▷ Capítulo I: Introducción a las Comunicaciones Inalámbricas

Índice de Contenidos

1.1 Breve historia de las comunicaciones inalámbricas

1.1.1 Las comunicaciones en la antigüedad

En la antigüedad los comunicaciones han tenido un gran impacto en las sociedades, como dos grandes ejemplos tenemos al servicio de mensajería a toda velocidad de Maratón en Atenas al rededor del año 490 a. C., y al servicio de mensajería utilizado en el imperio incaico mediante Chasquis que eran corredores jóvenes que llevaban el mensaje de forma hablada o mediante quipus, esto ilustra que en los inicios de la historia la información principalmente se intercambiaba mediante el transporte físico de mensajes. Existen pocos ejemplos de técnicas de comunicación no eléctrica para la transferencia de información a través de otros medios distintos a las del transporte físico, en los cuales tenemos a las señales de humo y señales en operaciones marítimas como algunos casos. A continuación revisaremos los inicios de las comunicaciones inalámbricas.

Figura 1.1. Señales de humo como ejemplo de comunicaciones inalámbricas en la antiguedad

1.1.2 Inicio de las telecomunicaciones modernas

En 1684, un científico británico llamado Robert Hooke inventó unos paneles móviles que codificaban las letras del alfabeto, este es uno de los primeros ejemplos que tenemos de lo que consideraríamos nuestra definición moderna de telecomunicaciones. Otro intento de comunicar señales visuales fue por medio de un sistema llamado semáforo de Chappe el cual consistía de un poste con brazos móviles, este avance tecnológico vio la luz a finales del siglo XVIII en Francia. Los holandeses utilizaron un sistema experimental similar durante la campaña de los diez días contra la revuelta belga en 1831/1832. En 1837, la Cámara de Representantes aprobó una resolución en la que solicitaba al Secretario del Tesoro que investigara la viabilidad de establecer dicho sistema en los Estados Unidos.

El Semáforo o Telégrafo de Chappe inicio de las comunicaciones inalámbricas — Figura 1.2. El Semáforo o Telégrafo de Chappe

Tener en cuenta que en la actualidad, según la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU, 2016), la telecomunicación se define como: «Cualquier transmisión, emisión o recepción de señales, señales, escritos, imágenes y sonidos o inteligencia de cualquier naturaleza por cable, radio, óptica u otros sistemas electromagnéticos (CS)».

1.1.3 La era de las comunicaciónes inalámbricas

La demostración práctica de la telegrafía (eléctrica) de Joseph Henry y Samuel F.B. Morse en 1832 sucedió poco después del descubrimiento del electromagnetismo, por Hans Christian Oersted y Andre-Marie Ampere, a principios de la década de 1820. En la década de 1840, redes de telégrafos se construyeron en la costa este de los Estados Unidos y en California. Luego de la extensión rápida de su uso, siguió el primer cable transatlántico que se colocó en 1858. En 1864, James Clerk Maxwell postuló el principio de propagación inalámbrica, que fue verificada y demostrada por Heinrich Hertz en 1880 y 1887 respectivamente.

Por otra parte en 1876, Alexander Graham Bell patentó el teléfono. Marconi y Popov comenzaron a experimentar con el radiógrafo poco después, y Marconi patentó un sistema inalámbrico completo en 1897, cabe indicar que si bien se le conoce a Marconi como el padre de las comunicaciones inalámbricas, su desarrollo se basó en 14 patentes de Nikola Tesla, en los años 40 el Tribunal Supremo de los EEUU declaro a Nikola Tesla como el propietario original de las patentes, el cual es el verdadero padre de las radiocomunicaciones.

Tesla, más adelante en su vida, ajustando un dispositivo de radio en su laboratorio de comunicaciones inalámbricas — Figura 1.3. Tesla, más adelante en su vida, ajustando un dispositivo de radio en su laboratorio.

La invención del diodo, por Fleming en 1904, y el triodo, por Lee de Forest en 1906, hicieron posible el rápido desarrollo de la telefonía de larga distancia (radio). La invención del transistor por Bardeen, Braittain y Shockley, que más tarde condujo al desarrollo de circuitos integrados, allanó el camino para la miniaturización de los sistemas electrónicos, lo cual permitió fabricar dispositivos y equipos electrónicos portátiles que permitan una comunicación inalámbrica más práctica.

Izquierda diodo de fleming, al centro el primer transistor primitivo, a la derecha transistores modernos. Dispositivos para las comunicaciones inalámbricas — Figura 1.4. Izquierda diodo de fleming, al centro el primer transistor primitivo, a la derecha transistores modernos.

1.1.4. Fechas importantes en las telecomunicaciones

1864: James Clerk Maxwell demostró la existencia de ondas electromagnéticas.
1887: Heinrich Hertz envía y recibe ondas inalámbricas, usando un transmisor de chispa y un receptor de resonador.
1895: Guglielmo Marconi envía señales de radio a más de una milla.
1901: Marconi recibió el mensaje de morse «s» (…) enviado a través del Atlántico.
1904: J.A. Fleming patentó el diodo.
1906: Lee DeForest patentó el amplificador de triodo. Primera transmisión inalámbrica de voz, por Fessenden.
1907: Servicio inalámbrico transatlántico comercial, utilizando enormes estaciones de tierra: mástiles de antena de 30 x 100 m
Principio del final para la telegrafía basada en cable.
WWI: Desarrollo rápido de inteligencia de comunicaciones, tecnología de interceptación, criptografía.
1915: transmisión de voz inalámbrica NY a SF.
1920: Marconi descubre radio de onda corta, con longitudes de onda entre 10 y 100 metros. Las señales de onda larga de longitud de onda superior a 1.000 metros siguen el contorno de la tierra, pero requieren una potencia de transmisión muy alta (típicamente superior a 200 kW, a veces incluso 2 MW, como por ejemplo, utilizada por Radio Tele Luxemburgo). Como las señales de onda corta se reflejan contra la ionosfera, la potencia de transmisión puede mantenerse pequeña.
1920: primera emisión de radio comercial (en Pittsburgh)
1921: radios de despacho de automóviles policiales, Detroit.
1930: BBC comenzó experimentos de televisión.
1935: Primera llamada telefónica alrededor del mundo.
WWII: desarrollo rápido de la tecnología de radio.
1968: decisión de Carterphone.
1974: FCC asigna 40 MHz para telefonía celular.
1982: establecimiento del sistema GSM e Inmarsat europeos.
1984: Desintegración de AT&T.
1984: implementación inicial del sistema celular AMPS.

1.2. Fundamentos de las comunicaciones inalámbricas

1.2.1. Fundamentos del Electromagnetismo

Las ondas de radio y las microondas son formas de energía electromagnética que podemos describir colectivamente con el término radiofrecuencia o RF. Las emisiones de RF y los fenómenos asociados pueden discutirse en términos de energía, radiación o campos. Podemos definir la radiación como la propagación de energía a través del espacio en forma de ondas o partículas. La radiación electromagnética se puede describir mejor como ondas de energía eléctrica y magnética que se mueven juntas (es decir, se irradian) a través del espacio, como se ilustra en la Figura 1.5. El campo magnético es perpendicular al campo eléctrico, y su producto cruzado apunta hacia la dirección de propagación:

$\vec{P}=\vec{E}.\vec{H}$

El Vector P que va en la dirección de propagación y esta medido en vatios por metro cuadrado, es el vector de propagación o vector Poynting.

Figura 1.5. Composición del campo electromagnético

Las ondas se generan por el movimiento de cargas eléctricas, como en un objeto metálico o antena conductiva. Por ejemplo, el movimiento alterno de carga (es decir, la corriente) en una antena, utilizada por una estación de transmisión de radio o televisión o en una antena de estación base celular, genera ondas electromagnéticas. Estas ondas que se irradian lejos de la antena transmisora son interceptadas por una antena de recepción, como una antena de TV en la azotea, una antena de radio del automóvil o una antena integrada en un dispositivo portátil como un teléfono celular.

El término campo electromagnético se usa para indicar la presencia de energía electromagnética en una ubicación determinada. El campo de RF se puede describir en términos de la intensidad de campo eléctrico y/o magnético en esa ubicación. Como cualquier fenómeno relacionado con las ondas, la energía electromagnética se puede caracterizar por una longitud de onda y una frecuencia, principalmente los parametros que caracterizan a una onda electromagnetica son:

Frecuencia / Periodo
Longitud de onda
Velocidad de Propagación
Polarización
Densidad de Potencia

a. Frecuencia

La frecuencia (ƒ) se define como la cantidad de ciclos, o períodos, por unidad de tiempo y se mide en hercios (Hz). El período de una onda (T) es el período de tiempo antes de que la onda se repita, la frecuencia y el periodo se relacionan mediante la siguiente ecuación:

b. Longitud de Onda

La longitud de onda (λ) de una onda sinusoidal es el período espacial de la onda, la distancia sobre la que se repite la forma de la onda. En otras palabras, la longitud de onda λ es la distancia por la cual la fase de la onda sinusoidal cambia en 2π radianes. Se puede expresar como:

$\lambda = v/f$

Donde:

ν = Velocidad de propagación en (m/s), y
ƒ = frecuencia en (hertz).

Las ondas electromagnéticas viajan a través del espacio libre a la velocidad de la luz, y la longitud de onda y la frecuencia de una onda electromagnética están inversamente relacionadas mediante una fórmula matemática que conecta longitud de onda, velocidad de la luz (c) y frecuencia (ƒ):

$\lambda = c/f$

Puede ver que las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen longitudes de onda cortas, y las ondas de baja frecuencia tienen longitudes de onda largas. La variación o modulación de las propiedades de la onda (amplitud, frecuencia o fase) permite que la información se transmita en la onda entre su fuente (transmisor) y el receptor de destino, que es el objetivo de las comunicaciones inalámbricas.

c. Velocidad de Propagación

La velocidad de propagación puede expresarse como:

$v=\frac{1}{\sqrt{\epsilon .\mu }}$

Donde:

ε = Permitividad y puede ser expresada como K.ε₀
ε₀= Permitividad en el espacio libre, igual a 8.854 × 10^-12 F/m
K = Permitividad relativa, por ejemplo K_(aire) = 1
μ = Permeabilidad y puede ser expresada como K_m.μ₀
μ₀ = Permeabilidad en el espacio libre, igual a 1.257 × 10-6 H / m
K_m = Permeabilidad relativa que depende del material utilizado.

Todos los medios dieléctricos se especifican en términos de permitividad y permeabilidad, que son medidas de capacitancia e inductividad, respectivamente. En el vacio la velocidad de propagación es igual a la velocidad de la luz (aproximadamente 3 x 10⁸m/s)

La velocidad de propagación en otros medios depende de la permitividad y la permeabilidad de ese medio. En el aire, la permitividad y la permeabilidad son aproximadamente las mismas que en el vacío, por lo que el haz de microondas viaja a la velocidad de la luz, independientemente de la frecuencia. Para determinar la velocidad de propagación a través de un cable relleno de espuma, sería necesario buscar la constante dieléctrica de la espuma.

d. Polarización

La polarización de la señal corresponde al plano del vector del campo eléctrico. Si uno imagina una onda sinusoidal que viaja perpendicularmente fuera de la página, el vector de amplitud oscilaría desde un máximo positivo a cero hasta un máximo negativo. En este plano, el vector eléctrico oscila verticalmente y, por lo tanto, está polarizado verticalmente. En la Figura 1.7 se observan los tres tipos de polarización que peude presentar una señal.

Figura 1.7. Polarización Lineal, Circular y Elíptica

e. Densidad de Potencia

Una onda electromagnética transporta energía que se puede representar como densidad de potencia P_d expresado en W/m². Una fuente puntual de radiación que transmite energía uniformemente en todas las direcciones se llama isótropo. Si se considera que una esfera alrededor de esta fuente isotrópica con salida de potencia P_t tiene un área A = 4πr², entonces la densidad de potencia (P) se puede expresar como:

$P = P_t/(4\pi r^{2})$

1.2.2. Espectro Electromagnético

El espectro electromagnético es la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a digital.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la radiación ultravioleta, la luz visible y la radiación infrarroja, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio

1.2.3. Espectro Radioeléctrico

El espectro de RF es la parte más baja en el espectro electromagnético familiar como un medio de sistema de comunicación inalámbrico digital analógico y moderno. Se propaga en el rango entre 3 KHz y 300 GHz. Todos los sistemas de transmisión conocidos funcionan en el rango de espectro de RF, incluyendo la radio analógica, la navegación de aeronaves, la radio marina, la radio afición, las transmisiones de televisión, las redes móviles y los sistemas de satélite.

A continuación se da un resumen a cada una de las subbandas de RF y las áreas de uso del espectro, según la clasificación de la ITU.

a. Frecuencia extremadamente baja (ELF)

La frecuencia que comienza de 3 Hz a 3 KHz se conoce como frecuencia extremadamente baja o rango ELF en el espectro electromagnético. Este rango es altamente vulnerable a las perturbaciones y se distorsiona fácilmente por los cambios atmosféricos. Es difícil diseñar un sistema con esta furia que es desafiante debido a que las longitudes de onda más grandes requieren antenas largas que son prácticamente imposibles de lograr. Los científicos usan esta banda de frecuencias en estudios sísmicos para comprender las actividades naturales en la atmósfera de la Tierra.

b. Frecuencia muy baja (VLF)

La frecuencia muy baja es el rango inicial de RF y el sistema práctico de transmisión de radio que abarca desde 3 KHz hasta 30 KHz. Sin embargo, el diseño e implementación del sistema de antena es extremadamente complicado debido a la longitud de onda. Se ha estado usando en submarinos y todavía se usa en estaciones de radio de tiempo que sincronizan señales de reloj entre dos ubicaciones remotas.

c. Baja frecuencia (LF)

La baja frecuencia está en el rango de 30 KHz a 300 KHz. Una de las propiedades importantes de las señales LF es que se reflejará en la ionosfera terrestre y, por lo tanto, es adecuada para la comunicación a larga distancia. Dado que es una longitud de onda larga y menos atenuada por grandes terrenos como montañas generalmente se llama ondas de tierra. Las señales de baja frecuencia son utilizadas por operadores de radioaficionados; es una de las fuentes más importantes de transferencia de información cuando otro tipo de fuentes de comunicación falla durante situaciones como los desastres naturales. Otras áreas son aplicaciones militares como submarinos, etiquetas RFID en la comunicación de campo cercano y algunas transmisiones de radio de baja frecuencia.

d. Frecuencia media (MF)

La frecuencia media fue una de las bandas de frecuencia más populares desde el comienzo de la transmisión de radio inalámbrica a principios del siglo XIX. MF opera en el rango de 300 KHz a 3 MHz. El diseño de transmisores, receptores y antena son relativamente menos complejos que otras bandas de transmisión de alta frecuencia. MF ha estado utilizandose ampliamente en la transmisión de radio AM, sistemas de navegación para barcos y aeronaves, señales de emergencia, costos y otras aplicaciones experimentales.

e. Alta frecuencia (HF)

Las señales de alta frecuencia oscilan entre 3 MHz y 30 Mhz. Esta banda de frecuencia también se conoce como onda corta. También se refleja en la ionosfera terrestre y es una de las bandas adecuadas para la comunicación a larga distancia. La banda de alta frecuencia es utilizada principalmente por la industria aeronáutica, los sistemas gubernamentales, los operadores de radioaficionados y las estaciones de radiodifusión meteorológica.

f. Muy alta frecuencia (VHF)

La frecuencia muy alta es una de las bandas más utilizadas, que tiene un rango de operación de 30 MHz a 300 MHz. La frecuencia de VHF es ampliamente utilizada en la transmisión de TV analógica desde que comenzó hace algunas décadas. La transmisión de radio FM a 88 MHz a 108 MHz opera en banda de frecuencia VHF. Otros usos incluyen estaciones de radio privadas y comerciales, equipos médicos (imágenes por resonancia magnética), radioaficionados y aplicaciones militares. Por lo general, se ve afectado por grandes terrenos, pero adecuado para la comunicación de corta distancia.

g. Ultra alta frecuencia (UHF)

La frecuencia ultra alta es la banda de frecuencia más importante para los sistemas modernos de comunicación inalámbrica. Comienza de 300 MHz a 3 GHz y es extremadamente complicado diseñar e implementar el sistema. Tiene muchas bandas de sub frecuencia, algunas están restringidas y asignadas solo para aplicaciones particulares. Se utiliza en sistemas de navegación GPS, satélites, buscapersonas, Wi-Fi, Bluetooth, transmisión de televisión y, lo más importante, transmisión móvil GSM, CDMA y LTE.

h. Súper alta frecuencia (SHF)

Súper alta frecuencia está en el rango de 3 GHz a 30 GHz. Solo puede operar en la ruta de la vista, ya que cualquier obstrucción entre el transmisor y la estación receptora romperá la comunicación. Se utiliza comúnmente en comunicación punto a punto, sistemas de satélite, transmisión de TV digital en banda Ku (servicio DTH – directo a casa), Wi-Fi (canal de 5GHz), hornos de microondas y redes móviles. Las guías de onda son adecuadas entre el transmisor y la antena debido a las mayores pérdidas de los cables de RF habituales. El diseño del sistema es extremadamente difícil en la banda SHF debido a su menor longitud de onda y complejidad.

i. Frecuencia extremadamente alta (EHF)

La banda de frecuencia extremadamente alta es la más alta en el espectro de frecuencia de RF, que oscila entre 30 GHz y 300 GHz. EHF solo se utiliza en sistemas de comunicación avanzados debido a su naturaleza compleja y al requisito de línea de visión. EHF se utiliza en radioastronomía y teledetección (análisis meteorológico). Se sugiere su uso para sistemas de Internet de alta velocidad como la tecnología 5G, y para redes de transmisión futuras debido a la gran disponibilidad de ancho de banda.

Referencias: