| Aspectos
físicos de las redes |
| Escrito por Quasi |
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Publicado: |
02/06/2001 |
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Actualizado: |
02/06/2001 |
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Conceptos
matemáticos
El efecto causado por una suma de señales es equivalente a la suma de
los efectos causados por cada señal independientemente.
F ( x + y ) = F ( x ) + F ( y )
A la hora de enviar información una de las señales mas usadas son las
llamadas sinusoidales.
Señales sinusoidales
F ( T ) = A * sen ( (W * T) + FI )
Señal periódicas: Son señales que se transmiten de la misma forma y
continuamente. Podremos representarla como combinaciónes de senos y
cosenos.
Conceptos físicos
La ley de ohm: Las señales eléctricas
cuando se transmiten por cualquier medio tiene un debilitamiento que es
lo que se conoce como atenuación.
Se llama decibelio: a la medida o a la
unidad que mide la proporcion entre la energia que hay en la entrada y
la que hay en la salida. De esta forma obtendríamos la cantidad de
atenuación.
Nº decibelios = 10 * log10 (P.salida/P.entrada) Si la Potencia de
entrada es igual a la Potencia de salida se diría que hay 0 decibelios
o lo que es lo mismo que no ha habido ninguna atenuación. Esto seria el
caso perfecto.
Si la P.salida es mayor a la P.entrada, se dice que ha habido un
amplificado puesto que hay ganancias en la señal de salida.
En caso inverso se dice que hay un atenuado.
De hay vienen las palabras con las que denominamos a los dispositivos
que incrementan las señales o las decrementan: amplificadores y
atenuadores.
¿Que es el ancho de banda?
Es la diferencia entre la frecuencia máxima y la mínima dentro de un
canal. El ancho de banda determina la velocidad de transferencia de los
datos por un canal. Lógicamente el bando de ancha limita en gran medida
los tipos de transmisiones de cualquier información. Con lo que si un
ancho de banda para radio es lógicamente mas pequeño que el ancho de
banda para la transmisión de televisión. Puesto que en el primer caso
solo se transmite voz y en el segundo también se transmiten imágenes.
Esta es una de las razones por las que las televisiones digitales usan
los satélites para sus transmisiones, estos satélites proveen un ancho
de banda enorme en comparación con otros tipos de dispositivos.
Contaminación
de una señal: Produce perdidas de información.
Factores que producen contaminación:
Ø Atenuación: Se pierde amplitud de la señal, los valores máximos de
esta.
Ø Distorsión: Se produce en algunas partes de la naturaleza del canal,
en las cuales se producen atenuaciones y distorsiones del espectro de
la señal. Esta factor de contaminación puede corregirse mediante un
ecualizador, el cual se encargaría de amplificar la señal en esos
puntos en los que se distorsiona o atenúa.
Ø Interferencias: Se añade una señal por el medio de la señal original.
Ø Ruido: Esto es el resultado de muchas interferencias.
Al enviar varias señales por un mismo canal se llama multicanalizacion.
Multiplexacion y concentración
Multiplexar es dividir de forma lógica un canal de transmisión en
varios canales, lo cual permite enviar datos por "subcanales" de forma
simultanea.
Concentración: (hub), su definición es teóricamente similar a la de la
múltiplexación. Lo que la diferencia de la anterior, es que en el caso
de la multeplexación la capacidad de transmisión del canal común ha de
ser mayor o igual que la suma de las capacidades de transmisión de cada
uno de los emisores. Y este requisito no es indispensable en la
concentración.
Los concentradores son dispositivos físicos que se encargan en cierta
forma de administrar el canal. Por un canal no pueden ir todas las
señales cuando estas quieren, ha de haber un dispositivo que diga a una
señal que espere y cuando el canal este libre que pase, esos
dispositivos son los concentradores. De hay viene su nombre, puesto que
concentran a la señal durante un periodo temporal. Estos dispositivos
se encargan de decir a la señal que espere hasta que el canal quede
libre y poder darle paso a continuación, es necesario que albergue
durante ese tiempo de espera la señal, para esto cuentan con un
elemento o memoria que almacena la señal, hasta su lanzamiento. Este
proceso lo realiza con varias señales.
Multiplexacion en frecuencia (FDM): Se divide de forma logica un canal
comun en varios canales lógicos, cada cual de ellos dispone de su
propia banda de ancho y sus frecuencias para las transmisiones.
Evidentemente estos subcanales lógicos que parten del común tienen un
ancho de banda menor que el canal común y disponen de menos frecuencias
a transmitir pero de esta forma se pueden enviar simultáneamente datos
en distintas frecuencias.
Multiplexacion en el tiempo (TDM): En este tipo de multiplexacion se
divide el canal comun de forma logica en canales, y esto lo logra
haciendo repartos de intevalos de tiempo.
Dos tipos de multiplexacion en tiempo
Multiplexacion en el tiempo asíncrono: Cada estacion puede transmitir
un intervalo de longitud variable.
Multiplexacion en el tiempo sincrono: Cada emisor tiene un tiempo
determinado para transmitir. Su problema es que cuando uno no transmite
este tiempo es muerto y de esta forma podemos perder tiempo.
El sistema ideal para transmitir seria una mezcla de los dos. Hay
dispositivos que lo logran.
Técnicas combinadas: Es un tipo de multiplexacion que da lugar a que se
pueda usar un canal en ciertos intervalos de tiempo dentro de una
determinada frecuencia de un ancho de banda.
La modulación
Podríamos definir mas técnicamente "modulación" como la acción
encargada de adaptar una señal a un canal de forma que se usen las
mejores frecuencias para propagar esa señal por ese canal.
Ahora bien se dice que si la transmisión se realiza sin ningún tipo de
modulación esta opera en banda base, y por el contrario si se modula
estará operando en banda ancha.
En banda base: (Distancia cercana, no va
modulada).Solo distancias cortas en largas se pierde información. En
estas solo pueden ir una señal por línea.
En banda ancha (Distancia lejana, va modulada): A una señal se le
aplica el proceso llamado modulación. Por esta pueden ir varias señales.
Tipos de modulación
Ø Modulación lineal: Se transmiten las señales continuas de forma
sinusoidal.
Ø Modulación por pulsos: Se transmite señales en forma de bits.
Ø Modulación codificada: Primero se codifica y luego se envía de igual
forma que la modulación lineal.
Modulaciones lineales
Ø Modulación en amplitud: Asignan una amplitud diferente, al 0 o al 1.
Ø Modulación en fase: Solo tiene dos estados, el 0 y el 1.
Ø Modulación en frecuencia
Habíamos dicho que en banda base las señales podían perderse al no
haber una modulación, veamos esto con un ejemplo.
Hay dos paisanos uno tiene un megáfono y otro no. El segundo de ellos
comienza a hablar con lo que esta transmitiendo información, y lo hace
en forma de banda base puesto que su señal de voz no es alterada ni
modificada por nada. Mientras que el primer paisanu comienza hablar por
megáfono, su señal de voz si es alterada y llegara mas lejos al ser
modulada por el megáfono. Con lo que, el primer paisanu hablara y la
información con la distancia se ira perdiendo y llegara menos lejos que
con megáfono. J
Medios de transmisión
El medio de transmisión es el soporte físico por el que va la
información o datos en forma de señales o magnitudes físicas.
Este es uno de los elementos claves dentro de una comunicación. La
calidad de la transmisión será determinada por las características del
medio por el que se propaga.
Los medios de transmisión pueden ser: el aire, el agua, los cables o
hilos conductores, etc.
Cada medio de transmisión es adecuado para transmitir una determinada
señal. Por ejemplo una señal eléctrica ha de ser transmitida por un
hilo conductor para que se propague a gran velocidad, y de hay la
utilización del cable.
Cada medio de transmisión tiene ventajas e inconvenientes por lo que
hay una serie de factores a tener en cuenta a la hora de elegirlo:
Ø Tipo de instalación en la que es mas adecuado.
Ø Topología que soporta.
Ø Fiabilidad y vulnerabilidad.
Ø Influencia de las interferencias.
Ø Economía y facilidad de instalación.
Ø Seguridad. Facilidad para intervenir el medio.
Lógicamente en la telemática hay un gran numero de medios de
transmisión. Pero en la teleinformática se han de destacar 3 medios de
transmisión.
Ø Los medios magnéticos
Ø Los medios de cableado.
o UTP
o STP
o Fibra optica
Ø Los sistemas inalámbricos
o Los sistemas redioterrestres
o Los sistemas de satélites artificiales
Los medios magnéticos: Si el costo por bit o ancho de ban es elevado,
las cintas magneticas ofrecen una buena solucion.
Una cinta de video (Exabyte) puede almacenar 7 GB.
Los medios de cableado: Este es el canal o medio de transmisión mas
barato y simple que hay. Nos facilita una comunicación rápida y cómoda.
Como antes habíamos vistos todos los medios de transmisión hacen que se
produzca unas contaminaciones en las señales. En los cables se puede
producir una gran atenuación de la señal, producto de la distancia.
Los cables pueden correr unos kilómetros sin la amplificación
dependiendo del cable utilizado, con la longitud se va perdiendo la
señal y esto puede solucionarse con unos dispositivos llamados
repetidores, los cuales amplifican prácticamente de nuevo la señal al
estado inicial, evitando así las atenuaciones.
Existen varias técnicas en los cables para evitar estas perdidas o
contaminaciones de las señales por este medio de transmisión. Las dos
técnicas a destacar nos confieren los dos tipos de cables mas usados en
procesos teleinformaticos.
Así pues podemos distinguir entre:
Cables de par trenzados (UTP = Unshielded Twisted Pair): Estamos
hablando generalmente de un cable compuesto por un par de hilos de
cobre enroscados de forma tornado. Esto evita las posibles
interferencias eléctricas, basándose en la técnica del torno. Es un
cable barato, flexible y sencillo de instalar.
Cables apantallados (STP = Shielded Twisted Pair): Es un cable
semejante al primero pero añade un recubrimiento metalico para evitar
las interferencias externas. Por tanto es un cable mas protegido pero
menos flexible. Este tipo de cables son por ejemplo los que usan las
antenas de la televisión. Ese apantallado suele ser en los casos de las
antenas un recubrimiento en forma de malla con finos hilos de cobre.
Uno de los cables mas conocidos de este tipo es el llamado cable
coaxial, este cable esta compuesto por un alambre dentro de un
conductor cilíndrico. Tiene un mejor blindaje y puede cruzar distancias
mayores con velocidades mayores. Este tipo de cables suele ser el usado
para la implantación de una LAN (red de área local).
Fibra óptica: La fibra optica transmite señales luminosas, generalmente
se usa una luz laser. Este tipo de medio de transmisión es insensible a
las interferencias electromagnéticas externas.
La composición del cable de fibra óptica consta de un núcleo, un
revestimiento y una cubierta externa protectora. El núcleo es el
conductor de la señal luminosa (láser) y su atenuación es despreciable.
La señal es conducida por el interior de este núcleo fibroso, sin poder
escapar de el debido a las reflexiones internas y totales.
Vamos, que el láser entra por el inicio de la fibra óptica y va
rebotando debido a unos reflectores o espejos que hay en la
revestimiento. Cada señal de luz puede llevar un ángulo con lo que es
posible mandar muchísimas señales simultáneamente y debido a que es una
señal luminosa de tipo láser, sigue las características de un láser
este propaga su luz siempre en la misma frecuencia y en fase.
Como vemos las señales luminosas (láser) van rebotando en las paredes
del
Revestimiento de forma sucesiva hasta llegar a su destino, esto hace
que por el canal
Se puedan enviar muchísimas señales y todas en una frecuencia distinta
puesto que rebotan en distintos ángulos. Por un cable de fibra óptica
con esta característica podría enviar hasta 300.000 llamadas de
teléfono de forma simultanea, lógicamente cuanto mas ancho de banda mas
señales podrán ir. Esta es una de las grandes ventajas de la fibra
óptica además de la trasmisión de señales digitales. También es
destacable en este tipo de medios de transmisión su rapidez y precisión.
Sistemas inalámbricos radioterrestres.
Ø Onda corta. Son ondas que utilizan la ionosfera como espejo reflector
entre el emisor y el receptor. De este modo es posible la comunicación
a largas distancias (intercontinental). Lo malo es que su ancho de
banda es pequeño, por lo que no es un buen medio de transmisión de
datos analógicos.
Ø Radio. Las ondas de radio son fáciles de generar, pueden cruzar
distancias largas, y
Ø entrar fácilmente en los edificios. Son omnidireccionales, lo cual
implica que los transmisores y recibidores
Ø no tienen que ser alineados.
Ø Microondas. Van en líneas rectas. Antes de la fibra formaban el
centro del sistema
Ø telefónico de larga distancia. La lluvia las absorbe.
Ø Infrarrojo. Se usan en la comunicación de corta distancia (por
ejemplo, controlo remoto de televisores).
Ø No pasan por las paredes, lo que implica que sistemas en distintas
habitaciones no se interfieren. No se
Ø pueden usar afuera.
Ø Ondas de luz. Se usan lasers. Ofrecen un ancho de banda alto con
costo bajo.
Los sistemas inalámbricos por satélites
Sus beneficios son :
El enorme ancho de banda de que nos proveen este tipo de medios de
transmisión. Por el cual podemos mandar simultáneamente muchísimas
señales e información.
Otra de sus características es la comunicación a larga distancia, con
este sistema podemos comunicarnos con las partes mas lejanas y de forma
relativamente rápida.
Sus problemas son:
El elevado costo de situar un satélite en el espacio y su posterior
mantenimiento.
El retardo temporal que provocan este tipo de medios de transmisión.
Debido lógicamente a la enorme cantidad de espacio entre el
emisor-receptor.
Detección y corrección de errores
Como habíamos visto anteriormente en una comunicación puede darse una
contaminación, y esta puede ser de varios tipos: ruido, distorsion,
atenuación, etc. Todos estos tipos de contaminación pueden causar que
la información transmitida llegue con errores o falta de datos.
Así pues en una transmisión de datos en teleinformática, mandando una
información en forma digital (00001001) podríamos recibir esto con
ceros invertidos a unos y a la inversa.
Es pues y cierto que en la teleinformática existe la perdida de
información, pero generalmente esa perdida no es por que se pierdan los
datos sino porque varían y se invierten.
A partir de aquí veremos una serie de técnicas capaces de detectar
estas variaciones, así como también veremos códigos para corregirlas.
Detección de errores
Ø La paridad simple
Ø La paridad de bloque
Ø La redundancia cíclica
Los sistemas de paridad se basan en añadir una serie de bits junto a
los bits de la información que manda un usuario. Una alteración durante
la transmisión en estos bits de información que mando el usuario, hacen
que al ser comparados con los bits añadidos de paridad no se
correspondan como en un principio a la hora de emitir.
Por ejemplo supongamos que un usuario quiere mandar un numero a otro
usuario, como es el 128. Este numero pasado a binario seria el:
10000000. Ahora bien hay dos tipos de paridad simple, la paridad par y
la paridad impar.
Para obtener la paridad de un numero solo hay que contar el numero de
unos si el resultado es numero par se dice que su bit de paridad es par
y se añade un 0 a la cadena de bits analizada. Si por el caso contrario
el numero de unos sumados en toda la cadena de bits nos da un numero
impar se dice que el bit de paridad es impar y se añade un 1 a la
cadena de bits.
Así pues en el ejemplo anterior queremos mandar el numero 128 que en
binario seria 10000000 su bit de paridad es impar, con lo cual añadimos
un uno a la cadena, si por el contrario hubiese otro uno seria un bit
de paridad par y añadiríamos un cero.
Al final obtenemos esta cadena: 10000000[1]
Bueno. Este proceso lo hace el emisor y luego llega al receptor esta
cadena, pero el receptor también verifica el bit de paridad y
supongamos que durante la transmisión la serie de bits se altero
llegando esto (10000100[1]), el receptor comprueba el bit de paridad y
obtiene un numero par el resultado es 0 y no un 1 con lo que el
receptor ve que su cadena de bits es: 10101100[0]. Una vez detectado el
error pues pasa a la corrección del error esto lo puede hacer o bien
pidiendo al emisor el reenvió de la cadena de bits o con un código de
corrección de errores (hamming).
Este sistema puede detectar errores pero también puede fallar
fácilmente. Imaginémonos que mandamos la misma cadena de bits
(10000000[1]) y que se altera y llega esta (10010100[1]) como vemos el
bit de paridad da lo mismo pero la cadena no es la misma con lo que la
información llegaria gravemente alterada.
Para evitar este tipo de errores existe otra técnica mucho mas fiable y
es la paridad de bloque.
Veamos un ejemplo queremos mandar este texto: orion
Pues obtendríamos los ascii de cada letra y luego su valor binario
correspondiente. Supongamos que son las siguientes cadenas de bits:
0 1 0 1 0 0 1 0 1
1 0 0 1 0 0 0 0 0
1 1 1 0 0 1 1 0 1
0 0 0 0 1 0 0 1 0
0 0 0 1 1 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 0 0
En esta paridad de bloque se obtienen los bits de paridad de las líneas
de bits tanto en vertical como en horizontal. Posteriormente se envían
al receptor, como una cadena continua de bits este organiza y
reconstruye la tabla y verifica los resultados si los bits de paridad
no salen como los enviados, entonces se detectara la posición del
error.
Este es un modo de paridad simple pero de forma mas eficaz es una
paridad simple especial. Aunque tampoco es capaz de cubrir ciertos
casos en los que se pueden dar alteraciones y por consiguiente perdidas
de información.
La redundancia cíclica
Los códigos de detección de errores por redundancia cíclica están
basados en las propiedades de la división de los polinomios. Las
operaciones a realizar serian:
Dado un bloque de n bits a transmitir , el emisor le sumará los k bits
necesarios para que n+k
sea divisible ( resto 0 ) por algún número conocido tanto por el emisor
como por el receptor .
Este proceso se puede hacer bien por software o bien por un circuito
hardware ( más rápido ) .
El emisor divide el polinomio-información entre un polinomio-clave,
obteniendo un cociente y un polinomio-resto.
Se envían los bits correspondientes al polinomio-informativo seguido de
los bits que forman el coeficiente del polinomio.
El receptor lee los bits del polinomio del coeficiente si es igual al
que se mando de partida no hay error. Si no fuera igual, tendría la
prueba de que la transmisión ha fallado.
Seleccionando de un modo adecuado el polinomio clave se pueden detectar
una gran cantidad de errores posibles.
La corrección de errores
Hay dos métodos de corrección de errores.
Ø Los sistemas de corrección hacia delante
Ø Los sistemas de corrección hacia detrás
En los sistemas de corrección hacia delante, consisten en intentar
reconstruir la información perdida en los datos recibidos.
Mientras que en los sistemas de corrección hacia detrás, vuelven a
pedir los datos que no recibimos correctamente.
En el caso de los primeros mencionados, se observan dos grandes
problemas:
-Hay que mandar muchos mas bits extras para corregir los errores con lo
cual la tasa de eficacia se reduce.
-Hay que dotar al receptor de los mecanismos necesario para poder
recuperar la información.
El método mas conocido para la corrección de errores hacia delante es
el empleado por el código de hamming. Estos códigos permiten detectar y
corregir errores que pueden aparecer durante una transmisión.
Existen varios códigos de hamming, para la detección de uno, dos, tres,
cuatro, ocho, etc; numero de errores. En un código de hamming para la
detección de dos errores detectaremos tres errores y podremos corregir
dos de ellos, con un código de hamming para detectar 5 errores,
podremos detectar seis errores y corregir 5 de ellos y así con todos.
Código de hamming para un error (detecta dos y corrige uno):
Los sistemas de detección de errores hacia atrás.
Si se detecta un error se vuelve a pedir la información. Existen dos
metodos principales:
-La estrategia de envió y espera.
Esta estrategia consiste en que el emisor manda un bloque de bits
(portadores de una información) al receptor y almacena en una memoria
dicho bloque de bits. A continuación el receptor recibe el bloque de
bits
y comprueba que son correctos (con los ya mencionadas sistemas de
detección de errores), en caso de ser así manda un carácter ascii
como
señal de confirmación para el emisor, y este libera el espacio en su
memoria para albergar el siguiente bloque de bits. De no ser correctos
mandara el carácter
al
emisor y este enviara de nuevo lo que había almacenado en la memoria.
Así funciona esta sistema, esta técnica produce transmisiones muy
seguras, pero su pega es que puede provocar retardos no esperados o
deseados, puesto que hasta que un bloque de bits no sea confirmado por
el receptor será reenviado sucesivamente por el emisor hasta que se
confirme favorablemente por el receptor. En caso de que un bloque de
bits tarde mucho tiempo en llegar y sobre pase el tiempo preestablecido
en una previa negociación entre emisor y receptor, hará que el receptor
tome este bloque como erróneo y le pedirá de nuevo la transmisión del
mismo al emisor.
-La estrategia de envió continuo
Esta técnica ha ido imponiéndose DIA a DIA a la anteriormente
mencionada técnica de envió y espera.
En ella el emisor manda de forma continua toda la información,
previamente manipulada y dividida en bloques a su vez identificados.
Cuando se procede a la transmisión de la información, empieza mandando
el primer bloque de bits (llamando a su identificativo), luego pasa al
segundo, luego al tercero y así sucesivamente hasta acabar. Mientras el
receptor va recibiendo los bloques y comprobando si hay errores en
ellos. En caso de haberlos los almacena en memoria refiriéndose al
identificativo del bloque donde hay error. Hay dos opciones en estos
sistemas, o decirle al emisor que reenvié solo el bloque (reenvió
selectivo) con el identificativo "X" o que reenvié todos los bloques a
partir del bloque con el identificativo "X" (reenvió no selectivo).
Estas operaciones de reenvió quedan grabadas con los identificativos en
la memoria del receptor y cuando el emisor finaliza la transmisión de
todos los bloques, el receptor procede a las llamadas al emisor de
reenviaos posibles.