Ingenieria en sistemas computacionales certificacion



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ESTUDIO DE LOS MEDIOS DE TRANSMISION

EN REDES COMPUTACIONALES MIXTAS

(ALAMBRICA – INALAMBRICA)





INGENIERIA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES

CERTIFICACION

El Egresado Francisco René Cervantes Rodríguez, ha trabajado en la investigación ESTUDIO DE LOS MEDIOS DE TRANSMISION EN REDES COMPUTACIONALES MIXTAS (ALAMBRICA – INALAMBRICA)”, aplicativo “DISEÑO DE ADAPTADOR DE MEDIO DE TRANSMISION SERIE-INFRARROJO” previa la obtención del título de Ingeniero en Sistemas Computacionales, realizándola con interés profesional, responsabilidad y esfuerzo, lo cual certifico en honor a la verdad.




Ing. Fernando Garrido.

DIRECTOR DE TESIS



UNIVERSIDAD TECNICA DEL NORTE


FACULTAD DE INGENIERIA EN CIENCIAS APLICADAS

ESCUELA DE INGENIERIA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES


Tema:


ESTUDIO DE LOS MEDIOS DE TRANSMISION EN REDES COMPUTACIONALES MIXTAS (ALAMBRICA – INALAMBRICA)”
Aplicativo:

“DISEÑO DE ADAPTADOR DE MEDIO DE TRANSMISION SERIE-INFRARROJO”

Propuesta para implementación de Red Lan en el Instituto Técnico Superior Liceo Aduanero

TESIS PREVIA A LA OBTENCION DEL TITULO DE

INGENIERO EN SISTEMAS COMPUTACIONALES
Autor: Francisco René Cervantes Rodríguez

Director: Ing. Fernando Garrido

Ibarra, Noviembre del 2002


AGRADECIMIENTO

Deseo rendir mi tributo de agradecimiento a todas aquellas personas, que me han brindado un gran apoyo a lo largo de mi carrera.
Tratar de enlistar a todas y cada una de esas personas significaría exponerme al riesgo de omitir a alguien importante, y por ello expreso aquí mi reconocimiento y gratitud a todos .
Esta tesis es el producto de un trabajo enorme, pero también del esfuerzo y dedicación de mis colaboradores y asesores a quienes agradezco su entusiasmo y empeño.
Finalmente, expreso un especial agradecimiento a la empresa Optronic Cía. Ltda., en el nombre del Sr. Ing. Marcelo Guarderas, por brindarme apoyo y todas las facilidades para llevar a cabo el proyecto que he emprendido.

DEDICATORIA

Esta tesis está dedicada a mi esposa e hija como un homenaje a su comprensión y paciencia durante el tiempo que requirió este trabajo.


Con cariño para Xime y Cynthia.

INDICE

Agradecimiento

Dedicatoria

Introducción

Problema

Objetivos



Hipótesis
CAPITULO I

  1. Futuro de las Redes de información 2

    1. Redes inalámbricas 3

      1. Redes publicas de radio 4

      2. Redes de inalámbricas vs. convencionales. 4

      3. Redes infrarrojas. 4

      4. Redes de radio frecuencia. 5

    2. Eficiente uso del espacio, espectro y tiempo en redes de radio frecuencia. 6

      1. Factor de reuso 7

      2. Factor de distancia 8

      3. Puntos de acceso 8

      4. Aislamiento de sistemas vecinos 8

      5. Modulación de radio 9

      6. Eficiencia del tiempo 9

      7. Limite de la longitud del paquete y su tiempo 10

    3. Red de área local Ethernet híbrida 11

      1. Descripción de Ethernet 11

      2. Modos de radiación infrarrojos. 12

      3. Topología y componentes de una LAN híbrida 14

      4. Rango dinámico en redes ópticas CSMA/CD 15

      5. Operación y características del IRMAU 16



CAPITULO II

  1. Medios de Transmisión de datos 18

    1. Introducción 19

    2. Frecuencia, Espectro y Ancho de banda 20

    3. Transmisión de datos analógicos y digitales 21

    4. Perturbaciones en la transmisión 24

      1. Atenuación 24

      2. Distorsión de retardo 25

      3. Ruido 26

    5. Capacidad y velocidad de un canal 27

    6. Clasificación de los Medios de Transmisión 29

      1. Breve descripción de los medios Guiados (alámbricos) 29

      2. No Guiados (inalámbricos) 35

        1. Microondas terrestres 37

        2. Microondas por satélite 37

          1. Estructura 40

          2. Estaciones Terrestres 40

          3. Ventajas 40

        3. Radiodifusión 41

          1. Propagación de las Ondas Electromagnéticas 42

          2. Espectro de Radiofrecuencias 42

          3. Naturaleza de las Ondas de Radio 43

          4. Propagación de las Ondas de Radio 44

        4. Infrarrojos 47

          1. Que son los rayos Infrarrojos 48

          2. Descubrimiento de los Infrarrojos 48

          3. Características y aplicaciones 50


CAPITULO III

  1. Redes Inalámbricas 53

    1. Estándar 802.11 56

      1. Capa física (PHY) 57

      2. Canales de transmisión 60

      3. DPSK 60

      4. Barker 61

      5. CCK 62

      6. PBCC 62

    2. IRDA 63

      1. Protocolos IrDA-Data 64

        1. Physical Signal Layer 65

          1. Modulación infrarroja Serie 67

          2. Modulación IR a 1.152 Mbps 68

          3. Modulación por Pulso de Posición 68

        2. Link Access Protocol 69

        3. Link Management Protocol 72

        4. Information Access Service 73

          1. Irda Lite 73

          2. TinyTP 74

          3. IrOBEX 76

          4. IrCOMM 76

          5. IrLAN 77

      2. Protocolos IrDA-Control 77

        1. Physical Signal Layer 78

        2. Media Access Control 81

        3. Logical Link Control 83

    3. Componentes de diseño de Redes Inalámbricas 84

      1. Access Points 88

      2. Extension Points 89

      3. Tarjetas Inalámbricas 91

      4. Adaptador Serie 93

      5. Adaptador Ethernet 94

      6. Antenas 95



CAPITULO IV


  1. Protocolos en redes inalámbricas 98

    1. Ruteo simplificado usando TCP/IP 98

      1. Ruteo sobre redes lógicas. 99

      2. Encapsulación necesaria. 101

      3. La asociación entre MC’s y estaciones base 102

    2. Protocolo de aplicaciones inalámbricas WAP 104

      1. Capa de aplicación (WAE) 107

      2. Capa de sesión (WSP) 107

      3. Capa de transacciones (WTP) 108

      4. Capa de seguridad (WTLS) 109

      5. Capa de transporte (WDP) 109

    3. El entorno inalámbrico de aplicaciones 110

      1. El protocolo inalámbrico de sesión 111

      2. El protocolo inalámbrico de transacción 112

      3. La capa inalámbrica de seguridad de transporte 115

      4. El protocolo inalámbrico de datagramas 115


CAPITULO V

Fundamentos para construir un adaptador de medio de transmisión alámbrico a inalámbrico 117



    1. El MiniSir 2 117

      1. Características generales 118

    2. La placa de Evaluación 120

    3. Características técnicas del MS2 122

    4. El HSDL-7001 126

    5. Funcionamiento 126

    6. Componentes IRDA 128

    7. Diseño del Circuito 130


CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES
ANEXOS

  1. Guía de instalación y configuración del adaptador de medio de transmisión serie-infrarrojos.

  2. Propuesta de implementación de la Red Lan para el Instituto Técnico Superior Liceo Aduanero.

  3. Características técnicas de los componentes de una Red Inalámbrica.



Bibliografía

Glosario
INDICE DE FIGURAS Y TABLAS
Fig. 1.1 Sistemas de Planos Celulares 7

Fig. 1.2 Modo de Radiación Punto a Punto 12

Fig. 1.3 Modo de Radiación Cuasi-Difuso 13

Fig. 1.4 Modo de Radiación Difuso 14

Fig. 1.5 Lan Ethernet Híbrida 15

Fig. 2.1 Canales de Comunicación en una red (Nivel Físico) 19

Fig. 2.2 Transmisión Analógica 22

Fig. 2.3 Transmisión Digital 23

Fig. 2.4 Efecto de la Atenuación 24

Fig. 2.5 Efecto de la Distorsión de Retardo 25

Fig. 2.6 Efecto de la Distorsión 26

Fig. 2.7 Efecto de la Interferencia y Ruido 27

Fig. 2.8 Errores en la recepción de información 28

Fig. 2.9 Cable Par Trenzado 30

Fig. 2.10 Cable Coaxial 31

Fig. 2.11 Estructura del Cable Coaxial 31

Fig. 2.12 Cable de Fibra Optica 33

Fig. 2.13 Estructura de la Fibra Optica 34

Fig. 2.14 Espectro utilizado por las Redes Inalámbricas 36

Fig. 2.15 Fotografía de un Satélite 38

Fig. 2.16 Satélites girando alrededor de la tierra 39

Fig. 2.17 Radiocomunicación 42

Tabla 2.1 Espectro de Radiofrecuencias 43

Fig. 2.18 Longitud de Onda y Tamaño de antena 44

Fig. 2.19 Distancia al horizonte 45

Fig. 2.20 Distancia de alcance visual 46

Fig. 2.20 Espectro Electromagnético 47

Fig. 2.21 Frederick Wiliam Herschel 49

Fig. 3.1 Red Inalámbrica 54

Fig. 3.2 Diagrama descriptivo de la capa física del 802.11 y sus extensiones 58

Fig. 3.3 Comportamiento en frecuencia de las técnicas de espectro ensanchado 59

Fig. 3.4 Transmisor – Receptor de Infrarrojo 63

Fig. 3.5 Infrared Data Association 64

Fig. 3.6 Pila de protocolos IRDA 65

Fig. 3.7 Modulación infrarroja Serie 67

Fig. 3.8 Protocolo SDLC 68

Fig. 3.9 Modulación por Pulso de Posición 69

Fig. 3.10 Pila de Protocolos IRDA-Control 78

Fig. 3.11 Sistema IRDA-Control 78

Fig. 3.12 Angulos de alcance entre Host y Periféricos 81

Fig. 3.13 Red Inalámbrica de Igual a Igual 84

Fig. 3.14 Instalación de Punto de Acceso 85

Fig. 3.15 Utilización de varios Puntos de Acceso 86

Fig. 3.16 Utilización de Puntos de Extensión 86

Fig. 3.17 Utilización de Antenas Direccionales 87

Fig. 3.18 Punto de Acceso 88

Fig. 3.19 Puntos de Extensión 90

Fig. 3.20 Tarjeta de Red Inalámbrica 91

Fig. 3.21 Tarjeta Pc Card Inalámbrica 92

Fig. 3.22 Adaptador Serie 93

Fig. 3.23 Adaptador Ethernet 94

Fig. 3.24 Dispositivos comunicados con el Adaptador Ethernet 95

Fig. 3.25 Antena Omnidirecional 96

Fig. 4.1 Modelo básico de conexión entre CM, BS y RM 99

Fig. 4.2 Protocolo Internet 100

Fig. 4.3 Modelo de funcionamiento del WAP 104

Fig. 4.4 Ejemplo de una red WAP 105

Fig. 4.5 Arquitectura de WAP 106

Fig. 4.6 Componentes del Cliente del WAE 110

Fig. 5.1 MiniSir 2 117

Fig. 5.2 Diagrama de Bloques del MiniSir2 118

Fig. 5.3 Placa de Evaluación EV1 120

Fig. 5.4 Familia de productos IRDA de Novalog 121

Fig. 5.5 Formato de UART & IRFrame 127

Fig. 5.6 Transductor Hp 128

Fig. 5.7 Familia IR de HP 129

Fig. 5.8 TIR2000 129
INTRODUCCION
El conocer en qué forma se transmite la información en las redes computacionales sean estas alámbricas, inalámbricas o mixtas es sumamente importante, ya que en un futuro se diseñará dispositivos con nuevas tecnologías y seguramente se utilizará el encapsulamiento de datos, la modulación y demodulación; codificación y decodificación, entre otros parámetros.

Los productos relacionados a comunicaciones han proliferado de una manera asombrosa especialmente para redes LAN, MAN, WAN, remotas, inalámbricas, así como los medios de transmisión de datos; de aquí la importancia de realizar estudios que abarquen estas tecnologías.

Concomitante al desarrollo de la tecnología es necesario que las organizaciones canalicen sus inversiones informáticas apoyadas en estándares internacionales de diseño, calidad y seguridad, así tenemos el caso específico del Instituto Técnico Superior Liceo Aduanero el cual mantiene una reconocida reputación, en su misión contempla “Satisfacer las necesidades de la comunidad de la Región Norte del País, mediante la formación integral de la niñez y juventud con niveles de excelencia, disponiendo de personal calificado y comprometido, contribuyendo de esta manera al desarrollo del Ecuador” y proyectándose al futuro a través de su visión al constituirse en una Institución líder en la educación integral, de reconocido prestigio y credibilidad; gracias a la excelencia académica, a la calidad del personal docente y a su gestión transparente.

PROBLEMA

El costo elevado de los dispositivos de red inalámbricos que soporten hibridación de medios de transmisión, retarda el proceso de complementación de las redes computacionales tradicionales (cableadas utilizando medios de transmisión guiados).

La carencia de una red computacional en el Instituto Técnico Superior Liceo Aduanero imposibilita la utilización de tecnología computacional, por ende no se aprovecha al máximo los recursos tales como Internet, Intranet, Correo Electrónico, recursos compartidos, entre otros.

OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES


  • Realizar un estudio de los Medios de Transmisión de datos orientados a soportar una topología de LAN híbrida y los componentes requeridos para su soporte.

  • Realizar la implementación de una red de computación híbrida en el Campus del Instituto Técnico Superior Liceo Aduanero.

OBJETIVOS ESPECIFICOS



  • Diseñar un prototipo de adaptador de medio de transmisión alámbrico a inalámbrico que ofrezca un enlace computacional aceptable y cuyo coste de producción sea significativamente inferior a los existentes en el mercado.

  • Realizar una propuesta de implementación de una de la Red de computación mixta (alámbrica – inalámbrica) en el Instituto Técnico Superior Liceo Aduanero.

HIPOTESIS

  • El costo de producción de un adaptador inalámbrico para red de computadoras puede ser inferior a los que oferta el mercado.

  • Las redes híbridas combinan la comunicación de datos con la movilidad del usuario aumentado su eficiencia y productividad.

  • Una red inalámbrica suministra mayor flexibilidad en la ubicación de una estación de trabajo, así como reduce el tiempo de instalación y reconfiguración.

El futuro de las redes de información es la comunicación inalámbrica, esto quiere decir que las computadoras no necesitarán cables para conectarse a la red, sino que tendrán transmisores-receptores colocados en ciertas estaciones de transmisión para recibir y enviar información desde y hacia computadoras que dispongan de tarjetas inalámbricas. Algunas corporaciones crearon sus propias redes de datos (Wireless LAN - Redes inalámbricas Locales) para alcanzar objetivos específicos como permitir los servicios de oficina virtual, instalar redes de datos en edificios considerados históricos o en lugares donde los costos para mantener una infraestructura fija es muy alta, o para eventos temporales (ferias comerciales).

Un problema común: la oficina es arrendada y los puestos, acomodados según el tendido de cableado estructurado no alcanza para todos los empleados, debe ampliarse la red, seguramente el menor inconveniente será el escándalo -mezcla de ruido y polvo- que harán los obreros mientras rompen los muros para atravesar los cables, más grave será la incomodidad del personal durante las semanas que demoran los cambios; no sobra decir que si después de un año la compañía decide cambiar de sede, toda la inversión se perderá, igual que el cable instalado.

El conocer en qué forma transmite la información utilizando medios inalámbricos es sumamente importante, ya que en un futuro se diseñará dispositivos con nuevas tecnologías y seguramente se utilizará el encapsulamiento de datos, la modulación y demodulación, codificación y decodificación, etc.

Los productos relacionados a comunicaciones han proliferado de una manera asombrosa especialmente para redes LAN, MAN, WAN, remotas, inalámbricas, así como los medios de transmisión de datos; de aquí la importancia de realizar estudios que abarquen estas tecnologías.


    1. Redes inalámbricas.

Una de las tecnologías más prometedoras y discutidas en esta década es poder comunicar computadoras mediante tecnología inalámbrica. La conexión de computadoras mediante Ondas de Radio o Luz Infrarroja, actualmente está siendo ampliamente investigado. Las Redes Inalámbricas facilitan la operación en lugares donde la computadora no puede permanecer en un solo lugar, como en almacenes o en oficinas que se encuentren en varios pisos.

No se espera que las redes inalámbricas lleguen a remplazar a las redes cableadas. Estas ofrecen velocidades de transmisión mayores que las logradas con la tecnología inalámbrica, mientras que las redes inalámbricas actuales ofrecen velocidades de 2 Mbps, las redes cableadas ofrecen velocidades de 100 Mbps, los sistemas de Cable de Fibra Optica logran velocidades aún mayores, y pensando futuristamente se espera que las redes inalámbricas alcancen velocidades de solo 10 Mbps. Sin embargo se pueden mezclar las redes cableadas y las inalámbricas, y de esta manera generar una “Red Híbrida” y poder resolver los últimos metros hacia la estación. Se puede considerar que el sistema cableado sea la parte principal y la inalámbrica proporcione movilidad adicional al equipo.

Existen dos categorías de Redes Inalámbricas:


  • De Larga Distancia.- Estas son utilizadas para transmitir la información en espacios que pueden variar desde una misma ciudad o hasta varios países circunvecinos (mejor conocido como Redes de Area Metropolitana MAN); sus velocidades de transmisión son relativamente bajas, de 4.8 a 19.2 Kbps.

  • De Corta Distancia.- Estas son utilizadas principalmente en redes corporativas cuyas oficinas se encuentran en uno o varios edificios que no se encuentran muy retirados entre si, con velocidades del orden de 280 Kbps hasta los 2 Mbps.

      1. Redes publicas de radio.

Las redes públicas tienen dos protagonistas principales: “ARDIS” (una asociación de Motorola e IBM) y “Ram Mobile Data” (desarrollado por Ericcson AB, denominado MOBITEX). Este último el más utilizado en Europa. Estas Redes proporcionan canales de radio en áreas metropolitanas, las cuales permiten la transmisión a través del país y que mediante una tarifa pueden ser utilizadas como redes de larga distancia.

Estas redes operan en un rango de 800 a 900 Mhz. ARDIS ofrece una velocidad de transmisión de 4.8 Kbps. Motorola Introdujo una versión de red pública en Estados Unidos que opera a 19.2 Kbps; y a 9.6 Kbps en Europa (debido a una banda de frecuencia más angosta). Las redes públicas de radio como ARDIS y MOBITEX jugarán un papel significativo en el mercado de redes de área local (LAN´s) especialmente para corporaciones de gran tamaño.



      1. Redes inalámbricas vs. convencionales

Las redes inalámbricas se diferencian de las convencionales principalmente en la “Capa Física” y la “Capa de Enlace de Datos”, según el modelo de referencia OSI. La capa física indica como son enviados los bits de una estación a otra. La capa de Enlace de Datos (denominada MAC), se encarga de describir como se empacan y verifican los bits de modo que no tengan errores. Las demás capas forman los protocolos o utilizan puentes, ruteadores o compuertas para conectarse. Los dos métodos para remplazar la capa física en una red inalámbrica son la transmisión de Radio Frecuencia y la Luz Infrarroja.

      1. Redes infrarrojas.

Las redes de luz infrarroja están limitadas por el espacio y casi generalmente la utilizan redes en las que las estaciones se encuentran en una habitación, algunas compañías que tienen sus oficinas en varios edificios realizan la comunicación colocando los receptores/emisores en las ventanas de los edificios. La transmisión Infrarroja no tiene ningún inconveniente en lo referente al ancho de banda que utilice por lo tanto es actualmente una alternativa para las Redes Inalámbricas.

El principio fundamental para la comunicación en Redes infrarrojas es la utilización de un “transreceptor” que envía un haz de Luz Infrarroja, hacia otro que la recibe. La transmisión de luz se codifica y decodifica en el envío y recepción en un protocolo de red existente.

Uno de los pioneros en esta área es Richard Allen, que fundó Photonics Corp., en 1985 y desarrolló un “Transreceptor Infrarrojo”. Los primeros transreceptores dirigían el haz infrarrojo de luz a una superficie pasiva, generalmente el techo, donde otro transreceptor recibía la señal. Se pueden instalar varias estaciones en una habitación utilizando una área pasiva para cada transreceptor.


      1. Redes de radio frecuencia.

Para las Redes Inalámbricas de RadioFrecuencia , la FCC permitió la operación sin licencia de dispositivos que utilizan 1 Watt de energía o menos, en tres bandas de frecuencia : 902 a 928 MHz, 2,400 a 2,483.5 MHz y 5,725 a 5,850 Mhz. Estas bandas de frecuencia, llamadas bandas ISM estaban anteriormente limitadas a instrumentos científicos, médicos e industriales. Esta banda, a diferencia de la ARDIS y MOBITEX, está abierta para cualquiera. Para minimizar la interferencia, las regulaciones de FCC estipulan que la técnica de señal de transmisión llamada spread-spectrum modulation, que tiene potencia de transmisión máxima de 1 Watt deberá ser utilizada en la banda ISM.

La idea es tomar una señal de banda convencional y distribuir su energía en un dominio más amplio de frecuencia. Así, la densidad promedio de energía es menor en el espectro equivalente de la señal original. Situándose esta reducción abajo del nivel de ruido ambiental de tal manera que la señal no sea detectable. La idea en las redes es que la señal sea transmitida y recibida con un mínimo de interferencias. Existen dos técnicas para distribuir la señal convencional en un espectro de propagación equivalente :



  • La secuencia directa.- En este método el flujo de bits de entrada se multiplica por una señal de frecuencia mayor, basada en una función de propagación determinada. El flujo de datos original puede ser entonces recobrado en el extremo receptor correlacionándolo con la función de propagación conocida. Este método requiere un procesador de señal digital para correlacionar la señal de entrada.

  • El salto de frecuencia.- Este método es una técnica en la cual los dispositivos receptores y emisores se mueven sincrónicamente en un patrón determinado de una frecuencia a otra, brincando ambos al mismo tiempo y en la misma frecuencia predeterminada. Como en el método de secuencia directa, los datos deben ser reconstruidos en base del patrón de salto de frecuencia. Este método es viable para las redes inalámbricas, pero la asignación actual de las bandas ISM no es adecuada, debido a la competencia con otros dispositivos, como por ejemplo las bandas de 2.4 y 5.8 Mhz que son utilizadas por hornos de Microondas.

Las transmisiones de radio frecuencia tienen una desventaja: que los países están tratando de ponerse de acuerdo en cuanto a las bandas que cada uno puede utilizar, al momento de realizar este trabajo ya se han reunido varios países para tratar de organizarse en cuanto a que frecuencias pueden utilizar cada uno.
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