Fiabilidad en Comunicaciones Digitales: Estrategias de Detección y Corrección de Errores

Conceptos Fundamentales de Degradación de Señal en Comunicaciones

En los sistemas de comunicación, la calidad de la señal puede verse afectada por diversos fenómenos. A continuación, se describen los principales:

Distorsión

La distorsión es la deformación que sufre una señal tras su paso por un sistema de comunicación, debido a las limitaciones del canal y al desgaste inherente de la señal.

Interferencia

La interferencia es un proceso que altera, modifica o destruye una onda durante su trayecto en el medio en que se propaga, resultado de la concurrencia e interacción de varias señales. Es, en esencia, la unión de múltiples señales que se superponen.

La interferencia puede manifestarse de varias formas:

• Destruir parcialmente la señal.
• Destruir completamente la señal.
• Crear ruido aleatorio que puede parecer datos reales.

Ruido

Se denomina ruido en la comunicación a toda señal no deseada que se mezcla con la señal útil que se desea transmitir. Es una perturbación generada por otras señales dentro del ancho de banda y frecuencia de la señal a transmitir, a menudo como efecto de la termodinámica y otros fenómenos físicos.

Recuperación y Control de Errores en Transmisiones

El objetivo fundamental de la recuperación frente a errores es detectar y corregir las anomalías que aparecen durante las transmisiones de datos. Principalmente, se distinguen dos tipos de errores:

• Tramas perdidas: Ocurre cuando una trama enviada no llega a su destino.
• Tramas dañadas: Sucede cuando una trama llega a su destino, pero contiene uno o más bits erróneos.

Métodos de Control de Errores (ARQ)

Todos los métodos que buscan la recuperación de tramas perdidas o dañadas se engloban bajo el término ARQ (Automatic Repeat Request o Solicitud de Repetición Automática). Estos métodos se basan en la retransmisión de datos y utilizan diferentes estrategias:

1. Confirmaciones positivas: El receptor envía una confirmación (ACK) por cada trama recibida correctamente.
2. Retransmisión por temporizador: Si el emisor no recibe una confirmación dentro de un intervalo de tiempo predefinido, reenvía la trama.
3. Confirmación negativa y retransmisión: El receptor solo envía una confirmación negativa (NACK) para las tramas recibidas erróneamente, lo que provoca que el emisor las reenvíe.

Tipos de Protocolos ARQ

• ARQ Parada y Espera (Stop-and-Wait ARQ)

  Este método se basa en la técnica de control de flujo de parada y espera. El emisor transmite una trama y no envía la siguiente hasta que recibe una confirmación positiva del receptor por la trama anterior.

• ARQ Go-Back-N (Vuelta Atrás N)

  Se fundamenta en la técnica de control de flujo con ventanas deslizantes. Si se detecta un error o una pérdida, el emisor retransmite la trama errónea y todas las tramas subsiguientes que ya había enviado.

• ARQ con Rechazo Selectivo (Selective Repeat ARQ)

  Con este método, solo se retransmiten las tramas específicas que fueron rechazadas por el receptor o aquellas cuyo temporizador expiró sin confirmación. Es más eficiente que Go-Back-N al minimizar las retransmisiones innecesarias.

Métodos de Detección y Corrección de Errores

Además de los protocolos ARQ, existen técnicas específicas para detectar y, en algunos casos, corregir errores en los datos transmitidos.

Métodos de Detección de Errores

• Dígito Verificador (Checksum)

  Consisten en uno o más caracteres numéricos o alfabéticos que se añaden al dato original. Estos se calculan a partir del dato mediante un algoritmo específico y permiten verificar la integridad de la información recibida.

• Bit de Paridad

  Un bit de paridad es un dígito binario adicional que se añade a un conjunto de bits para indicar si el número de bits con valor '1' en ese conjunto es par o impar. Permite detectar un número impar de errores de bit.

Métodos de Corrección de Errores

• FEC (Forward Error Correction)

  FEC es un mecanismo de corrección de errores que permite al receptor corregir los errores sin necesidad de retransmisión de la información original por parte del emisor. Esto se logra añadiendo redundancia a los datos antes de la transmisión.

• Códigos Reed-Solomon

  Los códigos Reed-Solomon son códigos cíclicos no binarios y constituyen una subclase de los códigos BCH. Son una subclase de los códigos de bloque estándar de detección y corrección de errores, ampliamente utilizados para proteger la información en diversos sistemas de comunicación y almacenamiento.

Proceso Avanzado de Detección de Errores (Ejemplo de Implementación)

Un método más complejo para la detección de errores, a menudo utilizado en sistemas de memoria o almacenamiento, puede seguir los siguientes pasos:

1. Lectura de datos: Se lee una palabra de datos de una memoria.
2. Lectura de bits de revisión: Se lee de la memoria una primera serie de bits de revisión asociados con la palabra de datos leída.
3. Generación de bits de revisión: Se genera una segunda serie de bits de revisión a partir de la palabra de datos que se ha leído de la memoria.
4. Generación de síndrome: Se realiza una operación lógica (por ejemplo, XOR) entre la primera serie de bits de revisión y la segunda serie de bits de revisión para generar un síndrome.
5. Decodificación y manejo de errores: Se decodifica el síndrome para detectar la presencia o ausencia de un error incorregible. Si se detecta un error incorregible, se modifican los bits de revisión para indicar dicho error.

Estrategias de Corrección de Errores

Las principales estrategias para corregir errores en las comunicaciones incluyen:

• Sustitución de Símbolos

  Este método implica analizar los datos recibidos y tomar decisiones sobre su integridad, intentando inferir o sustituir símbolos erróneos basándose en la redundancia o patrones conocidos.

• Retransmisión

  Como se mencionó en los protocolos ARQ, la retransmisión consiste en reenviar las tramas enteras que han sido detectadas como erróneas o perdidas.

• Corrección de Errores en Sentido Directo (FEC)

  Ya descrito, este método permite al receptor corregir errores sin necesidad de solicitar una retransmisión al emisor, utilizando información redundante codificada previamente.