Curso de Redes La Capa Física

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1 Curso de Redes La Capa Física INTRODUCCIÓN La primera capa dentro de cualquier modelo de red está formada por el medio físico de transmisión y sus interfaces ópticas o eléctricas. Independientemente de cual sea el conjunto de protocolos a utilizar es imprescindible que haya compatibilidad entre los equipos. Por ejemplo, al solicitar a la compañía telefónica una línea dedicada deberemos indicar el tipo de interfaz que tienen nuestros equipos e intentar que la línea dedicada se nos suministre con ese mismo tipo de interfaz; si esto no es posible tendremos que proveernos de los conversores apropiados; en algunas ocasiones la conversión se hace con un cable únicamente, en otras mediante un adaptador pasivo (no alimentado), y en otras será preciso un equipo con alimentación eléctrica; la casuística en este campo es tan variada que no podemos entrar en detalles concretos a este respecto, pues nos llevaría demasiado tiempo. En el caso de una LAN suele haber también diferentes tipos de medios de transmisión, de conectores e interfaces; conviene estar familiarizado con los que vayamos a utilizar para adoptar en cada caso la solución más adecuada TRANSMISIÓN DE DATOS: BASES TEÓRICAS Módems y códecs Cuando se envían datos por un canal de transmisión analógico (por ejemplo una línea telefónica de RTB) es preciso modular la señal en origen y demodularla en el destino; el aparato que realiza esta función se llama módem. Inversamente, cuando enviamos una señal analógica por un canal de transmisión digital tenemos que codificarla en origen y decodificarla en destino, para lo cual se utiliza un aparato denominado códec; por ejemplo un teléfono RDSI es un códec, ya que convierte una señal analógica (la voz humana) en digital, y viceversa; un sistema de videoconferencia es un códec puesto que convierte una señal analógica (la imagen en movimiento captada por la cámara) en una señal digital (la transmitida por RDSI u otro medio); también hay un códec en cualquier sistema de grabación digital de sonido (CD, Minidisc, dcc, DAT). Es frecuente referirse a los códecs como conversores analógico-digital o conversores A/D, aunque en telecomunicaciones suele preferirse la denominación códec. Para desempeñar su labor un códec debe muestrear periódicamente la onda a digitalizar, y convertir su amplitud en una magnitud numérica. Por ejemplo los sistemas de grabación digital del sonido en CD muestrean la señal de cada canal de audio veces por segundo (44,1 KHz) y generan para cada muestra un número entero de 16 bits que representa la amplitud de la onda. En la decodificación se realiza el proceso inverso. Teorema de Nyquist Cualquier medio o canal de transmisión tiene un ancho de banda limitado. A continuación damos algunos ejemplos: Medio de transmisión Ancho de banda en KHz Línea telefónica 3 Emisión de radio de onda media (AM) 4,5 Emisión de radio de FM 75 Emisión de televisión PAL Red local Ethernet Emisión de televisión de alta definición

2 Tabla 2.1: Ancho de banda de algunos medios de transmisión habituales. Los bits se transmiten por un canal realizando modificaciones en la onda portadora; por ejemplo en una línea telefónica podemos utilizar una frecuencia de 1 KHz para representar el 0 y una de 2 KHz para el 1; esto se conoce como modulación de frecuencia; si sincronizamos dos equipos para que transmitan un cambio de frecuencia de la portadora cada 3,333 milisegundos podremos transmitir datos a 300 bps, (si dos bits consecutivos son iguales en realidad no hay tal cambio). Si en vez de dos frecuencias utilizamos cuatro, por ejemplo 0,5, 1, 1,5 y 2 KHz, podremos transmitir con la misma sincronización 600 bps, ya que enviamos dos bits cada vez al disponer de cuatro estados o niveles posibles; análogamente si utilizamos ocho estados podremos transmitir 900 bps (tres bits por vez), y así sucesivamente; ganamos en velocidad, pero a cambio tenemos que ser mas precisos en la frecuencia ya que el número de valores permitidos es mayor. Al número de cambios de estado o sincronizaciones por segundo que tienen lugar en una comunicación entre dos equipos se le denomina baudios; así en nuestro ejemplo anterior todas las transmisiones se hacían a 300 baudios, aunque el numero de bits que se transmitía por segundo era diferente en cada caso. Además de la frecuencia es posible modular la amplitud y la fase de la onda portadora; en la práctica los módems modernos modulan una compleja combinación de las tres magnitudes para extraer el máximo provecho posible de las líneas telefónicas, es decir el máximo número de bps a un número de baudios dado. A pesar de todo el ingenio utilizado, los canales de transmisión tienen un límite. Ya en 1924 Nyquist observó la existencia de un límite fundamental en las transmisiones digitales sobre canales analógicos, que se conoce como teorema de Nyquist, y que establece que el número máximo de baudios que puede transmitirse por un canal no puede ser superior al doble de su ancho de banda. Así en el caso de la transmisión de datos por una línea telefónica, con un ancho de banda de 3 KHz, el máximo número de baudios que puede transmitirse es de Podemos comprender intuitivamente el teorema de Nyquist si imaginamos cual sería la frecuencia que tendría una señal digital que transmitiera 6 Kbaudios; supongamos por sencillez que 1 baudio = 1 bps, o sea que manejamos únicamente dos estados, y que utilizamos una corriente de 1 voltio para indicar un bit a 1 y de - 1 voltio para indicar un bit a 0; la frecuencia mínima de la seña, que sería de cero hertzios, se produciría cuando transmitiéramos continuamente ceros o unos, mientras que la frecuencia máxima se produciría cuando transmitiéramos la secuencia , momento en el que obtendríamos una onda cuadrada de 3 KHz de frecuencia (ya que cada dos bits forman una oscilación completa); así pues para transmitir 6 Kbaudios necesitaríamos un ancho de banda de 3 KHz, conclusión que coincide con la que habríamos obtenido a partir del teorema de Nyquist. El teorema de Nyquist no establece el número de bits por baudio, que depende del número de estados que se utilicen. Así en el caso anterior si en vez de dos valores de voltaje utilizamos cuatro (-2, -1, 1 y 2 voltios por ejemplo) con el mismo número de baudios (y de hertzios) podemos duplicar el número de bits por segundo. Podemos expresar el teorema de Nyquist también en forma de ecuación relacionándolo con la velocidad máxima de transmisión, así si H es el ancho de banda y V el número de niveles o estados posibles, entonces la velocidad máxima de transmisión C viene dada por: C = 2 H log2 V Por ejemplo, un canal telefónico (H=3 KHz) con tres bits por baudio (ocho estados, V=8) la máxima velocidad de transmisión posible es 18 Kbps.

3 Podemos calcular también la eficiencia de un canal de comunicación, E, que es la relación entre la velocidad de transmisión y el ancho de banda: E = C/H Así en nuestro ejemplo anterior la eficiencia era de 6 bits/hz. Combinando las dos fórmulas anteriores podemos expresar de otra forma el Teorema de Nyquist: E = 2 log2 V Dicho de otro modo, la eficiencia máxima de un canal está fijada por el número de estados diferentes de la señal, o sea por la forma como se codifica ésta. Debido a la relación directa que el teorema de Nyquist postula entre ancho de banda y velocidad de transmisión es frecuente en telemática considerar ambas expresiones como sinónimos; así decimos por ejemplo que la transmisión de grandes ficheros necesita un elevado ancho de banda queriendo decir que requiere una elevada velocidad de transmisión. El teorema de Nyquist es bidireccional, es decir, también se aplica en el sentido opuesto, cuando se trata de una conversión analógico-->digital. Por ejemplo, para que un teléfono RDSI (códec) pueda capturar la señal de audio sin mermar la calidad respecto a una línea analógica el teorema de Nyquist establece que la frecuencia de muestreo deberá ser como mínimo de 6 KHz. En la práctica los teléfonos digitales muestrean a 8 KHz para disponer de un cierto margen de seguridad. Los sistemas de grabación digital de alta fidelidad, que muestrean a 44,1 KHz, son capaces de capturar sonidos de hasta 22 KHz lo cual excede la capacidad del oído humano (en la práctica suelen filtrarse todas las frecuencias superiores a 20 KHz). Cuando el teorema de Nyquist se aplica en este sentido se le suele denominar teorema de muestreo de Nyquist. Ley de Shannon-Hartley El teorema de Nyquist supone la utilización de un canal de comunicación perfecto, es decir sin ruido. En la realidad los canales tienen, aparte de otros tipos de ruido, un ruido aleatorio llamado también ruido térmico, que se mide por su valor relativo a la señal principal, y se conoce como relación señal-ruido, S/R o S/N (signal-noise ratio). El valor de esta magnitud se suele indicar en decibelios (db), que equivalen a 10 log10 S/N (así 10 db equivalen a una relación S/R de 10, 20 db a una relación de 100 y 30 db a una de 1000). Dado que la percepción de la intensidad del sonido por el oído humano sigue una escala logarítmica la medida en decibelios da una idea más exacta de la impresión que producirá un nivel de ruido determinado (este parámetro es uno de los que se utilizan para medir la calidad de los componentes de un equipo de reproducción musical de alta fidelidad). En 1948 Shannon y Hartley generalizaron el teorema de Nyquist al caso de un canal de comunicación con ruido aleatorio, derivando lo que se conoce como la ley de Shannon-Hartley, que está expresada en la siguiente ecuación: C = H log2 (1 + S/N) (De nuevo aquí H representa el ancho de banda y C la velocidad de transmisión). Por ejemplo, con un ancho de banda de 3 KHz y una relación señal-ruido de 30 db (o sea 1000, valor típico de una buena conexión telefónica) obtenemos una velocidad de transmisión máxima de bps. Si la relación señal-ruido desciende a 20 db (cosa bastante normal) la velocidad máxima baja a bps. Si lo expresamos en términos de eficiencia obtendremos: E = log2 (1 + S/N) Vista de este modo la Ley de Shannon-Hartley establece una eficiencia máxima para un valor dado de la relación señal-ruido, independientemente de la frecuencia

4 y del ancho de banda asignado al canal. Así por ejemplo, para una relación señalruido de 40 db la eficiencia máxima teórica es de 13,3 bps/hz. En la práctica la eficiencia de una señal depende de muchos factores y puede estar en un rango muy amplio, entre 0,25 y 10 bps/hz. Conviene destacar que tanto el teorema de Nyqusit como la Ley de Shannon- Hartley han sido derivados en base a planteamientos puramente teóricos y no son fruto de experimentos; además de eso han sido verificados reiteradamente en la vida real. Por tanto su validez puede considerarse universal y los contraejemplos deberían tratarse con el mismo escepticismo que las máquinas de movimiento perpetuo. Haciendo un cierto paralelismo con la Termodinámica se podría decir que el Teorema de Nyquist equivale al primer principio de la Termodinámica (que postula la ley de conservación de la energía) y la Ley de Shannon-Hartley equivale al segundo principio, que establece que no es posible convertir totalmente en trabajo útil la energía obtenida de una fuente de calor, o dicho de otro modo, que un motor nunca puede funcionar al 100% de eficiencia MEDIOS DE TRANSMISIÓN El medio de transmisión, es probablemente la parte más crítica en el diseño de una red, especialmente cuando se trata de redes locales. Mientras que el conjunto de protocolos a utilizar suele estar determinado de antemano por factores externos, y permite por tanto poco margen de maniobra, en el medio físico de transmisión se dan generalmente varias posibilidades razonables. Además las inversiones que se hacen en infraestructura suelen ser la parte más importante de la red y la más difícil de modificar más adelante. Por otro lado, este es un campo que por suerte o desgracia evoluciona con mucha rapidez, y lo que hoy puede parecer adecuado quizá no lo sea dentro de dos años; para tomar una decisión acertada es necesario hacer una estimación objetiva de las necesidades actuales y futuras, y una valoración adecuada de las tecnologías disponibles tomando en cuenta su relación costo/prestaciones. Ahora profundizaremos en los diversos medios de transmisión utilizados actualmente. El alumno debe tener en cuenta que este es un campo tan dinámico que para cuando termine sus estudios es probable que hayan surgido nuevos sistemas de transmisión que aquí no hayamos mencionado. Afortunadamente existen multitud de revistas de ámbito nacional e internacional que tratan con más o menos detalle de las novedades que se producen en cuanto a medios de transmisión; los fabricantes de equipos suelen estar también bien informados de estos temas, y su literatura es otra fuente de información Pares de cobre Este es el medio de transmisión mas común, consistente en un par de hilos de cobre aislados, de alrededor de 1 milímetro de diámetro. Un cable suele llevar varios hilos (típicamente 4 u 8) que normalmente están doblados dos a dos formando una doble (o cuádruple) hélice, como una molécula de ADN, por lo que se le suele denominar cable de pares trenzados (twisted pair). Esto se hace para minimizar la interferencia eléctrica que pueden recibir de fuentes próximas, como por ejemplo los pares vecinos, y la que pueden emitir al exterior. Los cables pueden o no estar apantallados. El sistema telefónico se basa en el uso de este tipo de cable, tanto para la transmisión digital como analógica. El ancho de banda depende de múltiples factores: el grosor del cable, la distancia, el tipo de aislamiento, la densidad de vueltas o grado de trenzado, etc. Pueden llegar a transmitir con capacidades del orden de Mbps a varios kilómetros. Hoy en día todos los sistemas de red local pueden emplear este tipo de cable, que es junto con la fibra óptica el más utilizado. Debido a sus características es de esperar que siga siendo popular durante bastantes años.

5 Existen varios tipos de cables de pares trenzados que difieren fundamentalmente en la frecuencia máxima a la que pueden trabajar, que a su vez viene determinada principalmente por la densidad de vueltas y por el tipo de material aislante que recubre los pares. Estos tipos se conocen como categorías y son las siguientes: Categoría Frecuencia máxima (MHz) Usos Vueltas/metro 1 No se especifica Telefonía, datos a corta distancia y baja velocidad LANs de baja velocidad (1 Mbps) LANs hasta 10 Mbps LANs hasta 16 Mbps LANs hasta 100 Mbps, ATM a 155 Mbps Tabla 2.2: Características principales de los cables según su categoría Actualmente en instalaciones de datos nuevas se utiliza casi exclusivamente cable categoría 5 ya que el costo es sólo ligeramente mayor y sus prestaciones son muy superiores (téngase en cuenta que en el costo total de una instalación el cable es sólo una parte). Conviene mencionar que la clasificación en categorías, además de aplicarse a un cable aislado se aplica a instalaciones ya hechas; a menudo sucede que una instalación hecha con cable categoría 5 no puede funcionar a 100 MHz debido a que el operario no ha puesto suficiente cuidado en la instalación: errores comunes son por ejemplo destrenzar una longitud excesiva en los conectores, apretar demasiado las bridas o doblar excesivamente el cable. A veces una instalación hecha con cable categoría 5 es utilizada inicialmente con redes de 10 Mbps y funciona perfectamente, pero deja de funcionar cuando mas tarde se utiliza el mismo cableado para montar una red de 100 Mbps, que explota realmente al límite las posibilidades del cableado instalado. Además de la categoría los cables difieren también por el tipo de apantallamiento. El más habitual en redes locales no lleva apantallamiento de ningún tipo más allá del que proporciona el hecho de tener los pares trenzados; este se conoce como cable UTP (Unshielded Twisted Pair). Existe también cable en el que los pares llevan una pantalla de hilos de cobre formando una malla, llamado STP (Shielded Twisted Pair); este cable es bastante voluminoso debido a la pantalla, lo cual encarece su precio y su costo de instalación, por lo que existe una variante más barata en la que la pantalla esta formada por papel de aluminio en vez de por malla de cobre, con lo que se consigue reducir considerablemente el precio y el diámetro (parámetro que determina en buena medida el costo de instalación); a este cable se le conoce como FTP (Foil Twisted Pair) o también ScTP (Screened Twisted Pair). Existe una fuerte polémica sobre si es mejor utilizar en redes locales el cable sin apantallar (UTP) o apantallado (STP o FTP). En grandes distancias se usa mas el cable apantallado ya que tiene menor atenuación. Según los equipos de transmisión que se utilicen, la velocidad que puede obtenerse de un par trenzado puede variar considerablemente, desde unos pocos Kbps hasta varios Mbps. La característica principal de un cable desde el punto de vista de transmisión de datos es su atenuación. La atenuación se produce por la pérdida de energía radiada al ambiente, por lo que cuanto mas apantallado esta un cable menor es esta; el cable UTP de categoría mas alta tiene menor atenuación, ya que el mayor número de vueltas le da un mayor apantallamiento, y menor atenuación tiene el cable STP o el cable coaxial. Por otro lado la atenuación depende de la frecuencia de la señal transmitida, a mayor frecuencia mayor atenuación cualquiera que sea el tipo de cable. La siguiente tabla muestra a título de ejemplo la atenuación de varios tipos de cable a diferentes frecuencias:

6 Frecuencia UTP UTP STP (MHz) Categoría 3 Categoría 5 1 2,6 2,0 1,1 4 5,6 4,1 2, ,1 8,2 4, ,4 6, ,0 12, ,4 Tabla Atenuación (en db/100m) de distintos tipos de cable a diferentes frecuencias Cabría pensar en la posibilidad de utilizar un cable por encima de la frecuencia a la que está especificado; por ejemplo el cable categoría 3 podría transportar una señal a 100 MHz sin mas que poner amplificadores mas a menudo (o repetidores si la señal se transmite de forma digital). Independientemente del costo que esto supondría, no es posible transmitir una señal con una atenuación muy fuerte, ya que la cantidad de energía electromagnética emitida al ambiente infringiría las normativas relativas a interferencia del espectro radioeléctrico Cable coaxial El cable coaxial es otro medio de transmisión común. Tiene mejor apantallamiento que el par trenzado de cualquier tipo y categoría, por lo que puede llegar a distancias y velocidades mayores. En transmisión de datos suelen usarse dos tipos de cable coaxial: el de 50 y el de 75 ohmios. El de 50 se utiliza en transmisión digital y se suele denominar cable coaxial de banda base; el cable de 75 ohmios se utiliza en transmisión analógica y se denomina cable coaxial de banda ancha; el término banda ancha tiene su origen en la transmisión telefónica, donde se utiliza para indicar cualquier canal con una anchura mayor de 4 KHz. El cable de 50 ohmios se utiliza en redes locales antiguas; el de 75 se emplea sobre todo en las redes de televisión por cable. Un cable coaxial esta formado por un núcleo de cobre rodeado de un material aislante; el aislante está cubierto por una pantalla de material conductor, que según el tipo de cable y su calidad puede estar formada por una o dos mallas de cobre, un papel de aluminio, o ambos. Este material de pantalla está recubierto a su vez por otra capa de material aislante. Por su construcción el cable coaxial tiene una alta inmunidad frente al ruido, y puede llegar a tener unos anchos de banda considerables. En distancias de hasta 1 Km es factible llegar a velocidades de 1 ó 2 Gbps. El cable coaxial debe manipularse con cuidado ya que por ejemplo un golpe o doblez excesivo pueden producir una deformación en la malla que reduzca el alcance del cable Fibra óptica Si hubiera que mencionar un único factor como el principal causante del elevado desarrollo que han tenido las comunicaciones telemáticas en los años recientes, ese factor sería sin duda las fibras ópticas.

7 Recordemos que tanto el teorema de Nyquist como la ley de Shannon-Hartley establecen que la capacidad de un canal viene limitada por su ancho de banda, que a su vez está limitada por la frecuencia de la señal portadora. Así pues, si queremos aumentar la capacidad deberemos subir la frecuencia portadora; siguiendo por este camino llegamos a la luz visible. Sólo necesitamos tres elementos: un emisor, un medio de transmisión, y un detector. El emisor transmite un bit por baudio, es decir, tiene dos estados posibles: un pulso de luz representa un 1 y la ausencia de pulso un 0. El medio de transmisión es una fibra de vidrio ultrafina (de unas pocas micras de diámetro). El detector genera un pulso eléctrico cuando recibe luz. La transmisión por fibra óptica siempre es simplex; para conseguir comunicación full-duplex es necesario instalar dos fibras, una para cada sentido. Para conseguir que la luz que sale del emisor sea 'capturada' por la fibra hasta su destino y no se pierda por difusión hacia el exterior se aprovecha una propiedad de las ondas conocida como reflexión, consistente en que cuando una onda pasa de un medio a otro es parcialmente reflejada hacia el primero (como si se tratara de un espejo); la proporción en que la onda se refleja depende de los índices de refracción de ambos medios (una propiedad física característica de cada material relacionada con la velocidad de la luz en ese medio) y del ángulo de incidencia, a mayor ángulo mayor reflexión (el ángulo se mide referido a una línea perpendicular a la superficie de separación de ambos medios); cuando la luz pasa de un medio con mayor índice de refracción a uno con menor índice existe un ángulo de incidencia, conocido como ángulo límite, por encima del cual la luz se refleja totalmente. Así, si el rayo de luz incide de forma suficientemente longitudinal en la fibra como para no superar el ángulo límite 'rebotará' y quedará 'atrapado' en la fibra, pudiendo así viajar grandes distancias sin apenas pérdidas. Si la fibra fuera un simple hilo de vidrio la superficie exterior actuaría como superficie de reflexión, aprovechando que el aire tiene un menor índice de refracción que el vidrio, pero esto requeriría tener controlado el entorno exterior para asegurar que la fibra siempre está rodeada de aire, lo cual es casi imposible; en su lugar lo que se hace es utilizar dos fibras concéntricas, la interior con un índice de refracción mayor transporta la luz, y la exterior actúa como 'jaula' para evitar que ésta escape. Existen básicamente dos sistemas de transmisión de datos por fibras ópticas: los que utilizan LEDs (Light-Emitting Diode) y los que utilizan diodos láser. En los sistemas que utilizan LEDs la transmisión de un pulso de luz (equivalente a un bit) genera múltiples rayos de luz, pues se trata de luz normal no coherente; se dice que cada uno de estos rayos tiene un modo y a la fibra que se utiliza para transmitir luz de emisores LED se la denomina fibra multimodo. Las fibras se especifican indicando el diámetro de la fibra interior y exterior; las fibras multimodo típicas son de 50/100 y 62,5/125 micras (que significa diámetro interior de 62.5 y exterior de 125 micras); a título comparativo diremos que un cabello humano tiene un diámetro de 80 a 100 micras. Los diodos láser emiten luz coherente, hay un único rayo y la fibra se comporta como un guía-ondas; la luz se propaga a través de ella sin dispersión; la fibra utilizada para luz láser se llama fibra monomodo. Las fibras monomodo se utilizan para transmitir a grandes velocidades y/o a grandes distancias. La fibra interior (la que transmite la luz) en una fibra monomodo es de un diámetro muy pequeño, de 8 a 10 micras (del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la luz que transmite); una fibra monomodo típica es la de 8,1/125 micras. Para la transmisión de luz por fibras ópticas se utilizan tres rangos de frecuencias, aquellos en los que las fibras muestran menor absorción (mayor 'transparencia'). Son bandas situadas alrededor de 0,85, 1,30 y 1,55 micras, y se encuentran por tanto en la zona infrarroja del espectro (la parte visible esta entre 0,4 y 0,7 micras); se conocen como primera, segunda y tercera ventana, respectivamente. La primera ventana tiene mayor atenuación y es poco utilizada. La segunda

8 ventana, que tiene una anchura de 18 THz (THz = 1 TeraHertzio = 1000 GHz = 1012 Hz), es la que más se utiliza. La tercera ventana tiene una anchura de 12,5 THz y es la que presenta menor atenuación y se utiliza en fibra monomodo cuando se quiere cubrir una gran distancia sin repetidores (por ejemplo la fibra Valencia- Mallorca funciona actualmente en tercera ventana sin repetidores). Suponiendo una eficiencia de 1 bps/hz la segunda y tercera ventanas suministrarían un ancho de banda de 30 Tbps!. El pico a 1,4 micras que separa ambas ventanas se debe a la presencia de cantidades residuales de agua en el vidrio. Es de esperar que la continua mejora de las técnicas de fabricación de fibras ópticas amplíe estas ventanas con lo que en el futuro se dispondrá de un ancho de banda aún mayor. A modo de ejemplo damos a continuación las características de atenuación de los tipos de fibra mas comunes: Atenuación (db/km) Tipo de fibra Diámetro del núcleo (m m) Diámetro de la funda (m m) 850 nm 1300 nm 1500 nm Monomodo 5,0 85 o 125 2,3 Monomodo 8, ,5 0,25 Multimodo ,4 0,6 0,5 Multimodo 62, ,0 0,7 0,3 Multimodo ,5 1,5 0,9 Tabla Atenuación de diferentes tipos de fibra en las diversas ventanas Cuando se interconectan dos equipos mediante un par de fibras ópticas multimodo es posible averiguar cual es el lado transmisor simplemente mirando el extremo de ambas fibras y viendo cual de ellas emite luz. Esto nunca debe hacerse con fibras monomodo ya que la luz láser es perjudicial para la vista, y además al tratarse de emisión infrarroja el ojo no aprecia luz alguna, con lo que el daño puede ser aún mayor. Para mejor aprovechar las fibras ópticas de largo alcance actualmente se utilizan varias longitudes de onda por fibra en cada una de estas ventanas, mediante lo que se conoce como multiplexación por división en longitud de onda de banda ancha (wideband WDM, Wavelength Division Multiplexing). Se espera que la WDM en banda estrecha permita extraer aún más capacidad de una sola fibra, pudiendo llegar a compartir una misma fibra varias empresas portadoras, cada una con uno o varios haces transportando la información a diferentes frecuencias. En una experiencia hecha en 1996 Fujitsu consiguió transmitir 55 canales (haces) independientes por una fibra monomodo a una distancia de 150 Km utilizando tercera ventana y 2 repetidores intermedios; cada canal tenia una anchura de 0,6 nm (equivalente a 75 GHz) y transportaba una señal de 20 Gbps, con lo que la capacidad total de la fibra era de 1,1 Tbps. Para poder utilizar WDM de banda estrecha el emisor debe ajustarse con mucha precisión, los amplificadores han de actuar sobre todo el rango de longitudes de onda de la manera mas lineal posible, y en el lado receptor se ha de descomponer la señal en los canales originales, también de forma muy precisa.

9 Para la interconexión de fibras ópticas se utilizan tres sistemas: conectores, empalmes y soldaduras. Los conectores ofrecen máxima versatilidad pues pueden ser manipulados a voluntad por cualquier persona; sin embargo introducen una pérdida de la señal de un 10% aproximadamente (0,5 db). El empalme consiste en unir y alinear los extremos con cuidado; pierde un 5% de señal (0,2 db) y lo puede realizar en unos cinco minutos una persona entrenada. La soldadura o fusión tiene una pérdida de señal muy pequeña, pero ha de llevarla a cabo un técnico especializado con equipo altamente sofisticado. En una comunicación por fibra óptica el emisor transmite con una potencia constante y el receptor tiene una sensibilidad mínima para captar la señal de manera fiable. Dicha potencia y sensibilidad suelen medirse en una unidad llamada dbm, que se calcula de la siguiente manera: potencia (dbm) = 10 log (P) donde P es la potencia en milivatios. Así, un emisor con una potencia de 1 milivatio equivale a 0 dbm, con un microvatio a -30 dbm, y así sucesivamente. Un emisor LED tiene una potencia típica entre -10 y -25 dbm, y uno láser entre 0 a -13 dbm. Por otro lado, la sensibilidad (potencia mínima que un receptor debe recibir para poder detectar la señal sin errores) es de -20 a -35 dbm en detectores LEDs y de -20 a -45 dbm en láser. Cuando una señal viaja por una fibra se produce una atenuación debido a los empalmes y conectores, y a la absorción de la luz por la fibra; por ejemplo en segunda ventana la pérdida es de aproximadamente 1 db/km en fibras multimodo y de 0,4 db/km en fibras monomodo. Al valor así obtenido se debe añadir 1,5 db debido a otros factores que no detallaremos. Con estos datos y sabiendo la longitud de fibra y el número de conectores y empalmes es posible calcular la pérdida de señal que se producirá en un trayecto determinado; si conocemos la potencia del emisor y la sensibilidad del receptor podremos calcular la distancia máxima a la que la señal llegará de manera fiable. Por ejemplo, si utilizamos fibra multimodo, emisores LED de -15 dbm de potencia, y receptores de sensibilidad mínima de -25 dbm y tenemos dos parejas de conectores en el trayecto (0,5 db cada una) podremos resistir una pérdida de 7,5 db en la fibra, equivalente a una distancia de 7,5 Km. Conviene mencionar que esta sería la distancia máxima teórica; en la práctica se suele añadir un factor de seguridad a estos cálculos reduciendo los valores al menos en un 30% para tomar en cuenta los efectos de cambios de temperatura, envejecimiento del material, defectos en la instalación mecánica, etc. Cuando se transmite un pulso por una fibra multimodo los rayos se reflejan múltiples veces antes de llegar a su destino, con ángulos diversos (todos por encima del ángulo límite, pues de lo contrario se perderían) lo cual hace que la longitud del trayecto seguido por los rayos que forman el pulso no sea exactamente igual para todos ellos; esto produce un ensanchamiento del pulso recibido, conocido como dispersión, que limita la velocidad de transferencia, ya que el emisor no puede enviar los pulsos con la rapidez que en principio podría; la dispersión es función de dos factores: el ancho de banda y la longitud de la fibra, y se calcula como el producto de ambas magnitudes, así por ejemplo una fibra de 2 Km que transmita a 155 Mbps (equivalente a 155 MHz) tendrá una dispersión de 310 MHz Km. Con las fibras, emisores y receptores actuales la dispersión máxima tolerable es de 500 MHz Km; por ejemplo, si se transmite con fibras multimodo a 622 Mbps (que es la velocidad máxima que suele utilizarse con este tipo de fibras) la distancia máxima que puede utilizarse viene limitada a 800 metros por el efecto de dispersión. A 155 Mbps esta distancia es de 3,2 Km, y a 100 Mbps de 5 Km. Es fácil comprender por que en distancias grandes se utiliza fibra monomodo. En ocasiones se habla con demasiada alegría de la capacidad de gigabits de las fibras ópticas; conviene destacar que dicha capacidad solo es posible, al menos hoy en día, con

10 fibras monomodo. Actualmente se esta trabajando en el desarrollo de pulsos con una forma especial de manera que los efectos de dispersión se cancelen mutuamente. Estos pulsos se llaman solitones y son un campo muy activo de investigación. A menudo los fabricantes dan cifras orientativas del alcance de sus equipos, como por ejemplo que la distancia máxima en fibra multimodo es de 2 Km o en monomodo de 15 a 30 Km. Estos valores suelen ser muy conservadores y no dar problemas, pero en casos que haya muchos conectores o empalmes, o que queramos superar las distancias que da el fabricante, deberemos proceder a hacer los cálculos detallados para asegurarnos que no superamos la atenuación máxima recomendable; para los cálculos deberemos conocer la potencia del emisor y la sensibilidad del receptor. En redes locales, donde las distancias son pequeñas, se suele utilizar emisores LED y fibras multimodo, ya que son mas baratos que los láser, tienen una vida mas larga, son menos sensibles a los cambios de temperatura y son mas seguros. En cambio las compañías telefónicas, que normalmente necesitan largas distancias y altas velocidades, utilizan casi exclusivamente emisores láser y fibras monomodo Comparación de fibra óptica y cable de cobre A menudo en el diseño del cableado de una red local es necesario elegir entre fibra óptica o cable de cobre, ya que la mayoría de los sistemas de red local admiten el uso de ambos medios. En la mayoría de los casos las únicas opciones que vale la pena considerar son el cableado de cobre UTP categoría 5 y la fibra óptica multimodo 62,5/125 (salvo que por distancia tuviéramos que usar fibra monomodo); el cable de cobre permite llegar a 155 Mbps hasta 100m y la fibra a 622 Mbps hasta 800 m, o 155 Mbps hasta 3 Km. Así pues, si la distancia a cubrir es superior a 100 metros es preciso usar fibra. Además se recomienda utilizar fibra cuando se da alguna de las siguientes circunstancias: El cableado une edificios diferentes; en este caso el uso de cable de cobre podría causar problemas debido a posibles diferencias de potencial entre las tierras de los edificios que podrían provocar corrientes inducidas en el cable. Se prevé pasar a velocidades superiores a 155 Mbps más adelante; si la distancia es superior a metros se debería además considerar la posibilidad de instalar fibra monomodo. Se desea máxima seguridad en la red (el cobre es más fácil de interceptar que la fibra). Se atraviesan atmósferas que pueden resultar corrosivos para los metales Se sospecha que puede haber problemas de interferencia eléctrica por proximidad de motores, luces fluorescentes, o equipos de alta tensión (por ejemplo, equipos de laboratorio). Para evaluar la necesidad o no de instalar fibra para evitar las interferencias producidas por la red eléctrica existe una serie de recomendaciones sobre la distancia mínima a mantener que hemos recopilado en la Tabla 2.3. Potencia (en KVA) Menos de 2 Entre 2 y 5 Mas de 5 Líneas de corriente o equipos eléctricos no apantallados Líneas de corriente o equipos no apantallados pero próximos a cables de tierra 13 cm 30 cm 60 cm 6 cm 15 cm 30 cm

11 Líneas apantalladas (p. ej. dentro de tubo metálico con toma de tierra) Transformadores y motores eléctricos 0 cm 15 cm 30 cm 1 m 1 m 1 m Luces fluorescentes 30 cm 30 cm 30 cm Tabla 2.5: Separación mínima recomendada entre líneas de alimentación eléctrica y cables de datos UTP. Se supone que la tensión en las líneas eléctricas es menor de 480 voltios. Cuando no se requiere fibra es recomendable utilizar cobre, ya que es más barato el material, la instalación y las interfaces de conexión de los equipos; además es más fácil realizar modificaciones en los paneles de conexión, empalmes, etc. A título ilustrativo damos a continuación algunos precios de instalación de cableado de diversos tipos: UTP categoría 5 FTP categoría 5 STP categoría 5 Fibra Costo material 118 Pts/m 139 Pts/m 226 Pts/m 251 Pts/m Mano de obra 94 Pts/m 98 Pts/m 104 Pts/m 105 Pts/m Total cableado 212 Pts/m 237 Pts/m 330 Pts/m 356 Pts/m Interfaz (1) Pts Pts Pts Pts multimodo Pts monomodo (1)Representa el costo típico de una interfaz de ese tipo en un conmutador ATM. Tabla 2.6: Coste aproximado de cableados UTP, FTP, STP y de fibra óptica No obstante al diseñar una nueva instalación es importante prever futuras modificaciones o ampliaciones que se puedan producir y que requieran el uso de un cableado diferente. En general en una instalación grande se utiliza fibra para los tendidos principales (uniones entre edificios y probablemente distribución por plantas dentro del edificio) y cobre para la distribución de red a los despachos TRANSMISIÓN INALÁMBRICA Hasta aquí hemos visto como las ondas eléctricas transmitidas por hilos de cobre, o las ondas luminosas transmitidas por fibras ópticas, nos permitían transportar bits. En realidad las ondas eléctricas y luminosas son dos tipos de ondas electromagnéticas. Ahora vamos a ver como se utilizan esas mismas ondas electromagnéticas para transmitir bits cuando se propagan por el aire y no las mantenemos cautivas en un hilo de cobre o de vidrio. Este tipo de enlaces tienen interés cuando se trata de establecer una conexión con un ordenador en movimiento, o cuando se quiere realizar una conexión entre ordenadores sin tender cableado, bien por razones de rapidez, provisionalidad, estética o imposibilidad física El espectro electromagnético La zona del espectro electromagnético que tiene interés para la transmisión de datos incluye las partes denominadas radiofrecuencia (10 KHz a 300 MHz), microondas (300 MHz a 300 GHz), e infrarroja (300 GHz a 400 THz). Cuando se trata de radiofrecuencia o microondas es normal referirse a las ondas por su frecuencia, en cambio cuando se habla del infrarrojo se suele utilizar la longitud de onda. Recordemos que ambas magnitudes están relacionadas por la fórmula: l f = c

12 donde l es la longitud de onda, f la frecuencia y c la velocidad de la luz en el vacío. Así por ejemplo, una onda de 30 GHz, que corresponde a la zona de microondas, tiene una longitud de onda de 1 cm. Las características de transmisión de las ondas en el aire dependen en gran medida de la frecuencia de la onda que se transmite. En la zona de radiofrecuencias el comportamiento es poco direccional y las ondas pueden atravesar obstáculos de cierto tamaño sin dificultad. Por ello se utiliza esta parte del espectro para emisiones de radio principalmente. Conforme nos acercamos a las microondas la transmisión es cada vez mas direccional y sensible a los obstáculos; a partir de 100 MHz la transmisión se hace en línea recta y los obstáculos (un edificio o una montaña) impiden la comunicación; a partir de unos 10 GHz incluso la lluvia absorbe parte de la potencia, reduciendo la señal recibida. Por último en el infrarrojo (a partir de unos 500 GHz) el comportamiento es completamente direccional y la absorción por fenómenos meteorológicos como la niebla o la contaminación es notable, por lo que sólo pueden realizarse transmisiones a corta distancia y con buenas condiciones meteorológicas. En la práctica el rango de frecuencias más utilizado para la transmisión de datos es el de las microondas porque permite elevadas velocidades de transmisión dado su ancho de banda, tienen un alcance razonable y está relativamente exento de interferencias de los fenómenos más comunes. La elevada direccionalidad impone la condición de la visión directa, lo cual obliga a instalar repetidores cuando se cubren grandes distancias, pero es también una ventaja ya que permite disponer de la misma frecuencia en haces próximos sin interferencia, y concentrar la potencia de emisión en un solo sentido. Antes de la aparición de las fibras ópticas las microondas eran el sistema preferido por las compañías telefónicas para cubrir grandes distancias con anchos de banda elevados; aún hoy en día se basa en este sistema buena parte de la infraestructura, ya que es barato y efectivo. Es bastante típico utilizar radioenlaces de 2, 34 y 140 Mbps. Por ejemplo Retevisión dispone en España de un total de Km de circuitos digitales por radioenlaces de microondas de 140 Mbps; estos circuitos se utilizan para transmitir las diversas señales de televisión, para unir la red de telefonía móvil GSM de Airtel y para ofrecer circuitos de datos y telefonía a larga distancia. Las ondas de radio se emplean para comunicaciones de baja velocidad; equipos conocidos como radio-módems permiten realizar una conexión de 9,6 Kbps por un canal de radio. Los radioaficionados utilizan sus sistemas de transmisión para transmitir paquetes IP constituyendo actualmente una parte importante de la Internet; sin embargo, debido a la poca anchura de las bandas asignadas a estos fines, a la poca potencia de los emisores y a su mucha interferencia las velocidades que se obtienen son muy bajas; además su uso con fines comerciales está prohibido. Para evitar el caos en las emisiones de radio la asignación de frecuencias está sujeta a unas normas internacionales dictadas por la ITU-R, y en cada país existe un organismo encargado de asignar las frecuencias que pueden utilizarse (esto sólo rige para la radiofrecuencia y las microondas, la luz infrarroja no lo requiere debido a su elevada direccionalidad y corto alcance). En España el organismo encargado de la asignación de frecuencias era hasta 1997 la hoy extinta DGTEL (Dirección General de Telecomunicaciones). Generalmente se aplica una política altamente restrictiva en la asignación de frecuencias ya que se las considera un bien escaso, por lo que sólo se conceden a empresas portadoras (Telefónica, Airtel, Retevisión, etc.) y a servicios públicos y de emergencia (Correos y Telégrafos y Protección Civil por ejemplo). Como excepción a lo anterior se puede utilizar sin autorización la banda comprendida en el rango de 2,400 a 2,484 GHz, denominada banda Industrial/Científica/Médica, cuando se utilizan emisores homologados cuya potencia no supere los 100 mw; existen en el mercado equipos de estas características que con una antena yagi altamente direccional (parecida a las

13 antenas de recepción de televisión) permiten establecer un enlace de 2 Mbps a distancias de 4 a 6 Km. La Universidad de Valencia tiene una pareja de estos equipos enlazando dos edificios situados a una distancia de 1 Km en el campus de Burjassot. Esta banda es utilizada también por algunas LANs inalámbricas; en estos casos si se quiere tener movilidad se utilizan antenas omnidireccionales (aunque es preciso mantener la visión directa con el emisor). Estos equipos de transmisión de datos por radio incorporan sofisticados sistemas y protocolos propios de bajo nivel que aseguran una transmisión fiable de la información aun en ambientes ruidosos desde el punto de vista radioeléctrico. La radiación infrarroja puede utilizarse para transmitir datos a través del aire, igual que se utiliza el mando a distancia para transmitir órdenes al televisor. La direccionalidad es casi absoluta, como cabría esperar de una onda luminosa; también es muy buena la relación señal-ruido; el único inconveniente es que el alcance es relativamente pequeño, lo cual la convierte en un buen candidato para una LAN inalámbrica. Los sistemas de transmisión por luz infrarroja también pueden enlazar edificios separados por distancias cortas (máximo 1 Km) con velocidades que pueden llegar a los 155 Mbps. La Universidad de Valencia tiene uno de estos enlaces uniendo dos edificios situados a ambos lados de la Avenida de Blasco Ibáñez; podemos considerar el equipo de transmisión en este caso como la fibra óptica 'virtual' que une ambos edificios por arriba EL SISTEMA TELEFÓNICO Actualmente existen en el mundo aproximadamente 700 millones de teléfonos. No es extraño pues que ya en las primeras redes de ordenadores se intentara utilizar este medio de transmisión, dada su ubicuidad. Ya hemos visto algunos aspectos del sistema telefónico en apartados anteriores; ahora los comentaremos con mas detalle Estructura del sistema telefónico Se calcula que hay actualmente unos 700 millones de teléfonos conectados en el mundo, y que para el año 2000 serán cerca de mil millones. No es extraño pues que al buscar un medio para la interconexión de ordenadores se recurriera al sistema telefónico. Conviene tener presente sin embargo que el objetivo de la red telefónica no ha sido la comunicación de ordenadores, por lo que para llevarla a cabo de la mejor manera posible debemos conocer un poco su organización, y sobre todo sus limitaciones. Desde hace mas de un siglo el sistema telefónico se basa en el uso de centrales para conmutar las llamadas entre diversos abonados, y pares de hilos de cobre para unir a cada abonado con la central. Existen diversos niveles jerárquicos de centrales; dos abonados de un mismo barrio probablemente estén conectados a la misma central; si son de barrios diferentes de la misma ciudad estarán conectados en centrales distintas, las cuales a su vez estarán conectadas a una tercera de mayor rango a través de la cual se podrán comunicar; pueden llegar a existir hasta cinco niveles en esta jerarquía. El propio sistema de numeración telefónico refleja en cierta medida esta estructura (cuanto más próximos están dos teléfonos mas parecidos son sus números). Este tipo de organización permite la comunicación entre cualquier par de abonados minimizando el número de interconexiones entre ellos, y entre las centrales. Las conexiones de los abonados con sus centrales se hacen normalmente por un único par de hilos de cobre; si se produce una avería el usuario queda sin servicio hasta que se repara. Las conexiones de las centrales entre sí, al ser menos y mas críticas, se suelen hacer redundantes, conectando por ejemplo una central a otras dos de forma que si falla una conexión el tráfico pueda reencaminarse por la otra. El cable que une al abonado con su central se llama bucle de abonado (local loop) y suele tener una longitud de 1 a 10 Km, según se trate de área urbana o rural. El

14 principal activo que tienen las compañías telefónicas en todo el mundo es el cobre que tienen en sus bucles de abonado; si todo el hilo de cobre existente en bucles de abonado en el mundo se pusiera junto se podría ir y venir a la luna mil veces. Cuando un abonado llama a su vecino suyo por teléfono la central interconecta ambos bucles de abonado y el circuito permanece establecido hasta que cuelgan. Cuando el destinatario de la llamada está en otra central se sigue un proceso más complejo, ya que la central ha de conectar con la otra a través de una línea troncal; normalmente las líneas troncales no están saturadas, pero en situaciones excepcionales (por ejemplo cuando ha ocurrido alguna catástrofe) pueden estarlo, con lo que las llamadas excedentes han de esperar. Cuanto más lejana es la comunicación más líneas troncales se atraviesan, y mayor es la probabilidad de encontrar alguna saturada. Los bucles de abonado suelen ser pares de cobre trenzados; las líneas troncales típicamente utilizan cable coaxial, microondas, fibra óptica o enlaces vía satélite. Como ya hemos comentado el ancho de banda de una conversación telefónica es de 3 KHz. En realidad es de 3,1 KHz, ya que el rango de frecuencias transmitido en una conversación telefónica es de 300 a Hz. Esta ha sido probablemente la decisión más importante en toda la historia de la Telemática, como veremos más adelante. Se eligió un ancho de banda reducido porque se penso únicamente en transmitir la voz humana con un planteamiento minimalista. De esta forma es posible multiplexar muchas conversaciones en un ancho de banda relativamente reducido, lo cual es especialmente interesante en largas distancias; además del ahorro que en sí mismo supone usar un ancho de banda pequeño, el oído humano es así menos sensible a las distorsiones que si se utilizara un ancho de banda mayor, como puede verse en la tabla adjunta. Ancho de banda (KHz) Distorsión perceptible (%) Distorsión molesta (%) 3 > 1,4 > > 1,2 > 8,0 10 > 1,0 > 4,0 15 > 0,7 > 2,6 Tabla 2.7: Sensibilidad del oído humano a la distorsión en función del ancho de banda Antiguamente las conversaciones se transmitían por el sistema telefónico de manera totalmente analógica, extremo a extremo. A menudo era necesario atravesar múltiples centrales, y cuando las distancias entre éstas eran grandes había que poner amplificadores adicionales para regenerar la señal. En una conversación a larga distancia se tenían que atravesar multitud de equipos, cada uno de los cuales distorsionaba la señal un poco más y reducía un poco la relación señal-ruido. Otro problema grave de la comunicación analógica era que en largas distancias, en que se solían multiplexar muchas conversaciones sobre un mismo cable, para extraer una de ellas en una determinada central era necesario desmultiplexarlas todas y volver a multiplexar el resto hasta su nuevo destino; esto añadía una considerable complejidad, y por tanto costo a los equipos, y reducía aun mas la calidad de la señal. Hacia finales de los años cincuenta la mayoría de las compañías telefónicas coincidían en que la solución a todos estos problemas estaba en la transmisión digital de la señal. Como llegar de forma digital hasta el abonado era bastante

15 costoso, pues requería entre otras cosas cambiar el teléfono por uno considerablemente más complejo y caro, se optó por una solución intermedia en la que se digitalizaban los enlaces troncales, que eran relativamente pocos, y se dejaba como analógico el bucle de abonado únicamente. Así se obtenían los beneficios de la telefonía digital a un precio razonable. Esta transformación a telefonía digital de las líneas troncales fue algo gradual que empezó en los años sesenta y continúa en nuestros días; actualmente casi toda la red telefónica entre centrales de los países desarrollados es digital. Como ya hemos dicho, la digitalización del teléfono se realiza muestreando la señal con una frecuencia de 8 KHz (teorema de Nyquist); cada muestra genera un dato de 7 u 8 bits (7 en América, 8 en Europa) que se transmite por una línea digital de 56 o 64 Kbps. Todos los equipos telefónicos digitales del mundo, tanto si transmiten a 56 ó 64 Kbps como si lo hacen a 2,5 Gbps, trabajan con una frecuencia base de 8 KHz, es decir, todos los eventos ocurren cada 125 microsegundos; este es probablemente el único parámetro en que hay un acuerdo universal entre todas las compañías telefónicas del mundo aparte del ancho de banda de 3,1 KHz para un canal de voz, del cual los 8 KHz son una simple consecuencia; obsérvese también que de esta frecuencia de 8 KHz se deriva el que 64 Kbps signifique bps, no bps como sería lo normal en informática (64 * 1.024) El bucle de abonado y los módems A pesar de que en muchas comunicaciones la mayor parte del trayecto se hace de manera digital, el bucle de abonado casi siempre es analógico. Esto lleva a la curiosa situación de que para comunicar dos ordenadores normalmente es preciso colocar módems en casa del abonado para convertir la señal digital en analógica, mientras que en las centrales habrá códecs que se ocuparán de convertir la señal analógica en digital (ver figura 2.17 del Tanenbaum). Los tres problemas principales que se dan en una conexión analógica son atenuación, distorsión y ruido. La atenuación es la pérdida de energía de la señal, y se mide en db/km como ya hemos visto para el caso de las fibras ópticas. Sin embargo no todas las frecuencias se atenúan en la misma proporción y por tanto la amplificación no restaura la señal original. La distorsión se produce porque no todas las frecuencias viajan con la misma velocidad, y por consiguiente pueden llegar con diferencias de tiempo respecto al origen. Esto provoca un ensanchamiento de los bits limitando en la práctica la velocidad, algo muy similar al fenómeno de dispersión que hemos visto en las fibras ópticas multimodo. Una aproximación que intenta reducir los problemas de atenuación y distorsión consiste en dividir el ancho de banda disponible en multitud de pequeños canales, por ejemplo 512, y transmitir sólo unos pocos baudios en cada uno de ellos. De esta forma el comportamiento de la señal es mucho más homogéneo y el módem puede adaptarse a situaciones cambiantes, inhibiendo por ejemplo los canales que detecte como ruidosos. Esta aproximación se ha utilizado en algunas ocasiones en módems de gama alta, pero resulta bastante compleja, no está estandarizada y requiere una capacidad de proceso elevada en los módems para descomponer la información en los canales y recomponerla en el otro extremo; sin embargo permite extraer el máximo de rendimiento a la línea. La técnica de crear múltiples canales se utiliza en la tecnología denominada ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop) que veremos más adelante. El ruido tiene diversas causas. Por un lado esta el ruido térmico, que es inevitable pues es intrínseco a la señal transmitida. También puede haber interferencia producida por otros pares de hilos telefónicos próximos (conocida como cruce de

16 líneas o crosstalk). Finalmente hay interferencia debida a fenómenos eléctricos próximos (motores, rayos, etc.). La utilización de módems suele presentar problema en ocasiones debido a la presencia de unos dispositivos denominados supresores de eco. Siempre que una señal eléctrica se transmite por una unión (empalme, conector, etc.) una parte de la señal original es reflejada hacia atrás (de forma similar a lo que ocurre cuando enfocamos el haz de una linterna hacia el cristal de una ventana); esta pequeña señal es recogida por los amplificadores y llevada hasta su origen, donde puede llegar a ser audible. Si el retraso con que llega la señal reflejada es mayor de 65 milisegundos ésta se percibe como un eco claramente diferenciado de la señal original, y entre 20 y 65 ms de retardo produce un sonido que confunde a la persona que habla; por debajo de 20 ms el efecto no es perceptible. Cuando el punto donde se produce la reflexión está a menos de Km del origen la señal llega a la persona que habla con un retraso menor de 20 ms, con lo que no hay problema de eco. Para evitarlo en conexiones de distancia superior a los Km se han desarrollado unos dispositivos denominados supresores de eco, que actúan a modo de válvulas forzando una comunicación half dúplex por la línea; los supresores de eco son capaces de invertir su sentido de funcionamiento en unos 2 a 5 milisegundos cuando cambia la persona que habla. Los supresores de eco resultan nefastos para los módems, ya que impiden la comunicación full dúplex y además introducen un retardo a veces apreciable en el cambio de sentido de la comunicación. Existen dos soluciones a este problema: una es convenir el uso de una señal concreta (por ejemplo a veces se utiliza un tono de Hz) para indicar que la comunicación es de datos, con lo que los supresores de eco se inhabilitan; la otra es utilizar canceladores de eco, que en vez de actuar como válvulas que cierran el paso en un sentido actúan restando de la onda en sentido inverso la señal que corresponde al eco (de forma análoga a como actúan algunos auriculares para suprimir el ruido de fondo). El problema del eco sólo se da de forma importante en países grandes como Estados Unidos, en Europa ningún país tiene distancias de Km, por lo que no se utilizan supresores de eco. Los módems modulan la onda portadora en amplitud, frecuencia y fase, para intentar 'meter' en ella la información digital de la mejor manera posible. El teorema de Nyquist nos dice que es imposible meter más de 6200 baudios en una línea de 3,1 KHz; esto es un límite teórico, pero la realidad suele ser bastante peor; en la práctica la mayoría de los módems funcionan a 2400 baudios; la siguiente tabla resume la situación en los estándares más habituales: Estándar ITU-T Velocidad (Kbps) Baudios bps/baudio Fecha aprobación V.21 0, V.22 1,2/0, /600 1 V.22 bis 2,4/1, / V.32 9,6/4, / V.32 bis 14,4/12/9,6/7,2/4, /5/4/3/ V.34 28,8/26.4/24/21,6/19,2/ 16,8/14,4/12/9,6/7,2/ 4,8/2, ,9 a 28,8 (8,4 efectivos) 1994 V ,6/31,2/28,8/26.4/24/ 21,6/19,2/16,8/14,4/ 12/9,6/7,2/4,8/2, ,7 a 33,6 (9,8 efectivos) 1995

17 Tabla 2.8: Principales estándares de módems para transmisión por líneas conmutadas. El número de bits que se transmite por baudio está fijado por el número de estados (también llamados símbolos); cada estado es una combinación diferente de la frecuencia, amplitud y fase de la onda portadora. El conjunto de todos los símbolos se denomina la 'constelación' del módem. Hasta la norma V.32bis el número de símbolos era una potencia entera de 2 (64 en la V.32bis); en la norma V.34 funcionando a 33,6 Kbps hay 1664 símbolos que se manejan como si fueran 891, ya que algunos símbolos diferentes representan la misma secuencia de bits y se utiliza uno u otro dependiendo de las condiciones de la línea. Es curioso observar como justo a partir de 1991, fecha en que empiezan a aparecer las redes RDSI que permiten transmitir datos a 64 Kbps, se producen considerables avances en las técnicas de transmisión por red analógica después de haber estado estancadas durante bastantes años. Existen otro conjunto de estándares que especifican las características que deben tener los módems utilizados en líneas dedicadas. Las velocidades de 28,8 Kbps y superiores son difíciles de conseguir en la práctica, ya que el más mínimo defecto en la línea impide su funcionamiento. Por esto el estándar V.34 prevé tantas velocidades; de esa manera los módems pueden establecer en cada caso la velocidad máxima posible de acuerdo con las condiciones de la línea. Puede ocurrir además que la calidad no sea igual en ambos sentidos, en cuyo caso los módems podrán establecer velocidades asimétricas, cada una ajustada lo más posible a las condiciones. Incluso durante una sesión los módems monitorizan la tasa de errores, y puede haber un cambio de velocidad 'sobre la marcha' hacia arriba o hacia abajo si la situación lo requiere (fenómeno conocido como 'retraining'). La mayoría de los módems actuales incluyen compresión y corrección de errores, lo cual es muy interesante pues evitan que lo tenga que incorporar el software de comunicaciones. Los protocolos estándar para esto son el V.42 (corrección de errores) y el V.42bis (compresión), y se utilizan siempre conjuntamente. El V.42bis utiliza el algoritmo de compresión conocido como Lempel-Ziv (de sus inventores) que se emplea en muchos programas de compresión. Es bastante eficiente y consigue ratios de compresión que pueden llegar a ser 4:1. Existen otros protocolos de corrección de errores y compresión no estándar que están bastante extendidos, como la serie de protocolos MNP (Microcom Networking Protocol). Según la ley de Shannon-Hartley la velocidad de 33,6 a la que llega el estándar V.34 se encuentra en el límite de lo posible en una conexión telefónica analógica. Algunos fabricantes han sacado al mercado módems que permiten conexiones asimétricas de 56/33,6 Kbps (56 en sentido 'descendente', proveedor -> usuario y 33,6 en sentido 'ascendente' usuario -> proveedor) siempre y cuando el proveedor esté conectado a RDSI y no se produzca más de una conversión digital->analógica en el camino hacia el usuario. Esta es una tecnología muy reciente (de 1997) y actualmente existen en el mercado dos sistemas diferentes e incompatibles entre sí que ofrecen esta velocidad: la denominada X2 de U.S. Robotics y la K56Flex de Rockwell y otros. La ITU-T está elaborando un estándar para esta velocidad; se espera que haya productos conformes al estándar a finales de 1998 o en Recientemente han aparecido en el mercado una serie de tecnologías orientadas a obtener el máximo rendimiento posible del par de hilos de cobre que une al abonado con su central telefónica, ofreciendo al usuario la posibilidad de transmitir datos a velocidades del orden de megabits por segundo. Con esto se pretende competir con el servicio que algunas redes de televisión por cable están ofreciendo a los usuarios particulares desde hace ya varios años, y por el cual pueden disfrutar de conexiones de datos de alta velocidad a precios asequibles.

18 La más conocida de esas tecnologías es la denominada ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop); como su nombre indica ADSL ofrece capacidad asimétrica, mayor en el sentido red->usuario que en el sentido inverso. La capacidad máxima de ADSL depende de la distancia del usuario a la central telefónica, pudiendo llegar a 8 Mbps en sentido descendente y 640 Kbps en sentido ascendente, si la distancia no supera los 3 Km. A la distancia de 6 Km, máxima prevista para ADSL, la capacidad descendente es de 1-1,5 Mbps y la ascendente de Kbps. La transmisión de los datos en ADSL se realiza de forma analógica utilizando frecuencias superiores a la normalmente utilizada por la comunicación telefónica analógica; concretamente se emplea la banda KHz para el canal ascendente y KHz para el descendente (de esta forma el uso de ADSL es compatible con la telefonía convencional). El principal inconveniente de manejar un rango tan amplio de frecuencias es el comportamiento no lineal del medio de transmisión (por ejemplo la atenuación será mucho mayor a 1100 KHz que a 30 KHz). Para evitar este problema y aprovechar eficientemente un rango tan amplio de frecuencias ADSL utiliza una técnica conocida como DMT (Discrete Multi Tone),que consiste en dividir el rango en multitud de canales estrechos (de 4,3 KHz cada uno) y manejar cada canal de forma independiente; los módems. ADSL comunican entre si por estos canales y reparten el tráfico por todos ellos de forma equilibrada. Podemos considerar un módem ADSL como una gran batería de módems convencionales puestos en paralelo sobre líneas físicas diferentes. El hecho de utilizar canales estrechos asegura un comportamiento lineal en cuanto a atenuaciones y distorsiones dentro de cada canal, y permite a los módems ADSL ajustar la transmisión dentro de cada canal a sus características específicas; por ejemplo, si detecta que un determinado canal tiene mas ruido que el resto transmitirá por el con una menor velocidad, o incluso puede llegar a anularlo si detecta una interferencia precisamente en esa gama de frecuencias. La asimetría se consigue dedicando muchos mas canales en el sentido descendente (unos 224) que en el ascendente (unos 25). La cantidad de tareas que han de desempeñar los módems ADSL requieren procesadores muy potentes. Generalmente los módems ADSL son externos y se conectan al ordenador a través de una interfaz ethernet de 10 Mbps o ATM de 25 Mbps. Para distancias menores de 3 Km se estan experimentando otros sistemas de transmisión que permiten obtener capacidades aun mayores, entre los que podemos mencionar por ejemplo HDSL (High data rate Digital Subscriber Loop) y VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Loop), que llegan a velocidades de 55 Mbps para distancias de 1 Km o menores; en general cuanto menor es la distancia mayor es la velocidad. A menudo se utiliza la denominación genérica xdsl para referirse de manera conjunta a todas estas tecnologías que pretenden extraer el máximo rendimiento del par de hilos de cobre tradicional aprovechando la proximidad de la central telefónica. De todas las tecnologías xdsl ADSL es con diferencia la mas madura. Ha sido aprobado ya como un estándar por el ANSI y el ETSI. Existen ya varias compañías telefónicas en el mundo que ofrecen servicios comerciales ADSL. En España Telefónica empezó a realizar experiencias piloto sobre ADSL a finales de 1997 y espera ofrecer un servicio comercial a partir de mediados de 1998; sin embargo dicho servicio solo podrá ofrecerse inicialmente en las zonas geográficas cubiertas por una central telefónica que disponga de equipamiento ADSL Enlaces troncales y multiplexación Como ya hemos comentado, uno de los principales objetivos de todas las compañías telefónicas es agrupar el mayor número posible de conversaciones telefónicas en las líneas troncales (entre centrales); la técnica que permite hacer esto se denomina multiplexación, y puede hacerse básicamente de dos formas: la multiplexación por división de frecuencias (FDM, Frequency Division Multiplexing) y la multiplexación por división de tiempos (TDM, Time Division Multiplexing). Se

19 hace multiplexación por división de frecuencias por ejemplo en la banda de la radiodifusión de onda media de AM, que tiene una anchura de 1,080 KHz (522 KHz KHz); cada emisora ocupa un canal de 9 KHz (4,5 a cada lado de su frecuencia de referencia), por lo que se pueden acomodar hasta 120 emisoras. Si quisiéramos acomodar mas emisoras en esta banda tendríamos que asignar una ventana horaria, por ejemplo una emisora de 0 a 12 horas y otra de 12 a 24, con lo que cabrían el doble de emisoras; entonces estaríamos haciendo multiplexación por división de tiempos. Multiplexación por división de frecuencias La multiplexación por división de frecuencias se hace asignando a cada canal telefónico de 3,1 KHz un ancho de banda de 4 KHz, con lo que dispone de un margen de 450 Hz de separación de otros canales, reduciendo así la interferencia con canales contiguos. Es bastante normal agrupar los canales de doce en doce formando lo que se conoce como un grupo, que ocupa 48 KHz y que se suele transmitir en la banda de 60 a 108 KHz (a veces se transmite otro grupo entre 12 y 60 KHz). Algunas compañías telefónicas ofrecen servicios de 48 a 56 Kbps utilizando las bandas de estos grupos. Cinco grupos (60 canales) pueden unirse para formar un supergrupo (240 KHz), y a su vez cinco supergrupos pueden unirse para formar un grupo maestro. Existen estándares que llegan a agrupar hasta canales (920 MHz). Al hablar de fibras ópticas hemos mencionado la WDM (Wavelength Division Multiplexing). En realidad la WDM es una forma de FDM con la única peculiaridad de que se trata de frecuencias mucho mayores, y de que al tratarse de luz en vez de ondas radioeléctricas los equipos multiplexores son ópticos y no tienen alimentación eléctrica. Esta es una técnica nueva aún no muy extendida; actualmente se utiliza para transportar dos canales en fibras de muy largo alcance (trasatlánticas, por ejemplo). Debido a la gran frecuencia de las señales transmitidas por fibras ópticas hay muchas esperanzas de que la WDM aumente aún más su capacidad de transmisión. Multiplexación por división de tiempos La multiplexación por división de frecuencias se hace normalmente cuando las señales son analógicas. Sin embargo como ya hemos visto las compañías telefónicas transmiten generalmente la voz de forma digital; una de las razones que les llevó a digitalizar la voz era que se podían multiplexar canales con relativa facilidad por la técnica denominada multiplexación por división de tiempos (TDM). Por el teorema de Nyquist sabemos que para digitalizar la voz se ha de muestrear la señal con una frecuencia al menos doble que el ancho de banda que se desea capturar. En la práctica se utilizan 8 KHz, que corresponden a los 4 KHz de un canal telefónico (3,1 KHz útiles mas 450 Hz de margen a cada lado). Como consecuencia de esto en todo sistema telefónico del mundo las cosas ocurren en múltiplos o 'latidos' de 125 m seg. El códec que convierte la señal analógica en digital produce para cada muestra un número de 7 u 8 bits. Esta técnica se denomina PCM (Pulse Code Modulation). En el sistema de multiplexación por división de tiempos utilizado en América del Norte y Japón el códec recibe 24 conversaciones simultáneas y muestrea cada una veces por segundo; cada muestra está formada por ocho bits, con lo que el códec genera cada 125 m seg una trama formada por 193 bits ( 24 x 8 = 192 bits más un bit de señalización), lo cual da una velocidad de línea de 1,544 Mbps. Este tipo de línea se conoce como T1. En el resto del mundo se suele utilizar una agrupación distinta, poniendo 30 canales de voz más dos de señalización, con lo que se genera una trama de 256 bits cada 125 m seg, lo cual da una línea de 2,048 Mbps (256 x = ) que denominamos E1.

20 Del mismo modo que en FDM existían grupos de jerarquía superior (supergrupos y grupos maestros) en TDM existen también niveles superiores. Por ejemplo cuatro líneas E1 forman una E2 (8,848 Mbps). A su vez cuatro líneas E2 forman una E3 (34,304 Mbps), y así sucesivamente. La jerarquía sigue hasta llegar a velocidades de más de 500 Mbps. Cuando se multiplexan varias líneas E1 cada una lleva su propia señalización de sincronismo, que puede no coincidir exactamente con la de las demás. Por este motivo la jerarquía formada con este tipo de líneas se denomina Jerarquía Digital Plesiócrona, JDP o PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy); plesio es un prefijo que en griego significa próximo. Del mismo modo que no hay acuerdo entre America, Japón y Europa respecto al primer nivel de la PDH, tampoco lo hay respecto a los siguientes, como puede apreciarse en la siguiente tabla: Velocidad (Mbps) Nivel jerárquico Número de canales Nombre Circuito Norteamérica Japón Europa 0 1 DS0 o E0 0,064 0,064 0, T1 o DS1 1,544 1, E1 2, DS1C 3,152 3, T2 o DS2 6,312 6, E2 8, E3 32,062 34, T3 o DS3 44, , , E4 139, T4 o DS4 274, , E5 565,148 Tabla 2.9: Niveles y velocidades de la jerarquía PDH en los distintos países. Las velocidades que aparecen en negrita son las que se utilizan comúnmente en la transmisión de datos. Conocida la velocidad de una línea es posible calcular el tamaño de trama dividiéndola por (recordemos que la frecuencia de muestreo en todo el mundo es de 8 KHz); por ejemplo, una trama E2 tiene un tamaño de bits. La trama correspondiente a cada nivel se construye multiplexando a su vez tramas del nivel anterior; así por ejemplo, la trama E2 (120 canales) esta formada por cuatro E1 (30 canales). Cada nivel añade bits de sincronismo adicionales al construir su trama, por ejemplo, una trama E2 está formada por cuatro tramas E1 de 256 bits cada una más 32 bits adicionales. A menudo cuando se solicita a una compañía telefónica una línea dedicada para la transmisión de datos ésta ofrece como posibilidades las velocidades de la PDH, ya que son las que de forma natural soportan sus equipos, lo cual simplifica la constitución del enlace y optimiza los recursos utilizados. Las velocidades que se suelen utilizar con más frecuencia para la transmisión de datos son la de 64 Kbps y los niveles 1 y 3 de la jerarquía (T1 y T3 en América, E1 y E3 en Europa); dado que hay un salto considerable entre 64 Kbps y T1 o E1, y una demanda grande de velocidades intermedias, muchas compañías telefónicas ofrecen servicios intermedios, denominados n x 64. Cuando la compañía telefónica facilita una línea