BASE TEÓRICA DE LA COMUNICACIÓN DE DATOS

BASE TEÓRICA DE LA COMUNICACIÓN DE DATOS
Mediante la variación de algunas propiedades físicas, como voltaje o corriente, es
posible transmitir información a través de cables.
SEÑALES DE ANCHO DE BANDA
Ninguna instalación transmisora puede transmitir señales sin perder cierta potencia
en el proceso. Si todos los componentes de Fourier disminuyeran en la misma
proporción, la señal resultante se reduciría en amplitud, pero no se distorsionaría.
Desafortunadamente todas las instalaciones de transmisión disminuyen los distintos
componentes de Fourier en diferente grado lo que provoca distorsión. Por lo
general, las amplitudes se transmiten sin ninguna disminución desde 0 hasta cierta
frecuencia, y todas las frecuencias que se encuentren por encima de esa frecuencia
de corte serán atenuadas.
Ancho de Banda
Se conoce como ancho de banda al rango de frecuencias que se transmiten sin
atenuarse con fuerza. El ancho de banda es una propiedad física del medio de
transmisión y por lo general depende de la construcción, grosor y longitud de dicho
medio.
MEDIOS DE TRANSMISIÓN
El propósito de la capa física es transportar un flujo de datos puro de una máquina
a otra. Es posible utilizar varios medios físicos para la transmisión real. Los medios
se clasifican en términos generales en dos:
 Medios de transmisión guiados
 Medios de transmisión inalámbricos
MEDIOS DE TRANSMISIÓN GUIADOS
Dentro de los medios guiados encontramos el cable coaxial o la fibra óptica entre
otros.
Medios Magnéticos
Una de las formas mas comunes para transportar datos de una computadora a otra
es almacenarlos en cintas magnéticas o medios extraíbles, transportar físicamente
la cinta o medio extraíble a la maquina destino y leer dichos datos ahí.
Este medio tiene como desventaja el hecho que llegar de una maquina a otra
implicaría tardar días o hasta meses para lograrlo ya que transportar esas cintas
requiere el uso de medios de transporte como automóvil o avión lo que implica un
retrazo en el envío.
La ventaja de este medio radica en el hecho que la capacidad de almacenamiento
puede llegar a cubrir los terabits lo que haría que la cantidad de información que
se enviara fuera muy elevada.
Par Trenzado
Para muchas aplicaciones se necesita de una conexión en línea. Uno de los medios
de transmisión mas viejo y común es el cable de par trenzado el cual consta de dos
cables de cobre aislado los cuales se trenzan, esto se hace porque dos alambres
paralelos constituyen una antena simple.
La aplicación mas común de este cable es para el sistema telefónico. La distancia
que se puede recorrer con estos cables es de varios kilómetros sin necesidad de
amplificar las señales, para distancias mayores se requieren repetidores. Cuando
muchos cables de par trenzado recorren de manera paralela distancias
considerables se suelen atar en haces y se cubren con una envoltura protectora. Si
los cables no estuvieran trenzados podrían sufrir interferencias.
Los cables de par trenzado se pueden utilizar tanto para transmisión digital como
para analógica. El ancho de banda depende del grosor del cable y de la distancia
que se recorre.
Existen varios tipos de cable de par trenzado:
 Par Trenzado de Categoría 3: consiste en dos alambres aislados que se trenzan
de manera delicada. Cuatro de estos pares se agrupan por lo regular en una
envoltura de plástico para su protección
 Par Trenzado de Categoría 5: son similares a los de categoría 3 pero con mas
vueltas en su trenzado, lo que produce una menor diafonía y una señal de mejor
calidad a distancias mas largas, esto las hace mas adecuadas para una
comunicación mas rápida entre computadoras.
Cable Coaxial
Es otro medio de comunicación común, este cable tiene un mejor blindaje que el
par trenzado así que puede abarcar tramos mas largos a velocidades mayores. Hay
dos clases de cable coaxial: el cable de 50 ohms, el cual se utiliza para la
transmisión digital y el cable de 75 ohms, el cual se utiliza comúnmente para la
transmisión analógica y de televisión por cable.
Un cable coaxial esta formado por un alambre de cobre rígido como núcleo,
rodeado por un material aislante. El aislante esta forrado con un conductor
cilíndrico, que con frecuencia es una malla de tejido fuertemente trenzada. El
conductor externo se cubre con una envoltura protectora de plástico.
La construcción y el blindaje del cable coaxial le confieren una buena combinación
de ancho de banda alto y excelente inmunidad al ruido. Es ancho de banda posible
depende de la calidad y longitud del cable y de la relación señal a ruido de la señal
de datos. Los cables coaxiales solían ser ampliamente utilizados en el sistema
telefónico para las líneas de larga distancia, pero eso en la actualidad ha sido
remplazado por la fibra óptica. Sin embargo el cable coaxial aun se utiliza en la
televisión por cable y en las redes de área metropolitana.
Fibra Óptica
Un sistema de transmisión óptico tiene tres componentes: la fuente de luz, el
medio de transmisión y el detector, un pulso de luz indica un bit 1 y la ausencia de
luz indica un bit 0. el medio de transmisión es una fibra de vidrio ultradelgada. El
detector genera un pulso eléctrico cuando la luz incide en él. Al agregar una fuente
de luz en un extremo de una fibra óptica y un detector en el otro, se tiene un
sistema de transmisión de datos unidireccional que acepta una señal eléctrica, la
convierte y transmite mediante pulsos de luz y luego reconvierte la salida a una
señal eléctrica en el extremo receptor.
Los cables de fibra óptica son similares a los coaxiales, excepto por el trenzado. Al
centro se encuentra el núcleo de vidrio a través del cual se propaga la luz.
El núcleo esta rodeado por un revestimiento de vidrio como índice de refracción
menor que el del núcleo, con el fin de mantener toda la luz en este último. A
continuación está una cubierta plástica delgada para proteger el revestimiento. Las
fibras por lo general se agrupan en haces protegidas por una funda exterior.
Las cubiertas de fibras terrestres por lo general se colocan en el suelo a un metro
de la superficie. Cerca de la costa, las cubiertas de fibras transoceánicas se
entierran en zanjas mediante una especie de arado marino. En las aguas profundas,
simplemente se colocan en el fondo.
La fibra óptica se puede utilizar en las LAN’s, así como en transmisiones de largo
alcance, aunque conectarse a ellas es un tanto complicado.
Ventajas de la Fibra Óptica contra el Cable Coaxial
 La fibra óptica maneja anchos de banda mayores que el cable coaxial
 La fibra óptica utiliza repetidores cada 50 Km. aproximadamente; los cables
coaxiales necesitan repetidores cada 5 Km. aproximadamente.
 Las sobrecargas de energía, interferencias o los cortes al suministro de la
energía no afectan a la fibra óptica
 Las fibras ópticas no tienen fugas de luz y es difícil intervenirlas o conectarse a
ellas.
Desventajas de la Fibra Óptica
 Dado que es una tecnología poco conocida requiere habilidades que casi no
tienen los ingenieros para su instalación.
 Las fibras pueden dañarse con facilidad al doblarse
 Dado que la transmisión es unidireccional es necesario tener dos fibras para una
conexión bidireccional.
 Las fibras son muy costosas.
MEDIOS DE TRANSMISIÓN INALÁMBRICOS
Radiotransmisión
Las ondas de radio son fáciles de generar, pueden viajar distancias largas y
penetrar edificios sin problemas, y por ello su uso está muy generalizado en la
comunicación, tanto en interiores como en exteriores. Las ondas de radio son
omnidireccionales, es decir, que viajan en todas direcciones a partir de la fuente,
por lo que no es necesario que el transmisor y el receptor se encuentren
físicamente alineados.
Las propiedades de las ondas de radio dependen de la frecuencia. A bajas
frecuencias, esas ondas cruzan bien casi cualquier obstáculo, pero la potencia se
reduce de manera drástica a medida que se aleja de la fuente. A frecuencias altas,
las ondas de radio tienden a viajar en línea recta y a rebotar en los obstáculos.
También son absorbidas por la lluvia. En todas las frecuencias, las ondas de radio
están sujetas a interferencia por los motores y otros equipos eléctricos.
Microondas
Por encima de los 100 MHz las ondas viajan en línea recta y, por lo tanto, se
pueden enfocar en un haz estrecho. Concentrar toda la energía en un haz pequeño
con una antena parabólica produce una relación señal a ruido mucho mas alta, pero
las antena transmisora y receptora deben estar bien alineadas entre sí. Esta
direccionalidad entre varios transmisores alineados en una fila se comuniquen sin
interferencia con varios receptores en fila, siempre y cuando se sigan algunas
reglas de espaciado.
Ya que las microondas viajan en línea recta, si las torres están muy separadas,
partes de la Tierra estorbarán. Como consecuencia se necesitan repetidores
periódicos. Cuanto mas altas sean las torres mas separadas pueden estar.
A diferencia de las ondas de radio a frecuencias mas bajas, las microondas no
atraviesan bien los edificios, aun cuando el haz puede estar bien enfocado en el
transmisor, hay cierta divergencia en el espacio. Las ondas diferidas pueden llegar
fuera de fase con la onda directa y cancelar así la señal. Este efecto se llama
desvanecimiento por múltiples trayectorias y por lo regular ese es un problema
serio que depende del clima y de la frecuencia.
Para evitar un caos total, hay acuerdos nacionales e internacionales acerca de
quien utiliza cuáles frecuencias. Los gobiernos nacionales asignan frecuencias para
radio (AM y FM), televisión, teléfonos móviles, compañías de teléfono, policía,
marina, navegación, milicia, gobierno y otros usuarios.
En Estados Unidos quien hace esas asignaciones es la FCC (Comisión Federal de
Comunicaciones).
Ondas Infrarrojas
Las ondas infrarrojas se utilizan para las comunicaciones de corto alcance. Todos
los controles remotos de los aparatos eléctricos (televisión, radio, etc) utilizan
comunicaciones infrarrojas. Estos controles son relativamente direccionales,
económicos y fáciles de construir, pero tienen un inconveniente no atraviesan los
objetos sólidos.
El hecho de que las ondas infrarrojas no atraviesen bien las paredes sólidas
también es una ventaja, es decir, que un sistema infrarrojo en un cuarto de un
edificio no interferirá con un sistema similar en cuartos adyacentes. Por esta razón,
la seguridad de estos sistemas contra el espionaje es mejor que la de los sistemas
de radio.
Láser (transmisión por ondas de luz)
La señalización óptica sin guías se ha utilizado durante siglos. Una aplicación
moderna del láser es conectar las LAN de dos edificios por medio del láser
montados en sus azoteas. La señalización óptica coherente con láser es
unidireccional, de modo que cada edificio necesita su propio láser y su propio
fotodetector. Este esquema ofrece un ancho de banda muy elevado y un costo muy
bajo. Es relativamente fácil de instalar y no requiere de licencias de la FCC.
Una desventaja es que los rayos láser no pueden penetrar la lluvia ni la niebla
densa, pero normalmente funciona bien en días soleados.
SATELITES DE COMUNICACIONES
En la década de 1950 y principios de 1960, hubo intentos por establecer sistemas
de comunicación mediante el rebote de señales sobre globos climáticos. Por
desgracia las señales que se recibían eran demasiado débiles para darles un uso
práctico.
Progresos posteriores en el campo de las comunicaciones por el cielo tuvieron que
esperar hasta que se lanzó el primer satélite de comunicaciones. La principal
diferencia entre un satélite artificial y uno real es que el primero puede amplificar
las señales antes de mandarlas de regreso.
Los satélites de comunicaciones tienen algunas propiedades interesantes que los
hacen atractivos para muchas aplicaciones. Un satélite de comunicaciones se puede
considerar como un enorme repetidor de microondas en el cielo. Contiene
numerosos transpondedores, cada uno de los cuales se encarga de una parte de la
frecuencia, amplifica la señal entrante y la retransmite en otra frecuencia para
evitar interferencia con la señal entrante. Los haces pueden ser amplios y cubrir
una porción sustancial de la superficie de la Tierra, o estrechos y abarcar algunos
cientos de kilómetros de diámetro.
Entre mas alto este el satélite, mas largo es el periodo. Cerca de la superficie de la
Tierra, el periodo es de aproximadamente 90 minutos. En consecuencia, los
satélites con órbitas bajas desaparecen de la vista con mayor rapidez, aunque
algunos de ellos son necesarios para proporcionar una cobertura continua. A una
altitud de cerca de 35,800 Km, el periodo es de 24 horas. A 384,000 Km, el periodo
es de cerca de un mes.
Satélites geoestacionarios
La invención del transistor cambió las cosas para los satélites; el primer satélite de
comunicaciones artificial Telstar, fue lanzado en julio de 1962. Desde entonces los
satélites de comunicaciones se han convertido en un negocio multimillonario. Con
frecuencia a estos satélites que vuelan a grandes alturas se les llama satélites GEO
(Órbita Terrestre Geoestacionaria).
Con la tecnología actual, es poco aconsejable utilizar satélites geoestacionarios
espaciados a menos de dos grados en el plano ecuatorial de 360 grados para evitar
interferencia, es decir, que solo puede haber 180 de estos satélites a la vez en el
cielo, sin embargo, cada transpondedor puede utilizar múltiples frecuencias y
polarizaciones para incrementar el ancho de banda disponible.
Los satélites modernos pueden ser bastante grandes, pesar hasta 4000 Kg. Y
consumir varios kilowatts de electricidad producida por paneles solares. La
gravedad del Sol, la Luna y los planetas tiende a desplazar a los satélites de sus
órbitas y orientaciones asignadas, efecto contrarrestado por los motores turbo
integrados en los satélites.
Los primeros satélites geoestacionarios tenían un solo haz espacial que iluminaba
cerca de un tercio de la superficie de la Tierra al cual se le conoce como huella.
Con la considerable reducción del precio, tamaño, requerimientos de energía, de
los componentes microelectrónicos se ha vuelto posible una estrategia de difusión
mucho mas refinada. Cada satélite está equipado con múltiples antenas y
transpondedores. Cada haz descendiente se puede concentrar en un área
geográfica pequeña, de tal forma que es posible llevar a cabo simultáneamente
una gran cantidad de transmisiones desde y hacia el satélite.
Satélite de Orbita Terrestre Media
Los satélites MEO (Orbita Terrestre Media) se encuentran a altitudes mucho mas
bajas, estos satélites se desplazan lentamente y tardan alrededor de seis horas
para dar vuelta a la Tierra. Puesto que son menores que los GEO, tienen una huella
mas pequeña y se requieren de transmisores menos potentes para alcanzarlos.
Satélite de Orbita Terrestre Baja
En una amplitud mas baja encontramos los satélites LEO (Orbita Terrestre Baja)
debido a la rapidez de su movimiento se requieren grandes cantidades de ellos para
conformar un sistema completo. Como los satélites se encuentran tan cercanos a la
Tierra, las estaciones terrestre no necesitan mucha potencia, y el retardo del viaje
de ida y vuelta es de tan solo algunos milisegundos.
TRANSMISIÓN ANALÓGICA
La transmisión analógica dominó en sus inicios la industria de las
telecomunicaciones. Las señales se transmitían haciendo que alguna magnitud
física como por ejemplo el voltaje variara en forma continua en función del
tiempo.
A pesar de la llegada de la transmisión digital aun encontramos transmisiones
analógicas importantes y muy utilizadas, el ejemplo mas conocido es el sistema
telefónico.
RED TELEFÓNICA PÚBLICA CONMUTADA
Cuando dos computadoras propiedad de la misma empresa u organización,
localizadas cerca una de la otra, necesitan comunicarse, es fácil conectarlas
mediante un cable. Las LAN’s funcionan de esta manera. Sin embargo cuando las
distancias son considerables los costos de tener cables privados son muy elevados.
Además, en casi todos los países del mundo también es ilegal el enlace de líneas de
transmisión privadas a través o por debajo de una propiedad pública. En
consecuencia, los diseñadores de redes dependen de las instalaciones de
telecomunicaciones existentes.
Estas instalaciones, en especial la PSTN(Red Telefónica Pública Conmutada)
fueron diseñadas hace muchos años, con un propósito completamente diferente:
transmitir la voz humana en una forma mas o menos reconocible. Su aplicabilidad
en las comunicaciones de computadora a computadora es muy limitada, pero esta
situación esta cambiando rápidamente con la introducción de la fibra óptica y la
tecnología digital. El sistema telefónico esta ampliamente relacionado con las
computadoras y la comunicación entre ellas.
Estructura del sistema telefónico
Tan pronto como Alexander Graham Bell patentó el teléfono en 1876, hubo una
gran demanda por su nuevo invento. El mercado inicial era solo para la venta de
teléfonos, los cuales se vendían por pares.
Dado los problemas para comunicar mas de dos teléfonos entre si Bell formó la Bell
Telephone Company, la cual abrió su primera oficina de conmutación en 1878. La
compañía colocó un cable en la casa u oficina de cada cliente. Para realizar una
llamada, el cliente debía dar vueltas a una manivela en el teléfono que producía un
sonido en la oficina de la compañía de teléfonos con el que se atraía la atención de
un operador, el cual conectaba manualmente a quien llamaba el receptor.
Muy pronto surgieron por todas partes oficinas de conmutación del Bell System y la
gente quiso hacer llamadas de larga distancia entre ciudades, de modo que Bell
System empezó a conectar las oficinas de conmutación.
Para 1980, las tres partes principales del sistema telefónico ya estaban en su lugar:
 Oficinas de conmutación
 Cables entre los clientes y las oficinas de conmutación (en esa época ya se
utilizaba el par trenzado)
 Conexiones de larga distancia entre las oficinas de conmutación
Para las telecomunicaciones se usan diversos medios de transmisión. En nuestros
días, los circuitos locales utilizan los pares trenzados; en las oficinas de
conmutación se usan ampliamente cables coaxiales, microondas y en especial fibra
óptica.
En el pasado, la transmisión en todo sistema telefónico era analógica, con la señal
de voz real transmitida como voltaje eléctrico entre la fuente y el destino.
Actualmente todos los conmutadores son digitales y el circuito local queda como el
único elemento de tecnología analógica del sistema. Existe preferencia por la
transmisión digital porque en ésta no es necesario reproducir exactamente una
forma de onda analógica después de que ha pasado por muchos amplificadores en
una llamada larga.
CONMUTACIÓN Y MULTIPLEXACIÓN
TIPOS DE CONMUTACIÓN
La comunicación entre un origen y un destino habitualmente pasa por nodos
intermedios que se encargan de encauzar el tráfico. Por ejemplo, en las llamadas
telefónicas los nodos intermedios son las centralitas telefónicas y en las conexiones
a Internet, los routers o encaminadores. Dependiendo de la utilización de estos
nodos intermedios, se distingue entre conmutación de circuitos, de mensajes y de
paquetes.
Conmutación de circuitos
Se establece un camino físico entre el origen y el destino durante el tiempo que
dure la transmisión de datos. Este camino es exclusivo para los dos extremos de la
comunicación: no se comparte con otros usuarios (ancho de banda fijo). Las
comunicaciones a través de líneas telefónicas analógicas (RTB) o digitales (RDSI)
funcionan mediante conmutación de circuitos.
Conmutación de mensajes
Un mensaje que se transmite de esta manera va pasando desde un nodo al
siguiente, liberando el tramo anterior en cada paso para que otros puedan
utilizarlo y esperando a que el siguiente tramo esté libre para transmitirlo. Esto
implica que el camino origen-destino es utilizado de forma simultánea por distintos
mensajes. Sin embargo, éste método no es muy útil en la práctica ya que los nodos
intermedios necesitarían una elevada memoria temporal para almacenar los
mensajes completos. En la vida real podemos compararlo con el correo postal.
Conmutación de paquetes
La conmutación de paquetes es la que realmente se utiliza cuando hablamos de
redes. Los mensajes se fragmentan en paquetes y cada uno de ellos se envía de
forma independiente desde el origen al destino. De esta manera, los nodos
(routers) no necesitan una gran memoria temporal y el tráfico por la red es más
fluido. Nos encontramos aquí con una serie de problemas añadidos: la pérdida de
un paquete provocará que se descarte el mensaje completo; además, como los
paquetes pueden seguir rutas distintas puede darse el caso de que lleguen
desordenados al destino. Esta es la forma de transmisión que se utiliza en Internet:
los fragmentos de un mensaje van pasando a través de distintas redes hasta llegar
al destino.
TIPOS DE MULTIPLEXACIÓN
La multiplexación es la transmisión simultánea de varios canales de información
separados en el mismo circuito de comunicación sin interferirse entre sí. Para la
comunicación de voz, esto significa dos o más canales de voz en una sola
portadora. Para los sistemas telefónicos significa muchos canales en un sólo par de
cables o en una sola línea de transmisión coaxial. La transmisión simultánea puede
llevarse a cabo por división de tiempo o por división de frecuencia.
Multiplexación por división de tiempo
La multiplexación por división de tiempo (MDT) es un medio de transmitir dos o
más canales de información en el mismo circuito de comunicación utilizando la
técnica de tiempo compartido. Se adapta bien a las señales binarias que consisten
en impulsos que representan un dígito binario 1 o 0. Estos impulsos pueden ser de
muy corta duración y sin embargo, son capaces de transportar la información
deseada; por tanto, muchos de ellos pueden comprimirse en el tiempo disponible
de un canal digital. La señal original puede ser una onda analógica que se convierte
en forma binaria para su transmisión, como las señales de voz de una red
telefónica, o puede estar ya en forma digital, como los de un equipo de datos o un
ordenador.
La parte de preparación de la señal y modulación del sistema se denomina
multiplexor (MUX), y la parte de desmodulación se llama desmultiplexor (DE-MUX).
En el MUX, un conmutador sincronizado (interruptor electromecánico) conecta
secuencialmente un impulso de sincronización, seguido por cada canal de
información, con la salida. La combinación de este grupo de impulsos se denomina
cuadro. El impulso de sincronización se utiliza para mantener la transmisor y la
receptor sincronizados, es decir, para mantener en fase el sincronizador del
receptor con el del transmisor. El DEMUX, dirige impulsos de sincronización hacia el
sincronizador del receptor, y el muestreo de información envía los impulsos hasta
sus canales correctos para su posterior análisis.
Multiplexación por división de frecuencia
Al igual que la MDT, la multiplexación por división de frecuencia (MDF) se utiliza
para transmitir varios canales de información simultáneamente en el mismo canal
de comunicación. Sin embargo, a diferencia de la MDT, la MDF no utiliza
modulación por impulsos. En MDF, el espectro de frecuencias representado por el
ancho de banda disponible de un canal se divide en porciones de ancho de banda
más pequeños, para cada una de las diversas fuentes de señales asignadas a cada
porción. Explicado de forma sencilla, la diferencia entre los dos sistemas es ésta:
En MDF, cada canal ocupa continuamente una pequeña fracción del espectro de
frecuencias transmitido; en MDT, cada canal ocupa todo el espectro de frecuencias
durante sólo una fracción de tiempo.
COMUNICACIÓN SIMPLEX, HALF-DUPLEX Y FULL-DUPLEX
Simplex
En una comunicación simplex existe un solo canal unidireccional: el origen puede
transmitir al destino pero el destino no puede comunicarse con el origen. Por
ejemplo, la radio y la televisión.
Half-duplex
En una comunicación half-duplex existe un solo canal que puede transmitir en los
dos sentidos pero no simultáneamente: las estaciones se tienen que turnar. Esto es
lo que ocurre con las emisoras de radioaficionados.
Full-duplex
En una comunicación full-duplex existen dos canales, uno para cada sentido: ambas
estaciones pueden transmitir y recibir a la vez. Por ejemplo, el teléfono.