Fundamentos de las Comunicaciones Inalámbricas: Señales, Espectro y Tecnologías

¿Qué señales utiliza la tecnología wireless?

Las tecnologías inalámbricas utilizan principalmente señales infrarrojas, de radiofrecuencia (RF) y otras ondas electromagnéticas (OEM).

Características principales de las Ondas Electromagnéticas (OEM)

• No necesitan medios físicos para propagarse.
• Se propagan a la velocidad de la luz.
• Cambian su forma de propagación según el rango de frecuencia:
  • Propagación superficial (Ground Wave - GW): Sigue la curvatura de la Tierra, efectiva en bajas frecuencias.
  • Propagación espacial (Sky Wave - SW): Se refleja en la ionosfera, útil para largas distancias en ciertas frecuencias (HF).
  • Propagación por línea de vista (Line of Sight - LOS): Requiere una trayectoria directa entre emisor y receptor, común en frecuencias altas (VHF y superiores).
• Son sensibles a obstáculos físicos (edificios, montañas, etc.), especialmente en frecuencias más altas.

¿Qué es el espectro electromagnético (EOM)?

Es el rango completo de todas las posibles frecuencias de las ondas electromagnéticas.

¿Qué son las Radiofrecuencias (RF) y cuál es su espectro?

Las Radiofrecuencias (RF) son la porción del espectro electromagnético empleada específicamente en la radiocomunicación. Su rango abarca desde aproximadamente 3 Hz hasta 300 GHz.

Conceptos Fundamentales de las Ondas

• Amplitud: Magnitud máxima (pico) que alcanza la señal de la onda desde su punto de equilibrio.
• Frecuencia: Rapidez con que la onda oscila o cambia en el tiempo. Se mide en Hertz (Hz), que representa ciclos por segundo.
• Longitud de onda: Distancia física que ocupa un ciclo completo de la onda. Es inversamente proporcional a la frecuencia.

¿Qué tipo de propagación utilizan las tecnologías wireless y en qué consiste?

Muchas tecnologías wireless, especialmente las que operan por encima de los 30 MHz, utilizan principalmente la propagación por línea de vista (LOS - Line of Sight). Esto implica que las antenas transmisora y receptora deben tener una trayectoria visual directa, sin obstáculos significativos que bloqueen la señal.

Bandas de Frecuencia Principales

• VHF (Very High Frequency): 30 - 300 MHz (Muy Alta Frecuencia)
• UHF (Ultra High Frequency): 300 MHz - 3 GHz (Ultra Alta Frecuencia)
• SHF (Super High Frequency): 3 - 30 GHz (Super Alta Frecuencia)
• EHF (Extremely High Frequency): 30 - 300 GHz (Extra Alta Frecuencia)

Tipos de Redes Inalámbricas por Cobertura

• W-PAN (Wireless Personal Area Network): Redes de área personal inalámbrica, con coberturas que normalmente no superan los 10-100 metros (ej. Bluetooth).
• W-LAN (Wireless Local Area Network): Redes de área local inalámbrica, con coberturas que no superan unos pocos kilómetros (ej. Wi-Fi).
• W-MAN (Wireless Metropolitan Area Network): Redes de área metropolitana inalámbrica, con coberturas de varios kilómetros, sin superar los 100 km (ej. WiMAX).
• W-WAN (Wireless Wide Area Network): Redes de área amplia inalámbrica, sin un límite de cobertura geográfico específico (ej. redes celulares 3G, 4G, 5G).

¿Diferencia entre redes wireless móviles y fijas?

Las diferencias principales radican en la movilidad del usuario final y, a menudo, en la tasa de transferencia de datos y la tecnología subyacente. Las redes fijas (como Wi-Fi en casa) suelen ofrecer altas velocidades en un área limitada, mientras que las móviles (como 4G/5G) permiten conexión en movimiento sobre áreas extensas, a veces con velocidades variables.

Estándares IEEE para Redes Inalámbricas

• W-PAN (Bluetooth, Zigbee, etc.): Principalmente bajo el grupo IEEE 802.15 (incluye 802.15.1 para Bluetooth clásico, 802.15.4 para Zigbee y otros).
• W-LAN (Wi-Fi): Definido por el grupo IEEE 802.11 (con múltiples enmiendas como 802.11a, b, g, n, ac, ax).
• W-MAN (WiMAX): Estandarizado por el grupo IEEE 802.16 (incluyendo 802.16d para fijo y 802.16e para móvil).
• W-WAN (Redes Celulares): Los estándares son definidos por organismos internacionales como 3GPP (UMTS, HSPA, LTE, 5G NR) y la ITU (IMT-2000, IMT-Advanced, IMT-2020).

Velocidades Típicas por Tecnología (Valores Teóricos Máximos)

• W-PAN (Bluetooth): 1 Mbps (v1.2), 3 Mbps (v2.0+EDR), ~24 Mbps (v3.0+HS). Las versiones más recientes (BLE) se centran en bajo consumo más que en alta velocidad.
• W-LAN (Wi-Fi): 11 Mbps (802.11b), 54 Mbps (802.11a/g), hasta 600 Mbps (802.11n), superando 1 Gbps (802.11ac/ax).
• W-MAN (WiMAX): Hasta 70 Mbps (802.16d/e), aunque las velocidades prácticas suelen ser menores.
• W-WAN (Celular): 3G (UMTS) hasta ~2 Mbps; 3.5G (HSPA/HSDPA) hasta ~14-42 Mbps; 4G (LTE) cientos de Mbps; 5G (NR) varios Gbps. (Las velocidades reales dependen de muchos factores).

Bandas de Frecuencia Utilizadas

Las tecnologías wireless operan en una amplia gama de bandas de frecuencia, incluyendo (pero no limitado a) VHF, UHF, SHF y EHF, seleccionadas según los requisitos de la aplicación (alcance, velocidad, penetración de obstáculos).

Topologías de Red Comunes

• Wi-Fi (W-LAN): Generalmente en topología Estrella (dispositivos conectados a un Punto de Acceso central) o Ad-hoc (conexión directa entre dispositivos, punto a punto).
• Bluetooth (W-PAN): Topología Punto a Punto o Piconet (una pequeña red en estrella con un maestro y hasta siete esclavos activos).
• WiMAX (W-MAN): Típicamente Estrella (suscriptores conectados a una estación base) o Malla (nodos interconectados).
• Redes Celulares (W-WAN): Arquitectura Celular, donde el área de cobertura se divide en celdas, cada una servida por una estación base. La conexión de los usuarios a la red núcleo sigue una estructura jerárquica (estrella/árbol).

Licenciamiento del Espectro

• Bandas Licenciadas: Son porciones del espectro cuya utilización requiere un permiso o licencia otorgado por la autoridad reguladora nacional (ej., Subtel en Chile, FCC en EE.UU., IFT en México). Se usan para servicios críticos o de gran escala como la telefonía móvil, radiodifusión, etc., garantizando exclusividad y protección contra interferencias.
• Bandas No Licenciadas (o de Uso Libre): Son bandas designadas internacionalmente (a menudo siguiendo recomendaciones de la ITU - Unión Internacional de Telecomunicaciones) para uso compartido sin necesidad de licencia individual. Los dispositivos deben cumplir normas estrictas de potencia y operación para coexistir (ej., las bandas ISM usadas por Wi-Fi y Bluetooth).

Aplicaciones por Tecnología

• Redes Celulares (3G/4G/5G): Llamadas de voz, mensajería (SMS, MMS), acceso a Internet móvil de banda ancha, streaming de video y música, servicios de localización, Internet de las Cosas (IoT), aplicaciones WAP (históricamente).
• Wi-Fi: Acceso a Internet en hogares, oficinas y lugares públicos (hotspots), creación de redes locales inalámbricas (WLAN), telefonía sobre IP (VoIP), transferencia de archivos, streaming de contenido multimedia dentro de la red local.
• Bluetooth: Conexión inalámbrica de corto alcance para periféricos (auriculares, altavoces, teclados, ratones), transferencia de archivos entre dispositivos cercanos, audio inalámbrico, redes personales (PAN), balizas de proximidad (beacons).