Funcionamiento de las redes inalámbricas

El movimiento de datos a través de una red inalámbrica implica tres elementos separados: las señales de radio, el formato de datos y la estructura de la red.

Cada uno de estos elementos es independiente de los otros dos, por lo que debes definir los tres cuando planifiques una nueva red.

La señal de radio opera en la capa física y el formato de datos controla varias de las capas superiores.

La estructura de red incluye los adaptadores de interfaz de red inalámbrica y las estaciones base que envían y reciben las señales de radio.

En una red inalámbrica, los adaptadores de interfaz de red en cada ordenador y estación base convierten los datos digitales en señales de radio, que transmiten a otros dispositivos en la misma red, y reciben y convierten las señales de radio entrantes de otros elementos de la red nuevamente a datos digitales.

Cada uno de los servicios de datos inalámbricos de banda ancha utilizan una combinación diferente de señales de radio, formatos de datos y estructura de red.

Radio

Las leyes físicas básicas que hacen posible la radio son conocidas como las ecuaciones de Maxwell, identificadas por James Clerk Maxwell en 1864.

Sin entrar en las matemáticas, las ecuaciones de Maxwell muestran que un campo magnético cambiante producirá un campo eléctrico, y un campo eléctrico cambiante producirá un campo magnético.

Cuando la corriente alterna (CA) se mueve a través de un cable u otro conductor físico, parte de esa energía se escapa al espacio circundante como un campo magnético alterno.

Ese campo magnético crea un campo eléctrico alternativo en el espacio, que a su vez crea otro campo magnético y así sucesivamente hasta que se interrumpe la corriente original.

Esta forma de energía en transición entre electricidad y energía magnética se llama radiación electromagnética, o ondas de radio.

La radio se define como la radiación de energía electromagnética a través del espacio.

Un dispositivo que produce ondas de radio se llama transmisor, y un dispositivo complementario que detecta ondas de radio en el aire y las convierte en alguna otra forma de energía se llama receptor.

Tanto los transmisores como los receptores utilizan dispositivos con formas especiales llamadas antenas para enfocar la señal de radio en una dirección o patrón en particular, y para aumentar la cantidad de radiación efectiva (desde un transmisor) o sensibilidad (en un receptor).

Al ajustar la velocidad a la que fluye la corriente alterna desde cada transmisor a través de la antena y hacia el espacio (la frecuencia), y al ajustar un receptor para que funcione solo a esa frecuencia, es posible enviar y recibir muchas señales diferentes, cada una a una frecuencia diferente, que no interfiere entre sí.

El rango general de frecuencias se conoce como el espectro de radio. Un segmento más pequeño del espectro de radio a menudo se llama una banda.

Las frecuencias de radio y otras señales de CA se expresan como ciclos por segundo, o hertz (Hz).

Un ciclo es la distancia desde el pico de una señal de CA hasta el pico de la siguiente señal. Las señales de radio generalmente operan a frecuencias en miles, millones o billones de hercios (kilohertz o KHz, megahertz o MHz, y gigahertz o GHz, respectivamente).

El tipo más simple de comunicación por radio usa una señal continua que el operador del transmisor interrumpe para dividir la señal en patrones aceptados de señales largas y cortas (puntos y guiones) que corresponden a letras individuales y otros caracteres.

Para transmitir el habla, la música y otros sonidos a través de la radio, el transmisor altera o modula la señal de CA (la onda portadora) mezclando una señal de audio con la portadora como se muestra en la siguiente imagen (esto es llamada modulación de amplitud, o AM) o modulando la frecuencia dentro de un rango estrecho como se a continuación (esto se llama modulación de frecuencia, o FM).

modulación de frecuencia

El receptor de AM o FM incluye un circuito complementario que separa la portadora de la señal de modulación.

Debido a que dos o más señales de radio que usan la misma frecuencia a menudo pueden interferir entre sí, los reguladores gubernamentales y los organismos internacionales, como la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), han reservado ciertas frecuencias para tipos específicos de modulación, y emiten licencias exclusivas para usuarios individuales.

Por ejemplo, una estación de radio FM puede tener una licencia para operar a 92.1 MHz en una determinada ubicación geográfica. A nadie más se le permite usar esa frecuencia lo suficientemente cerca como para interferir con esa señal.

Por otro lado, algunos servicios de radio no requieren una licencia. La mayoría de los servicios sin licencia están restringidos a distancias muy cortas, a bandas de frecuencia específicas, o a ambas.

Tanto AM como FM son métodos analógicos porque la señal que sale del receptor es una réplica de la señal que entró en el transmisor.

Cuando enviamos datos de ordenadores a través de un enlace de radio, es digital porque el contenido se ha convertido de texto, código de ordenadores, sonidos, imágenes u otra información a unos y ceros antes de su transmisión, y se vuelve a convertir a su forma original. después de que se recibe.

La radio digital puede usar cualquiera de varios métodos de modulación diferentes: los unos y los ceros pueden ser dos tonos de audio diferentes, dos frecuencias de radio diferentes, interrupciones temporizadas en el operador o alguna combinación de éstas y otras técnicas.

Redes de datos inalámbricas

Cada tipo de red de datos inalámbrica opera en un conjunto específico de frecuencias de radio.

Por ejemplo, la mayoría de las redes WiFi operan en una banda especial de frecuencias de radio de alrededor de 2.4 GHz que se han reservado en la mayor parte del mundo para los servicios de radio de espectro de punto a punto sin licencia.

Otros sistemas de WiFi utilizan una banda diferente sin licencia alrededor de 5 GHz.

Servicios de radio sin licencia

Sin licencia significa que cualquier persona que utilice un equipo que cumpla con los requisitos técnicos puede enviar y recibir señales de radio en estas frecuencias sin una licencia de estación de radio.

A diferencia de la mayoría de los servicios de radio (incluidos otros servicios inalámbricos de banda ancha), que requieren licencias que otorguen el uso exclusivo de esa frecuencia a un tipo específico de servicio y a uno o más usuarios específicos, un servicio sin licencia es gratuito para todos, donde todos tienen una Igual reclamo a las mismas ondas aéreas.

En teoría, la tecnología de radio de espectro extendido hace posible que muchos usuarios coexistan (hasta cierto punto) sin interferencias significativas.

Punto a punto

Un servicio de radio punto a punto opera un canal de comunicación que transporta información desde un transmisor a un solo receptor.

El opuesto de punto a punto es un servicio de transmisión, como una estación de radio o televisión, que envía la misma señal a muchos receptores al mismo tiempo.

Espectro ensanchado

El espectro expandido es una familia de métodos para transmitir una única señal de radio utilizando un segmento relativamente amplio del espectro de radio.

Las redes Ethernet inalámbricas utilizan varios sistemas de transmisión de radio de espectro ensanchado diferentes, que se denominan espectro ensanchado de salto de frecuencia (FHSS), espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) y multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM).

Algunas redes de datos más antiguas utilizan el sistema FHSS más lento, pero las primeras redes WiFi utilizaron DSSS, y los sistemas más recientes usan OFDM.

La radio de espectro expandido ofrece algunas ventajas importantes sobre otros tipos de señales de radio que usan un solo canal estrecho.

El espectro distribuido es extremadamente eficiente, por lo que los transmisores de radio pueden operar con muy baja potencia.

Debido a que las señales operan en una banda de frecuencias relativamente amplia, son menos sensibles a la interferencia de otras señales de radio y ruido eléctrico, lo que significa que a menudo pueden pasar a través de entornos en los que una señal de banda estrecha convencional sería imposible de recibir y comprender. Y debido a que una señal de espectro ensanchado por salto de frecuencia se desplaza entre más de un canal, puede ser extremadamente difícil para un oyente no autorizado interceptar y decodificar el contenido de una señal.

Espectro de propagación de salto de frecuencia

Como sugiere su nombre, la tecnología FHSS divide una señal de radio en pequeños segmentos y "salta" de una frecuencia a otra muchas veces por segundo mientras transmite esos segmentos.

El transmisor y el receptor establecen un patrón de salto sincronizado que establece la secuencia en la que usarán diferentes subcanales.

Los sistemas FHSS superan la interferencia de otros usuarios mediante el uso de una señal portadora estrecha que cambia la frecuencia muchas veces por segundo.

Los pares adicionales de transmisor y receptor pueden usar diferentes patrones de salto en el mismo conjunto de subcanales al mismo tiempo.

En cualquier momento, es probable que cada transmisión utilice un subcanal diferente, por lo que no hay interferencia entre las señales. Cuando ocurre un conflicto, el sistema reenvía el mismo paquete hasta que el receptor obtiene una copia limpia y envía una confirmación a la estación transmisora.

Para algunos servicios de datos inalámbricos 802.11 más antiguos, la banda de 2.4 MHz sin licencia se divide en 75 subcanales, cada uno de ellos de 1 MHz de ancho. Debido a que cada salto de frecuencia agrega sobrecarga al flujo de datos, las transmisiones de FHSS son relativamente lentas.

Espectro extendido de secuencia directa

La tecnología de espectro extendido de secuencia directa (DSSS) que controla las redes 802.11b usa una secuencia Barker de 11 chips para difundir la señal de radio a través de un solo canal de 22 MHz de ancho sin cambiar las frecuencias.

Cada enlace DSSS usa solo un canal sin ningún salto entre las frecuencias.

Un transmisor DSSS divide cada bit en el flujo de datos original en una serie de patrones de bits redundantes llamados chips, y los transmite a un receptor que vuelve a ensamblar los chips en un flujo de datos que es idéntico al original.

Debido a que es probable que la mayoría de las interferencias ocupen un ancho de banda más estrecho que una señal DSSS, y debido a que cada bit se divide en varios chips, el receptor generalmente puede identificar el ruido y rechazarlo antes de descodificar la señal.

Al igual que otros protocolos de red, un enlace inalámbrico DSSS intercambia mensajes de mano dentro de cada paquete de datos para confirmar que el receptor puede entender cada paquete.

Por ejemplo, la velocidad de transmisión de datos estándar en una red WiFi DSSS 802.11b es de 11 Mbps, pero cuando la calidad de la señal no es compatible con esa velocidad, el transmisor y el receptor utilizan un proceso llamado cambio de velocidad dinámico para reducir la velocidad a 5.5. Mbps.

La velocidad puede disminuir debido a que una fuente de ruido eléctrico cerca del receptor interfiere con la señal o porque el transmisor y el receptor están demasiado alejados para admitir la operación a máxima velocidad.

Si 5.5Mbps aún es demasiado rápido para que el enlace lo maneje, se reduce nuevamente a 2Mbps o incluso a 1Mbps.

Multiplexación por división de frecuencia ortogonal

La modulación de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM), utilizada en redes WiFi 802.11a, es considerablemente más complicada que la tecnología DSSS.

La capa física divide el flujo de datos entre 52 flujos de bits paralelos, cada uno de los cuales utiliza una frecuencia de radio diferente llamada subportadora. Cuatro de estas subportadoras transportan datos piloto que proporcionan información de referencia sobre las 48 subportadoras restantes, a fin de reducir la pérdida de señal debida a la interferencia de radio o al cambio de fase.

Debido a que los datos se dividen en 48 flujos separados que se mueven a través de subportadoras separadas en paralelo, la velocidad de transmisión total es mucho mayor que la velocidad de los datos a través de un solo canal.

Las frecuencias de la subportadora en una señal OFDM se superponen con el pico de la forma de onda de cada subportadora que coincide con la línea de base de las señales superpuestas. Esto se llama división de frecuencia ortogonal.

El estándar 802.11a especifica un total de ocho canales de datos que tienen un ancho de 20 MHz. Cada uno de estos canales está dividido en 52 subportadoras de 300 kHz.

Cuando un receptor de radio WiFi detecta una señal 802.11a, ensambla los flujos de bits paralelos nuevamente dentro de un único flujo de datos de alta velocidad y utiliza los datos piloto para verificar su precisión.

En condiciones ideales, una red 802.11a puede mover datos a 54 Mbps, pero al igual que la modulación DSSS, el transmisor y receptor OFDM reduce automáticamente la velocidad de los datos cuando la tasa de transmisión máxima no es posible debido a la interferencia, señales débiles u otros Condiciones atmosféricas que perfectas.

La especificación 802.11g se diseñó para combinar las mejores características de 802.11b (mayor rango de señal) y 802.11a (mayor velocidad). Para lograr este objetivo, utiliza la modulación OFDM en la banda de frecuencia de 2.4 GHz.

Para la mayoría de nosotros, la tecnología que controla la radio de alta velocidad de espectro ensanchado podría ser una forma de magia con la misma facilidad, porque no es necesario entender las cosas que suceden dentro de un transmisor y un receptor; son casi invisibles cuando conectamos un ordenador a Internet.

Si bien es cierto que no es necesario que comprendas estos detalles técnicos sobre cómo un transmisor WiFi divide sus datos en partes pequeñas y las vuelve a unir a menos que sea un diseñador de circuitos de radio; saber que hay un conjunto bien definido de reglas y métodos que hacen que la conexión funcione, te aporta conocimientos de control.

Ahora sabes que no es mágico, y si lo piensas bien, quizás también conozcas algunas de las preguntas correctas que debes hacer cuando el sistema WiFi no funciona correctamente.

Si el conocimiento es poder, entonces el conocimiento sobre la tecnología WiFi que usas todos los días es el poder para controlar esa tecnología en lugar de solo usarla.



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