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1 ¿Qu’e es un enlace de datos?

• Se conoce como enlace de datos a cualquier medio f’isico capaz de propagar una señal y la presencia en ’el de la correspondiente señal.
• Debido a que las altas velocidades de propagaci’on son muy deseables, la mayor’ia de los enlaces de datos transmiten señales electromagn’eticas que viajan, aproximadamente, a la velocidad de la luz en el vac’io.
• Existen b’asicamente dos tipos de enlaces: los guiados y los no guiados. En un medio guiado, como puede ser un cable conductor de la electricidad o una fibra ’optia conductora de luz, la señal est’a contenida en el medio. En un medio no guiado, si algo no lo impide, la señal se propaga en las 3 dimensiones del espacio, como ocurre por ejemplo, con las ondas electromagn’eticas de radiofrecuencia.

2 El espectro electromagn’etico

• El espectro electromagn’etico describe las ondas electromagn’eticas en funci’on de su frecuencia (v’ease la Figura

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  Figure 1: El espectro electromagn’etico.

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  1).

• La frecuencia de oscilaci’on de una onda electromagn’etica es relevante para un sistema de comunicaci’on porque determina factores como hasta d’onde va a llegar la onda, c’omo son los transductores necesarios para su emisi’on y recepci’on, y qu’e capacidad de transporte de datos posee. En general, cuanto mayor es la frecuencia menor es el poder de penetraci’on (los medios se hacen m’as opacos), menor es el tamaño de los transductores (generalmente antenas), y mayor es su capacidad de transmisi’on.

3 Medios guiados y no guiados

A la hora de diseñar o usar un determinado enlace, es importante conocer que casi siempre hay dos posibilidades: (1) que el enlace sea guiado (2) que no lo sea. ¹ Las caracter’isticas de ambos medios son muy diferentes.

• Atenuaci’on de la señal: En los medios guiados la atenuaci’on es mucho menor que en los medios no guiados. T’ipicamente, en los medios guiados la p’erdida de señal es proporcional a la distancia recorrida. En los medios no guiados, la energ’ia de la señal decae exponencialmente con la distancia recorrida (fadding).
• Interferencias/ruidos/sombras: En los medios no guiados las interferencias entre señales y con otras fuentes de ruido es mucho m’as frecuente. Adem’as, las señales que se propagan de forma no guiada pueden ser absorbidas completamente por aquellos objetos que se interpongan entre el emisor y el receptor.
• Propagaci’on multicamino: Puesto que los medios no guiados rara vez consiguen transmitir sin dispersi’on alguna las señales, frecuentemente se produces reflejos y refracciones que provocan que al receptor lleguen m’ultiples copias de la misma señal, aunque desfasadas.

4 Cables el’ectricos

• Son uno de los medios de transmisi’on m’as usados actualmente (ADSL y redes Ethernet, por ejemplo).
• Se basan generalmente en que usando dos hilos conductores (normalmente de cobre), es posible transmitir una diferencia de potencial (medida entre los dos hilos). Tambi’en existe la posibilidad de usar un solo hilo (como ocurr’ia en el tel’egrafo) y en este caso se toma La Tierra como potencial de referencia.
• La velocidad de propagaci’on de las señales el’ectricas en medios conductores met’alicos es de 2.3 × 10⁸ metros/segundo.
• Por definici’on, e independientemente de la frecuencia de oscilaci’on de la señal el’ectrica que se propaga a trav’es del cable, la transmisi’on de informaci’on provoca una variaci’on de la intensidad el’ectrica. Esto significa que los cables van a radiar energ’ia en forma de una onda electromagn’etica (se comportan como antenas emisoras). Dicha energ’ia puede provocar, dependiendo de su potencia y de la distancia recorrida, la generaci’on de corrientes el’ectricas en otros conductores cercanos, provocando una clase de interferencias en dichos conductores que comunmente se conocen como diafon’ia. La diafon’ia es el principal inconveniente de instalar muchos pares pr’oximos entre s’i (como ocurre con los troncales de telefon’ia). Por este motivo:
  1. Los conductores que forman un enlace se trenzan con la idea de que estas interferencias externas afecten por igual a ambos conductores (recu’erdese que se mide la diferencia de potencial). En la Figura

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     Figure 2: Atenuaci’on de la diafon’ia mediante el uso de pares trenzados.

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     2 se muestra gr’aficamente dicho proceso.

  2. Los conductores se estructuran de forma que uno apantalle al otro frente al ruido externo, como ocurre con los cables coaxiales. Esto permite transmitir señales mucho m’as d’ebiles y un ancho de banda mayor. La estructura de un cable coaxial se muestra en la Figura

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     Figure 3: Estructura de un cable coaxial.

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     3.

5 Fibras ’opticas

• Las fibras ’opticas guian haces de luz (señales electromagn’eticas que van desde el infrarrojo hasta el ultravioleta (v’ease la Figura 1)).
• Generalmente se utilizan para transmitir señales digitales mediante el m’etodo de encender y apagar (modulaci’on ASK) la fuente de luz [1]. Se pueden crear enlaces de decenas de kil’ometros y con capacidades del orden de Gbit. Esto es posible porque la atenuaci’on es muy baja, las interferencias no existen y el ancho de banda es muy grande² .
• Son medios half-duplex.
• En un medio transparente y homog’eneo (cristal, pl’astico, agua, aire, etc.) la luz se propaga en l’inea recta y a una velocidad constante. Sin embargo, si en su propagaci’on la luz pasa de un medio a otro (con diferentes niveles de permeabilidad y susceptibilidad), su velocidad y direcci’on de propagaci’on cambian abruptamente (refracci’on). Cuando la luz pasa de un medio menos denso a un medio m’as denso (electr’omagneticamente hablando), por ejemplo del aire al agua, el ’angulo de incidencia i es mayor que el ’angulo de refracci’on r. Sin embargo, cuando pasa de un medio m’as denso a uno menos denso ocurre al contrario, es decir, el ’angulo de incidencia i es menor que el ’angulo de refracci’on r. Este fen’omeno se presenta en la Figura

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  Figure 4: El fen’omeno de la refracci’on de la luz.

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  4.

• Cuando la luz pasa de un medio m’as denso a otro menos denso, existe un ’angulo de incidencia i para el cual la luz no se refracta (r = 90^o), sino que se propaga de forma paralela al plano de separaci’on de ambos medios (v’ease la Figura

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  Figure 5: Caso particular donde la luz no se refracta (ni se refleja).

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  5). A este ’angulo se le llama ’angulo de incidencia cr’itico.

• Cuando la luz atraviesa medios de diferentes densidades, no toda la energ’ia consigue pasar al otro medio, sino que una cierta cantidad se refleja y continua transmiti’endose en el mismo medio de donde proviene. A este fen’omeno se le denomina reflexi’on. En este caso, el ’angulo de incidencia i y el ’angulo de reflexi’on son id’enticos.
• Las fibras ’opticas aprovechan el fen’omeno de la reflexi’on de la luz para guiar (transportar en l’inea no recta) señales luminosas a grandes distancias. Dependiendo de la forma en que se construye la fibra y de la forma en la que se inyecta la luz dentro de la fibra, existen diferentes modos de propagaci’on y capacidades de transmisi’on. La base de todas las fibras ’opticas es la construcci’on de un tubo o cilindro de material transparente (normalmente cristal o pl’astico) muy delgado que posee al menos dos densidades diferentes. Externamente, la fibra se recubre de cubiertas que impiden que la luz externa, la humedad o los aplastamientos alcancen la fibra y que la luz interna llegue el exterior por refracci’on. La esctructura de una fibra ’optica se muestra en la Figura

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  Figure 6: Estructura de una fibra ’optica.

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  6.

• En el centro o n’ucleo se encuentra el medio m’as denso (el que m’as lentamente transmite la luz) y en el revestimiento se encuentra el medio menos denso. Por tanto, la luz va a reflejarse en el revestimiento y a quedar confinada en el n’ucleo.
• Las fibras ’opticas m’as sencillas son las llamadas multimodo de ’indice discreto (v’ease la Figura

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  Figure 7: Transmisi’on multimodo en una fibra ’optica.

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  7) y se construyen de forma que el n’ucleo y el revestimiento tienen densidades diferentes aunque constantes. Si colocamos una fuente de luz en un extremo de la fibra, cierta cantidad de los rayos penetran en el revestimiento y en el n’ucleo. Los haces que entran al revestimiento son absorbidos por la capa externa opaca, sin embargo, otros consiguen entrar en el n’ucleo. Dado que el haz incidente alcanza la fibra ’optica con diferentes ’angulos de incidencia, en la fibra ’optica encontraremos que parte de dicha energ’ia se refractar’a en el revestimiento y ser’a absorbida por la capa externa opaca; otra parte ser’a reflejada con un ’angulo de reflexi’on igual al de incidencia y otra parte se propagar’a de forma paralela al revestimiento (aquellos haces que inciden con un ’angulo de incidencia igual al ’angulo cr’itico).

• Por tanto, dentro del n’ucleo existen rayos que se propagan sin reflejarse (rayos axiales [2]) y otros que sufren un n’umero de reflexiones que depende del ’angulo de incidencia de entrada en el n’ucleo y de la longitud de la fibra. Puesto que la densidad del n’ucleo es constante, la velocidad de propagaci’on de la luz a trav’es de ’el tambi’en lo es. Como consecuencia, los haces que m’as distancia recorren alcanzan m’as tarde el otro extremo de la fibra. Debido a que la señal recibida en el otro extremo de la fibra es la suma de todas las señales que han recorrido diferentes caminos a trav’es de la fibra ’optica, la anchura de los pulsos de luz aumenta conforme se propagan, es decir, se ha producido una distorsi’on por retardo. Esta perturbaci’on constituye el principal factor que limita la capacidad de la fibra ’optica, porque la separaci’on entre s’imbolos se dificulta conforme aumenta la tasa de transmisi’on.
• Para resolver este problema hay que evitar que los diferentes haces de luz que consiguen entrar en el n’ucleo en el mismo instante de tiempo alcancen el otro extremo en instantes diferentes. Para ello se han propuesto tres soluciones diferentes:
  1. La primera de ellas consiste en utilizar fuentes de luz que producen frentes de onda planos, es decir, haces de luz que se propaguen en una ’unica direcci’on, y esto es justamente lo que hace un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)³ . En lugar de utilizar LEDs (Light Emitting Diodes) se usan ILDs (Injection Laser Diodes)⁴ .
  2. La segunda soluci’on consiste en reducir el di’ametro del n’ucleo hasta el punto de forzar a que todo rayo que consiga entrar en ’el tenga un ’angulo de incidencia tan grande que sea cr’itico y por lo tanto s’olo el rayo axial se propaga. A este tipo de fibras se les llama fibras ’opticas monomodo (v’ease la Figura

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     Figure 8: Transmisi’on monomodo en una fibra ’optica.

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     8). Las fibras monomodo son las m’as eficientes, pero tambi’en las m’as caras.

  3. La tercera soluci’on se basa en construir una fibra con un gradiente decreciente de densidad desde el n’ucleo hasta el revestimiento. Ahora, aquellos rayos de luz que no son axiales aceleran proporcionalmente a la desviaci’on de la direcci’on de propagaci’on del rayo axial. La idea es permitir que los haces que m’as distancia recorren sean tambi’en los que m’as velozmente se propaguen. De esta forma se reduce la dispersi’on. A este tipo de fibra se le llama fibras ’opticas multimodo de ’indice gradual (v’ease la Figura

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     Figure 9: Transmisi’on multimodo de ’indice gradual.

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     9).

• En una fibra ’optica la luz se propaga a una velocidad de 200.000 kil’ometros/segundo.

6 Enlaces de radio

• Para emitir ondas de radio se necesitan antenas, que simplemente son conductores por los que circula una corriente el’ectrica de una cierta frecuencia, en general, no superior a 1 GHz para que sean consideradas como ondas de radio. Cuanto mayor es la frecuencia, m’as pequeña puede ser la antena. Las antenas m’as simples transmiten las ondas de radio en todas las direcciones del espacio (son omnidireccionales) lo que las hace ideales para transmisiones de tipo broadcast.
• Las ondas de radio, como ondas electromagn’eticas que son, se propagan en el vac’io a una velocidad de casi 300.000 kilometros/segundo⁵ y son capaces de atravesar otros medios, como el agua o las paredes.
• En general, la absorci’on (o atenuaci’on) que sufren las ondas de radio en un determinado medio depender’a de las propiedades electromagn’eticas de dicho medio, as’i como de la frecuencia de las ondas. Es conocido que las ondas de radio de longitudes de onda mayores (frecuencias m’as bajas) se utilizan para transmisiones a larga distancia y para comunicarse, por ejemplo, con los submarinos sumergidos. De hecho, las ondas de radio de longitudes de onda m’as largas (frecuencias m’as bajas) pueden transmitirse a cientos de kil’ometros y no se propagan en l’inea recta, sino que siguen la curvatura de La Tierra [2]. Al aumentar la frecuencia, este efecto desaparece pero las ondas se reflejan en la ionosfera⁶ , por lo que las distancias recorridas son tambi’en enormes. De hecho, en d’ias propicios un radio-aficionado es capaz de escuchar su propia voz como un eco cuando es su señal la que da la vuelta a La Tierra y le llega de nuevo al emisor.
• Los radio-enlaces no son normalmente utilizados para diseñar redes de computadoras de ’area amplia fundamentalmente por dos motivos:
  1. Es muy costoso construir antenas que no sean omnidireccionales (directivas o direccionales), alcanzan largas distancias y atraviesan objetos (como las paredes de las casas). Bajo estas circunstancias, el medio de transmisi’on tiene una topolog’ia l’ogica de bus, donde mientras una estaci’on escribe sobre el medio, el resto deben escuchar o se producir’ia una colisi’on. La ’unica soluci’on a este problema es usar multiplexaci’on (en el tiempo o en la frecuencia). Por ejemplo, las emisoras de radio comerciales utilizan FM (Frequency Modulation, v’ease la Secci’on ??) y AM (Amplitude Modulation, v’ease la Secci’on ??) para transmitir. El espectro electromagn’etico se divide en bandas iguales (llamadas canales de frecuencia ) y a cada emisora se le asocia uno de ellos.
  2. El ancho de banda del espectro de frecuencias usado para transmitir señales de radio es insuficiente para acomodar grandes velocidades de transmisi’on. Por ejemplo, cuando un submarino est’a sumergido s’olo puede comunicarse con tierra a trav’es de ondas de radio de muy baja frecuencia, por lo que las comunicaciones son muy lentas (generalmente, se transmiten teletipos).
• Para aumentar la capacidad total del medio de transmisi’on hay que usar frecuencias altas y bajas potencias de emisi’on. Esto es lo que ha permitido la aparici’on de la telefon’ia m’ovil y de sistemas de redes de ’area local para transmisi’on de datos entre computadoras. En el primer caso, la superficie terrestre se divide en celdas (de ah’i el nombre tambi’en de telefon’ia celular) de igual tamaño, que pueden ser modeladas como hex’agonos⁷ . En cada uno de ellos se usan frecuencias que no se utilizan en ninguna de las celdas colindantes (v’ease la Figura

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  Figure 10: Disposici’on de las celdas telefon’ia m’ovil.

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  10), lo que significa que pueden utilizarse de nuevo a dos celdas de distancia.

• Por ejemplo, el tel’efono m’ovil tiene cobertura s’olo si est’a en contacto con una de las estaciones receptoras situadas (normalmente) en el centro de cada celda. Cuando el usuario conversa, se usa una frecuencia para transmitir y otra para recibir, y si se mueve desde una celda a otra, ambas frecuencias son diferentes a las anteriores y diferentes a cualquiera de las que est’a usando otro usuario en esa celda.

7 Enlaces de microondas

• Aquellas ondas electromagn’eticas comprendidas aproximadamente entre 1 GHz y 100 GHz son consideradas como microondas (v’ease la Figura 1).
• Las microondas est’an a camino entre las ondas de radio y las ondas de luz. Aunque atraviesan algunos objetos (opacos a la luz como puede ser el muro de una casa), tambi’en se reflejan mucho m’as (por ejemplo, en las superfices met’alicas). Por esto se pueden diseñar enlaces de larga distancia usando antenas parab’olicas⁸ o Yagis, que concentran su haz de ondas en una regi’on muy pequeña del espacio (antenas directivas).
• Como la anchura del espectro de las microondas es muy superior al de las ondas de radio, los enlaces de microondas son muy usados para diseñar enlaces con altas capacidades a larga distancia. El ’unico problema a este respecto es que las microondas s’olo se propagan sin atenuarse cuando lo hacen a trav’es del aire y del vac’io. De hecho, la lluvia puede llegar a ser un gran problema porque absorbe las microondas⁹ . Por tanto, para enlaces de muy larga distancia (m’as de un centenar de kil’ometros) son necesarias estaciones de repetici’on (en tierra o sat’elites de comunicaciones geoestacionarios¹⁰ ).

8 Enlaces de luz

• La señalizaci’on ’optica no guiada se ha usado durante milenios (pi’ensese por ejemplo en la comunicaci’on de señales de humo o mediante espejos). Se utilizan masivamente en los mandos a distancia de la TV, en las puertas de los garajes, etc.
• Los enlaces pueden ser direccionales o no. Para los direccionales se utilizan generalmente lasers porque si no hay nada que lo impida (otras fuentes de luz, corrientes de convecci’on provocadas cuando el aire se calienta, un p’ajaro, la curvatura de La Tierra, etc.), permiten transmitir una señal luminosa a una distancia enorme (miles de kil’ometros), ya que los rayos no se dispersan en el espacio.

References