comunicación vía radio para el telecomando de dispositivos
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Para optar por el título de Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica
“Soluciones teóricas a los problemas de
radiocomunicación para el telecomando de dispositivos
electrónicos de redes eléctricas”
Autor: Jorge Rafael Hernández Solís
E-mail: [email protected]
Tutor: MSc. José Omar Padrón Ramos
Prof. Asistente, Dpto. Automática y Sistemas Computacionales, Facultad de Ingeniería
Eléctrica, UCLV.
E-mail: [email protected]
2011
“Año 53 de la Revolución”
Ministerio de Educación Superior
Facultad de Ingeniería Eléctrica
_______________________________________________________
Para optar por el título de Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica
“Soluciones teóricas a los problemas de radiocomunicación para el
telecomando de dispositivos electrónicos de redes eléctricas”
AUTOR
Jorge Rafael Hernández Solís
TUTOR
MSc. José Omar Padrón Ramos
2011
“Año 53 de la Revolución”
Ministerio de Educación Superior
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central
“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad
de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea
utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial
como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización
de la Universidad.
Firma del Autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de
la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un
trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.
Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento
donde se defiende el trabajo
Firma del Responsable de
Información Científico-Técnica
DEDICATORIA
I
DEDICATORIA
A mis padres.
AGRADECIMIENTOS
II
AGRADECIMIENTOS
A la Revolución y a la Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas por haberme dado la oportunidad de estudiar y superarme
como profesional.
A todos mis profesores por ser parte importante de mi formación.
A mi tutor por todo su esfuerzo y su constancia.
A mis padres por todo su apoyo y cariño. Por estar siempre en los
momentos más difíciles. Por sus desvelos y la confianza de seguir
adelante.
A mi novia por estar siempre a mi lado, por ser mi mejor ejemplo y
mi guía en todo momento. Sin ella no hubiera podido salir adelante.
A mis hermanas por su amor y todo su apoyo.
A mis sobrinos por su alegría.
A mis suegros por su ayuda incondicional.
A mi familia y a todos aquellos que se han ido sumando a lo largo
de estos años.
A mis amigos y compañeros de estudio.
RESUMEN
III
RESUMEN
En la actualidad las transmisiones inalámbricas permiten la transferencia de voz, datos y
video, lo que contribuye a que su uso se generalice a múltiples y diversas empresas. La
Organización Básica Eléctrica (OBE) de la provincia de Villa Clara, desde hace años
planea llevar a la práctica un sistema de supervisión de redes. Para ello utiliza radios TM-
800 los cuales están diseñados para transmisión de voz, siendo necesario una actualización
del firmware del equipo que permita la transmisión digital de datos. La puesta en práctica
del sistema presentó dificultades en la comunicación en cuanto a la integridad de los datos
debido a la pérdida parcial de los mismos. Con el objetivo de solucionar este problema la
presente investigación se centra en el análisis teórico de las posibles causas de fallos
mediante el estudio de los componentes del sistema. A partir de los resultados obtenidos se
plantea una estrategia de solución aplicable en la experimentación en trabajos futuros
inmediatos, trazando un camino para la búsqueda continua de soluciones. De llevarse a
cabo la implementación de las soluciones propuestas se logrará una optimización en el
funcionamiento del sistema de comunicaciones y se eliminará el uso innecesario de
equipamiento.
INTRODUCCIÓN
IV
TABLA DE CONTENIDOS
RESUMEN ........................................................................................................................... III
TABLA DE CONTENIDOS ................................................................................................IV
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 2
Organización del informe .................................................................................................... 4
CAPÍTULO 1: LA COMUNICACIÓN DE DATOS VÍA RADIO ....................................... 7
1.1 Transmisión de datos vía radio. ............................................................................... 7
1.1.1 Antecedentes e historia. .................................................................................... 7
1.1.2 Papel actual de las comunicaciones por radio. ............................................... 10
1.1.3 Usos fundamentales. ....................................................................................... 11
1.2 Dispositivos electrónicos para las comunicaciones de datos por radio. ................. 17
1.2.1 Protocolos más utilizados para la comunicación de datos. ............................. 17
1.3 Componentes fundamentales de los sistemas de comunicación/transmisión de
datos. 24
1.4 Factores que afectan el diseño de un sistema de comunicación de datos. ............. 26
1.5 Transmisiones de datos por radio en Cuba. ........................................................... 26
1.5.1 Importancia para la Empresa Eléctrica. .......................................................... 27
1.6 Herramientas utilizadas en el trabajo. .................................................................... 32
1.7 Consideraciones parciales del capítulo. ................................................................. 33
CAPÍTULO 2: IDENTIFICACIÓN DE LAS CAUSAS DE FALLO Y PROPUESTAS DE
SOLUCIÓN .......................................................................................................................... 35
2.1 Introducción al Capítulo ......................................................................................... 35
2.2 Esquema de comunicación utilizado para supervisar los NULEC. ........................ 35
2.3 Características de los radios TM-800 utilizados en la comunicación. ................... 37
2.4 Identificación teórica de las causas de los fallos en las comunicaciones. .............. 38
INTRODUCCIÓN
V
2.5 Limitación de las pruebas físicas. .......................................................................... 39
2.6 Propuestas de solución. .......................................................................................... 40
2.7 Situación de los dispositivos en red. ...................................................................... 43
2.8 Consideraciones finales del capítulo. ..................................................................... 45
CAPÍTULO 3: VALORACIÓN ECONÓMICA Y PRÁCTICA DE LAS SOLUCIONES 47
3.1 Introducción al capítulo .......................................................................................... 47
3.2 Posibilidades prácticas de aplicación de las soluciones planteadas. ...................... 47
3.3 Consideraciones sobre la optimización en el uso de los radios. ............................ 47
3.4 Valoración económica de las soluciones propuestas. ............................................ 49
3.5 Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 49
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 52
Conclusiones ..................................................................................................................... 52
Recomendaciones .............................................................................................................. 53
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 55
ANEXOS .............................................................................................................................. 57
Anexo 1: Glosario ............................................................................................................. 57
INTRODUCCIÓN
1
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
2
INTRODUCCIÓN
La telemedición y el telecomando son áreas de las comunicaciones estrechamente ligadas a
la producción. La supervisión de los procesos industriales y determinados servicios, ocupa
hoy en el mundo moderno un lugar fundamental, y una de sus bases es el constante
intercambio de información entre los componentes distribuidos del sistema. Llevar la
información desde una planta o un lugar en que se realiza la producción o los servicios,
hacia un centro donde se gestiona la producción, es una acción neurálgica para el
desempeño de la supervisión, un elemento cuya necesidad es intrínseca. Con el principio de
satisfacer esta necesidad en áreas muy distantes, surge lo que se conoce actualmente como
telemedida.
El telecomando por su parte es un caso similar solo que el término se aplica cuando se
quiere ejecutar una orden a distancia, de manera inalámbrica por medio de ondas de radio,
o a través de un medio cableado, sobre la base de una medición realizada.
La Organización Básica Eléctrica (OBE) de Villa Clara, desde hace años planea llevar a la
práctica un sistema de supervisión de redes eléctricas, que supone también parte de control,
equiparándose con las más exitosas tecnologías de este tipo en el mundo. Por ello en dichas
redes, se encuentran varios dispositivos electrónicos como los desconectivos NULEC, para
facilitar la operación de las mismas. Este equipo digital tiene capacidad para ser
telecomandado y utiliza para la comunicación el protocolo DNP3. En caso de fallo o
cortocircuito en la red, el NULEC se desconecta y genera una serie de datos de diagnóstico
e identificación de la falla. Es interés del Despacho de Carga Eléctrica, conocer esos datos
y a la vez volver a conectar remotamente el NULEC una vez que haya pasado la situación
que provocó la desconexión.
Para lograr este objetivo, es imprescindible llevar la información desde las redes eléctricas
de la provincia hasta un centro de comando en la cabecera provincial, lo cual se puede
lograr a través de diferentes medios siendo el más idóneo la comunicación inalámbrica.
La entidad adquirió hace poco tiempo, radiocomunicadores HYT TM-800, comúnmente
usados en el mundo para la transmisión de voz, en este caso cuentan con un firmware
INTRODUCCIÓN
3
actualizado que permite la transmisión de datos, elemento que propicia la utilización de
estos radios en el telecomando de los dispositivos desconectivos NULEC.
En esta coyuntura nacen algunos problemas técnicos. El primero de ellos se encuentra al
establecer la comunicación remota vía radio desde el despacho provincial con cada NULEC
instalado, pues se presenta como dificultad que los datos se pierden ocasionalmente durante
la transmisión. Otro de los problemas es que se necesita utilizar un radio por cada NULEC,
en áreas donde existen hasta tres NULEC juntos.
Dada estas situaciones se define el problema científico a través de las siguientes
interrogantes:
¿Cómo mejorar el rendimiento de las comunicaciones inalámbricas en el sistema de
supervisión de redes de la Empresa Eléctrica? Y además ¿cómo optimizar el empleo de los
radiocomunicadores en áreas donde existan varios NULEC?
Se establece como objeto de estudio de la presente investigación las redes inalámbricas de
transmisión de datos de la OBE provincial. Para dar respuesta al problema científico antes
descrito se establecen los siguientes objetivos:
Objetivo General:
Diagnosticar teóricamente las posibles causas de fallo en la comunicación vía radio
entre el Despacho de Carga Eléctrica y los dispositivos NULEC, y proponer
soluciones tangibles, haciendo lo mismo para la optimización en el empleo de los
radiocomunicadores.
Objetivos específicos:
Realizar una revisión bibliográfica sobre las radiocomunicaciones empleadas en los
sistemas de telecomando y telemedición.
Analizar las características técnicas de los radios TM-800.
Identificar teóricamente las causas de la pérdida de datos en las comunicaciones.
INTRODUCCIÓN
4
Evaluar soluciones que permitan subsanar las diferencias que impiden la
comunicación entre el centro de control y los dispositivos de medición y
desconexión.
Proponer un esquema óptimo para el uso de los radios en lugares donde exista más
de un dispositivo de medición o desconectivo.
Si se realizara con éxito la conexión anteriormente expuesta y se diagnosticaran las posibles
fallas de manera que la posibilidad de error fuera mínima, se podría llevar a vías de hecho
el sistema de supervisión provincial de energía eléctrica diseñado entre la OBE y la
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Además de poder conocer en tiempo real
y con total fiabilidad la cantidad de energía consumida por la provincia, parámetro
fundamental exigido hoy por la Unión Nacional Eléctrica (UNE).
Organización del informe
El presente informe está estructurado en tres capítulos.
El primer capítulo trata la comunicación de datos vía radio. En él se describe cómo ha
evolucionado en la historia, desde los primeros descubrimientos, a través de los avances
que se han ido sucediendo. Además se hace un análisis del lugar que ocupa hoy la
transmisión inalámbrica así como las principales esferas en que tiene aplicación. Por
último se hace referencia a la situación en que se encuentra su utilización en Cuba y
particularmente cómo influyen en la Empresa Eléctrica.
En el segundo capítulo se estudia el sistema utilizado por la Empresa Eléctrica de Villa
Clara para la comunicación con los desconectivos NULEC integrados a su red de
distribución de energía a través de los radiocomunicadores HYT TM-800. Las
características técnicas de estos últimos, son revisadas para llegar a identificar de forma
teórica las causas por las cuales ocurren las fallas, para establecer propuestas de solución a
las mismas y recomendar una mejor utilización de los dispositivos.
En el tercer capítulo se procede a evaluar las soluciones y recomendaciones que se
proponen en el capítulo anterior para establecer las posibilidades para su aplicación
práctica. Además se realiza una valoración de los costos de los diferentes componentes
INTRODUCCIÓN
5
utilizados, determinando la factibilidad económica y las posibilidades de ahorro de
recursos.
CAPITULO 1
6
CAPÍTULO 1
CAPITULO 1
7
CAPÍTULO 1: LA COMUNICACIÓN DE DATOS VÍA RADIO
1.1 Transmisión de datos vía radio.
Las comunicaciones inalámbricas hacen uso de las ondas electromagnéticas para enviar
señales a través de largas distancias. Esta transferencia de información, lograda a través de
la emisión de ondas de radio, permite tener como grandes ventajas la movilidad y la
flexibilidad del sistema en general, además de la reducción de los costos de implementar
una infraestructura cableada.
Actualmente las transmisiones inalámbricas constituyen una eficaz y poderosa herramienta
que permite la transferencia de voz, datos y video, sin la necesidad de utilizar cables para
establecer la conexión.
1.1.1 Antecedentes e historia.
El surgimiento de los estudios acerca del uso del espacio radioeléctrico como medio de
comunicación respondió a una sucesión de descubrimientos que comenzaron a finales del
siglo XIX, y que tienen su origen en la aparición de los estudios de James Clerk Maxwell,
en 1867. El escocés presentó su teoría electromagnética en la Real Sociedad de Londres, la
cual, obtenida mediante el cálculo matemático puro, predecía la posibilidad de crear ondas
electromagnéticas y su propagación en el espacio (Anda Gutiérrez 2004).
Fue el físico alemán Heinrich Hertz quien confirmó la teoría de Maxwell, radiando y
estudiando las ondas electromagnéticas con un oscilador y un resonador, probando la
existencia de lo que, en su honor, serían también conocidas como ondas hertzianas
(Martínez Lorente 2000).
Debido a que las ondas captadas por el resonador usado por Hertz, solo podían ser recibidas
a una corta distancia, en 1890 el francés Edouard Branly llega a la construcción del primer
“cohesor”, un aparato que aprovechando las características de conductividad que adquirían
las limaduras de hierro encerradas en un tubo de vidrio, permitió la detección de las ondas a
distancias mucho más considerables. Su invento fue utilizado en lo adelante por los demás
investigadores (Martínez Lorente 2000).
CAPITULO 1
8
En sus experimentos para revelar la marcha de tormentas eléctricas, el ruso Alexander
Popov introdujo una significativa mejora, ideó el mejor sistema para enviar y captar ondas:
la antena. En este caso, estuvo compuesta por un hilo metálico extendido verticalmente
(Martínez Lorente 2000).
El hombre capaz de unir todos estos descubrimientos y construir un sistema de
radiocomunicación fue el italiano Guglielmo Marconi. Valiéndose del oscilador de Hertz,
la antena de Popov y el cohesor de Branly, y además haciendo uso del alfabeto Morse,
logró establecer comunicados prácticos a distancias hasta 2400 metros. Luego fue
aumentando el alcance de sus transmisiones y en 1896 obtuvo la primera patente de
telegrafía inalámbrica (Otero Carvajal 1993).
En los años subsiguientes el trabajo de los investigadores estuvo encaminado al
perfeccionamiento de este sistema. El propio Marconi prolongó el alcance de sus enlaces,
en 1898 entre la isla Wight y Bournemouth a 23 kilómetros de distancia, en 1899 entre
Inglaterra y Francia, y en 1901 entre América y Europa, desde Terranova en Canadá hasta
Cornaulles en Gran Bretaña. Pueden contarse entre otros aportes la invención del sistema
de sintonía por O. J. Lodge en 1897, además de la utilización por John Ambrosse Flemming
en 1904, de la válvula termoiónica para detectar señales de radio y la construcción del
triodo en 1908 por Lee De Forest, que ya no solo permitió mejorar los sistemas de
detección, sino que proporcionó la posibilidad de amplificar las señales eléctricas utilizadas
y generar ondas en lugar de impulsos, abriendo así el camino a la transmisión de voz y
señales de audio en general (Otero Carvajal 1993).
La primera radiodifusión, que consiguió transmitir la voz humana y música, fue efectuada
por Reginald Aubrey Fessenden en 1906; en ese mismo año se obtuvo la primera emisión
de radio en los Estados Unidos y con la introducción masiva de las válvulas se mejoró
notablemente la calidad y potencia de recepción y, poco a poco, los simples radios de
galena, pasaron al olvido (Timofeev 2006).
Con las emisiones de “Onda Corta”, por primera vez, se lograron unir continentes, lo que
supuso un gran avance, al permitir traspasar las fronteras de los países sin censuras. Cuando
se introdujo el transistor en la década de los cincuenta, se logró hacer de la radio un
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9
instrumento de consumo personal ya que se volvió más pequeña y portátil. Ahora, con la
microelectrónica, son diminutas. Tiempo después, se desplaza la amplitud modulada (AM)
por la frecuencia modulada (FM), aumentando la calidad de la recepción y aunque la AM
no desaparece, la FM es una peligrosa competidora. Actualmente se cuenta con sistemas
más sofisticados, como la radio digital terrestre o DAB, que proporcionan mucha mayor
calidad y fiabilidad y aumentan el número de programas u oferta radiofónica utilizando los
mismos recursos (Otero Carvajal 1993).
El primer sistema público de radio PLMN (Public Land Mobile Network), es decir, que
cualquier persona con suficiente dinero podía contratar, empezó a funcionar en la ciudad de
San Luis, Missouri (EEUU), donde en 1945 se colocó la primera antena. Estos sistemas
utilizaban una única antena de alta potencia, en FM, que proporcionaba una gran cobertura.
La capacidad de usuarios no era muy elevada (un sistema de 6 canales podía manejar unos
200 abonados), pero, aún así, tras el desarrollo de la radio y la telefonía fija, y los avances
que en este campo se realizaron en la II Guerra Mundial, compañías como General Electric,
RCA, Motorola y AT&T comenzaron a comercializar diversos sistemas portátiles de
comunicación y en poco tiempo el servicio de telefonía móvil se extendió (Castells 2006).
En 1970, los Laboratorios Bell empezaron a trabajar en el sistema AMPS (American
Mobile Phone System) y en Europa fueron los PTT (Post, Telegraph & Telephone) de cada
país los que establecieron el servicio, inicialmente analógico y sin posibilidad de
interconexión entre distintos países, adoptándose un sistema y una banda de frecuencias
distinta (450 y 900 MHz). Uno de los sistemas más importantes fue el NMT (Nordic
Mobile Telephone), que en 1982 entró en servicio en los cuatro países nórdicos y en
España. El European Telecommunications Standards Institute (ETSI) estableció en ese año
el Groupe Special Mobile (GSM), para impulsar el desarrollo de una futura red celular de
ámbito Europeo. Hacia 1992 empieza a funcionar la tecnología GSM, como fruto de su
trabajo. En el año 2001 la compañía DoCoMo lanza comercialmente en Europa la telefonía
UMTS o de tercera generación (Castells 2006).
Arthur C. Clarke, propuso en 1945 la utilización de los satélites geoestacionarios para los
sistemas de comunicaciones de cobertura mundial. Un satélite en órbita circular ecuatorial
de radio 42242 kilómetros, vería siempre la misma zona. Un satélite cubriría casi un
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10
hemisferio y con tres satélites espaciados 120 grados se tendría una cobertura mundial. No
fue hasta 1960 que la NASA puso en órbita el primer satélite de comunicaciones, "Echo I
A", que era una gran esfera metálica de 30 metros de diámetro localizada a una altitud de
1600 kilómetros que reflejaba las señales radioeléctricas que recibía. "TELSTAR I" fue
puesto en órbita en 1962 por 10 días y permitió la primera transmisión de imágenes de
televisión entre USA y Francia. El primer satélite comercial en órbita geoestacionaria fue el
INTELSAT I, también llamado Early Bird. Fue lanzado en 1965 y estuvo en operación
hasta 1969. Tenía dos transpondedores de 25 MHz de ancho de banda. Con él se inicia la
actual época de telecomunicación espacial (Roddy 2001).
En los últimos años, los estudios en campo de la comunicación inalámbrica han alcanzado
un vertiginoso auge. Constantemente surgen nuevas alternativas para su uso, las tecnologías
son mejoradas, nuevos estándares sustituyen a los anteriores y van apareciendo diferentes
aplicaciones para su uso.
1.1.2 Papel actual de las comunicaciones por radio.
La tecnología inalámbrica está influyendo cada vez más la vida de las personas. Las
empresas modernas cuentan con más personal móvil, que ya no está encadenado a la mesa
durante ocho o más horas diarias. Cuando ya se ha experimentado y se ha hecho costumbre
el uso del ordenador personal, una poderosa herramienta para optimizar el trabajo y
aumentar la productividad y la calidad de los servicios de comunicaciones en la oficina o en
casa, el siguiente paso es esperar y demandar capacidades similares cuando se está en
movimiento.
El uso de Internet como un potente medio de información y comunicación ha originado una
gran demanda de acceso 24 horas al día, 7 días a la semana, sin importar la ubicación.
Ahora, la comunicación inalámbrica ha dado un paso más, proporcionando conexiones de
datos entre dispositivos informáticos y redes, y además entre diversos dispositivos. Es
preciso disponer de acceso flexible a una red en cualquier situación posible.
El reto que tienen por delante las nuevas tecnologías que se encuentran en desarrollo, es
precisamente lograr la convergencia, que se establezcan estándares que aseguren a los
CAPITULO 1
11
usuarios finales la compatibilidad y/o el funcionamiento conjunto de sus distintos productos
y además garantizar el acceso de banda ancha desde cualquier ubicación a través de la
amplia gama de equipos móviles que ya están disponibles. Hacia estos objetivos se mueve
la cuarta generación de comunicaciones móviles o 4G. Dentro de las especificaciones de
esta última el World Wireless Research Forum (WWRF) asegura que 4G deberá ejecutarse
sobre infraestructura IP, interoperar con WiFi y WiMax y soportar velocidades más altas de
100 Mbps, hasta 1 Gbps.
1.1.3 Usos fundamentales.
Las comunicaciones inalámbricas son herramientas muy versátiles que permiten ofrecer
diferentes aplicaciones, tales como las comunicaciones punto a punto, punto a multipunto,
radioaficionados, servicios públicos como radiodifusión sonora o televisiva, buscapersonas,
radio troncalizado (trunking), telefonía móvil, telefonía fija inalámbrica, los servicios por
vía satélite, entre otros. Asimismo, dependiendo del terminal que se use en dichos servicios
o aplicaciones, se pueden distinguir modalidades de comunicaciones inalámbricas fijas y
comunicaciones inalámbricas móviles. Algunas de las principales se describen a
continuación.
Internet inalámbrico
Internet utiliza los protocolos de comunicaciones TCP/IP (Transmision Control
Protocol/Internet Protocol), los cuales se caracterizan por su capacidad para adaptarse a
diversas tecnologías y medios de transmisión, ya sean estos alámbricos o inalámbricos.
Gracias a esta cualidad, el TCP/IP puede ser “reconocido” por distintas redes, sin que la
tecnología de base utilizada por ellas sea de mayor importancia.
En el entorno de las redes inalámbricas, existen dos mecanismos para brindar el acceso a
internet: fijo y móvil. Las redes inalámbricas fijas ofrecen a los usuarios residenciales o
corporativos la conexión de sus computadoras (o redes de computadoras) en locaciones
fijas o de margen de movilidad muy bajo.
En este caso, los usuarios instalan antenas de orientación fija en dirección a las antenas del
operador del servicio de acceso a internet inalámbrico. Por lo general, para el acceso
CAPITULO 1
12
inalámbrico fijo a internet, se usan las frecuencias altas del espectro radioeléctrico. La
porción de espectro más utilizada es la correspondiente a las microondas. Así, tenemos
aplicaciones en el rango de 3.400 a 3.600 MHz, así como en el rango de los 2,5 GHz, 27
GHz y 38 GHz (con tecnologías como el MMDS digital y LMDS2) (Sanchez Ortiz 2003).
Por su parte, las redes digitales actuales de telefonía móvil (más conocidas como “de
segunda generación”) permiten el acceso a internet, conectando un teléfono móvil a una
computadora portátil o algún dispositivo organizador personal (PDA, por ejemplo, de
marca Palm, IBM o Compaq, etc.). Este acceso es parecido al conseguido a través del
teléfono fijo alámbrico, pero con una velocidad ligeramente menor.
Actualmente se encuentran disponibles en el mercado las tecnologías WAP (Wireless
Aplication Protocol), que equipan al terminal móvil con funciones necesarias para mostrar
páginas web especiales, recibir y enviar correos electrónicos, jugar “en línea” e incluso
realizar transacciones seguras de comercio electrónico (Sanchez Ortiz 2003).
El desarrollo de las telecomunicaciones móviles ha generado lo que se denomina la
“generación 2,5”, caracterizada por las mejoras en los protocolos de transmisión de datos.
Estos progresos en la transmisión por redes de telefonía móvil, mediante tecnologías GPRS
e IS-95B, entre otros, facilitan el envío de la información a velocidades desde 43 kbps hasta
115 kbps (Sanchez Ortiz 2003).
Por último, los servicios móviles de tercera generación, como es el caso de: UMTS
(Universal Mobile Telecommunication Service), IMT-2000 (International Mobile
Communications), CDMA-2000 (Code Division Multiple Access), entre otros, responden a
la necesidad de “banda ancha” en la transmisión de datos en general, y al uso de
aplicaciones multimedia e internet a altas velocidades. A través de estas tecnologías, el
usuario debe estar en capacidad de transmitir y recibir información a velocidades como 384
kbps e incluso 2 Mbps (Sanchez Ortiz 2003).
Telefonía móvil terrestre
La telefonía móvil terrestre utiliza estaciones terrestres. Éstas se encargan de monitorizar la
posición de cada terminal encendido, pasar el control de una llamada en curso a otra
CAPITULO 1
13
estación, enviar una llamada a un terminal suyo, etc. Cada estación tiene un área de
cobertura, zona dentro de la cual la comunicación entre un terminal y ésta se puede hacer
en buenas condiciones. Las zonas de cobertura teóricamente son hexágonos regulares o
celdas. En la práctica, toman muy distintas formas, debido a la presencia de obstáculos y a
la orografía cambiante de la celda. Además se solapan unas con otras. Es por esto, que
cuando un móvil está cerca del límite entre dos celdas, puede pasar de una a otra, en
función de cuál de las dos le ofrezca más nivel de señal, y esto puede suceder incluso
durante el transcurso de una llamada sin que apenas se perciba nada (Castells 2006).
Los primeros sistemas de telefonía móvil terrestre o de primera generación: TACS, AMPS,
NMT, TMA, NAMT; eran analógicos. Los terminales eran bastante voluminosos, la
cobertura se limitaba a grandes ciudades y carreteras principales, y sólo transmitían voz. La
compatibilidad entre terminales y redes de diferentes países no estaba muy extendida. NMT
se utiliza en los países nórdicos, AMPS y TACS en EEUU, y NAMT en Japón (Castells
2006).
Cada estación trabaja con un rango de frecuencias, que delimita el número máximo de
llamadas simultáneas que puede soportar, puesto que a cada llamada se le asigna un par de
frecuencias diferente: una para cada sentido de la comunicación. Esto se denomina FDM, o
multiplexación por división en la frecuencia. Las celdas colindantes no pueden utilizar las
mismas frecuencias, para que no se produzcan interferencias. Pero las celdas que están algo
más alejadas sí que podrían reutilizar estas frecuencias. Y esto es lo que se hace. Se parte
de una determinada cantidad de frecuencias disponibles. Luego, teniendo en cuenta la
densidad estimada de llamadas por área, tanto el tamaño de la celda, como las frecuencias
por celda y la reutilización de frecuencias serán determinadas (Castells 2006).
Los sistemas de segunda generación, GSM, CDMA, TDMA, NADC, PDC, ya son
digitales. Incluyen la transmisión de datos, aunque a velocidades muy pequeñas e
introduce el envío de mensajes SMS. Tienen una compatibilidad entre las distintas redes
nacionales. GSM se implanta en Europa y en otros países del resto del mundo, TDMA y
CDMA en EEUU, mientras que PDC en Japón (Castells 2006).
CAPITULO 1
14
El estándar GSM describe una red digital de conmutación de circuitos, optimizada para
telefonía de voz full dúplex y además incluye transporte de datos. Cada frecuencia puede
transmitir varias conversaciones. Esto se consigue mediante la multiplexación por división
en el tiempo. El tiempo de transmisión se divide en pequeños intervalos. Cada intervalo
puede ser utilizado por una conversación distinta. Además, una misma conversación se
lleva a cabo en intervalos de distintas frecuencias, con lo que no se puede asociar una
llamada a una frecuencia. De este modo, si una frecuencia se ve afectada por una
interferencia, una conversación que utilice esta frecuencia, sólo observará problemas en los
intervalos pertenecientes a dicha frecuencia. Esto se denomina TDMA (Castells 2006).
En los sistemas CDMA, lo que se hace es que cada llamada utiliza un código que la
diferencie de las demás. Esto permite aumentar el número de llamadas simultáneas o la
velocidad de transmisión, lo que se hace necesario ante los crecientes requerimientos de la
telefonía móvil.
Como puente entre la segunda generación y la telefonía móvil de tercera generación está lo
que se ha denominado generación 2,5 (HSCSD, GPRS, EDGE). Algunos de estos sistemas
introducen la conmutación de paquetes en la telefonía móvil, es decir, la comunicación se
produce al "estilo" Internet. La información se divide en trozos o paquetes, que siguen
caminos diferentes hasta alcanzar el destino. GPRS alcanza los 115 Kbps, mientras que
EDGE los 384 Kbps (Castells 2006).
La tercera generación responde a un intento de estandarizar las comunicaciones móviles a
nivel mundial. Permite la transmisión de todo tipo de comunicaciones: voz, datos,
imágenes, vídeo, radio. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) es una de
las tecnologías usadas por los móviles de este tipo. Empleando una comunicación terrestre
basada en una interfaz WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) es capaz de
soportar tasas de transferencia teóricas máximas en sentido descendente (de la Red hacia el
usuario) de 2 Mbps, aunque la velocidad final depende de las características concretas de la
red, del operador que la controle, así como del número de usuarios simultáneos que
requieran acceso a datos (Castells 2006).
Telefonía móvil vía satélite
CAPITULO 1
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En este caso las estaciones están en los satélites. Estos suelen ser de órbita baja. Su
cobertura prácticamente cubre todo el planeta, esta es la principal ventaja que presentan
frente a la telefonía móvil terrestre. Las desventajas son de mucho peso: mayor volumen
del terminal a utilizar y precio de las llamadas y terminales. Estos sistemas requieren que la
antena del teléfono tenga un acceso claro a los cielos para garantizar el éxito de la
operación, la mayoría de las veces, los usuarios deben estar al aire libre.(Iridium 2011)
Los usuarios pueden realizar llamadas utilizando los códigos de país y de zona, más el
número al que desea conectarse. La llamada se transmite directamente a la red vía satélite y
finalmente se produce el enrutamiento a la red de proveedores terrestre ya sea fija o móvil,
para la terminación de llamadas.(Iridium 2011)
Dependiendo de la arquitectura de la red satelital pueden contar con coberturas globales
como Inmarsat, Iridium y Globalstar o coberturas regionales como Thuraya y Terrestar.
El sistema Iridium está compuesto por una constelación de satélites de órbita baja. Lo
comprenden tres componentes: la red satélite, la red terrestre y los productos abonados.
Utiliza tanto FDMA como TDMA (Iridium 2011). Los teléfonos de Globalstar se conectan
a las redes terrestres si la cobertura de éstas lo permite, y si no recurren a los satélites. De
este modo, buena parte de las llamadas tienen un coste asequible, mientras que las que se
realizan a través de los satélites se reducen a lo absolutamente imprescindible. Las llamadas
o datos son llevados sobre una señal satelital con Acceso Múltiple de División de Código
(CDMA) (Globalstar 2011).
Redes móviles privadas
También conocido como radiocomunicaciones en grupo cerrado de usuarios, es un servicio
de telefonía móvil que sólo se presta a un colectivo de personas, en una determinada zona
geográfica (una ciudad, un pueblo, etc.). El funcionamiento es prácticamente idéntico al de
las redes públicas, con pequeños matices. Hay dos modalidades del servicio. En la primera
cada grupo de usuarios, y sólo ellos, utiliza una determinada frecuencia. En la segunda el
sistema se encarga de asignar las frecuencias libres entre los diferentes grupos, por lo que
no hay una correspondencia grupo-frecuencia (Sanchez Ortiz 2003).
CAPITULO 1
16
Entre los primeros sistemas podemos destacar EDACS, controlado por un equipo fabricado
por Ericsson, muy utilizado por bomberos, equipos de salvamento, policías, ambulancias,
etc. Es un sistema muy seguro, capaz de establecer la comunicación en condiciones muy
adversas. Los segundos se denominan sistemas Trunking, y su funcionamiento es muy
parecido al de la telefonía móvil automática (TMA), uno de los primeros sistemas
analógicos de telefonía móvil pública. La mayor diferencia es que cuando no hay un canal
libre para establecer una comunicación, TMA descarta la llamada y el usuario debe
reintentarlo después, mientras que las redes Trunking gestionan estas llamadas,
estableciendo una cola de espera, asignando prioridades diferentes a cada llamada (Sanchez
Ortiz 2003).
Dos de los sistemas Trunking más populares son Taunet, que es analógico, y Tetra, que es
digital. Este último es el resultado de un estándar europeo, y su equivalente estadounidense
es el APCO25. Ofrecen otras posibilidades, aparte de la comunicación vocal, como envío
de mensajes cortos, transmisión de datos, conexión a redes telefónicas públicas (Sanchez
Ortiz 2003).
Radiomensajería
Este servicio, también denominado radiobúsqueda, buscapersonas o paging, permite la
localización y el envío de mensajes a un determinado usuario que disponga del terminal
adecuado, conocido popularmente como "busca" o "beeper". Se trata de una comunicación
unidireccional, desde el que quiere localizar al que ha de ser localizado. Al igual que en la
telefonía móvil, cada zona está cubierta por una estación terrestre, que da servicio a los
usuarios ubicados dentro de su zona de cobertura (Sanchez Ortiz 2003).
Los primeros sistemas tan sólo emitían un sonido o pitido, que indicaba que alguien estaba
intentando decirnos algo. Luego, si así lo decidía el portador del “busca”, establecía una
comunicación telefónica. Es muy útil para profesionales, que han de desplazarse y no
siempre están localizables, por ejemplo, médicos, técnicos de mantenimiento, etc. En una
segunda fase, aparecieron sistemas más perfeccionados, con envío de mensajes, aplicación
de códigos para mantener seguridad, llamadas a grupos, etc. (Sanchez Ortiz 2003).
CAPITULO 1
17
1.2 Dispositivos electrónicos para las comunicaciones de datos por radio.
En el mundo actual la variedad de aplicaciones que tiene la transmisión inalámbrica de
datos es muy grande. Muchas son las esferas de aplicación de esta tecnología, cada una de
ellas con sus características propias, por lo cual demandan diferentes requerimientos
específicos para satisfacer sus necesidades. Tanto es así, que son numerosos los
dispositivos usados para este tipo de comunicación, muchos de ellos basados en estándares
internacionales desarrollados por organizaciones de prestigio a nivel mundial, lo que
garantiza la compatibilidad entre los diversos fabricantes, y otros fabricados según
protocolos propietarios exclusivos de quienes los producen.
1.2.1 Protocolos más utilizados para la comunicación de datos.
Bluetooth
Bluetooth es una especificación que define redes de área personal inalámbricas (Wireless
Personal Area Network, WPAN). Fue desarrollada por Bluetooth SIG (Bluetooth Special
Interest Group) y en el estándar IEEE 802.15.1 se formalizan también sus niveles más
bajos, el nivel físico y el control de acceso al medio. Este tipo de redes tienen por cometido
la transferencia de información en distancias cortas entre un grupo privado de dispositivos
y con bajo consumo de potencia en la banda ICM de 2,4 GHz. Se definen tres tipos de
dispositivos con diferentes rangos de acción: la clase 1 con alcance de 100 metros, la clase
2 con 10 metros y la clase 3 con un metro. La especificación principal define el sistema
básico, pero hay multitud de opciones, definidas por los perfiles Bluetooth en
especificaciones complementarias (Morrow 2002).
El nivel físico emplea espectro disperso de salto de frecuencia (FHSS, Frequency Hopping
Spread Spectrum) en un conjunto amplio de portadoras, diseñado para evitar interferencias
y empobrecimiento (fading) de la señal. La complejidad del hardware se acota utilizando
modulación en frecuencia en su forma binaria, de forma que se alcanzan tasas de
transmisión de 1 Mbps. Utilizando técnicas de tasa de datos mejorada (enhanced data rate)
puede llegarse hasta los 2-3 Mbps. El canal se define a través de slots de tiempo que se
utilizan para enviar paquetes entre los dispositivos. Estos envíos se realizan mediante un
CAPITULO 1
18
duplex basado en división de tiempo (time-division duplex), equivalente a Full Duplex
(IEEE 2005).
Por encima de él se encuentra el nivel de banda base (BB, baseband), que controla las
operaciones sobre bits y paquetes, realiza detección y corrección de errores, broadcast
automático y cifrado como sus labores principales. También emite confirmaciones y
peticiones de repetición de las transmisiones recibidas (IEEE 2005).
Los enlaces pueden ser síncronos usando el mecanismo de slots de tiempo, lo que posibilita
transmisiones con tasa de envío constante, asíncrono, que no utiliza ninguna referencia de
tiempo, realiza repeticiones de transmisión hasta que recibe una confirmación, o isócrono
que es temporizado como los enlaces síncronos, pero también permite transmisiones con
tasa de envío variable. El transporte puede ser unicast cuando es punto a punto,
bidireccional y orientado a conexión o broadcast que es unidireccional, sin conexión y no
fiable (Morrow 2002).
Las red “ad hoc” formada por dispositivos que emplean esta tecnología es llamada
“piconet”, y se origina dinámicamente reconfigurándose según se requiera. Estas consisten
en hasta ocho nodos, compartiendo un mismo canal. Existe siempre una unidad que actuará
como maestro, encargándose de controlar el acceso al canal y el resto de las unidades
actuarán como esclavos. Una unidad maestro puede ser esclavo en otra “piconet”, sin
embargo no puede ser maestro en dos “piconet” diferentes (Morrow 2002).
Una “scatternet” está formada por múltiples “piconet”. Esta se forma cuando una unidad es
maestro y esclavo a la vez o es esclavo en dos “piconet” diferentes. Consecuentemente se
extiende la cobertura y se puede tener un mayor número de dispositivos. Se recomienda no
tener más de 4 “piconet” en la misma zona por problemas de interferencia entre ellas
(Morrow 2002).
ZigBee
El protocolo ZigBee fue concebido específicamente para su implementación en redes
inalámbricas de sensores y está basado en el estándar IEEE 802.15.4, que define las capas
básicas, física (PHY) y de control de acceso al medio (MAC). Este último especifica el
CAPITULO 1
19
protocolo y la interconexión de dispositivos vía radio en una red de área personal (PAN) de
bajas velocidades y ha sido diseñado para aplicaciones de bajo ciclo útil y bajas tasas de
transferencia, como redes de sensores, monitoreo y control. Además ofrece ventajas tales
como muy bajo consumo de energía, variedad y complejidad de topologías de red que
pueden ser implementadas como por ejemplo la formación ad-hoc y baja complejidad de
implementación y fácil integración (Sinem 2004).
ZigBee amplía al estándar IEEE 802.15.4 aportando una capa de red (NWK) que gestiona
las tareas de “enrutamiento” y de mantenimiento de los nodos de la red, y un entorno de
aplicación que proporciona una subcapa de aplicación (APS) que establece una interfaz
para la capa de red. Opera en tres bandas de frecuencia diferentes: 2.4 GHz, 915 MHz y
868 MHz, todas disponibles en la banda ISM libre de licencia, y soporta una velocidad
máxima de transmisión de 250 kbs (IEEE 2003).
En este estándar existen dos tipos de dispositivos: de función reducida (RFD, Reduced
Function Device) y de función completa (FFD, Full Function Device), diseñados para
propósitos distintos. El RFD está pensado para aplicaciones muy sencillas, como
interruptores de iluminación y sensores infrarrojos, solo puede comunicarse con FFDs por
lo que puede ser implementado usando un mínimo de recursos y memoria. El FFD puede
operar como coordinador o como dispositivo final. Puede comunicarse con otros FFD y
RFD. Para ello necesita más recursos, ha de implementar la pila completa y precisan un
consumo más exigente (IEEE 2003).
Los tipos de topologías soportados son estrella y punto a punto. El FFD además de
coordinador de la red, puede actuar como router, lo cual amplía las posibilidades y también
pueden ser en mallas y árboles. Hay además cuatro estructuras de trama: trama guía
(beacon), trama de comandos MAC, trama de acuse de recibo (ACK) y trama de datos. El
coordinador de una PAN puede opcionalmente delimitar su tiempo de canal haciendo uso
de una estructura de supertrama. La supertrama es delimitada por la transmisión de una
trama guía y puede tener una porción activa y otra inactiva. El coordinador interactúa con
su red solo durante la porción activa de la supertrama y por tanto, puede entrar en un modo
de trabajo de baja potencia durante la parte inactiva (Sinem 2004).
CAPITULO 1
20
La trama guía o trama de sincronización es transmitida en la primera ranura de cada
supertrama. Esta trama es usada para sincronizar a los dispositivos conectados, para
identificar la PAN y para describir la supertrama. La parte activa de la supertrama está
dividida en 16 ranuras de igual tamaño y consiste en dos grupos: el período de acceso
contenido (CAP) y un período opcional de libre acceso (CFP). En el CAP se utiliza un
mecanismo de acceso al medio denominado CSMA-CA con ranuras (Sinem 2004).
En el CFP el coordinador puede asignar ranuras de tiempo a dispositivos que necesitan
enviar datos críticos. Esto se conoce como Ranuras de Tiempo Garantizadas (GTS por sus
siglas en inglés). El coordinador y el dispositivo al que se le asigna este espacio en el canal
deben establecer el sentido de la comunicación en este tiempo: recepción o transmisión.
Otros dispositivos no están autorizados a utilizar el canal en este periodo de tiempo. La
información relacionada con los GTS está contenida dentro de las tramas guías que
transmite periódicamente el coordinador (Sinem 2004).
En este estándar como parte del protocolo de seguridad se utiliza la encriptación de los
datos con un código simétrico. De esta forma se protegen los datos de ser leídos por
dispositivos sin la llave criptográfica. Los datos pueden ser encriptados por una llave
compartida por un grupo de dispositivos o usando una llave para la comunicación punto a
punto. Se utiliza el estándar AES128 para encriptar y puede aplicársele a las cargas útiles
de la trama guía, de la trama de comando y de la trama de datos (Sinem 2004).
La integridad de la trama es otro de los servicios de seguridad que provee este estándar.
Utiliza un código de integridad de mensaje para proteger los datos de ser modificados sin
la clave (Sinem 2004).
En total se describen 8 niveles de seguridad. El encabezado de la trama aumenta en
dependencia del nivel de seguridad que se aplique reduciéndose por tanto el máximo
número de bytes posibles a transmitir (Sinem 2004).
WI-FI
CAPITULO 1
21
Wi-Fi es el nombre de la certificación otorgada por la Wi-Fi Alliance, grupo que garantiza
la compatibilidad entre dispositivos que utilizan el grupo de estándares 802.11, que definen
las características de una red de área local inalámbrica o WLAN (Wireless Area Network).
Esta norma fue diseñada para sustituir el equivalente a las capas físicas y MAC de la norma
802.3 para redes de área local o LAN (Local Area Network), también conocidas como
Ethernet, por lo que se diferencian únicamente en cómo se transmiten las tramas o paquetes
de datos por lo que todos sus servicios son completamente compatibles.
Los diferentes estándares de esta familia se diferencian en cuanto a sus características,
como son las frecuencias en que operan, la máxima velocidad de transferencia de datos,
codificación y modulación que emplean.
El 802.11a transmite en un rango de frecuencias que se ubican en los 5 GHz y utiliza 8
canales no superpuestos. Utiliza técnicas de multiplexación por división de frecuencia sobre
portadoras ortogonales (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Según el
rango de distancia, las razones de datos que se pueden obtener varían, así como los tipos de
modulación correspondientes (Tabla 1.1) (IEEE 1999).
Tabla 1.1: Correspondencia entre rango, tipo de modulación y razón de datos para 802.11a
Velocidad en Mbit/s Tipo de Modulación Rango en metros
54 54QAM 10
48 54QAM 17
36 16QAM 25
24 16QAM 30
12 DPSK 50
6 BPSK 70
El IEEE 802.11b opera desde los 2.4 GHz y emplea DSSS alcanzando velocidades de 1, 2,
5.5 y 11 Mbps, con modulación CCK (Complementary Code Keying) y DQPSK. La
capacidad de la red no es uniforme y depende del entorno, las distancias y el número de
usuarios conectados simultáneamente así como de las aplicaciones que se brinden y
soliciten. En la práctica, ese ancho de banda compartido y esa razón de datos son
CAPITULO 1
22
suficientes para la mayor parte de las aplicaciones, excepto para flujos de video. Partiendo
del elevado número de usuarios que hacen uso del servicio y que el ancho de banda es
compartido entre estos, es posible instalar otros puntos de accesos en un mismo local con el
objetivo de mejorar las prestaciones, aumentando el ancho de banda disponible. Haciendo
uso de la norma IEEE 802.11b, la carga puede ser equilibrada con tres puntos de accesos
instalados en el área, para un total de 33 Mbps como máximo y con mayor desempeño
(IEEE 1999).
IEEE 802.11g tiene disponibilidad de 54 Mbps de velocidad, dentro de la banda de los 2.4
GHz. Posibilita la interoperatividad con la norma IEEE 802.11b, limitándose a los 3 canales
sin solapamiento con igual ancho de banda. Utiliza la técnica DSSS para las velocidades
menores. Para lograr los 54 Mbps se usa la técnica OFDM (IEEE 2003).
Como mecanismos de seguridad incluidos en las diferentes variantes de la norma IEEE
802.11 se encuentran WEP (Wired Equivalent Privacy, privacidad equivalente al cable),
WPA (Wi-Fi Protected Access) y WPA2 (IEEE 2004).
El algoritmo WEP cifra de la siguiente manera:
La mayoría de las instalaciones usan una clave de cifrado estática lo cual se configura en el
punto de acceso y nunca se cambia. Esto se debe a que en caso de cambio de clave de
cifrado de la red, todos los usuarios tienen que enterarse de este cambio o no podrán
acceder al servicio (Cisco 2011).
WEP está basado en el algoritmo de cifrado RC4 que utiliza claves de 64 bits (40 bits más
24 bits del vector de iniciación IV) o de 128 bits (104 bits más 24 bits del IV). El RC4
funciona expandiendo una semilla ("seed" en inglés) para generar una secuencia de
números pseudoaleatorios de mayor tamaño. Esta secuencia de números se unifica con el
mensaje mediante una operación XOR para obtener un mensaje cifrado. Se especifica un
vector de iniciación (IV) de 24 bits que se modifica regularmente y se concatena a la
contraseña (a través de esta concatenación se genera la semilla que sirve de entrada al
algoritmo (Cisco 2011).
CAPITULO 1
23
La clave de cifrado que se usa es estática y se configura en el punto de. En caso de cambio
de clave de cifrado de la red, todos los usuarios tienen que enterarse de este cambio o no
podrán acceder al servicio, además no ofrece ningún servicio de autenticación. El IV que se
utiliza es de longitud insuficiente (24 bits) (Cisco 2011).
Buscando subsanar los problemas de WEP, aparece WPA, mejorando el cifrado de los
datos y ofreciendo un mecanismo de autenticación. Para solucionar el problema de cifrado
de los datos, propone un nuevo protocolo, conocido como TKIP (Temporary Key Integrity
Protocol). Este protocolo se encarga de cambiar la clave compartida entre puntos de acceso
y cliente cada cierto tiempo, para evitar ataques que permitan revelar la clave. Igualmente
se mejoraron los algoritmos de cifrado de trama y de generación de los IVs (Cisco 2011).
El mecanismo de autenticación usado en WPA emplea 802.1x y EAP. El protocolo de
control de acceso y autenticación 802.1x está basado en la arquitectura cliente /servidor,
que restringe la conexión de equipos no autorizados a una red. Fue diseñado para emplear
servidores RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service). La autenticación se
lleva a cabo mediante el protocolo EAP (Extensible Authentication Protocol). El servidor
suministra las claves compartidas que se usarán para cifrar los datos. Los clientes solo
requieren un nombre de usuario y contraseña para acceder a la red (Cisco 2011).
Además existe otra variante llamada PSK (Pre-Shared Key). Se opera en esta modalidad
cuando no se dispone de un servidor RADIUS en la red. Se requiere entonces introducir
una contraseña compartida en el punto de acceso y en los dispositivos móviles. Esta clave
puede ser de hasta 63 caracteres (504 bits). Cuando se logra el acceso, TKIP entra en
funcionamiento para garantizar la seguridad del acceso. WPA-PSK proporciona privacidad
a los usuarios de la WLAN, puesto que se genera un canal cifrado independiente para cada
uno de ellos. La llave de acceso (PSK) se proporciona a los usuarios antes de conectarse a
la red. Este método es fácil de instalar, y proporciona confidencialidad (Cisco 2011).
HiperLAN
El Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeo (ETSI) fue el encargado de
desarrollar High Performance Radio LAN (HIPERLAN) que es un estándar global para
anchos de banda inalámbricos en redes de área local. Como resultado del
CAPITULO 1
24
perfeccionamiento de este proyecto, existen varias versiones, como son HiperLAN,
HiperLAN 2, cada uno con sus características particulares.
HiperLAN opera en la banda de frecuencia de 5 GHz. Proporciona una velocidad típica de
24 Mbps, con una tasa de datos aproximada de 20 Mbps. Como características presenta una
baja movilidad (1.4 m/s), cubre un rango de 50 metros y soporta tráfico asíncrono y
síncrono (Johnsson 1999).
Cubre las capas física y MAC. Hay una nueva subcapa llamada Channel Access and
Control Sublayer (CAC). Esta subcapa maneja las peticiones de acceso a los canales. La
aceptación de la petición depende del uso del canal y de la prioridad de la petición. La capa
CAC proporciona independencia jerárquica con un mecanismo de Elimination-Yield Non-
Preemptive Multiple Access (EY-NPMA). EY-NPMA codifica las prioridades y demás
funciones en un pulso de radio de longitud variable que precede a los datos. Gracias a esto
permite trabajar a la red con pocas colisiones aunque haya un gran número de usuarios. La
capa MAC define protocolos para enrutamiento, seguridad y ahorro de energía y
proporciona una transferencia de datos natural a las capas superiores. En la capa física se
usan modulaciones FSK y GMSK (Johnsson 1999).
HiperLAN2 opera en la banda de los 5 GHz y ofrece velocidades hasta 54 Mbps. Es una
solución flexible, diseñada para redes TCP/IP, backbone UMTS y ATM de corto alcance,
además de su empleo en redes privadas WLAN. Incluye especificaciones de parámetros de
calidad de servicios o QoS1. Utiliza multiplexación por división de frecuencia sobre
portadoras ortogonales (OFDM) (Johnsson 1999).
1.3 Componentes fundamentales de los sistemas de comunicación/transmisión de
datos.
Un sistema de comunicación de datos tiene como objetivo el transmitir información desde
una fuente a un destinatario a través de una canal. Como componentes fundamentales de
estos sistemas se tienen(Carne ; Castro Lechtaler and Fusario ; Couchill):
1 Quality of Service
CAPITULO 1
25
Fuente de la señal, esta puede ser un micrófono, un dispositivo de medida
de un dispositivo de monitorización, un teclado de ordenador, entre otros. La
salida es una forma de onda normalmente eléctrica.
Codificador de fuente, este componente opera sobre una o más señales para
producir una salida compatible con el canal de comunicación. Puede ser desde un
filtro paso bajo en un sistema de transmisión analógico o algo más complejo como
un convertidor que acepta señales analógicas y produce un tren periódico de
símbolos de salida (0 ó 1 ó más). Puede contener un multiplexor cuando se trata de
comunicar señales de más de una fuente.
Mecanismos de encriptación, sirven para que la señal sólo pueda ser entendida
por el receptor. En los sistemas analógicos la seguridad la proporcionan los
sistemas SCRAMBLING como en la televisión privada o telefonía privada (Canal+).
Codificador del canal, este componente brinda una seguridad diferente.
Aumenta la eficiencia y/o decrementa los efectos de los errores de transmisión.
Para disminuir los errores en los sistemas analógicos se puede distorsionar la señal
para hacerla menos sensible a los ruidos (sistemas Dolby). En los sistemas digitales
se usa la corrección hacia delante (permite que se realice la corrección sin que el
receptor tenga que pedir información adicional).
Salida, puede ser una señal analógica o digital.
Modulador, genera una onda analógica que se transmite.
Spread-spectrum, produce inmunidad a ciertos efectos de frecuencia selectiva
tales como las interferencias y la atenuación. La señal se expande sobre un
amplio rango de frecuencias de tal forma que las interferencias de tono único
afectan sólo a una pequeña parte de la señal. Entre las ventajas cabe enumerar la
compartición del canal e inmunidad a las escuchas (se puede llegar a confundir con
ruido de un sistema de banda ancha).
Receptor, aparece el sincronizador de símbolos que sólo es necesario en los
sistemas digitales. Se trata de obtener la señal digital a partir de la analógica
CAPITULO 1
26
1.4 Factores que afectan el diseño de un sistema de comunicación de datos.
El diseño de un sistema de comunicación de datos se puede ver afectado por diversos
factores como las limitaciones tecnológicas, dentro de las cuales se puede hacer referencia a
disponibilidad de software o hardware. Existen situaciones en las que se conoce un diseño
óptimo para un determinado sistema, pero que ese diseño no se puede llevar a la práctica
porque todavía no se ha desarrollado la tecnología o no es lo suficientemente rápida
para implementarlo. El compromiso entre coste y consumo siempre es también un factor a
tener en cuenta por los ingenieros (Carne ; Castro Lechtaler and Fusario ; Couchill).
El tamaño de los componentes electrónicos es otra limitación tecnológica a tener en
consideración como posible aspecto que dificulte el diseño de sistema de comunicación, ya
que este es muy pequeño, pero también lo es el sitio donde deben ser colocados y cuanto
más complejo es un circuito más aumenta su tamaño (Carne ; Castro Lechtaler and Fusario
; Couchill).
Otros factores a tomar en cuenta es lo referente a estándares y regulaciones
gubernamentales; en comunicaciones es imprescindible la existencia de estándares que
definan el funcionamiento de los equipos para permitir una correcta interoperación entre
equipos procedentes de fabricantes diferentes. Además de las normas dictadas por los
organismos de los diferentes países hay que tener en cuenta otro tipo de normas que son
redactadas por los gobiernos. Asimismo las realidades comerciales afectan el diseño de
sistemas de comunicación de datos ya que a pesar de los esfuerzos de los ingenieros por el
desarrollo de dispositivos cada vez más sofisticados y eficientes, la realidad dicta que el
producto final es adquirido por sus características menos relevantes (Carne ; Castro
Lechtaler and Fusario ; Couchill).
1.5 Transmisiones de datos por radio en Cuba.
Cuba como país emergente, no cuenta con una infraestructura de comunicaciones sólida
con un alto nivel de desarrollo, por lo que se ve limitada en este sentido al iniciar un
proyecto o poner en práctica algún nuevo sistema. Recurrir a tecnología inalámbrica, que
CAPITULO 1
27
por sus características puede ser implementada con mayor rapidez, constituye una buena
alternativa ante esta dificultad.
1.5.1 Importancia para la Empresa Eléctrica.
La Organización Básica Eléctrica de la provincia de Villa Clara, desde hace años planea
llevar a la práctica un sistema de supervisión de redes eléctricas que supone también parte
de control, equiparándose con las más exitosas tecnologías de este tipo en el mundo. La
misma está formada por su Dirección Provincial ubicada en la cabecera provincial, en la
cual radica el Despacho de Carga Eléctrica, y por sucursales ubicadas en el resto de los
municipios. Actualmente la red eléctrica de la provincia tiene instalados un total de 135
desconectivos NULEC, distribuidos por las diferentes subestaciones. Este dispositivo
digital, tiene como función básica la conexión y desconexión de determinada parte del
circuito. Adicionalmente brinda una serie de funcionalidades que permiten la obtención de
mediciones y la configuración del equipo para que actúe automáticamente según
determinados parámetros. Mediante un módulo de comunicaciones que tiene integrado, es
posible hacer uso de ellas o simplemente operarlo de forma remota.
Para lograr el funcionamiento del sistema, es necesario establecer el intercambio de
información entre los diferentes dispositivos y el centro de comando ubicado en la cabecera
provincial. Esto se puede lograr a través de diferentes medios, pero en este caso resulta más
factible utilizar el enlace por radio, porque brinda mayor facilidad y rapidez en su
instalación, teniendo en cuenta que no existe un amplio desarrollo de la red de datos de
ETECSA que permita llegar directamente a cada uno de los equipos, los cuales además
están ubicados en muchas ocasiones en lugares de difícil acceso. Por otra parte la empresa
ya cuenta con una disponibilidad garantizada de Radios Hytera TM-800 mediante un
acuerdo comercial con su distribuidor chino, los cuales se usan para la comunicación por
voz y que gracias a una actualización de su firmware permiten la transmisión digital de
datos. Esta alternativa ofrece ventajas económicas y además independencia y flexibilidad a
su sistema de comunicación al ser manejado y administrado internamente.
Los equipos NULEC tienen un panel de control con una pantalla LCD de cuatro líneas de
forma que el operador puede visualizar los valores de las diversas lecturas, el estado de los
CAPITULO 1
28
componentes, o variar alguno de los parámetros de configuración y realizar acciones de
apertura y cierre. La variante anterior implica la presencia física de una persona en cada
lugar de emplazamiento. Haciendo uso del sistema de comunicación, desde un mismo
punto se pueden realizar las operaciones antes mencionadas para cualquiera de las
ubicaciones y en el momento que se desee (Figura 1.1a y b).
Figura 1.1a: Información de telecontrol, telemediciones y datos del interruptor.
CAPITULO 1
29
Figura 1.1b: Información general de todos los interruptores.
Una ventaja importante que ofrece la posibilidad de supervisar los NULEC remotamente
es, que permite mediante el muestreo periódico, obtener gráficas de demanda en función
del tiempo (Figura 1.2), que constituyen un elemento muy útil para los ingenieros
eléctricos, que dirigen sus estudios a lograr que estas curvas se acerquen a la característica
deseada. El anterior constituye un tema muy importante dentro de la generación y
distribución de energía eléctrica, y los logros obtenidos en este sentido tienen como
resultado el aumento de la eficiencia y por consiguiente el ahorro de combustible, algo de
mucha importancia en la actualidad.
CAPITULO 1
30
Figura 1.2: Gráfica de demanda de potencia en función de la hora del día.
Por otra parte, también se pueden usar las gráficas de corriente de las diferentes fases
(Figura 1.3a y b). A través de su análisis se realiza el ajuste o balance de cargas de manera
que estén repartidas en la misma proporción en cada una de las fases para lograr que las
lecturas sean lo más parecidas posible. Cuando esto se logra las pérdidas en las líneas de
transmisión son menores.
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Figura 1.3a: Gráfica de corrientes de fase balanceadas.
Figura 1.3b: Gráfica de corrientes de fase desbalanceadas (corriente ic muy alejada de las
otras dos).
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32
De forma remota también es posible ajustar funciones, por ejemplo la hora del reloj interno
del NULEC. Si esa acción es realizada tomando como referencia un mismo valor, en este
caso la hora de la PC, entonces es posible sincronizar los dispositivos con una misma
configuración; así los datos analizados tienen una misma base de tiempo.
1.6 Herramientas utilizadas en el trabajo.
Para el desarrollo del presente trabajo se analizó la herramienta TELENUL con la que
actualmente cuenta la OBE.
Este software de supervisión y telecontrol de redes de distribución, está diseñado
especialmente para recerradores y seccionalizadores NULEC y permite trabajar con toda la
información procesada por el gabinete de control. Entre las principales prestaciones que
brinda TELENUL está la solicitud de información y recepción de respuestas de múltiples
tipos de datos en un solo mensaje y la obtención de informaciones procesadas por el
gabinete de control.
TELENUL es un producto completamente configurable, cuenta con varias opciones muy
fáciles de actualizar y que permiten personalizar el SCADA con un mínimo de esfuerzo,
según las características del lugar donde se instale. Está provisto de un potente sistema de
reportes que se alimenta de los valores históricos almacenados en archivo. Los reportes
pueden ser visualizados e impresos, y contienen información muy valiosa sobre el
comportamiento del sistema eléctrico. El reporte de «Eventos analógicos» recoge todos los
cambios significativos de las variables analógicas medidas (parámetros eléctricos y otros
valores analógicos de operación). A través de este reporte se puede conocer el
comportamiento real en el tiempo de todas las variables analógicas, con el verdadero rango
de variación. El patrón de cambio significativo lo determina el valor de banda muerta, que
se le configura a cada variable en el gabinete de control. El reporte de «Eventos binarios»
recoge todos los cambios de estado de las variables binarias controladas. A través de este
reporte se pueden conocer todas las averías o situaciones anormales que han ocurrido, con
el detalle del tiempo real de las mismas. El reporte de «Operación» recoge todas las
acciones de telecontrol realizadas (abrir o cerrar un interruptor, modificar condiciones de
trabajo, modificar el tipo de protección, etc.). A través de este reporte se pueden conocer las
CAPITULO 1
33
acciones realizadas en el transcurso de la operación del sistema eléctrico, quedando
registrado en el mismo el responsable de cada una. El reporte de «Telemediciones» recoge
los valores periódicos de los parámetros eléctricos medidos (corrientes, voltajes y
potencias), por medio del cual se puede conocer el valor de los parámetros eléctricos en
diferentes instantes de tiempo; la periodicidad con que se almacenan estos valores es
configurable y depende del período de muestreo seleccionado. El reporte de «Consumo en
kWh» recoge la energía eléctrica consumida por hora y diaria, y permite conocer el
comportamiento del consumo eléctrico de forma detallada, en el rango de tiempo que se
desee. El reporte de «Comunicación» recoge los errores que ocurran en la transmisión de
datos, y se puede conocer el comportamiento de las comunicaciones.
Todos los reportes se solicitan por rango de tiempo, lo cual permite precisar con detalles la
información que se desea consultar; también se pueden filtrar los datos mostrados por
diferentes conceptos. TELENUL permite también visualizar e imprimir la información de
los parámetros eléctricos a través de gráficos, que pueden mostrar valores históricos
almacenados en archivos, o información de tiempo real.
1.7 Consideraciones parciales del capítulo.
En el presente capítulo se profundizó en el estudio de los medios de comunicaciones
inalámbricos, haciendo énfasis en sus campos de aplicación.
La tecnología inalámbrica es aplicable no solo a empresas de electrónica o industriales,
debido su amplia gama es aplicable a todo tipo de empresas sin tener en cuenta su perfil, sin
embargo se debe contar con una inversión considerable para su implementación.
Dada la gran variedad de usos que se le pueden dar y que son muchas las aplicaciones que
tiene, cada una de las cuales presenta características propias y requerimientos específicos,
existen también un gran número de estándares que especifican su funcionamiento.
Para la Empresa Eléctrica el uso de la comunicación inalámbrica es de vital importancia a
partir de la supervisión y control que desean llevar a cabo.
CAPITULO 2
34
CAPÍTULO 2
CAPITULO 2
35
CAPÍTULO 2: IDENTIFICACIÓN DE LAS CAUSAS DE FALLO Y
PROPUESTAS DE SOLUCIÓN
2.1 Introducción al Capítulo
En el presente capítulo se hace una identificación en base a la práctica de las deficiencias
que afronta la OBE en la comunicación de los datos desde los desconectivos NULEC. Las
observaciones de los fallos fueron obtenidas por el uso del sistema TELENUL y las
opiniones de los operadores del despacho donde se encuentra el sistema. Además, en base
al diagnóstico se proponen de forma teórica posibles soluciones al respecto. Se aclara
además que no se pudieron hacer pruebas reales en el laboratorio para hacer una real y
eficaz identificación de los fallos por la ausencia de cables de comunicación serie. También
se aborda en el capítulo una propuesta para el uso eficiente de los radiocomunicadores TM-
800.
2.2 Esquema de comunicación utilizado para supervisar los NULEC.
El sistema de comunicación, puede tener diferentes variantes según la distancia a que están
ubicados los dispositivos del Despacho de Carga Eléctrica. De forma general, para
cualquiera de las alternativas, un ordenador tiene instalada una versión servidor del
software y es quien recibe directamente los datos. El resto de las computadoras desde las
cuales se quiere hacer uso de la aplicación, tienen una versión cliente que accede a la
información a través del servidor mediante la red LAN2 de la entidad.
El caso más sencillo es cuando los dispositivos están separados del centro de control por
una distancia menor que el área de cobertura de los radios TM-800 (Figura 2.1). Cuando es
así la PC servidor se conecta al mismo mediante una interfaz RS232, se crea el enlace
inalámbrico entre los radios y se establece la comunicación directa con el NULEC también
a través de una interfaz RS232.
2 Local Área Network
CAPITULO 2
36
PC Servidor
PC Clientes
NULEC
(o Metrocontador)
Radio
Red Ethernet
Radio
RS232 RS232
Figura 2.1: Comunicación con dispositivos alejados a distancias menores que el alcance de
los radios.
En las situaciones en que ocurre lo contrario de lo mencionado anteriormente se utiliza otra
variante (figura 2.2). La PC servidor hace uso del enlace Frame Relay proporcionado por
ETECSA que une la LAN de la Dirección Provincial con las de las sucursales ubicadas en
los municipios. A esta última pertenece un conversor o adaptador de interfaz Ethernet a
norma RS-232, al cual se conecta un TM-800, el cual se enlaza con los que están a su
alcance asociados a los NULEC.
Red Frame Relay
PC Servidor
PC Clientes
NULEC
(o Metrocontador)
Radio
Red Ethernet
Red Ethernet
Conversor
Eternet – RS232
Radio
RS232
RS232
Figura 2.2: Comunicación con dispositivos alejados a distancias mayores que el alcance de
los radios.
CAPITULO 2
37
2.3 Características de los radios TM-800 utilizados en la comunicación.
Para la comunicación entre los dispositivos de las redes eléctricas, la UNE utiliza los radio
HYT TM-800. Estos equipos fueron suministrados por Hytera Communications Co. Ltd.,
que actualmente es el mayor proveedor de soluciones y equipos de radio profesional de
China, y se ha convertido en el tercer mayor proveedor de radios analógicos en todo el
mundo (según informe IMS, 2009). Esta empresa desarrolla, fabrica y comercializa equipos
de radio móvil de uso profesional (PMR, Professional Mobile Radio) en una amplia gama
que va desde sistemas analógicos a digitales, de sistemas convencionales a enlazados, y
desde equipos portátiles a sistemas de terminales móviles. Además ha contribuido
decisivamente a la definición de importantes normas nacionales como la norma de
enlazamiento digital de la policía china (PDT).
Las especificaciones de estos equipos profesionales están avaladas por pruebas realizadas
según estándares reconocidos internacionalmente como EIA/TIA-603 y los militares MIL-
STD-810C/D/E/F. Algunas de las más notables son una estabilidad de frecuencia de ±2
ppm3 y un rango de operación de temperatura entre -30°C y 60°C. Los niveles de potencia
de RF de salida que pueden desarrollar están agrupados en dos clasificaciones: en baja es
de 25 Watt y en alta de 50 Watt. A través de un interruptor de energía inteligente, en caso
de hacer transmisiones muy largas a toda potencia, se activará automáticamente el modo de
baja potencia de salida para evitar que la unidad se sobrecaliente.
Originalmente estos radios están diseñados para su uso en la transmisión de voz. Como
características adicionales, poseen varios modos de operación que permiten funcionalidades
como la configuración de los parámetros de operación, prueba y ajuste, recepción de
comandos desde la PC, transferencia de configuración de un equipo a otro o clonación (por
cable o de forma inalámbrica), etc. En el intercambio de información con las computadoras
usan un puerto externo al cual se le conecta un cable suministrado, terminado en su otro
extremo en un conector DB-9, que no es más que un adaptador de la interfaz de
comunicación TTL interna a la norma RS232. Para el modo de clonación inalámbrica
tienen incorporado un modem interno MSK con velocidades 1200/2400 bps. Aprovechando
3 partes por millón: designación para indicar cuánto varía una cantidad con respecto a un millón
CAPITULO 2
38
los elementos mencionados anteriormente, una nueva versión de firmware fue desarrollada
por el fabricante para posibilitar que el modo de comunicación entre los dispositivos sea en
el de transmisión digital de datos.
Los TM 800 ya modificados están preparados para operar a una velocidad de 9600 baudios,
8 bit de datos, 1 bit de parada, sin control de flujo con la interfaz RS-232; mientras que
aseguran la transmisión de datos inalámbrica a 1200 baudios. Además pueden ser
configurados usando el software de programación implementado con este fin.
2.4 Identificación teórica de las causas de los fallos en las comunicaciones.
Como se explicó en las secciones anteriores, los medios utilizados para la transmisión de
los datos desde los NULEC, hasta el sistema SCADA, son los radiocomunicadores TM-
800. Se hace necesario destacar que estos dispositivos son diseñados por el fabricante para
transmisión de voz, siendo utilizados generalmente con este fin en flotas de taxis y otros
usos. Para lograr la transmisión de los datos se le hizo una actualización del firmware del
equipo, pero al parecer no se logró totalmente lo deseado pues las características
funcionales del dispositivo están diseñadas con otra función.
Lo explicado anteriormente debe tenerse en cuenta en el momento de analizar los fallos y
sus causas en la transmisión de los datos.
La pérdida de datos se manifiesta en que al cumplirse el período de la medición, los datos
de las variables eléctricas llegan incompletos, los cuales son traducidos como valores nulos
por el sistema TELENUL. En ocasiones se reciben datos consistentes y con sentido
práctico, pero en la siguiente medición los que se muestra no tiene ningún sentido,
evidenciando que alguna trama con valores importantes se ha perdido. Se destaca que las
situaciones antes descritas no ocurren siempre, sino de forma aleatoria.
Haciendo una evaluación teórica de las situaciones antes descritas, las pérdidas de datos
pueden tener causa en varios factores:
Características técnico-funcionales inadecuadas de los radiocomunicadores TM-800.
Falta de un protocolo de red más eficiente.
CAPITULO 2
39
Interferencia en el medio de comunicación.
A continuación se detallan los puntos anteriores.
Los radiocomunicadores TM-800 son diseñados para transmitir voz, por tanto la adaptación
de su firmware para transmitir datos, los cuales tienen otra naturaleza, puede traer
problemas en este sentido. El radio se acopla con la computadora o el dispositivo de
medición a través de un puerto serie con un conector DB-15 pero el estándar de
comunicación no es el clásico RS-232, por lo tanto el cable de comunicación trae su propio
adaptador a la norma RS-232, esto no supone problema alguno pero el firmware fija la
velocidad de transmisión por este puerto serie en 9600 baudios, sin permitir hacer variación
alguna. Esto entra en contradicción con la velocidad de transmisión por aire del radio, que
es de 1200 baudios. Esta diferencia se subsana con un buffer interno que posee el radio,
pero no se especifica en ningún manual técnico de qué capacidad es este buffer, lo cual
puede generar pérdida de datos si no es del tamaño adecuado por la diferencia de
velocidades de transmisión.
Al hacerle la actualización del firmware del radio, sus creadores no implementaron un
adecuado protocolo de acceso al medio, con lo cual se detecta la presencia de errores o
inconsistencia de los datos, por lo tanto, en un medio tan inseguro como es el espacio
radioeléctrico, sin estos mecanismos de control se está a expensas de sufrir la perdida de
información importante en el proceso de transmisión-recepción.
La causa de la interferencia está muy relacionada con el punto anterior. El medio
electromagnético es muy inseguro y está constantemente surcado por ondas de diferentes
fuentes que pueden interferir con las propias. Para esto se necesita de un efectivo protocolo
de red.
2.5 Limitación de las pruebas físicas.
La cantidad limitada de cables especiales de comunicación para hacer pruebas efectivas,
limitó solamente el análisis de las causas de los fallos de comunicación al plano puramente
teórico, con lo cual se deja para futuros trabajos continuar la senda abierta en el presente.
CAPITULO 2
40
Por el momento solo se puede conjeturar en base al conocimiento adquirido y en función de
ello plantear soluciones que serán abordadas en la próxima sección.
2.6 Propuestas de solución.
Ya que la realización de pruebas físicas no se pudo llevar a cabo por las limitaciones en la
obtención de los cables de comunicación por el puerto entre la máquina y el radio, las
posibles soluciones han sido evaluadas teniendo en cuenta las posibles causas analizadas
teóricamente en la sección anterior. A continuación se van mencionando las posibles causas
de pérdidas de datos y sus posibles soluciones.
Características técnico-funcionales inadecuadas de los radiocomunicadores TM-800.
Las características técnico funcionales de los radiocomunicadores TM-800 fueron descritas
anteriormente, ellas describen que estos dispositivos son diseñados para la
intercomunicación de voz en cualquier servicio que lo pueda necesitar, y aunque tienen
ciertas posibilidades para la comunicación de datos, esta no es su función nativa. Según los
especialistas de la OBE, estos radios tienen un buffer de datos que es muy pequeño para
contrarrestar la diferencia de velocidades de transmisión entre el puerto serie y la señal por
aire, que como se mencionó anteriormente son de 9600 baudios por el puerto serie y 1200
baudios por aire. El tamaño del buffer no permite almacenar todos los datos que se reciben
desde la PC o el NULEC lo cual genera que hallan pérdidas cuando los datos a transmitir
son grandes, dígase de 10 bytes o mayores.
Para solucionar esta deficiencia se han ideado varias soluciones pero en este trabajo se
describe la más viable para el contexto en que se aplica esta tecnología. Ya que algunas
tramas de datos son demasiado grandes en relación al buffer, se puede crear un dispositivo
de control de flujo a base de un PIC. Este dispositivo estaría formado básicamente por el
PIC y un circuito integrado MAX232 como se muestra en las figuras 2.3a y b, el cual posee
dos salidas de comunicación serie. Las funciones del dispositivo dependen del sentido de
los datos, si estos van desde la PC o el NULEC al radio, el dispositivo diseñado tomaría las
tramas y las dividiría en dos, en tamaños menores de 10 bytes, transmitiéndolas al radio,
separadas, de forma que quepan en el buffer del mismo y se transmitan completamente. En
CAPITULO 2
41
caso que los datos vengan del radio hacia la PC o el NULEC el dispositivo debe recibir las
tramas y unirlas para formar la trama original que fue transmitida, llegando ya unida hasta
el destino final.
MAX
232
PIC
RS232 RS232
PC
RADIO
Figura 2.3a: Dispositivo de control de flujo.
MAX
232
PIC
RS232 RS232
NULEC
RADIO
Figura 2.3b: Dispositivo de control de flujo.
Falta de un protocolo de red más eficiente. Interferencia en el medio de comunicación.
Para estas dos deficiencias se plantea una solución integral, la cual es crear un protocolo de
red más eficiente para la comunicación con los radios TM-800. Como se ha mencionado en
secciones anteriores, el medio electromagnético es el menos fiable de todos los utilizados
en la actualidad para la transmisión de datos, debido a varios factores entre los que se
pueden mencionar las interferencias generadas por fuentes diversas, influencia de las
condiciones meteorológicas, entre otras (ver la tabla 2.1). Por tanto todos los equipos que
CAPITULO 2
42
utilizan el espectro electromagnético para la comunicación de datos, poseen eficientes
protocolos de red, los cuales ante errores detectados vuelven a generar la comunicación o
antes si es posible, mediante un análisis estadístico determinan el completamiento de la
información incompleta.
En el caso que ocupa, sería necesario crear este tipo de solución pues no se tienen en cuenta
los factores antes descritos que pueden dar al traste con una comunicación eficiente. Este
protocolo podría ser implementado en el dispositivo de control de flujo explicado en la
solución anterior.
Tabla 2.1: Factores que afectan la comunicación de datos por ondas de radio.
FACTORES
Atenuación Es la pérdida progresiva de la potencia de la señal conforme a la distancia, el
tiempo, la frecuencia y la temperatura.
Distorsión Sucede cuando el sistema no responde correctamente ante la señal y por ello
ésta sufre alteraciones. Deformación de la señal a causa de elementos del
sistema de comunicación.
Tipos de
distorsión
Por Atenuación La impedancia compleja de un circuito depende de la
señal.
Por Retardo De
Grupo
La velocidad de propagación de una señal depende de su
frecuencia.
Por Eventos
Meteorológicos
Es cuando ocurren eventos meteorológicos como lluvia,
nieve, etc., los cuales distorsionan o anulan la
transmisión de la señal.
Ruido Son señales eléctricas que muestran un comportamiento aleatorio e
impredecible y pueden originarse dentro y fuera del sistema de
comunicación. Afecta generalmente a la señal portadora de la información,
ocultándola o eliminándola total o parcialmente.
Tipos de
Ruido
Endógeno
Este ruido es producido dentro del propio sistema de
comunicación.
CAPITULO 2
43
Exógeno
Contrario al ruido endógeno, este ruido es producido
fuera del sistema de comunicación.
Blanco o
gaussiano
Este tipo de ruido se caracteriza porque su energía o
densidad es constante sobre todas las frecuencias de la
señal. Es común percibirlo cuando en la frecuencia FM
no hay señal.
Impulsivo
Este ruido no es constante sólo aparece en intervalos
irregulares de tiempo, con picos de corta duración y gran
amplitud.
Térmico
Se genera por el calor que surge por la fricción cuando
los electrones pasan por el canal.
De
intermodulación
Este ocurre cuando distintas señales comparten el mismo
medio de transmisión o canal (multiplexación).
Por efectos de
tierra
Es parecido al ruido por efectos meteorológicos sólo que
este es más constante porque la tierra y el espacio todo el
tiempo están radiando energía, por ejemplo en los
basureros o plantas nucleares.
2.7 Situación de los dispositivos en red.
Otra de las dificultades presentes en la comunicación remota de los desconectivos que
opera la OBE de Villa Clara se manifiesta de la siguiente manera: en varios lugares existe
más de un desconectivo NULEC instalado, los cuales operan circuitos diferentes, por
ejemplo en la subestación eléctrica de 110 kV Santa Clara Industrial, para cada NULEC
existe en este momento un radiocomunicador TM-800, lo cual ha generado un gasto
adicional en el equipamiento del propio radio así como las antenas y fuentes necesarias.
¿Por qué se dice que el gasto es adicional?, la respuesta está en que de implementarse un
bus RS-485 para intercomunicar todos los NULEC solo sería necesario un único
radiocomunicador, ya que todos los desconectivos tendrían su identificador en el bus y
solamente haciendo referencia al indicado se puede telecomandar. En las figuras 2.5 y 2.6
CAPITULO 2
44
se puede ver con detalle lo explicado anteriormente, por una parte el esquema actual y por
otra la solución.
Figura 2.5: Esquema actual de comunicación de varios NULEC vecinos.
Bus RS485
Figura 2.6: Esquema propuesto.
CAPITULO 2
45
2.8 Consideraciones finales del capítulo.
Como resultado del análisis realizado en este capítulo se concluye que la pérdida de datos
que ocurre en la comunicación entre los radios TM-800 puede estar condicionada
primeramente por la presencia de inadecuadas características técnico-funcionales de estos.
Para lo cual se establece el uso de un dispositivo intermedio que realice la tarea de controlar
el flujo de datos. Además de la ausencia de un mecanismo que viabilice el acceso al medio
de comunicación y contrarreste la interferencia en el mismo. Ambas deficiencias pueden
ser solucionadas a partir de la implementación de un protocolo de red más eficiente para la
comunicación con los radios TM-800.
CAPITULO 3
46
CAPÍTULO 3
CAPITULO 3
47
CAPÍTULO 3: VALORACIÓN ECONÓMICA Y PRÁCTICA DE LAS
SOLUCIONES
3.1 Introducción al capítulo
En este capítulo se evalúan las posibilidades técnicas y económicas de aplicación de las
soluciones presentadas, o sea se justifica la viabilidad de los resultados. Como se ha venido
mencionando durante todo el trabajo, estas evaluaciones son realizadas en base a un análisis
teórico de posibles soluciones.
3.2 Posibilidades prácticas de aplicación de las soluciones planteadas.
Las soluciones planteadas en el capítulo dos pudieran ser de muy favorable aplicación para
la experimentación en trabajos futuros inmediatos, y en este proyecto se deja un camino
trazado para continuar con la búsqueda de soluciones.
Para la primera solución planteada sería necesario crear un diseño electrónico y su posterior
implementación, lo cual no reviste ninguna dificultad para la empresa que lo necesita, en
este caso la OBE de Villa Clara. Un PIC de prestaciones medias es fácilmente adquirible
por las empresas cubanas importadoras, así como el integrado MAX232, además de estas
piezas lo conformarían un conjunto de elementos pasivos electrónicos como capacitores,
resistencias y conectores DB-9 de puerto serie.
Sería responsabilidad de la OBE el alcance que quiera dar a las soluciones, pues la primera
propuesta y la segunda pueden ser parte de una única solución, programando el protocolo
de red dentro del mismo PIC o implementándolo de forma electrónica en un circuito en la
misma placa del control del flujo.
3.3 Consideraciones sobre la optimización en el uso de los radios.
La solución planteada en el capítulo dos sobre la optimización de la cantidad de radios tiene
ciertas características que es necesario abordar. Un bus RS-485 es un bus de transmisión
multipunto diferencial, ideal para transmitir a altas velocidades sobre largas distancias (35
Mbps hasta 10 metros y 100 kbps en 1200 metros) y a través de canales ruidosos. Soporta
CAPITULO 3
48
32 transmisores y 32 receptores. La transmisión diferencial permite múltiples drivers dando
la posibilidad de una configuración multipunto. Al tratarse de un estándar abierto permite
muchas y muy diferentes configuraciones y utilizaciones.
Dadas las características antes mencionadas, con la creación de un bus RS-485 en un área
de múltiples dispositivos de desconexión, se pueden ubicar hasta un máximo de 32
elementos si fuese necesario. Para lograr esto sería necesario utilizar un conversor RS-
232/RS-485, como el mostrado en la figura 3.1, a la salida del radiocomunicador TM-800.
Figura 3.1: Conversor RS-232/RS-485.
Cada NULEC se conectaría a un nodo del bus. Se hace necesario explicar que hay que
colocar una resistencia de 120 Ohm como terminal del bus RS-485. Además hay que
modificar por software cada dirección de red Modbus RTU de los NULEC, haciendo única
la dirección de cada dispositivo esclavo, o sea de cada NULEC. El esquema detallado se
muestra en la figura 3.2.
RS232
RS232 RS232 RS232
Bus RS485
Conversor
RS232 – RS485
Resistencia
120 Ohm
Figura 3.2: Esquema experimental del bus RS-485 donde se acoplan los NULEC.
CAPITULO 3
49
3.4 Valoración económica de las soluciones propuestas.
Las propuestas de soluciones a las radiocomunicaciones de la OBE con los dispositivos
electrónicos en campo deben ser viables económicamente, tanto para su experimentación
como para su aplicación práctica.
En el caso de la solución del controlador de flujo por hardware, como se explicó, está
compuesto por algunos elementos electrónicos, lo cuales tienen un valor asequible en el
mercado internacional. Por ejemplo, un PIC de prestaciones medias como el PIC16F870-
I/SP cuesta 6.00 CUC y un PIC PIC18F252-I/SP cuesta sobre los 9.00 CUC. El integrado
Max232 tiene un precio entre 3 y 5 CUC y los capacitores y las resistencias, además de los
dos conectores de puerto serie costarían centavos de CUC, por lo que el costo del circuito
en componentes oscila sobre los 10 CUC, lo cual es muy factible de adquirir a través de un
proyecto específico o por pedido de la propia OBE que sería la empresa más interesada en
este dispositivo.
Por otra parte, para la creación de un bus RS-485 solamente sería necesario comprar el
conversor de norma RS-232/RS-485, el cual tiene un costo de aproximadamente 50 CUC y
el cable y la resistencia podrían ser reutilizadas de otros componentes. Podría parecer que la
sugerencia de crear el bus RS-485 elimina un problema a cambio de un costo un tanto
elevado, pero no es así, ya que creando el bus se eliminaría el uso indiscriminado de
radiocomunicadores, que son elementos costosos. Por ejemplo, en el área de una
subestación eléctrica que existan 3 radiocomunicadores se podría crear el bus RS-485,
invirtiendo 50 CUC por el costo del conversor y 10 CUC por el dispositivo de control de
flujo, pero se ahorrarían 400 CUC de costo de dos radios, pues solamente haría falta el
empleo de uno solo, entonces la ganancia sería de 340 CUC.
3.5 Consideraciones finales del capítulo
En este capítulo se demostró fundamentalmente la viabilidad técnico-económica de las
soluciones planteadas ante las dificultades de comunicación con los dispositivos de
medición y desconectivos de la empresa eléctrica provincial. Las soluciones son sencillas y
pensadas para su diseño a la medida, por lo que su implementación no requiere de grandes
CAPITULO 3
50
inversiones ni grandes esfuerzos intelectuales por parte de los técnicos de la empresa o la
Universidad.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51
CONCLUSIONES Y
RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
52
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
La presente investigación se llevó a cabo mediante un esfuerzo meritorio del equipo de
trabajo, pues la falta de los medios técnicos necesarios para la experimentación en el
laboratorio obligó al uso extensivo de demasiadas hipótesis sobre las que se fraguaron los
resultados obtenidos. No obstante se valora el resultado como positivo y se crea un
precedente para la continuación del mismo, una vez que todas las condiciones de tipo
material y objetivo se hayan resuelto. La entidad más interesada en los resultados, la OBE
de la provincia de Villa Clara, ha juzgado el desarrollo del trabajo como muy provechoso y
solicita la continuación del mismo, en aras de solventar todos los problemas relacionados
con la intercomunicación de datos entre sus dispositivos, tarea que va a tomar un mayor
protagonismo en el futuro inmediato. Queda mucho por hacer, pero lo más importante es
que se ha dado el paso inicial y las voluntades están enfocadas en el trabajo unido por una
causa común.
Haciendo alusión a los objetivos iniciales del trabajo, se puede concluir que:
Se profundizó en el estudio de los medios de comunicaciones inalámbricos.
A través del análisis de las características técnicas de los radiocomunicadores TM-
800, se determinaros algunas de las posibles causas de pérdidas de datos en las
comunicaciones entre el centro de control de la OBE y los dispositivos en campo.
Se propusieron soluciones viables y de carácter práctico.
Se evaluaron económicamente las soluciones presentadas.
Se sentaron las bases para trabajos posteriores y bases de relación en un área de
interés común para las entidades involucradas, la OBE de la provincia Villa Clara y
la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
53
Recomendaciones
Adquirir los cables de comunicación serie para efectuar las pruebas reales en el
laboratorio GDISAI de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, donde actualmente se
encuentra instalado el resto del equipamiento.
Realizar las pruebas necesarias para validar el resultado teórico alcanzado en este
trabajo y extenderlo más allá, detectando otras posibles causas de fallos.
Adquirir los componentes necesarios para el diseño del circuito de control de flujo.
Diseñar el circuito de control de flujo e implementarlo para hacer las pruebas reales
y validar su capacidad de solución al problema descrito en el trabajo.
Implementar el bus RS-485 en áreas donde se encuentren más de un radio para
optimizar el uso de los mismos y el ahorro en inversiones de este tipo por parte de la
empresa eléctrica
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
54
REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
55
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http://www.cisco.com/en/US/prod/collateral/wireless/ps5678/ps430/ps4076/prod_broch
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Physical Layer (PHY) specifications
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Physical Layer (PHY) specifications: Higher Speed Physical Layer (PHY) Extension in the
2.4 GHz band."
IEEE (2003). "IEEE Standard 802.11g: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and
Physical Layer (PHY) Specifications: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz
Band."
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physical layer (PHY) specifications for lowrate wireless personal area networks (LR-
WPANs). New York.
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Physical Layer (PHY) specifications: Amendment 6: Medium Access Control (MAC)
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Timofeev, V. (2006). "De qué manera los procesos y reglamentos de la UIT han
contribuido a configurar el moderno mundo de las radiocomunicaciones." from
http://www.itu.int/itunews.
ANEXOS
57
ANEXOS
Anexo 1: Glosario
AMPS: Advanced Mobile Phone System, en español Sistema Telefónico Móvil Avanzado.
BPSK: Binary Phase Shit Keying, en español Modulación por Desplazamiento de Fase
Binario.
CAP: Contention Access Period, en español Período de Acceso Contenido.
CDMA: Code Division Multiple Access, en español Acceso Múltiple por División de
Código. Es una técnica de multiplexación.
CDMA-2000: Familia de estándares de telecomunicaciones móviles de tercera generación
(3G) que utilizan CDMA.
DPSK: Differential Phase Shit Keying, en español Modulación por Desplazamiento de
Fase Diferencial.
DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum, en español Espectro Ensanchado por Secuencia
Directa.
EAP: Extensible Authentication Protocol, en español Protocolo de Autenticación
Extensible.
EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution, en español Razón de Datos Mejorada
para la Evolución a GSM
ETSI: European Telecommunications Standards Institute, en español Instituto de
Estándares de Telecomunicaciones Europeo
FDMA: Frecuency Division Multiple Access, en español Acceso Múltiple por División de
Frecuencia
FFD: Full Function Device, en español Dispositivo de Función Completa.
ANEXOS
58
FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum, en español Espectro Expandido por Saltos de
Frecuencia.
GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying, en español Modulación por Desplazamiento
Mínimo Gausiana.
GPRS: General Packet Radio System, en español Servicio General de Paquetes vía Radio
GSM: Groupe Special Mobile, nombre del grupo de trabajo encargado de desarrollar el
estándar de telefonía móvil digital para Europa. Posteriormente referido a Global System
for Mobile Comunications, en español Sistema Global para las Comunicaciones Móviles.
GTS: Ranuras de Tiempo Garantizadas.
HSCSD: High Speed Circuit Switched Data, en español Datos de Alta Velocidad Sobre
Circuitos Conmutados.
IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineers, en español Instituto de Ingenieros
Eléctricos y Electrónicos.
IMT-2000: De International Mobile Communications, en español Telecomunicaciones
Móviles Internacionales.
IP: Internet Protocol, en español Protocolo de Interred.
LAN: Local Area Network, en español Red de Área Local.
LMDS: Local Multipoint Distribution Service, en español Sistema de Distribución Local
Multipunto.
MMDS: Multichannel Multipoint Distribution Service, en español Servicio de Distribución
Multipunto Multicanal.
MSK: Minimum Shift Keying, en español Modulación por Desplazamiento Mínimo.
NASA: National Aeronautics and Space Administration, en español Administración
Nacional de Aeronáutica y del Espacio.
ANEXOS
59
NMT: Nordic Mobile Telephone, en español Telefonía Móvil Nórdica.
OBE: Organización Básica Eléctrica.
OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, en español Multiplexión por
División En Frecuencias Ortogonales.
PAN: Personal Area Network, en español Redes de Área Personal
PLMN: Public Land Mobile Network, en español Red Móvil Terrestre Pública.
PSK: Pre-Shared Key, en español Llave Pre-Compartida.
PTT: Post, Telegraph & Telephone, en español Correo, Telégrafo y Teléfono.
QAM: Quadrature Amplitude Modulation, en español Modulación de Amplitud en
Cuadratura.
RADIUS: Remote Authentication Dial-In User Service, en español Servicio de Usuario de
Autenticación Remota por Marcado.
RFD: Reduced Function Device, en español Dispositivo de Funciones Reducidas.
SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition, en español Control Supervisor y
Adquisición de Datos.
TACS: Total Access Communication System, en español Sistema de Comunicaciones de
Acceso Total. Es una variante de AMPS.
TCP: Transmision Control Protocol, en español Protocolo de Control de Transmisión.
TDMA: Time Division Multiple Access, en español Acceso Múltiple por División de
Tiempo.
TKIP: Temporary Key Integrity Protocol, en español Protocolo de Integridad por Llave
Temporal.
TTL: Transistor-Transistor Logic, en español Lógica Transistor-Transistor.
ANEXOS
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UMTS: Universal Mobile Telecommunications System, en español Sistema Universal de
Telecomunicaciones Móviles.
UNE: Unión Nacional Eléctrica.
WAP: Wireless Aplication Protocol, en español Protocolo de Aplicación Inalámbrica.
WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access, en español Acceso Múltiple por
División de Código de Banda Ancha.
WEP: Wired Equivalent Privacy, en español Privacidad Equivalente al Cable.
Wi-Fi: Identifica al grupo de trabajo que certifica las redes inalámbricas que cumplen con
los estándares IEEE 802.11.
WiMax: Siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access, en español
Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas.
WPA: Wi-Fi Protected Access, en español Acceso Protegido Wi-Fi.
WPAN: Wireless Personal Area Network, en español Redes Inalámbricas de Área
Personal.