viabilidad, para llegar alas

necesidades actuales.

Los antecedentes y el marco terico se detallan en el Captulo II. Es ste

se comienza con un enfoque histrico de la informacin como datos y su

transmisin a distancia. dada la profundidad y complejidad del mundo de

las comunicaciones, se realiza un repaso de los principales factores

actuantes y condicionantes de un proyecto que involucre un sistema como

el planteado en los objetivos del trabajo, no solo desde el punto de vista

tcnico, sino del marco normativo, legal y regulatorio.

A continuacin, el captulo III, plantea un anlisis detallado del estado del

arte en las telecomunicaciones, referentes a la transmisin de datos,

revisando los sistemas, programas y equipos disponibles en la actualidad

y presentando los aspectos relevantes con que cuenta un sistema que

requiere la versatilidad que la informacin digital de hoy en da necesita a

la vez que se proponen mejoras y alternativas para incrementar la

capacidad, disponibilidad y confiabilidad del sistema, as como su

integracin dentro de las redes de datos globales existentes.

Roberto Inzirillo - Transmisin de datos para estaciones mviles en la banda de HF

En el captulo IV se proporcionan las herramientas y fundamentos

tcnicos, normativos y de experiencia del autor y otros profesionales y

agencias en el anlisis de prefactibilidad, el desarrollo de un proyecto y su

viabilidad tcnica y econmica, en forma de una gua, ya que la

implementacin prctica escapa al alcance del presente trabajo y su

diseo e implementacin se encuentran fuertemente condicionado al

anlisis de las condiciones reales de operacin. Se incluyen adems un

listado de los equipos y software necesarios para la implementacin de un

sistema con las caractersticas requeridas.

Por ltimo se exponen las conclusiones en las que se coloca la tecnologa

descripta en este documento en perspectiva con la tendencia actual en

las telecomunicaciones y la integracin de redes de distinto origen y

naturaleza para cubrir las necesidades de comunicacin y los diversos

tipos de informacin que es actualmente traficada.



NDICES

NDICE GENERAL

I. INTRODUCCIN ___________________________________________ 13

A. PLANTEO DE LA PROBLEMTICA _____________________________ 14

B. OBJETIVOS ___________________________________________________ 15 1. Simplicidad y economa _______________________________________________15 2. Confiabilidad________________________________________________________16 3. Capacidad __________________________________________________________17

C. CONTEXTO GENERAL_________________________________________ 18

D. ALCANCES Y LIMITACIONES __________________________________ 18

II. MARCO TERICO Y ANTECEDENTES ______________________ 20

A. RESEA HISTRICA __________________________________________ 20

B. ANTECEDENTES ______________________________________________ 21 1. Comunicaciones en HF ________________________________________________21 2. Sistemas de boletines _________________________________________________23 3. Transmisin de datos va satlite ________________________________________26

C. MARCO TERICO _____________________________________________ 27 1. Modelo ISO/OSI _____________________________________________________27 2. Medio Fsico ________________________________________________________33

a) Propagacin electromagntica _____________________________________33 b) El canal ionosfrico _______________________________________________37 c) Tcnicas de diversidad ____________________________________________39 d) Aspectos limitantes de la propagacin_______________________________40 e) Modulacin ______________________________________________________43

3. Protocolos de transmisin de datos _______________________________________52 a) Conceptos bsicos _______________________________________________53 b) Modos de transmisin_____________________________________________54 c) Caractersticas de los protocolos a nivel fsico ________________________61 d) Protocolos de transmisin a nivel de enlace __________________________63 e) Protocolos de transmisin a nivel de red _____________________________64

Pg. 3


D. MARCO NORMATIVO Y LEGAL ________________________________ 65 1. Entidades internacionales______________________________________________65

a) Principios internacionales en materia de utilizacin del espectro ________66 b) Tratados o Acuerdos multilaterales _________________________________68

2. Normas nacionales ___________________________________________________69 a) Derechos, obligaciones y responsabilidad del Estado__________________70 b) Derechos, obligaciones y responsabilidades de los operadores autorizados 71

3. Legislacin vigente ___________________________________________________72 a) Creacin de la CNC ______________________________________________72 b) Normativa relacionada ____________________________________________73

4. Estndares Internacionales _____________________________________________74 5. Estndares en comunicaciones militares en HF _____________________________79

III. DESARROLLO ___________________________________________ 82

A. INTRODUCCIN ______________________________________________ 82

B. CONDICIONES DE SELECCIN_________________________________ 84 1. Medio fsico ________________________________________________________84 2. Trasporte de datos ____________________________________________________86 3. Otros protocolos anlogos. _____________________________________________87

C. SELECCIN DEL SISTEMA DE TRANSMISIN___________________ 89 1. Breve resea.________________________________________________________90 2. Descripcin de la arquitectura___________________________________________91

a) Definiciones _____________________________________________________91 b) Interfaz area comn _____________________________________________92 c) Interoperabilidad dentro de la subred________________________________93 d) Comunicacin entre subcapas adyacentes y anlogas. ________________94

3. Estructura de datos y primitivas _________________________________________97 a) Interfaz de Subred ________________________________________________97

1. Sesin de Intercambio de Datos Soft Link ____________________________98 2. Sesin de Intercambio de Datos Hard Link ___________________________100 3. Sesin de Difusin______________________________________________103

b) Primitivas intercambiadas con los clientes __________________________104 CODIFICACIN DE PRIMITIVAS ____________________________________105

c) Estructuras de datos _____________________________________________106

Pg. 4


1. Funcin de la DTS______________________________________________107 2. Modo de entrega de datos ________________________________________107 3. Estructura de la D_PDU _________________________________________108

d) Direccionamiento de nodos _______________________________________110 4. Clientes STANAG 5066 ______________________________________________111

a) HMTP (Protocolo de Transferencia de Correo por HF) ________________113 b) HFPOP (Protocolo de Oficina Postal por HF) ________________________114 c) RCOP (Protocolo Confiable Orientado a Conexin) __________________114 d) UDOP (Protocolo No confiable Orientado a Datagrama) ______________115 e) BFTP (Protocolo Bsico de Transferencia de Archivos) _______________116 f) FRAP (Protocolo de Confirmacin de Recepcin de Archivo) __________116 g) PPP (Protocolo Punto a Punto)____________________________________116 h) CFTP (Protocolo de Transferencia de Datos Comprimidos) ___________117

D. IP SOBRE STANAG 5066 _______________________________________ 118 1. Introduccin _______________________________________________________118 2. El Cliente IP _______________________________________________________119

Calidad de Servicio (QoS Quality of Service) en el Cliente IP _____________122 3. Implementacin de IP sobre HF ________________________________________122

a) Compresin de los encabezados TCP/IP ___________________________123 b) Compresin de los datos _________________________________________125 c) Enrutamiento ___________________________________________________126

1. Protocolos de enrutamiento interior para redes Ad-Hoc _________________126 2. Poltica de enrutamiento exterior___________________________________127

4. Una solucin para redes pequeas ______________________________________128

E. EL MEDIO FSICO. MDEM Y RADIO __________________________ 132 1. Introduccin _______________________________________________________132 2. Interfaces con el DTE ________________________________________________132

a) Interfaz entre la Subcapa de Transferencia de Datos y el equipo de comunicaciones______________________________________________________132 b) Interfaz de Control Remoto del mdem HF__________________________133

3. Parmetros bsicos del equipo de radio HF _______________________________134 a) Modos de operacin _____________________________________________135

1. Modo bsico __________________________________________________135 2. Operacin manual ______________________________________________135 3. Modo ALE____________________________________________________135

Pg. 5


4. Modo Anti-interferencia _________________________________________136 5. Proteccin del enlace____________________________________________136

b) Interfaces ______________________________________________________136 1. Caractersticas elctricas de las interfaces digitales_____________________136 2. Caractersticas elctricas de las interfaces analgicas ___________________136 3. Caractersticas elctricas de las interfaces analgicas ___________________137

4. Parmetros bsicos del mdem de HF ___________________________________139 a) Introduccin ____________________________________________________139 b) Modulacin, tasas de transmisin y tolerancia _______________________139 c) Sensado de lgica y sealizacin__________________________________140 d) Caractersticas de interfaces digitales ______________________________141 e) Caractersticas de seales casi-analgicas__________________________141

1. Impedancia del mdem en sistema multicanal ________________________141 2. Impedancia del mdem en un sistema monocanal______________________141 3. Niveles de seales cuasi analgicas en sistemas multicanal ______________142 4. Equipo de reloj, control y temporizacin_____________________________142 5. Protocolo de enlace de datos ______________________________________145

5. Establecimiento Automtico del Enlace __________________________________145 a) Introduccin ____________________________________________________145 b) ALE en International Amateur Radio (Radioaficionados) ______________146 c) ALE de tercera generacin _______________________________________146

1. Control de frecuencia____________________________________________147 2. Sincronizacin de red ___________________________________________148 3. Bsqueda de canales ____________________________________________149 4. Direcciones 3G-ALE ____________________________________________150 5. Requerimientos del sistema _______________________________________151 6. Otras funcionalidades ___________________________________________154

6. Dispersin Espectral _________________________________________________156 a) Breve resea histrica ___________________________________________156 b) Conceptos bsicos ______________________________________________157 c) Requerimientos generales ________________________________________158

1. Conjuntos de saltos _____________________________________________158 2. Requerimientos del rendimiento del sistema __________________________159

d) Requerimientos de procedimientos del sistema ______________________160 1. Enlace antes del salto____________________________________________160 2. Enlace durante el salto___________________________________________160

Pg. 6


IV. EVALUACIN ECONMICA ______________________________ 165

A. INTRODUCCIN _____________________________________________ 165

B. GUA DE IMPLEMENTACIN Y DISEO _______________________ 166 1. Aspectos generales __________________________________________________166

a) Definicin y anlisis de los requerimientos __________________________166 b) Planes de enrutamiento y troncalizacin ____________________________168 c) Plan de frecuencias______________________________________________168 d) Requerimientos del personal ______________________________________169 e) Requerimientos logsticos ________________________________________169

1. Instalaciones terminales__________________________________________169 2. Tiempo de vida til del sistema ____________________________________170 3. Requerimiento de los inmuebles ___________________________________170 4. Impacto ambiental ______________________________________________170

f) Requerimientos de las comunicaciones_____________________________171 1. Relacin seal a ruido ___________________________________________171 2. Tasa de modulacin_____________________________________________171 3. Tipos de servicio _______________________________________________171

g) Estimacin de costos ____________________________________________172 1. Costos iniciales ________________________________________________172 2. Costos de equipamiento__________________________________________174 3. Costo de instalacin_____________________________________________174

2. Anlisis y diseo del sistema __________________________________________176 a) Topologa de la red ______________________________________________176 b) Ubicacin geogrfica_____________________________________________177 c) Parmetros de trayectorias operacionales __________________________178

1. Ruido ambiental________________________________________________178 2. Caractersticas de las antenas______________________________________179

d) Seleccin del equipamiento _______________________________________180 1. Configuraciones tpicas de sistemas de HF ___________________________180 2. Subsistemas transmisor / receptor __________________________________181 3. Subsistema de antena____________________________________________182 4. Interfaces de frecuencia vocal _____________________________________182 5. Interfaces digitales______________________________________________183 6. Lneas de transmisin ___________________________________________183

3. Planes de evaluacin y prueba _________________________________________183

Pg. 7


a) Comportamiento del sistema ______________________________________184 b) Comportamiento de la red ________________________________________184 c) Transferencia de datos y mensajes ________________________________185 d) Rendimiento energtico __________________________________________185 e) Seguridad ______________________________________________________185

C. EQUIPOS Y SOFTWARE COMERCIALES _______________________ 185 1. Software __________________________________________________________186

a) Protocolos STANAG 5066 ________________________________________186 1. Open5066 ____________________________________________________187 2. Rohde & Schwartz______________________________________________187 3. SystemSoft____________________________________________________187 4. CODAN______________________________________________________188 5. Comtrol ______________________________________________________188

b) Sistema ALE____________________________________________________189 1. NorthStar _____________________________________________________189

c) Software complementario_________________________________________189 1. Subcapa SIS___________________________________________________190 2. Compresin de datos ____________________________________________190

d) Sistemas de comunicacin integrados______________________________191 1. Harris ________________________________________________________191 2. Rohde & Schwartz______________________________________________191 3. RapidM ______________________________________________________192 4. SkySweep ____________________________________________________192

2. Hardware__________________________________________________________193 a) Transceptores __________________________________________________193

1. ICOM________________________________________________________193 2. Thales _______________________________________________________194 3. Bahrat Electronics ______________________________________________195 4. Tadirn_______________________________________________________195

b) Mdems _______________________________________________________196 1. Frederick Electronics____________________________________________196 2. Codan________________________________________________________196 3. Spirit ________________________________________________________197

c) Sistemas de comunicaciones _____________________________________197 1. Rohde & Schwartz______________________________________________197 2. Rockwell Collins _______________________________________________198

Pg. 8


V. CONCLUSIONES __________________________________________ 200

APNDICE ___________________________________________________ 206

ELEMENTOS DE UN SISTEMA RADIO HF___________________________ 206 1. Introduccin _______________________________________________________206 2. Grupo transmisor____________________________________________________206 3. Grupo receptor _____________________________________________________207 4. Grupo de antenas____________________________________________________208

a) Parmetros y caractersticas de las antenas. ________________________208 1. Impedancia ___________________________________________________208 2. Ganancia _____________________________________________________209 3. Patrn de radiacin _____________________________________________209 4. ngulo de elevacin o despegue ___________________________________210 5. Polarizacin ___________________________________________________211

b) Tipos de antenas ________________________________________________211 1. Ltigo________________________________________________________211 2. Dipolo _______________________________________________________212 3. Vee invertida ________________________________________________213 4. Direccionales __________________________________________________214

GLOSARIO ___________________________________________________ 215

BIBLIOGRAFA _______________________________________________ 227

A. LIBROS: _____________________________________________________ 227

B. PAPERS Y PUBLICACIONES ELECTRNICAS:__________________ 228

C. ESTNDARES APLICABLES ___________________________________ 229 1. Estndares de telecomunicaciones federales_______________________________229 2. Estndares militares _________________________________________________229 3. Manuales militares __________________________________________________229 4. Estndares de ingeniera DISA (DCA) ___________________________________230 5. Estndares americanos (ANSI, IEEE, TIA/EIA, NEC)_______________________230 6. Estndares internacionales (NATO, ITU-R) _______________________________230

NOTAS _______________________________________________________ 233

NDICE DE ILUSTRACIONES

Pg. 9


Ilustracin II-1: LUSAT-1...............................................................................................................25 Ilustracin II-2: Modelo de Referencia ISO/OSI ............................................................................30 Ilustracin II-3: Conformacin de una trama OSI..........................................................................31 Ilustracin II-4: Capas de Red del modelo OSI ..............................................................................31 Ilustracin II-5: Capas de Usuario del modelo OSI .......................................................................32 Ilustracin II-6: Modos de propagacin de una onda electromagntica........................................34 Ilustracin II-7: Propagacin ionosfrica ......................................................................................37 Ilustracin II-8: Seales Binarias Moduladas ................................................................................44 Ilustracin II-9: Error en modulacin binaria................................................................................47 Ilustracin II-10: Caracter de Operacin Asincrnica...................................................................55 Ilustracin II-11:Trama en Operacin Sincrnica .........................................................................56 Ilustracin II-12: Configuracin Punto-Multipunto .......................................................................58 Ilustracin II-13: Multiplexado por Divisin de Frecuencias ........................................................60 Ilustracin II-14: Multiplexado por Divisin de Tiempo ................................................................61 Ilustracin III-1: Interfaces del Protocolo ARQ .............................................................................87 Ilustracin III-2: Modelo de capas del estandar STANAG5066 .....................................................94 Ilustracin III-3: Transferencia de datos entre subcapas adyacentes y pares................................95 Ilustracin III-4: Establecimiento de un Hard Link - Extremo llamante ......................................101 Ilustracin III-5: Establecimiento de un Hard Link - Extremo llamado .......................................102 Ilustracin III-6: Terminacin de un Hard Link - Extremo iniciador...........................................103 Ilustracin III-7: Terminacin de Hard Link - Extremo remoto ...................................................103 Ilustracin III-8: Estructura de una primitiva "S" ........................................................................106 Ilustracin III-9: Estructura de una D_PDU................................................................................108 Ilustracin III-10: Mapeo del Encabezado de una D_PDU..........................................................109 Ilustracin III-11: Formato de una U_PDU.................................................................................112 Ilustracin III-12: Estructura de trama U_PDU para cliente RCOP...........................................115 Ilustracin III-13: Formato del encabezado BFTP.......................................................................116 Ilustracin III-14: Formato de la estructura de CFTP .................................................................117 Ilustracin III-15: Ejemplo de la implementacin de un cliente IP ..............................................121 Ilustracin III-16: Configuracin de un Gateway de Internet - HF..............................................122 Ilustracin III-17: Protocolo Token Ring inalmbrico .................................................................129 Ilustracin III-18: Formato de una U_PDU de Geston para Token Ring ...................................130 Ilustracin III-19: Modelo de capas de un sistema radio HF.......................................................135 Ilustracin III-20: Interfaces del subsistema de radio ..................................................................137 Ilustracin III-21: Respuesta del canal de banda lateral nica en equipos de HF......................138 Ilustracin III-22: Sistema estandarizado de transmisin de datos..............................................140

Pg. 10


Ilustracin III-23: Suite de Protocolos 3G-ALE ...........................................................................147 Ilustracin III-24: Estructura de direcciones 3G-ALE .................................................................150 Ilustracin III-25: Estructura de detencin sncrona....................................................................162 Ilustracin III-26: Transmisin de PDU en saltos de frecuencia .................................................163 Ilustracin IV-1Transceptor ICOM IC-F7000..............................................................................194 Ilustracin IV-2 Nodo de comunicciones HF con TRC3600 de ICOM .........................................195 Ilustracin IV-3 Familia de transceptores HF-6000 Tadirn.......................................................196 Ilustracin IV-4 Modem HF NSG Datacom 4539.........................................................................196 Ilustracin IV-5 Mdem de HF 3112 de Codan............................................................................197 Ilustracin IV-6 HF Transceiver R&S RS150T.............................................................................198 Ilustracin IV-7 Rockwell Collos SDCP 2000 Mk II.....................................................................199 Ilustracin A-1: Esquema de un sistema transmisor de radio HF tpico ......................................206 Ilustracin A-2: Esquema de un sistema transmisor de radio HF tpico ......................................207 Ilustracin A-3: Ejemplos de diagramas de radiacin en una antena direccional......................210 Ilustracin A-4: Diagrama de radiacin vertical tpico de una antena de ltigo.......................212 Ilustracin A-5: Antena de dipolo horizontal................................................................................213 Ilustracin A-6; Antena "Vee" invertida .......................................................................................213 Ilustracin A-7: Antena logartmica peridica .............................................................................214

Pg. 11


NDICE DE TABLAS

Tabla III-1: Comparativa de la estructura de capas con el modelo OSI ........................................93 Tabla III-2: Primitivas intercambiadas entre la SIS y los clientes ...............................................105 Tabla III-3: Tipo de tramas D_PDU.............................................................................................109 Tabla III-4: SAP-ID de Clientes STANAG 5066 ...........................................................................111 Tabla III-5: Mapeo de IP TOS a opciones de servicio STANAG 5066 ........................................122 Tabla III-6: Referencia de modulacin para aplicaciones de mdems.........................................139 Tabla III-7: Seales y lgica binaria para mdems......................................................................141 Tabla III-8: Requerimientos para probabilidad de enlace ...........................................................152 Tabla III-9: Requerimientos de deteccin de ocupacin de canal ...............................................153 Tabla III-10: Modos de operacin con 3G-ALE ...........................................................................158 Tabla III-11: Probabilidad para enlazado durante el salto de frecuencia ...................................159 Tabla III-12: Requerimientos para deteccin de ocupacin para enlace durante el salto ...........160

NDICE DE ECUACIONES

Ecuacin II-1: Condiciones de refraccin en tre un medi dielctrico y uno conductor..................35 Ecuacin II-2: Expresin general de la Ley de Snell......................................................................35 Ecuacin II-3: Expresin particular de la Ley de Snell para el caso de estudio ............................35 Ecuacin II-4: Ley de la reflexin de la ptica...............................................................................36 Ecuacin II-5: Expresin del coeficiente de reflexin ....................................................................36 Ecuacin II-6: ngulo de Brewster para medios no ferromagnticos ............................................36 Ecuacin II-7: Relacin seal a ruido normalizada .......................................................................46 Ecuacin II-8: Velocidad de transmisin en sistemas binarios ......................................................50 Ecuacin II-9: Orden del sistema de modulacin...........................................................................50 Ecuacin II-10: Velocidad de transmisin para sistemas M-arios .................................................50 Ecuacin II-11: Tasa de informacin .............................................................................................51 Ecuacin II-12: Velocidad de informacin .....................................................................................52 Ecuacin II-13: Capacidad de canal ..............................................................................................54 Ecuacin III-1: Periodo d bsqueda de canales en 3G-ALE ........................................................150 Ecuacin III-2: Tiempo lmite para envo de datos en un salto ....................................................163 Ecuacin III-3: Bits por salto de una PDU...................................................................................163 Ecuacin III-4: Cantidad de saltos dpara transmitir una PDU....................................................163

Pg. 12


I. INTRODUCCIN

Las comunicaciones han sido sinnimo de avance y desarrollo desde los

inicios de la humanidad, pero en este siglo, gracias a la transmisin de

seales a distancia utilizando ondas electromagnticas, ha habido una

revolucin en las mismas.

Desde principios del siglo XX el desarrollo de las comunicaciones ha sido

vertiginoso, al punto que en la actualidad difcilmente exista algn sitio en

el planeta desde el cual no podamos comunicarnos por algn medio. En

particular, para los parajes alejados predomina la transmisin de

informacin mediante el aprovechamiento del fenmeno de propagacin

de las ondas electromagnticas.

Estas viajan en distintos medios, inclusive en el vaco, lo cual ha sido

imprescindible para los viajes espaciales y es la base de las

comunicaciones satelitales. Incluso es posible alcanzar distancias

considerables aprovechando los efectos que la atmsfera y el suelo

tienen sobre estas ondas.

De esta forma es posible comunicar puntos alejados utilizando distintas

tecnologas, con variada confiabilidad y obviamente con diferentes costos.

Actualmente hay una tendencia a unificar la informacin a ser transmitida

en un mismo medio, en particular digitalizando la misma a fin de

simplificar el manejo de distintos orgenes en formatos comunes,

conocidos como multimedia.

Pg. 13


A. PLANTEO DE LA PROBLEMTICA

El origen del presente trabajo se inicia como una inquietud frente a dos

problemas que fueron planteados como casos de estudio o aplicacin. En

primera instancia desde hace varios aos funciona en la Universidad de

Mendoza (UM) una estacin de transmisin de datos va radio, en un

principio utilizada solo para un sistema de boletines o Bulletin Board

System (BBS), que luego fue expandiendo su aplicacin a la transmisin

de correo electrnico hasta llegar a aplicaciones de baja velocidad para

navegacin en Internet para escuelas rurales1.

El inconveniente es que debido a la distancia a cubrir con los radio

enlaces se impone el uso de radio enlaces de Alta Frecuencia o High

Frecuency (HF) que no disponen de mucho ancho de banda por canal, lo

que resulta en bajas velocidades de transmisin.

Por otro lado, dentro del convenio marco suscripto entre la Universidad de

Mendoza y la Armada Argentina2 se plante el inconveniente de

comunicaciones que posee la flota al navegar en altamar, particularmente

en la zona lmite de aguas continentales cercanas a las 200 millas

nuticas de la costa argentina. En este caso se combinan dos factores:

por una parte la movilidad de las embarcaciones y por otro la confiabilidad

en la recepcin debidas a las variaciones atmosfricas.

En este caso solo se transmite voz, pero existe tambin una necesidad de

contar con un medio alternativo para la transmisin de datos, confiable,

seguro e independiente de prestadores privados.

Tambin se hace casi obligatorio el uso de la transmisin en la banda de

HF por las caractersticas del enlace radial a usar.

Pg. 14


B. OBJETIVOS

El objetivo fundamental del presente trabajo es la solucin del

inconveniente de transmitir datos de origen diverso mediante el uso de un

nico enlace radial para cubrir distancias muy largas, esto es, sin el uso

de estaciones repetidoras.

Ello obedece principalmente a tres factores a tener en cuenta: simplicidad

y economa en la implementacin de la solucin, confiabilidad del sistema

y capacidad para soportar distintos tipos de datos, como ser texto, voz e

imagen, incluso video de baja resolucin o barrido lento, a la vez que

contemplar la existencia de movilidad de las estaciones.

1. Simplicidad y economa

Tal como se planteara al inicio del presente captulo, uno de los orgenes

que tuvo el problema es la de resolver la necesidad de contar con un

vnculo de datos de diverso origen para aplicaciones como podra ser el

uso de Internet en una escuela rural, aunque tambin puede ser la

necesidad de comunicaciones de una empresa de geologa, por ejemplo.

Esto implica que el sistema tiene que ser sencillo, de simplicidad en el

montaje, mantenimiento y operacin, ya que no existe la posibilidad de

contar con personal altamente capacitado para ejecutar estas funciones.

Por eso surge la necesidad de contar con una integracin de un sistema

con equipos y materiales de adquisicin comercial, que en la medida de lo

posible cuenten con representantes o distribuidores en el pas, as como

apoyatura tcnica. As es que se intentar no incluir desarrollos propios ni

prototipos, a fin de optimizar este punto.

Por otra parte el concepto de economa es relativo, pero bsicamente

implica dos facetas. La primera es su conveniencia econmica frente a

Pg. 15


otras alternativas de comunicaciones disponibles, como por ejemplo los

enlaces satelitales. Segundo es la seleccin adecuada de los

componentes del sistema, a fin de optimizar el costo de inversin frente a

las necesidades actuales y futuras de comunicacin.

2. Confiabilidad

Este punto, aunque est ntimamente ligado al anterior, es lo

suficientemente importante per se, que merece un anlisis particular.

Se debe fundamentalmente a que el sistema debe contemplar su

utilizacin en condiciones de uso casi extremas, como puede ser la

implementacin en vehculos todo terreno, edificaciones provisorias o

precarias y en navos.

Ello presenta gran diversidad de condiciones ambientales para su

explotacin, as como aquellos efectos de esfuerzos mecnicos,

disponibilidad y variabilidad de sistemas de energa.

A todo ello debe sumarse que el sistema debe ser capaz de sobrellevar

tambin las condiciones de variabilidad en la propagacin de las ondas

electromagnticas ante los efectos de la geografa, las condiciones

meteorolgicas e ionosfricas y la movilidad de las estaciones.

Esta combinacin de factores hace que la adopcin de los componentes

para el sistema sea crtica, ya que se debe cumplir con premisas

aparentemente contradictorias, como son la economa a la vez que gran

durabilidad y confiabilidad. Por lo tanto el anlisis de estas caractersticas

ser de capital importancia, teniendo especial cuidado en la evaluacin de

las diferentes alternativas, as como en los criterios de seleccin.

Pg. 16


3. Capacidad

Debido al auge de las comunicaciones en el siglo pasado, a su

masificacin y a la gran reduccin en los costos de la tecnologa, hay una

disponibilidad de informacin casi infinita susceptible de ser transmitida,

como se obtiene de los contenidos disponibles en la Internet.

A ello se agregan las comunicaciones tradicionales, como ser la voz o la

telefona, fax, teletexto, etc. As tambin surgen nuevas aplicaciones que

comienzan a cobrar importancia, como ser la tele supervisin o telemetra

y el telecontrol o telecomando. Aparecen aplicaciones que hacen uso de

datos ms densos y crticos, en cuanto a su tratamiento, como son las

imgenes o video, en particular si estas han de mostrar informacin en

tiempo real o con retardos breves.

Por lo expuesto es que la transmisin de datos en forma digital ha

cobrado un auge muy importante, ya que permite el tratamiento de la

informacin de manera similar con algunas adaptaciones, modelo este

que se impone por la penetracin del envo de datos a nivel de usuarios

particulares, impulsado por la proliferacin de ordenadores personales, ya

sean de escritorio o porttiles y ltimamente de equipos de telefona

celular capaces de enviar y recibir una gran variedad de contenidos.

El sistema deber, entonces, ser capaz de transportar los tipos ms

comunes de datos, como ser textos, imgenes, archivos, voz y

eventualmente video de baja calidad. Esto se debe a que hay que acotar

el alcance del sistema de comunicacin, ya que la ampliacin del mismo

para manejar mayor cantidad de datos, a mayores velocidades y con

mejor calidad implica un incremento en cuanto a calidad de equipos y

costos que escapan a los parmetros impuestos en los apartados

anteriores.

Pg. 17


C. CONTEXTO GENERAL

Esta tesis, se enmarca dentro de las tareas de investigacin llevadas a

cabo en el Instituto de Estudios del Medio Ambiente (IEMA), que

dependa del Centro de Investigaciones Superiores (CIS) de la

Universidad de Mendoza, actualmente terminadas sus funciones,

particularmente en los proyectos desarrollados en la Estacin Terrena de

Radio y Satelital. La misma actualmente est en el mbito de la Direccin

de Investigaciones Cientficas y Tcnicas (DICyT), dependiente tambin

de la rbita del CIS.

Asimismo, tambin se ajusta dentro de las actividades de investigacin

dentro de la Facultad de Ingeniera (FI) de la UM, especficamente en

aquellas llevadas a cabo en el Departamento de Telecomunicaciones y de

los proyectos susceptibles de ser integrados al convenio de cooperacin

suscripto por la Universidad y la Armada Argentina, citado

precedentemente.

D. ALCANCES Y LIMITACIONES

El objetivo de este trabajo es efectuar un estudio pormenorizado sobre las

bases tericas, desarrollo, integracin y viabilidad de implementacin de

un sistema de transmisin de datos, de diverso origen, para ser recibidos

y transmitidos por estaciones remotas, mviles o no, en sitios donde no

exista la disponibilidad de medios alternativos, susceptible de cubrir

grandes distancias, haciendo uso de equipamiento disponible

comercialmente, con capacidad de integrarse en un nico sistema, simple

y de costos compatibles o inferiores a sistemas similares. Todo ello

haciendo hincapi en la practicidad de instalacin, operacin y

mantenimiento, a fin de reducir los costos operativos.

Pg. 18


Ello se fundamenta en que no existe una solucin comercial integral, y

aquellas soluciones de comunicaciones disponibles son productos

desarrollados para aplicaciones muy especficas, con la consecuente falta

de optimizacin para usos que no sean estrictamente aquellos para los

que fueron desarrollados.

Adicionalmente se plantean ciertos aspectos de la problemtica a tener en

cuenta que justifican el estudio de mtodos alternativos, o simplemente la

bsqueda de una solucin para las comunicaciones en ciertos usos cuya

situacin o necesidades emergentes en los ltimos tiempos, hacen

necesario nuevos desarrollos.

Si bien se tendrn en cuenta tanto los aspectos tcnicos, como los

econmicos, en cuanto a las limitaciones que tiene el presente estudio, la

fundamental es la econmica, ya que a pesar de tender a una reduccin

de los costos, la implementacin de un prototipo son muy onerosos,

siendo necesario para ello la inversin en este aspecto. Esto justifica el

presente estudio, que a su vez es un estudio de factibilidad del desarrollo

de dicha solucin tecnolgica.

Otro aspecto a considerar es la disponibilidad comercial de los

equipamientos ofrecidos, especialmente teniendo en cuenta que es

tecnologa desarrollada fuera del pas y en algunos casos tiene

limitaciones en cuanto a su venta, ya que eventualmente son

considerados de valor estratgico y su comercializacin est restringida.

Otros aspectos menos relevantes se irn teniendo en cuenta durante el

desarrollo del presente trabajo.

Pg. 19


II. MARCO TERICO Y ANTECEDENTES

A. RESEA HISTRICA

Las comunicaciones han estado ligadas a la historia de la humanidad

desde sus inicios siendo objeto de desarrollos y estudio permanente. Con

el descubrimiento de los campos electromagnticos y las diversas

experiencias los cientficos comienzan a investigar las acciones a

distancia, siendo James Clerk Maxwell quien formula matemticamente su

existencia y Heinrich Hertz, quien demuestra experimentalmente su

existencia.

Pero es Guglielmo Marconi quien, hace 111 aos, el 14 de mayo de 1987

logra la transmisin de una seal telegrfica en forma inalmbrica

cubriendo una distancia de cuatro kilmetros. Es l mismo quien

desarrolla un sintonizador para que el transmisor y receptor trabajen a la

misma frecuencia.

Estas primeras comunicaciones transmitan seales en codificacin

Morse, esto es, seales alternadas de tonos de frecuencia nica de mayor

o menor duracin que modulan una seal portadora de radiofrecuencia,

separados por intervalos sin modulante. Ya se estaba transmitiendo

informacin codificada.

Ms tarde otros continuaron aplicando e investigando en este campo,

como Edwin Amstrong, que desarrolla en 1918 el receptor

superheterodino, fundamental para las comunicaciones en amplitud

modulada. As tambin sienta las bases para el modulador y detector de

frecuencia modulada, en 1939. Ambos sistemas se siguen utilizando hoy

en da sin variaciones en sus principios de funcionamiento.

Pg. 20


Debido a la dificultad de los equipos basados en vlvulas de vaco para

alcanzar altas frecuencias, las primeras transmisiones de radio se

efectan en frecuencia muy bajas, por ello se denomina a la primer banda

de frecuencias de radiodifusin como Alta Frecuencia (High Frecuency

HF), surgiendo luego las frecuencias ms elevadas como la Muy Alta

Frecuencia (Very High Frecuency VHF), la Ultra Alta Frecuencia (UHF) y

las microondas. Estas ltimas denominadas as por expresarse ya no en

unidades de frecuencia, sino en longitudes de onda, que se encuentran

en el orden de los milmetros.

B. ANTECEDENTES

1. Comunicaciones en HF

Las primeras comunicaciones sin hilos se basaron en la transmisin de

informacin codificada, ya que las mismas utilizaron el cdigo Morse para

el envo de textos. stas se realizaron a frecuencias que hoy podramos

denominar de Alta Frecuencia o HF (Ver apndice A).

Con el correr del tiempo y la aparicin de nuevos sistemas de modulacin,

la transmisin de la voz fue cobrando importancia, ya que pona al

alcance de cualquier persona la interpretacin de la informacin

transmitida, anteriormente limitada a personal con preparacin para

decodificar la misma, o sea, interpretar los cdigos.

El avance de la tecnologa tanto en el campo de las comunicaciones

como en la automatizacin de sistemas, primero por medios

electromecnicos y luego mediante el uso de la electrnica, permiten el

envo de informacin codificada, que es traducida en forma inmediata a

un texto escrito. Este sistema se denomin teletexto o TLEX en forma

abreviada.

Pg. 21


Sus orgenes datan de 1935, en donde grandes empresas de telegrafa

desarrollaron un sistema que utilizaba la red telefnica para conectar los

equipos, conocidos como teletipos o simplemente Tlex, utilizando una

codificacin BAUDOT3, predecesor de los actuales cdigos ASCII y

EBCDIC.

El Tlex creci rpidamente en todo el mundo, inclusive antes que la

telefona se automatizara, muchos pases tenan radio enlaces Tlex de

Alta Frecuencia. Estos enlaces se instalaron por los servicios postales y

telegrficos estatales (Postal and Telegraph services PTTs),

denominados TOR (Telex On Radio).

El estndar de radio ms conocido, el R.44 del ex CCITT (Comit

Consultivo Internacional de Telegrafa y Telefona), actualmente

denominado ITU-R (International Telecommunication Union Unin

Internacional de Telecomunicacin, en su rama de

Radiocomunicaciones), que posea multiplexacin por divisin de tiempo

en los canales de radio, con correccin de errores por retransmisin.

Con la aparicin de las computadoras personales, en la actualidad sigue

siendo utilizado por algunos servicios bajo la denominacin RTTY (Radio

Tele Type), que utilizan interfaces entre el ordenador y la radio de muy

bajo costo y software libre.

RTTY (pronunciado en la jerga como ritty), utiliza una variedad de

diferentes mtodos de modulacin, siendo el ms comn en de

conmutacin por cambio de frecuencias (Frecuency Shift Keying FSK).

La combinacin de una baja velocidad de transmisin de datos (baud

rate) en conjunto con una robusta modulacin FSK hace al RTTY

altamente inmune a muchas formas de interferencias de radio. Ello se

debe en parte porque, al igual que la FM, FSK siempre transmite a

mxima potencia.

Pg. 22


Este sistema sigue siendo utilizado por varias armadas, ejrcitos y

servicios diplomticos en el mundo, as como los reportes meteorolgicos

de la Guardia Costera de los Estados Unidos de Amrica y muchos

radioaficionados.

Ms tarde la Bell desarroll una segunda generacin de equipos de

transmisin, llamados mdems (MOduladores-DEModuladores),

denominado BELL 101 Dataset, que es el precursor del mdem Bell 103

que lanza el uso compartido de recursos de procesador por tiempo. Lo

revolucionario del 101 es que permita ser enrutado a redes especiales

llamadas Servicios de datos de rea extendida.

2. Sistemas de boletines

Un BBS o Bulletin Board System (Sistema de Tablero de Anuncios) es un

software para redes de computadoras que permite a los usuarios

conectarse al sistema a travs de Internet, de una lnea telefnica, o de

un equipo de radio y utilizando un programa, realizar funciones tales como

descargar software y datos, leer noticias, intercambiar mensajes con otros

usuarios, leer los boletines, etc.

Los tableros de anuncios son en muchas formas un precursor de los

modernos foros del Web y otros aspectos de Internet. Histricamente se

considera que el primer software de BBS fue creado por Ward

Christensen en 1978, mientras que UseNet por ejemplo no empez a

funcionar hasta el ao siguiente.

Fueron muy populares en los aos 80 y 90 con ms de 300 sistemas

disponibles solo para los usuarios en Espaa en los momentos de mayor

auge. Durante estos aos, las BBS se convirtieron en el punto de

encuentro de aficionados a las comunicaciones y desarrolladores de

software. Constituyeron los primeros sistemas pblicos de intercambio de

Pg. 23


archivos, incluyendo los primeros programas shareware o los primeros

virus informticos.

A diferencia de las pginas WEB en Internet, al depender de un

ordenador conectado a un mdem, los usuarios tenan que "hacer fila"

mientras el usuario anterior no desconectase una vez terminado, y

liberase la lnea, no poda conectarse el siguiente.

Con el auge de Internet de la segunda mitad de los 90 los BBS

decrecieron en popularidad aunque no por ello han desaparecido, hoy

siguen existiendo y se han adaptado a los nuevos tiempos y a Internet,

sirvindose de la red de redes para facilitar el acceso a los BBS.

Cabe destacar los sistemas unidos por esta red, mantenidos de forma

altruista por sus SysOps (system operators o administradores del sistema)

utilizan un software compatible entre ellos que les permite actuar como

servidor del sistema BBS e intercambiar con otros nodos paquetes de

correo que, movindose de nodo en nodo, se distribuyen por todo el

mundo, constituyendo una alternativa de calidad para el correo

electrnico, ajena al spam reinante en foros, news y listas de correo.

Las primeras BBS corran sobre grandes sistemas (normalmente en

universidades), equipos CP/M u ordenadores, con mdems a 300

baudios, lo que haca exasperantemente lenta la transferencia (un

programa de 64 KB poda tardar hasta 30 minutos en transmitirse). La

aparicin de mdems a 1200 y 2400 baudios increment su popularidad y

comenzaron a crecer. La aparicin de los equipos de 16 bits produjo una

migracin a las plataformas de cada fabricante, hasta que la cada de

precios de los clones PC (y sobre todo su disco duro notablemente menos

caro, al igual que sus mdems internos) supuso la generalizacin de su

uso en BBS. Al comenzar a estar disponibles sistemas operativos

multitarea como Amiga OS, OS/2, Unix (en sus mltiples variantes),

Pg. 24


Windows 95 o aadidos al MS-DOS como Windows 3.1 aumenta el

nmero de BBS y otras de horario restringido pasan a 24 horas, al poder

usar los SysOps su propio ordenador en lugar de necesitar de uno

dedicado. Esto coincide en el tiempo con la aparicin de los mdems de

14.400 baudios, que marcan un salto en la velocidad de las

comunicaciones.

Junto con la aparicin de redes de particulares como Fidonet, WWIVnet o

VirtualNET, muchas empresas de informtica comenzaron a mantener sus

propias BBS para soporte de sus productos (foros de soporte, parches,

drivers, versiones shareware de Antivirus o compiladores), a la vez que

prolifera el uso de estos sistemas va radio entre los radio clubes y los

radioaficionados.

Ilustracin II-1: LUSAT-1

La Universidad de Mendoza posee en la actualidad un sistema BBS, que

comenz a operar en el ao 1988, utilizando conexiones en las bandas de

HF, VHF y UHF. Inclusive se firmaron acuerdos con AMSAT (radio

AMateur SATellite corporation) de Argentina4, siendo la estacin LU1MUM

la primera en recibir y decodificar los parmetros orbitales del primer

satlite argentino de rbita baja (LEO Lower Earth Orbit) LUSAT-1

puesto en rbita el 20 de enero de 1990. En ella se generaron

Pg. 25


innumerables trabajos a lo largo de los 19 aos, siendo los ms recientes

presentados en las Jornadas de Ciencia y Tecnologa de la Universidad

de Mendoza.

3. Transmisin de datos va satlite

La transmisin de datos va satlite han evolucionado desde la puesta en

rbita del Sputnik1 (compaero o satlite, en ruso) el 4 de octubre de

1957, el cul solo transmita seales de presin y temperatura codificadas

en forma de tonos de audio en las frecuencias de 20,007 y 40,002 MHz.

En la actualidad la tierra se halla rodeada por una constelacin de

satlites artificiales de diversos usos. En particular los de comunicaciones

merecen una referencia en este trabajo.

En general las comunicaciones satelitales cuentan con la ventaja de

proveer alcance en prcticamente toda la extensin del globo, con

algunas salvedades dependiendo del sistema de comunicaciones utilizado

y del tipo de rbita que posean. Brindan comunicaciones en

prcticamente todo el espectro radioelctrico, pero especialmente en la

banda de UHF y las microondas (Ver apndice A).

Dentro de las desventajas de estos sistemas se halla fundamentalmente

el costo, muy elevado respecto a otros servicios, justificable solamente

cuando no existen otras alternativas. Si bien hay servicios de bajo costo o

gratuitos la calidad del servicio brindado es deficiente y solo es til a los

fines de comunicaciones amateur u de muy bajas tasas de transferencia

de informacin. Por otra parte, todos estos servicios son explotados por

empresas privadas de comunicaciones o agencias gubernamentales, no

pudiendo el usuario, ejercer un control directo sobre las comunicaciones,

crendose una dependencia del operador. Esta dependencia es la que

llev a evaluar otras alternativas, tal como lo propone el presente estudio.

Pg. 26


C. MARCO TERICO

En este apartado se evaluarn los diversos aspectos tericos,

tecnolgicos y de diseo que deben tomarse en consideracin al

momento de efectuar los clculos y la seleccin de los componentes del

sistema.

1. Modelo ISO/OSI

El desarrollo de las comunicaciones digitales ha llevado a la creacin de

un modelo de referencia aplicable al proceso lgico de un sistema de

comunicaciones. Los sistemas de comunicaciones que emplean los

procedimientos y mtodos de comunicacin normalizados se denominan

Sistemas Abiertos y dicha interconexin se denomina Interconexin de

Sistemas Abiertos (Open Systems Interconnection, OSI). Este modelo

concuerda con los principios establecidos por la Organizacin

Internacional de Normas (International Standards Organization, ISO) para

la interconexin de sistemas abiertos.

El Modelo de Referencia tiene como objetivos:

1. Especificar una estructura lgica universalmente aplicable que abarque

las necesidades de las aplicaciones del UIT-T

2. Servir de referencia durante el desarrollo de nuevos servicios de

telecomunicacin, incluidos los posibles servicios recomendados por el

UIT-T, y la definicin de los procedimientos correspondientes

3. Permitir que diferentes usuarios se comuniquen entre s, solicitando

una reutilizacin compatible de las caractersticas de comunicacin

Pg. 27


4. Hacer posible una evolucin de las aplicaciones del UIT-T asegurando

una flexibilidad suficiente para que puedan incorporarse los adelantos de

la tecnologa y las crecientes necesidades de los usuarios

5. Permitir la comparacin de las nuevas necesidades de usuario

propuestas con los servicios de usuario existentes, lo que har posible

satisfacer las nuevas necesidades de una manera compatible con los

servicios existentes recomendados por el UIT-T.

En su Recomendacin X.200, el UIT-T presenta la finalidad, el marco y la

funcin de la estructura de un modelo de referencia denominado Modelo

de Referencia ISO/OSI aplicable al proceso lgico de un sistema de

comunicaciones. Este modelo permite que se definan mtodos de

interrelacin entre diferentes redes del mismo tipo o de tipos diferentes,

de modo que la comunicacin se establezca tan fcilmente por una

combinacin de redes como por una sola red

La tcnica bsica de estructuracin del Modelo ISO/OSI es la

estratificacin. Con arreglo a esta tcnica, se considera que cada sistema

abierto est compuesto lgicamente por un conjunto ordenado de

subsistemas. Los subsistemas adyacentes se comunican a travs de su

frontera comn. Los subsistemas de un mismo rango N forman

colectivamente la capa N del Modelo ISO/OSI. Un subsistema N consta de una o varias entidades N en la correspondiente capa N (una entidad N

es un elemento activo de un subsistema N, por ejemplo, un convertidor de

protocolo). Las entidades de una misma capa, pero en diferentes

sistemas, que deben intercambiar informacin para alcanzar algn

objetivo comn, se denominan entidades pares y entidades de capas

adyacentes interactan a travs de su frontera comn. Por ejemplo, los

servicios que provee la Capa Enlace de Datos a la Capa Red son la

combinacin de los servicios de ella misma ms los de la Capa Fsica. En

Pg. 28


general, cada capa N proporciona servicios N a las entidades N+1 de la

capa N+1. Se supone que la capa ms alta representa todas las

utilizaciones posibles de los servicios que proporcionan las capas ms

bajas.

La capa de mayor nivel slo asegura servicios a los procesos del usuario

final. En este contexto el trmino aplicacin se refiere al conjunto

completo de procesos involucrados en un cierto servicio de usuario, por

ejemplo, el correo electrnico. La forma de prestacin de un servicio por

dos entidades situadas, por lo general, en mquinas diferentes, debe

estar bien definida y reglamentada de antemano para que puedan

interactuar las entidades involucradas en la prestacin del servicio. La

manera como las dos entidades cooperan para prestar el servicio se

denomina Protocolo. Cada protocolo est concebido para prestar un servicio nico y bien definido, y el conjunto de capas en las cuales se

descompone el sistema es el mismo en cada mquina y cada capa presta

el mismo servicio a la capa inmediata superior. La capa de ms bajo nivel,

la Capa Fsica, es la que est conectada directamente al medio fsico de

transmisin.

En la siguiente figura se observa un ejemplo del Modelo de Referencia

ISO/OSI con un nodo intermedio y en el caso de transmisin por

paquetes.

Pg. 29


Ilustracin II-2: Modelo de Referencia ISO/OSI

La elaboracin de la trama a transmitir es un proceso de

encapsulamiento, en el cual cada capa, excepto la Capa Fsica, agrega

uno o ms campos a la informacin que viene de las capas superiores.

Cada capa considera a los bloques que vienen desde arriba simplemente

como datos o informacin sin preocuparse acerca de su semntica y

sintaxis. La trama final se transmite y en el extremo receptor en cada una

de las capas se toma la accin especificada en los correspondientes

elementos de servicio y transfiere hacia arriba lo que considera como

datos o informacin. La configuracin de la trama en cualquiera de las

capas depender del tipo de protocolo par-a-par utilizado.

La manera mediante la cual tiene lugar la comunicacin en la arquitectura

OSI se muestra en la siguiente figura.

Pg. 30


Ilustracin II-3: Conformacin de una trama OSI

Las siete capas del modelo tienen funciones especficas dentro de la

lgica de un proceso de comunicacin entre dos usuarios. De acuerdo

con estas funciones, las Capas Fsica, Enlace y Red son las que

intervienen directamente en la transmisin de la informacin; por esta

razn se dice que ellas desempean funciones de red, ejemplificadas en

las figuras que siguen.

Ilustracin II-4: Capas de Red del modelo OSI

Pg. 31


Por otra parte, las capas superiores Transporte, Sesin, Presentacin y

Aplicacin tienen protocolos de alto nivel cuyas funciones estn

relacionadas con los usuarios finales, ya que estn asociadas con stos y

no con la red. Para estas capas la red es completamente transparente.

Ilustracin II-5: Capas de Usuario del modelo OSI

La Transmisin de Datos propiamente dicha tiene que ver con los cuatro

primeros niveles del modelo de referencia incluyendo la conexin fsica. A

continuacin vamos a definir a grandes rasgos algunas de las

caractersticas y funciones de las cuatro primeras capas.

Fases de una Comunicacin

En el caso de protocolos orientados a conexin, los servicios que proveen

las diferentes capas deben incluir condiciones para el establecimiento de

la conexin, la transferencia de los datos y la terminacin de la conexin.

Las entidades de la misma categora en cada nivel de la arquitectura OSI

deben primero establecer una conexin, luego efectuar la transferencia de

datos de acuerdo con la aplicacin y finalmente terminar o liberar la

conexin.

Pg. 32


Ntese que en cada una de estas fases hay que utilizar las cuatro

primitivas de servicio.

2. Medio Fsico

a) Propagacin electromagntica

La propagacin de las ondas electromagnticas se debe a la

autogeneracin de campos elctricos y magnticos variables en el tiempo,

que progresan por el espacio.

James C. Maxwell desarroll la teora que explica el fenmeno de

propagacin, an cuando la fuente que inicialmente gener el fenmeno

de la onda electromagntica haya desaparecido, mediante un sistema de

ecuaciones que relaciona los campos elctrico y magntico y sus

variaciones.

Es bien sabido que las mismas viajan inclusive a travs del vaco

absoluto, as como por medios de diferente ndole. En general una buena

aproximacin suele ser el estudio de las ondas electromagnticas como

haces de energa, del mismo modo que lo hace la luz siendo ella misma

una forma de onda lo cual es vlido para frecuencias relativamente

elevadas.

A este modelo se lo denomina ptica electromagntica, cuyas leyes pueden expresarse en funcin de las expresiones desarrolladas para

ondas que progresan en el espacio, su refraccin y reflexin.

Pg. 33


Ilustracin II-6: Modos de propagacin de una onda electromagntica

En general un medio cualesquiera est caracterizado por su

conductividad , la permitividad elctrica , y la permeabilidad magntica .

Los campos elctricos y magnticos pueden ser representados por

vectores, ya que se les puede asignar una intensidad, direccin y sentido

de accin. En la atmsfera, dependiendo de varias condiciones, estos

parmetros varan en el espacio y con el tiempo, pero en particular existe

una capa altamente ionizada, denominada ionosfera, que se comporta de

manera ms prxima a un medio semiconductor y cuyas caractersticas

difieren sustancialmente de otras capas, normalmente dielctricas. Algo

similar ocurre en el caso de la tierra, que contiene agua y sales disueltas,

mucho ms conductiva que el aire, an si este presenta altos valores de

humedad.

Pg. 34


En estos casos podemos considerar un medio dielctrico casi ideal y un

medio conductor no perfecto:

1 2 1 2 Zo1 = (1/1)1/2 (0/0)1/2=376,7 Zo2 = (j2 /2)1/2

Ecuacin II-1: Condiciones de refraccin en tre un medi dielctrico y uno conductor

Siendo Zo la impedancia caracterstica, una forma de resumir las

caractersticas del medio. Se deber, adems, aplicar la siguiente

relacin:

sen 1 Zo2 = sen 2 Zo1

Ecuacin II-2: Expresin general de la Ley de Snell

Lo cual, con las expresiones dadas, puede expresarse:

sen / sen = (j2 /2)1/2 = (2 /2)1/2 45Ecuacin II-3: Expresin particular de la Ley de Snell para el caso de estudio

Siendo el ngulo de incidencia y el ngulo de refraccin, ambos respecto a la normal a ambas superficies. En estos casos resulta que


sen = sen

Ecuacin II-4: Ley de la reflexin de la ptica

Existe adems un cambio de fase en alguno de los campos, dependiendo

de la polarizacin con la que incida, siendo esta la orientacin del campo

elctrico.

En particular, cuando la direccin del campo magntico es paralela a la

superficie de separacin puede demostrarse la existencia de un ngulo de

incidencia tal que no se observa una onda reflejada. En otras palabras la

seal es refractada totalmente. , lo que evitara el retorno hacia la

superficie terrestre. A este valor particular de se lo conoce como ngulo de Brewster , cuyo valor surge de la expresin:

Eor

Zo1 cos - Zo2 cos = = 0 Eoi Zo1 cos + Zo2 cos

Ecuacin II-5: Expresin del coeficiente de reflexin

sen = [1 (1 + 1)]1/2

Ecuacin II-6: ngulo de Brewster para medios no ferromagnticos

Si la onda incidente est polarizada de una forma cualquiera, es decir con

su campo elctrico orientado de forma tal que el magntico no es paralelo

a la superficie de separacin de ambos medios, existir un valor de para el que el campo elctrico reflejado quedar polarizado nicamente en forma paralela a la superficie de separacin.

A este fenmeno se lo conoce como polarizacin por reflexin.

Pg. 36


b) El canal ionosfrico

La Ionosfera es una regin atmosfrica con elevada densidad electrnica

que permite la transmisin y reflexin de las seales HF. Esta alta

densidad electrnica est relacionada con el ndice de refraccin y es, por

tanto, la responsable de las sucesivas refracciones que la seal

experimenta al entrar en la Ionosfera y que permiten su propagacin. Este

proceso de propagacin se puede observar desde dos puntos de vista,

por un lado una visin ms detallada, que describe paso a paso el camino

seguido por las seales a travs de capas de diferentes densidades

electrnicas e ndices de refraccin y por otro, una visin general, que

puede ejemplificarse utilizando un modelo geomtrico simplificado para

aproximar la trayectoria recorrida desde el transmisor al receptor. Sin

embargo, para un estudio ms exhaustivo de la propagacin de ondas de

radio, es necesario recurrir a otro tipo de modelos y procedimientos, de

este modo, aparecen las tcnicas de trazado de rayos.

Ilustracin II-7: Propagacin ionosfrica

Pg. 37


Asimismo, ha sido preciso introducir los perfiles de densidad electrnica

que reflejan la distribucin de la densidad de electrones en las distintas

capas ionosfricas y aportan a este tipo de tcnicas, la informacin del

estado de la Ionosfera necesaria para trazar paso a paso el camino

seguido por la seal. Estos perfiles se calculan a travs de modelos o

directamente a partir de los datos experimentales.

Tambin es necesario definir algunos parmetros para caracterizar el

canal ionosfrico, es decir, la frecuencia de transmisin de la seal, el

ngulo de elevacin, la mxima frecuencia utilizable, la mnima frecuencia

utilizable, los distintos modos de propagacin, la absorcin de la seal y

las caractersticas de la seal recibida.

Lo expuesto anteriormente se debe a que la ionosfera posee un

comportamiento sumamente dinmico, sujeto a la radiacin y actividad

solar, variaciones en el campo magntico terrestre, fenmenos

meteorolgicos cuyos efectos alcancen las capas superiores de la

atmsfera, etctera, haciendo que el enlace vare en forma constante,

incluso en el transcurso de un da.

Esta tarea es sumamente laboriosa y compleja, por lo que necesita de

series de datos estadsticos en series de tiempo sumamente prolongadas,

siendo til en cuanto se deseen enlazar dos puntos fijos. Si se trata de

unidades mviles, o de diversos puntos fijos distribuidos de forma

arbitraria en regiones de gran extensin el problema se torna mucho ms

complejo y escapa a los alcances de este trabajo.

En estos casos la prctica indica el uso de otras tcnicas de

comunicaciones.

Pg. 38


c) Tcnicas de diversidad

Para superar las variaciones en medio de propagacin o canal

ionosfrico, es necesario aplicar tcnicas que permitan compensar la

variabilidad de ste y por lo tanto del enlace.

La dinmica de la seal en estos casos se conoce con el nombre de

desvanecimiento o fadding, ya que se observa como una variacin en la

intensidad de la seal medida en el receptor, que crece o decae

continuamente en forma ms o menos rpida, pudiendo descender por

debajo de los umbrales de sensibilidad del equipo receptor o quedar

enmascarada por otras seales o ruido.

Debido a que las condiciones de propagacin en un determinado instante

y punto del espacio dependen fuertemente del tipo de seal emitida, una

de las tcnicas de diversidad utilizada es la de diversidad de frecuencia. Esta se basa en el uso de dos o ms frecuencias para la transmisin de la

informacin en forma simultnea y aprovechando la dependencia de la

trayectoria con la frecuencia, se logra que el desvanecimiento para ambas

seales sea diferente, si estas estn convenientemente separadas en

frecuencia, siendo necesario en el receptor, el sensado de la calidad entre

ambas seales para decidir cul es recibida con mejor nivel y conmutar a

esta a fin de mantener la mejor calidad de seal.

Esto lleva a la duplicacin del equipo de transmisin y a la duplicacin del

receptor o el uso de complejas tcnicas de conmutacin y sensado para

alternar entre seales de distinta frecuencia.

Otra de las tcnicas utilizadas es la de la diversidad espacial, donde se emite solo una seal y se duplican los elementos receptores, que pueden

ir desde la duplicacin de los equipos receptores a la duplicacin del

Pg. 39


sistema de antenas, mediante el uso de tcnicas de conmutacin de ellas

mediante la medicin de la intensidad de seal.

Si bien a primera vista aparece semejante al sistema anterior en cuanto a

la duplicacin de elementos del sistema, existen dos grandes diferencias:

la primera de ellas es que generalmente duplicar el equipo transmisor

suele ser ms costoso, ya que es el que utiliza mayor potencia y en

radiofrecuencias el manejo de seales de alta frecuencia y potencias

elevadas, como la utilizadas en HF, suelen incrementar grandemente los

costos de los dispositivos. La segunda es que la medicin de la potencia

de la seal recibida puede hacerse por medio del sensado del nivel de

portadora, siendo la complejidad de estos sistemas de una muy baja

complejidad y costo.

d) Aspectos limitantes de la propagacin

Los elementos limitativos que hay que tomar en cuenta en el diseo de un

sistema de transmisin son, entre otros:

Atenuacin:

La atenuacin en la intensidad de la seal es su decrecimiento a medida

que se propaga desde la fuente hasta el extremo receptor. Es una funcin

de la distancia, del contenido de frecuencia de la seal y de los

parmetros elctricos distribuidos del medio de transmisin (resistencias,

inductancias y capacitancias).

Ancho de Banda:

Es la cantidad de frecuencias en la banda til de la seal y est basado

sobre la velocidad de informacin a transmitir y en el mtodo de

codificacin y modulacin. El ancho de banda de la seal y el ancho de

banda del canal son dos conceptos distintos. El ancho de banda til del

Pg. 40


canal generalmente es fijo, es un parmetro fsico. Sin embargo, debe

verificarse, para una buena transmisin, que el ancho de banda til del

canal sea igual o mayor que el ancho de banda til de la seal. El ancho

de banda del canal influye enormemente en la velocidad mxima de

transmisin y su insuficiencia es la causa de la interferencia

intersimblica.

En general, la velocidad de transmisin es proporcional al ancho de

banda disponible del canal o medio de transmisin.

Ecos:

Los ecos son producidos por reflexiones de la energa hacia la fuente. En

transmisin de voz, es la repeticin de sonidos producidos por corrientes

que regresan por el circuito y que han sido reflejadas por obstculos

elctricos, por ejemplo, por desacoplamiento de impedancias. En el caso

de transmisin de datos, es el efecto de una onda reflejada a partir de una

onda primaria, la cual llega a cualquier terminal del circuito con una

amplitud y fase suficientes para ser confundida con una onda primaria. El

eco, igual que en el caso de seales analgicas, se produce por

desacoplamiento de impedancias en el trayecto recorrido por la seal.

Los factores asociados al eco son de gran importancia; estos factores son

la intensidad y el tiempo de retardo (delay) o latencia. En cuanto a la

transmisin digital, el UIT-T ha normalizado todos los aspectos

relacionados con el eco.

Resonancias (Singing):

Este es un eco que es muy difcil de controlar y que ocurre generalmente

a las frecuencias para las cuales el circuito o partes de l son resonantes.

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Diafona:

Es el fenmeno mediante el cual una seal transmitida por un circuito o

canal de transmisin es detectable en otro circuito o canal cercanos. Este

fenmeno puede ser creado por el acoplamiento electrosttico o

electromagntico entre canales. La intermodulacin en un amplificador no

lineal utilizado en comn por varios canales en un sistema a portadora es

tambin una fuente de diafona.

Ruido:

Son seales espurias que pueden distorsionar y an enmascarar la seal

transmitida. Su origen puede ser interno al circuito o externo a l. En

transmisin de datos es de especial importancia el ruido impulsivo, el cual

generalmente es producido por tormentas elctricas, motores elctricos y

por la apertura y cierre de contactos en los equipos de sealizacin y

conmutacin. Este tipo de ruido produce cadenas de errores en las

secuencias digitales, denominadas comnmente rfagas de errores.

Distorsin:

No existen trayectorias de transmisin que permitan la reproduccin

perfecta de las seales de entrada. Como en el caso del canal de voz, la

mxima velocidad de transmisin est limitada no solamente por el ancho

de banda del canal sino tambin por los siguientes parmetros que son de

fundamental importancia:

La distorsin de atenuacin

La distorsin de retardo de fase

La fluctuacin de fase (jitter)

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La distorsin no lineal

Esta ltima es producida por la presencia de elementos no lineales en el

sistema (vlvulas electrnicas, diodos, transistores, transformadores,

moduladores, etc.).

El gran incremento en la demanda de servicios confiables para la

transmisin de datos tanto a cortas como a largas distancias, ha llevado a

la necesidad de buscar mtodos ms refinados para la correccin de las

deficiencias normales en la transmisin. De las caractersticas sealadas

ms arriba, las ms importantes en la transmisin de datos son la

distorsin y fluctuacin de fase, la atenuacin y el ruido impulsivo.

En la transmisin de voz el odo humano puede tolerar la distorsin de

fase y una cantidad limitada de ruido impulsivo. Esto se debe a la

capacidad de resolucin del odo, lo cual le permite que las componentes

de frecuencia diferentes sean registradas separadamente con una

dependencia de fase bastante pequea. Pero en la transmisin de datos

se requiere un alto grado de linealidad fase-frecuencia.

e) Modulacin

Las seales producidas mediante los mtodos de codificacin de

impulsos (PCM), as como las seales de datos de terminales digitales y

dispositivos afines, generalmente no se transmiten a gran distancia en la

forma de seal de banda de base, es decir, tal como se generan, sino que

se transmiten en forma de una seal modulada en forma analgica,

La modulacin digital se realiza en un dispositivo denominado MODEM

(de las palabras MOdulador y DEModulador) en el cual los dgitos binarios modulan la amplitud, la frecuencia o la fase de una seal sinusoidal, la

portadora.

Las formas bsicas de la modulacin binaria mediante portadora

modulada son:

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1. La Modulacin Binaria de Amplitud (Amplitude-Shift Keying, ASK)

2. La Modulacin Binaria de Frecuencia (Frequency-Shift Keying,

FSK)

3. La Modulacin Binaria de Fase (Phase-Shift Keying, PSK)

Ilustracin II-8: Seales Binarias Moduladas

Mtodos de Desmodulacin

Esencialmente hay dos mtodos comunes de desmodulacin o deteccin

de seales moduladas con portadora sinusoidal:

1. La Desmodulacin Sincrnica o Coherente

2. La Deteccin de Envolvente

La desmodulacin o deteccin sincrnica o coherente consiste en

multiplicar la seal modulada recibida por la portadora, generada

localmente, y mediante filtrado pasa bajo se obtiene la seal original

portadora de informacin.

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Es necesario que la frecuencia y la fase de la portadora local en el

receptor sean idnticas a las de la portadora en el transmisor. Si la

frecuencia y la fase son diferentes, se produce una fuerte atenuacin que

puede hacer desaparecer el mensaje. Para evitar esta atenuacin se

utiliza dispositivos de sincronizacin en el receptor a fin de lograr la

coherencia entre las dos portadoras.

Hay que hacer notar que con osciladores de gran precisin puede

mantenerse la identidad entre las dos frecuencias, pero el sincronismo de

fase es muy difcil de alcanzar, particularmente en transmisin a grandes

distancias.

Con la deteccin de envolvente se evita los problemas de sincronizacin

de fase y de frecuencia de la deteccin coherente; sin embargo, la

deteccin de envolvente no se puede aplicar en sistemas de modulacin

de fase, porque el proceso de deteccin de envolvente elimina la fase de

la seal.

Comparacin entre modulaciones binarias

En cualquier sistema de modulacin digital la meta de un buen diseo es

la de lograr el mejor compromiso entre la probabilidad de error Pe , el

rendimiento de transmisin B , la relacin S/N normalizada y la

complejidad del equipo. Sin embargo, en la prctica la seleccin de un

esquema de modulacin depende ms bien de la aplicacin

correspondiente, de los equipos existentes o disponibles, y de los

requerimientos de potencia.

Vamos a comparar los sistemas en relacin con la potencia; a este efecto,

suponiendo que la frecuencia de sealizacin fb (o velocidad de transmisin Vi(bps)), la probabilidad de error Pe y las condiciones de ruido son las mismas.

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En la figura se grafica la probabilidad de error Pe en funcin de para todos los sistemas binarios vistos, donde:

=A2 Tb/ 2

Ecuacin II-7: Relacin seal a ruido normalizada

es la relacin S/N normalizada.

El eje de las abscisas debe entenderse como una funcin de la potencia

pico recibida (o transmitida) A2, siendo el valor pico A el mismo para todos

los sistemas. La potencia promedio en ASK es A2/4, mientras que es A2/2

en FSK, PSK y DPSK, donde A es la amplitud de la portadora a la entrada

del receptor.

Las curvas de la figura muestran, para un Pe dado, que el sistema PSK es el que requiere menor potencia, seguido de DPSK, FSK coherente, FSK

no coherente, ASK coherente y ASK no coherente.

Si la comparacin se hace en trminos de la potencia promedio, entonces

ASK y FSK tendran las mismas caractersticas para un mismo Pe, pero como el diseo, y por supuesto el costo, de los equipos de transmisin y

recepcin dependen ms bien de la potencia pico que de la potencia

promedio, la comparacin se hace respecto a la potencia pico requerida y

es lo que se ilustra en la figura. Con este criterio, el sistema ASK casi no

se emplea por la alta potencia pico que demanda y por los problemas de

ajuste de umbral; el sistema FSK coherente tampoco se emplea debido

ms que todo a los problemas de sincronizacin de las portadoras

utilizadas.

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Ilustracin II-9: Error en modulacin binaria

En la prctica, los sistemas ms utilizados son entonces el PSK, el DPSK

y el FSK no coherente. Los mdems comerciales a menudo trabajan con

estos tres tipos de modulacin.

En cuanto a la instrumentacin prctica de estos sistemas, los sistemas

PSK, DPSK, FSK y ASK difieren muy poco en lo que se refiere a la

instrumentacin del transmisor, pero en el receptor la complejidad

depender de si se utiliza deteccin coherente o no coherente, pues la

deteccin coherente es, sin duda, ms compleja. Entre los sistemas no

coherentes, el DPSK es menos complicado que el FSK no coherente. Por

otro lado, si en el canal se produce desvanecimiento (fading) de la seal,

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entonces hay que utilizar sistemas no coherentes debido a la dificultad

para establecer la sincronizacin local cuando hay perturbaciones en el

canal. Sin embargo, si el transmisor tiene limitaciones severas en cuanto

a la potencia disponible (caso de satlites, estaciones remotas y

comunicaciones espaciales), debe utilizarse los sistemas coherentes ya

que ellos demandan menor potencia que los no coherentes para una

velocidad de sealizacin y probabilidad de error dadas. En un caso

prctico el diseador del sistema debe ponderar cada situacin y

seleccionar un sistema de acuerdo con las especificaciones que se

establezcan para el proyecto. Sin embargo, podemos establecer algunos

criterios o guas para simplificar el procedimiento de seleccin. Estas

guas son las siguientes:

1. Si el ancho de banda es el parmetro ms importante, los sistemas

DPSK y el PSK son los ms apropiados.

2. Si el consumo de potencia es lo ms importante, los sistemas ms

apropiados son el PSK y el DPSK.

3. Si la complejidad del equipo es un factor limitativo y las condiciones

del canal lo permiten, los sistemas no coherentes son preferibles a

los coherentes.

Una fuente muy importante de informacin sobre los sistemas de

modulacin digital prcticos y sus aplicaciones son los catlogos de los

fabricantes y vendedores de equipos.

Modulacin M-aria

La mayora de los sistemas de transmisin de datos a baja velocidad

opera bajo el principio de la codificacin binaria. En tales casos,

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