Redes y servicios de telecomunicaciones

Introducción a las comunicaciones

En el ámbito de las telecomunicaciones, el objetivo fundamental es el intercambio de información —ya sea imagen, sonido, vídeo u otros tipos de datos— entre distintos puntos. Para que dicho intercambio sea posible, la información se transforma en señales susceptibles de ser manipuladas, transmitidas y recibidas. En este proceso, el tiempo desempeña un papel esencial y puede presentarse de dos formas: continuo, cuando la variable temporal toma cualquier valor dentro de un intervalo, o discreto, cuando solo adopta un conjunto finito de valores.

Otro factor determinante en la caracterización de las señales es la amplitud. Si la amplitud puede tomar cualquier valor, se dice que la señal es no cuantificada. En cambio, cuando la amplitud se restringe a un conjunto de valores enteros, la señal se denomina cuantificada.

Atendiendo a su naturaleza física, las señales se clasifican en tres categorías principales. Las señales eléctricas circulan a través de cables conductores. Las señales de radio se propagan por el aire mediante ondas electromagnéticas. Por último, las señales ópticas viajan a través de cables de fibra óptica aprovechando la propagación de la luz.

Características de las señales

Las señales analógicas se caracterizan por cuatro parámetros fundamentales: amplitud, frecuencia, fase y periodo. Las señales digitales, por su parte, se definen mediante el bit (unidad mínima de información, que puede valer 0 o 1), el tiempo de bit (duración necesaria para transmitir un único bit), el símbolo (agrupación de \(n\) bits) y el tiempo de símbolo (producto del número de bits por el tiempo de bit).

Un concepto clave a la hora de transmitir señales digitales es el régimen binario, que se define como el número de bits transmitidos por segundo. Este parámetro resulta fundamental para evaluar la velocidad de una comunicación digital y determinar si el canal de transmisión es capaz de soportar el flujo de datos requerido.

Conversión de señal analógica a digital

Las señales digitales presentan múltiples ventajas frente a las analógicas: permiten una mayor capacidad de compresión, facilitan la implementación de sistemas de control de errores, consumen menos energía, resultan más eficientes en el almacenamiento, sufren menor degradación y posibilitan la transmisión a mayores distancias.

Por estas razones, resulta conveniente convertir las señales analógicas en digitales. El proceso de conversión consta de varias etapas. En primer lugar, se captura la señal analógica original. A continuación, se realiza el muestreo, que consiste en tomar valores de la señal a intervalos regulares de tiempo. Posteriormente, cada muestra se cuantifica, es decir, se aproxima a uno de los niveles discretos predefinidos. Finalmente, se codifica cada valor cuantificado, obteniéndose como resultado una secuencia de bits que representa la señal original.

Cuando una señal analógica no ha sido sometida a modulación, se denomina señal en banda base. En el caso de una señal digital, el equivalente recibe el nombre de código de línea. Si dicha señal se transmite en el mismo rango de frecuencias en el que fue generada, la transmisión se conoce como transmisión en banda base.

💡 La modulación consiste en multiplicar la señal original por una sinusoide, lo que produce un desplazamiento en frecuencia que traslada la señal a una frecuencia portadora determinada.

Sistema de telecomunicación

Un sistema de telecomunicación es el conjunto mínimo de elementos necesarios para establecer un intercambio de información entre un emisor y un receptor. Se compone de cinco elementos fundamentales: el emisor, que genera la información; el procesado de transmisión, que adapta la señal para su envío a través del canal; el canal de comunicación, que introduce retraso, distorsión y ruido durante el transporte de la señal; el procesado de recepción, que se encarga de recuperar la señal original minimizando los errores introducidos durante la transmisión; y el receptor, que consume la información recibida.

Sentido del flujo

Según el sentido en el que fluye la información, un sistema de comunicación puede clasificarse en tres modalidades. En el modo simplex, la información se transmite en un único sentido. En el modo half-duplex, la transmisión se realiza en ambos sentidos, pero no de forma simultánea. En el modo duplex (o full-duplex), la transmisión tiene lugar en ambos sentidos de manera simultánea.

Características del canal de comunicación

El canal de comunicación se caracteriza por una serie de parámetros que determinan su comportamiento y sus limitaciones.

El ancho de banda de la señal representa el rango de frecuencias que ocupa la señal que se desea transmitir. El ancho de banda del canal, por su parte, corresponde al rango de frecuencias dentro del cual la señal puede transmitirse sin errores significativos. Este ancho de banda se define como el intervalo en el que la amplitud de la señal no cae por debajo del 70 % de su valor máximo (equivalente a una atenuación de \(-3\) dB). Para que la transmisión sea correcta, el ancho de banda de la señal debe ser inferior al ancho de banda del canal.

La capacidad del canal indica la cantidad máxima de bits que pueden transmitirse por segundo a través de él. Para evitar errores, el régimen binario de la señal debe ser menor o igual a esta capacidad. La capacidad se calcula como el producto de la eficiencia espectral por el ancho de banda del canal. La eficiencia espectral alcanza su valor máximo en transmisiones por cable (con un valor de referencia de 10) y su valor mínimo en transmisiones vía radio (con un valor de referencia de 1).

La velocidad de propagación indica la rapidez con la que la señal se desplaza por el medio de transmisión, mientras que el tiempo de propagación mide el intervalo que transcurre desde que la señal parte del emisor hasta que llega al receptor.

Los errores del canal son perturbaciones que se acoplan a la señal emitida como consecuencia del ruido, las distorsiones y otras interferencias presentes en el medio de transmisión. En el caso de las señales digitales, la calidad de la transmisión se evalúa mediante la tasa de error de bit (BER, por sus siglas en inglés), que expresa la probabilidad de que un bit individual sea recibido de forma incorrecta.

Medios de transmisión

Los medios de transmisión se dividen en dos grandes categorías. Los medios guiados son aquellos de naturaleza física, como los cables de cobre, los cables coaxiales o la fibra óptica. Los medios no guiados son inalámbricos y emplean señales de radio, microondas, infrarrojos o luz visible para transportar la información.

En la transmisión de ondas electromagnéticas, los parámetros más relevantes son la frecuencia y la longitud de onda, que mantienen una relación inversa. A mayor frecuencia, la longitud de onda es menor, lo que permite transportar más información pero dificulta la capacidad de la señal para atravesar obstáculos. A menor frecuencia, la longitud de onda es mayor, lo que reduce la cantidad de información transportada pero facilita la penetración a través de objetos.

Existen diferentes bandas de frecuencia utilizadas en las telecomunicaciones. Las frecuencias medias (MF, Medium Frequency) generan ondas que viajan por la superficie terrestre y alcanzan distancias de cientos de kilómetros. Las frecuencias altas (HF, High Frequency) se propagan a través de la ionosfera, un medio inherentemente inestable, y pueden cubrir distancias de miles de kilómetros. Las frecuencias muy altas y ultra altas (VHF y UHF) viajan por la troposfera como ondas directas y reflejadas, con un alcance de hasta 40 kilómetros. Las frecuencias súper altas (SHF, Super High Frequency) se emplean en comunicaciones vía satélite o en enlaces terrestres de hasta 40 kilómetros.

Además, la transmisión puede ser direccional, cuando la energía se concentra en una única dirección, u omnidireccional, cuando la señal se emite en múltiples direcciones simultáneamente.

Red de telecomunicación

Una red de telecomunicación es una infraestructura diseñada para conectar usuarios (terminales o hosts) con el fin de ofrecer servicios de comunicación. En su estructura se identifican tres grandes componentes: los terminales, que generan y consumen información; los sistemas de acceso, que permiten a los usuarios conectarse a la red; y la infraestructura, compuesta por todos los elementos que posibilitan la conexión de los usuarios y el transporte de información dentro de la red.

Topologías

Las conexiones dentro de una red pueden organizarse siguiendo distintas topologías. Entre todas ellas, la red mallada es la más robusta, ya que ofrece múltiples caminos alternativos entre cualquier par de nodos. Sin embargo, presenta inconvenientes significativos: el número de enlaces crece rápidamente con el número de usuarios, las distancias entre nodos pueden resultar prohibitivas, los enlaces pueden requerir recursos que no se utilizan de manera eficiente y la incorporación de un nuevo usuario obliga a reestructurar parte de la red.

Organización de la información a transmitir

Los mensajes que circulan por la red, entendidos como conjuntos de bits, se organizan en paquetes. Cada paquete incorpora una cabecera (header) y una cola. La cabecera contiene información que permite identificar el origen y el destino del paquete, mientras que la cola incluye datos de control destinados al manejo de errores. Cuando un mensaje es demasiado grande para ser enviado en un único paquete, se fragmenta en múltiples paquetes que se transmiten de forma independiente.

Difusión del mensaje

La información puede difundirse dentro de la red de diferentes maneras. En modo broadcast, el mensaje se transmite a todos los usuarios de la red. En modo multicast, se envía a un subconjunto específico de usuarios. En modo unicast, la información se dirige a un único destinatario. En modo anycast, el mensaje se entrega al usuario más cercano dentro de un grupo de posibles destinatarios.

Clasificación según el área de cobertura

Las redes se clasifican según su extensión geográfica. Las redes de área personal (PAN, Personal Area Network) cubren distancias muy cortas, como las proporcionadas por tecnologías NFC o Bluetooth. Las redes de área local (LAN, Local Area Network) abarcan espacios reducidos, como una vivienda o una oficina. Las redes de área metropolitana (MAN, Metropolitan Area Network) cubren una ciudad o un campus universitario. Las redes de área amplia (WAN, Wide Area Network) se extienden a nivel nacional o global, siendo Internet el ejemplo más representativo.

Clasificación según la localización del terminal

Las redes pueden ser fijas, cuando los terminales permanecen en una ubicación estática, o móviles, cuando los dispositivos se desplazan durante la comunicación. Adicionalmente, se distinguen redes terrestres, en las que tanto los nodos como los terminales se encuentran en tierra; redes satelitales, donde los terminales están en tierra pero algunos nodos se ubican en satélites; y redes espaciales, en las que existen pocos terminales y los nodos se sitúan fuera de la superficie terrestre.

Clasificación según el modelo de comunicación

Atendiendo al modo en que la información se transmite a través de la red, los sistemas de comunicación se clasifican en dos categorías principales.

Los sistemas de difusión son aquellos en los que los terminales comparten el medio de transmisión. Cada terminal es responsable de determinar si un mensaje recibido está destinado a él o no. Ejemplos de este tipo de sistemas son las redes LAN inalámbricas y las topologías en anillo o en bus.

Los sistemas de conmutación establecen una conexión dedicada entre el emisor y el receptor antes de iniciar la transmisión, liberando los recursos una vez finalizada. Este modelo es característico de las topologías jerárquicas o en árbol, en estrella y malladas.

Las redes de gran escala, como Internet, suelen adoptar una topología jerárquica o en árbol, diferenciando dos niveles principales: el nivel de acceso, donde los usuarios se conectan a la red a través de enlaces y conmutadores de acceso, y el nivel de transporte, que se encarga de mover la información a lo largo de la red. Dentro de este tipo de redes, existen interfaces estandarizadas que permiten la comunicación entre equipos de distintos fabricantes.

Técnicas de conmutación

Los sistemas de conmutación se clasifican en dos tipos fundamentales.

La conmutación de circuitos establece una conexión física dedicada entre el origen y el destino antes de iniciar la transmisión. Una vez completada la comunicación, los recursos se liberan. Este método se utiliza en redes telefónicas tanto públicas como privadas. Su principal ventaja es que, una vez establecida la conexión, la transmisión resulta rápida y con un retardo constante. No obstante, presenta desventajas significativas: requiere un tiempo de establecimiento previo, hace un uso ineficiente de los recursos (ya que el circuito permanece reservado aunque no se transmitan datos) y descarta nuevas peticiones cuando el canal está ocupado.

La conmutación de paquetes divide la información en paquetes que se introducen en colas para ser procesados de forma secuencial. Los paquetes se almacenan en cada nodo intermedio y se retransmiten en caso de error. El tiempo total de transmisión depende del número de paquetes, el régimen binario, el tamaño de cada paquete y el número de nodos intermedios. Esta técnica se subdivide a su vez en dos modalidades. En la conmutación mediante datagramas, los paquetes no llegan necesariamente en orden; cada uno contiene la dirección de destino y puede seguir un camino diferente, lo que puede provocar variaciones en los retardos. El receptor se encarga de reordenar los paquetes utilizando un número de secuencia incluido en cada uno de ellos. En la conmutación mediante circuito virtual, el primer paquete establece una ruta que será seguida por todos los paquetes posteriores, garantizando que lleguen en orden al destino.

Comunicación orientada a conexión

Un sistema de comunicaciones orientado a conexión establece una conexión previa al intercambio de información. Este enfoque permite construir sistemas más fiables, con menor pérdida de paquetes, y facilita la implementación de mecanismos de control de flujo y de errores. Sin embargo, no resulta óptimo para redes en las que la latencia constituye un requisito crítico, ya que el proceso de establecimiento de la conexión introduce un retardo adicional.

Indicadores de rendimiento

Existen varios indicadores fundamentales para evaluar el rendimiento de una red de telecomunicaciones. La latencia mide el tiempo que transcurre desde que se envía una petición hasta que se recibe la respuesta correspondiente. El throughput indica el número de bits que se transmiten en un instante de tiempo determinado. El jitter representa la variación del retardo entre paquetes consecutivos de un mismo mensaje, siendo un parámetro especialmente crítico en sistemas de tiempo real donde la regularidad en la entrega de datos es esencial.

Problemas fundamentales de las comunicaciones

Todos los sistemas de comunicaciones se enfrentan a una serie de problemas comunes. El direccionamiento se ocupa de identificar de forma unívoca a cada usuario dentro de la red. La multiplexación aborda el uso eficiente de los recursos compartidos del medio de transmisión. El dimensionado determina el número de enlaces necesarios para satisfacer la demanda de tráfico. La señalización gestiona los mensajes de control que informan sobre el estado de la red.

Las comunicaciones móviles, además de los problemas anteriores, presentan desafíos adicionales. El roaming permite que un terminal móvil se conecte desde cualquier ubicación dentro del área de cobertura. El handover gestiona el traspaso de la comunicación cuando un terminal se desplaza de una celda a otra durante una llamada activa. El paging y la actualización de localizaciones permiten localizar a los terminales dentro de la red. La normalización establece mecanismos para garantizar la interoperabilidad entre equipos de distintos fabricantes. Los sistemas celulares optimizan el uso del espectro radioeléctrico mediante la reutilización de frecuencias.

En el caso particular de Internet, que conecta redes heterogéneas mediante infraestructuras de transporte y acceso, se añaden problemas específicos. Los usuarios generan y consumen contenido con requisitos muy diversos, lo que exige establecer métricas de rendimiento como la calidad de experiencia (QoE, Quality of Experience) y la calidad de usuario (QoU, Quality of User). El encaminamiento determina el camino que deben seguir los paquetes dentro de la red. Además, se necesitan sistemas capaces de controlar el flujo de información y de detectar y gestionar errores de manera automática.

Principios sobre dimensionado de redes y sistemas de colas

Concepto de cola

En el contexto de las redes de telecomunicaciones, una cola es una región de almacenamiento temporal donde se depositan las solicitudes cuando un servidor se encuentra en un momento de alta demanda y no puede procesarlas de forma inmediata. El diseño de estos sistemas implica encontrar un equilibrio entre el coste de la infraestructura y la calidad de la experiencia percibida por el usuario.

Resulta esencial dimensionar el sistema teniendo en cuenta el nivel de uso previsto, con el propósito de mejorar la satisfacción del usuario y optimizar el rendimiento de la red. En este sentido, el objetivo principal consiste en minimizar la latencia y maximizar el throughput. Cuando un usuario envía solicitudes a un servidor, estas se encolan y el servidor las procesa siguiendo un conjunto predefinido de reglas de servicio.

Componentes de un sistema de colas

Un sistema de colas se describe a través de cuatro bloques funcionales: el cliente, la cola, el servicio y el sistema en su conjunto.

En lo que respecta al cliente, se consideran el número de clientes (que puede ser finito o infinito), la naturaleza de las peticiones (deterministas, si siguen un patrón predecible, o aleatorias, si se rigen por una función de distribución con una esperanza conocida), el tiempo entre llegadas (intervalo transcurrido entre dos peticiones consecutivas) y la tasa media de llegada (cantidad de solicitudes que llegan por unidad de tiempo).

En relación con la cola, los aspectos relevantes son su capacidad (finita o infinita; cuando es finita y se llena, las nuevas solicitudes se descartan), el tiempo de espera en cola (tiempo promedio que una solicitud aguarda antes de ser atendida) y el número de solicitudes en cola en un momento dado.

En cuanto al servicio, se contemplan el número de servidores disponibles, la tasa de servicio (cantidad de solicitudes que un servidor puede procesar por unidad de tiempo) y el tiempo de servicio (duración necesaria para completar el procesamiento de una solicitud).

Finalmente, a nivel del sistema completo, se consideran el número total de solicitudes presentes (tanto en cola como en proceso de atención) y el tiempo total transcurrido desde que se envía una solicitud hasta que se recibe la respuesta.

Cuando se modela un sistema de colas teniendo en cuenta el tiempo entre llegadas, el comportamiento sigue una distribución exponencial. Si, en cambio, se modela a partir de la tasa media de llegada, el sistema se ajusta a una distribución de Poisson.

Un parámetro adicional de gran importancia es la intensidad del tráfico, definida como el número esperado de solicitudes que llegan mientras se procesa una solicitud. Si la intensidad es mayor o igual que la capacidad del sistema, este se encuentra mal dimensionado y no podrá atender la demanda de forma sostenible.

Multiplexación

Concepto de multiplexación

La multiplexación es una técnica que permite compartir un mismo medio físico de transmisión entre múltiples flujos de información simultáneos, lo que se traduce en un ahorro significativo de costes y en un aprovechamiento más eficiente de los recursos disponibles.

Esta técnica se manifiesta de dos formas principales. En la primera, los usuarios generan señales que no son directamente compatibles para su combinación, por lo que se emplea un dispositivo denominado multiplexor para realizar la operación de mezcla. Un ejemplo representativo de esta modalidad es la tecnología ADSL. En la segunda forma, los usuarios generan información en un formato que permite su posterior separación sin necesidad de un dispositivo multiplexor específico, como ocurre en la transmisión de radio FM.

La duplexación es una variante de la multiplexación que se refiere a la combinación de los flujos de transmisión y recepción de un mismo usuario en un único canal o medio de comunicación.

La canalización o acceso múltiple constituye otra forma de multiplexación en la que la relación entre los flujos de información y los canales asignados varía con el tiempo. Esta técnica resulta especialmente habitual en los sistemas de comunicación móvil.

En cuanto a la nomenclatura, se distinguen tres enfoques principales. En la multiplexación se encuentran FDM (Frequency Division Multiplexing o multiplexación por división de frecuencia), TDM (Time Division Multiplexing o multiplexación por división de tiempo) y CDM (Code Division Multiplexing o multiplexación por división de código). En la canalización se emplean FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) y CDMA (Code Division Multiple Access). En la duplexación se utilizan FDD (Frequency Division Duplexing) y TDD (Time Division Duplexing). La duplexación por división de código (CDD) no se emplea en la práctica debido a los problemas de saturación que genera.

Multiplexación por división en frecuencia

La multiplexación por división de frecuencia (FDM) consiste en asignar a cada flujo de información una banda de frecuencias distinta dentro del medio de transmisión, de modo que todos los flujos se transmiten de forma simultánea durante todo el tiempo disponible.

Dado que, por lo general, todas las señales que se desean multiplexar ocupan inicialmente la misma banda de frecuencias, se realiza una traslación de banda mediante modulación para llevar cada señal a una frecuencia portadora diferente.

No obstante, la multiplexación en frecuencia presenta algunas desventajas. La elevada relación entre la potencia de pico y la potencia media (PAPR, Peak To Average Power Ratio) afecta a la distancia máxima de transmisión, ya que señales con alta PAPR pueden experimentar problemas de distorsión. La intermodulación entre canales se produce cuando múltiples señales se superponen en la misma banda de frecuencia, generando interferencias que degradan la calidad de la transmisión. Además, el uso de bandas de guarda entre las señales individuales, necesarias para evitar interferencias, provoca una utilización subóptima del espectro.

Cuando la multiplexación por división de frecuencia se aplica en transmisiones a través de fibra óptica, recibe el nombre de multiplexación por división en longitud de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing). Esta técnica permite aprovechar al máximo la capacidad de transmisión de las fibras ópticas al transportar múltiples señales en diferentes longitudes de onda de forma simultánea.

Multiplexación por división en tiempo

La multiplexación por división de tiempo (TDM) asigna a cada flujo de información el ancho de banda total del medio de transmisión durante una fracción del tiempo que se repite de forma periódica. Esta estrategia resulta especialmente adecuada para señales digitales. La información se organiza en tramas compuestas por intervalos de tiempo, cada uno de los cuales se asocia a un canal físico, lo que permite utilizar eficientemente todo el ancho de banda disponible. Cada canal físico puede transportar información de uno o más flujos de datos.

Las tramas pueden organizarse mediante TDM síncrona, donde la capacidad asignada a cada flujo permanece constante, o mediante TDM asíncrona, donde la capacidad varía con el tiempo en función de la demanda.

El entrelazado de los flujos de información puede realizarse de dos maneras. En el entrelazado de palabra, la información se organiza en palabras, donde cada palabra es un conjunto de bits que se intercalan de forma secuencial entre los distintos flujos.

En el entrelazado de bit, la información se intercala a nivel de bits individuales, alternando un bit de cada flujo en cada intervalo de tiempo.

El proceso de demultiplexación requiere identificar los bits correspondientes a cada intervalo mediante una marca que se inserta de forma periódica, conocida como FAS (Frame Alignment Signal). Esta marca puede implementarse de diversas maneras, ya sea a través de un código de línea que utiliza un solo bit o mediante la adición de una secuencia de bits específica.

Multiplexación por división en código

La multiplexación por división en código asigna a cada flujo de información la totalidad del ancho de banda disponible en el medio de transmisión durante todo el periodo de transmisión. Para lograr la separación de los distintos flujos, se emplean señales especiales denominadas códigos, que permiten compartir el medio de forma efectiva sin que los flujos interfieran entre sí.

La multiplexación y demultiplexación en tiempo y en frecuencia son, en realidad, casos particulares de un concepto más general conocido como ortogonalización de señales. Dos señales se consideran ortogonales cuando su producto escalar es igual a cero, lo que significa que al multiplicar cada componente de un código por la componente correspondiente del otro código y sumar todos los productos, el resultado es nulo. Esta propiedad fundamental garantiza que las señales no interfieran entre sí y puedan recuperarse de manera independiente en el receptor.

Técnicas de acceso al medio

Concepto de colisión

En determinadas redes donde el medio de transmisión es compartido entre múltiples terminales, las señales de diferentes usuarios pueden presentar características similares. Si estas señales coinciden en el tiempo, se produce una colisión: las señales de dos o más terminales se superponen en el medio de transmisión, lo que impide su correcta interpretación por parte del receptor.

Cuando ocurre una colisión, el terminal receptor recibe dos señales de forma simultánea, lo que genera un nivel de señal superior al esperado. En redes cableadas, la señal resultante presenta aproximadamente el doble de energía de lo normal, mientras que en redes inalámbricas la señal recibida suele ser de muy baja energía. El transmisor detecta la colisión gracias a la ausencia de señales ACK (confirmación de recepción) enviadas por el receptor, o bien mediante la detección directa de niveles anómalos de energía en el medio.

Técnicas de acceso aleatorio

Las técnicas de acceso aleatorio permiten a los dispositivos compartir un medio de transmisión sin una coordinación centralizada estricta. A continuación se describen las cuatro técnicas más relevantes.

Aloha es el protocolo más sencillo: los dispositivos transmiten datos en cualquier momento sin coordinación central y escuchan el canal para detectar colisiones. Su simplicidad de implementación constituye su principal ventaja, aunque resulta propenso a colisiones, lo que genera retransmisiones frecuentes y un uso ineficiente del canal.

CSMA (Carrier Sense Multiple Access o acceso múltiple por detección de portadora) mejora el rendimiento de Aloha al exigir que los dispositivos verifiquen la presencia de una señal en el canal antes de transmitir. Si el canal está ocupado, el dispositivo espera un tiempo aleatorio antes de intentar nuevamente. Aunque reduce significativamente las colisiones respecto a Aloha, estas pueden seguir produciéndose debido a los retrasos inherentes en la detección de la portadora.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) se utiliza principalmente en redes Ethernet cableadas. Los dispositivos escuchan el canal mientras transmiten y son capaces de detectar colisiones en tiempo real. Cuando se detecta una colisión, la transmisión se detiene inmediatamente y el dispositivo espera un tiempo aleatorio antes de reintentar. Este protocolo resulta eficiente en la detección y el manejo de colisiones en entornos cableados, aunque ha perdido relevancia en las redes modernas de alta velocidad que emplean conmutación.

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) se emplea en redes inalámbricas Wi-Fi, donde la detección directa de colisiones resulta más difícil. Antes de transmitir, los dispositivos solicitan permiso y verifican que el canal esté libre, utilizando un mecanismo de espera previa a la transmisión para evitar colisiones. Aunque añade una sobrecarga de control que puede reducir la eficiencia en redes congestionadas, resulta eficaz para prevenir colisiones en entornos inalámbricos.

Control de errores

Objetivos del control de errores

El objetivo principal de cualquier sistema de comunicación es garantizar la fiabilidad y la eficiencia en la transmisión de datos. Sin embargo, el canal de comunicación introduce inevitablemente errores debido a interferencias y ruido. La calidad de la transmisión se mide mediante la tasa de error de bit (BER), donde un valor menor indica una mejor calidad de la comunicación.

Para mitigar los errores introducidos por el canal, se emplean estrategias basadas en la redundancia de información y en sistemas de control que permiten recuperar la información original. Estos sistemas se dividen en dos categorías principales.

Los sistemas ARQ (Automatic Repeat Request o solicitud de repetición automática) detectan los errores y solicitan la retransmisión del paquete dañado. Resultan adecuados para redes con un retardo de propagación moderado, donde la retransmisión no introduce un retraso excesivo.

Los sistemas FEC (Forward Error Correction o código de corrección de errores) detectan y corrigen los errores directamente en el receptor, sin necesidad de retransmisión. Esta técnica resulta especialmente útil en situaciones en las que no se dispone de un canal de retorno o la retransmisión no es factible.

Los errores pueden clasificarse en dos categorías: errores simples, que afectan a un solo bit en la transmisión, y errores a ráfagas, que pueden afectar a múltiples bits consecutivos.

Encaminamiento

El encaminamiento es el proceso mediante el cual un paquete de datos se dirige desde su origen hasta su destino a través de la red. Para lograrlo, se emplean comúnmente tablas de encaminamiento, que son registros que contienen información sobre las rutas disponibles hacia los distintos nodos. Cada nodo dentro de la red mantiene su propia tabla de encaminamiento, y estas tablas se clasifican en dos tipos.

Las tablas estáticas contienen información introducida manualmente por el administrador de la red. Resultan adecuadas para redes de menor tamaño que experimentan pocos cambios en su topología. Las tablas dinámicas se actualizan automáticamente mediante protocolos de encaminamiento y resultan especialmente útiles en redes más extensas y complejas, donde las rutas pueden cambiar con frecuencia debido a la dinámica de la red.

Forwarding y routing

El routing (encaminamiento) es el proceso de actualización de las tablas de encaminamiento, en el que los nodos de la red intercambian información a través de un protocolo de encaminamiento. Dicho protocolo implementa un algoritmo que calcula la ruta óptima para transmitir los datos hacia su destino.

El forwarding (envío) es la acción concreta de encaminar cada paquete en la dirección adecuada hacia su destino. Requiere la presencia de routers que consultan sus tablas de encaminamiento para determinar la mejor ruta en cada momento.

Métodos de forwarding

Existen varios métodos de forwarding utilizados en las redes. En el método de ruta, las tablas de encaminamiento contienen información detallada sobre la ruta completa hasta el destino. En el método next-hop, las tablas solo indican el próximo salto necesario para alcanzar el destino, simplificando el proceso de decisión. En el método host-specific, las tablas contienen una entrada por cada terminal conectado a la red, lo que permite una segmentación muy detallada. En el método network-specific, las tablas contienen únicamente una entrada por cada red, simplificando el encaminamiento para grupos de terminales. En el método default, se definen rutas específicas y, si ninguna coincide con el destino solicitado, se utiliza una entrada predeterminada.

Características del routing

Cuando se diseña un protocolo de encaminamiento, se busca determinar la mejor ruta entre la fuente y el destino, que puede ser la más corta, la más rápida o la que minimice el consumo de energía, entre otros criterios. Para ello, el protocolo debe ser correcto (encontrar la ruta adecuada), simple (minimizar la carga computacional y el tráfico de control), robusto ante fallos de red (adaptarse a situaciones de fallo sin perder la conectividad), estable (mantener la consistencia de las rutas en condiciones cambiantes) y óptimo (buscar la ruta que optimice los criterios definidos).

El encaminamiento puede aplicarse tanto a redes orientadas a la conexión como a redes no orientadas a la conexión. En las redes orientadas a la conexión, se establece una ruta denominada circuito virtual durante la fase de establecimiento de la conexión. Todos los paquetes de una misma conexión siguen la misma ruta, ya que comparten identificadores comunes. En las redes no orientadas a la conexión (basadas en datagramas), cada paquete contiene la dirección de destino y se enruta de forma independiente, como ocurre en Internet.

Clasificación de los protocolos de routing

Los protocolos de encaminamiento pueden clasificarse según diversos criterios. Atendiendo al modo en que se determina la ruta, se distinguen dos enfoques. En el enrutamiento salto a salto (hop-by-hop), la fuente especifica únicamente el destino y los nodos intermedios determinan el siguiente salto en función de sus tablas de encaminamiento. En el enrutamiento con definición de ruta en la fuente (source routing), la fuente decide la ruta completa que deben seguir los datos y los nodos intermedios simplemente reenvían el mensaje al siguiente nodo de la ruta predefinida.

En cuanto a la adaptabilidad a cambios en la topología de la red, se distinguen dos categorías. El enrutamiento estático emplea rutas configuradas manualmente que no se adaptan automáticamente a cambios en la red. El enrutamiento dinámico se subdivide a su vez en dos modalidades. En el enrutamiento centralizado, un nodo central recopila información de control de todos los demás nodos, ejecuta los algoritmos de encaminamiento y distribuye la información actualizada a las tablas de los nodos; este enfoque es vulnerable, ya que un fallo en el nodo central puede afectar gravemente a toda la red. En el enrutamiento distribuido, todos los nodos desempeñan roles similares: cada uno envía y recibe información de control, calcula sus propias tablas de encaminamiento y se adapta a los cambios en la topología de forma autónoma, lo que confiere al sistema una mayor robustez.

Modelos de referencia

Arquitectura en capas

Para abordar la complejidad inherente a las comunicaciones, se adopta la estrategia de agrupar funcionalidades relacionadas en un modelo de referencia. En el ámbito de las redes, se desarrollan arquitecturas que organizan estas funciones en unidades denominadas capas. Esta práctica ha dado lugar a la creación de arquitecturas comunes que facilitan la comunicación entre dispositivos de diversos fabricantes.

El enfoque por capas consiste en organizar las funciones de una red en grupos relacionados que se descomponen en subconjuntos jerárquicos. Cada capa se comunica con las capas inmediatamente superior e inferior: la capa inferior proporciona servicios a la capa superior, la cual ejecuta sus funciones y transmite los resultados a la siguiente capa, y así sucesivamente. Además, una capa \(N\) de un equipo puede comunicarse con la capa \(N\) correspondiente de otro equipo mediante protocolos específicos.

Este enfoque presenta múltiples ventajas: simplifica el diseño, facilita la realización de modificaciones, permite dividir las tareas para su ejecución en paralelo y garantiza la interoperabilidad entre equipos de diferentes fabricantes.

Protocolos

Los protocolos son conjuntos de reglas que regulan el intercambio de datos entre diferentes entidades. Se caracterizan por tres aspectos fundamentales. La semántica define el significado de cada sección de bits en la comunicación. La sintaxis establece el formato de los datos, incluyendo el número y la disposición de los campos en la cabecera. La temporización determina la secuencia en la que se envían y reciben los mensajes.

Dentro de una misma capa, las entidades se comunican mediante el intercambio de unidades de datos de protocolo (PDU, Protocol Data Unit). Cada PDU consta de una cabecera con información de control y, por lo general, datos de usuario en forma de unidades de datos de servicio (SDU, Service Data Unit).

La comunicación entre procesos del mismo nivel es virtual, lo que significa que no existe un enlace de comunicación directa entre ellos. En su lugar, cada nivel recibe solicitudes de su nivel superior en forma de primitivas de servicio (ASP, Application Service Primitives), las encapsula en PDU y las envía a la entidad correspondiente en el sistema receptor a través de los servicios proporcionados por las capas inferiores.

Modelo OSI

El modelo OSI (Open Systems Interconnection) es un sistema abierto que posibilita la comunicación entre sistemas diversos, independientemente de su arquitectura. Se compone de siete capas organizadas jerárquicamente, de la más alta a la más baja.

La capa de aplicación (Application Layer) es la capa superior y se encarga de proporcionar servicios de red a las aplicaciones del usuario final, incluyendo protocolos como HTTP para la navegación web. La capa de presentación (Presentation Layer) se ocupa de la traducción, el cifrado y la compresión de datos para garantizar la interoperabilidad entre sistemas con diferentes formatos. La capa de sesión (Session Layer) establece, mantiene y finaliza las sesiones de comunicación entre dispositivos, proporcionando mecanismos de gestión de diálogos y control de sincronización. La capa de transporte (Transport Layer) asegura la entrega de datos de manera fiable y ordenada, controlando la segmentación y el reensamblaje mediante protocolos como TCP y UDP. La capa de red (Network Layer) gestiona el encaminamiento y el direccionamiento de datos, donde los routers toman decisiones sobre cómo transmitir los paquetes a través de la red. La capa de enlace de datos (Data Link Layer) se encarga de la transmisión a nivel de enlace físico, garantizando la integridad de los paquetes y resolviendo colisiones en la subcapa de control de acceso al medio (MAC). La capa física (Physical Layer) es la capa más baja y se ocupa de la transmisión de bits a través del medio físico, definiendo aspectos como el tipo de cable, los voltajes y las frecuencias.

Organización de los niveles

En la organización de los sistemas de comunicación se identifican tres niveles fundamentales. Los niveles de soporte de red, correspondientes a las capas 1, 2 y 3 (física, enlace de datos y red), se ocupan de la infraestructura y la logística necesarias para que la información viaje de un punto a otro. Los niveles de servicios de soporte de usuario, correspondientes a las capas 5, 6 y 7 (sesión, presentación y aplicación), permiten la interoperabilidad entre sistemas de software heterogéneos y facilitan el intercambio de información entre diferentes aplicaciones. El nivel de transporte, identificado como la capa 4, se enfoca en la transmisión de datos de extremo a extremo, garantizando que los datos lleguen de manera confiable y eficiente desde el origen hasta el destino.

Direcciones MAC

Cada equipo conectado a la red dispone de su propia tarjeta de interfaz de red, que se identifica mediante una dirección física de 6 bytes (por ejemplo, 05:02:01:06:2B:4C). En esta dirección, el bit menos significativo del primer byte indica si la dirección es unicast (dirigida a un único destinatario) o multicast (dirigida a un grupo de destinatarios). La dirección de broadcast, que se dirige a todos los dispositivos de la red, es FF:FF:FF:FF:FF:FF.

Equipos de interconexión

En una red se emplean diversos equipos de interconexión, cada uno operando en un nivel diferente del modelo de referencia.

El repetidor opera en el nivel físico y regenera la señal para extender la cobertura de una red local, compensando el ruido introducido por el medio de transmisión. Existen también repetidores pasivos que no regeneran la señal, sino que simplemente la amplifican.

El puente (bridge) opera en la capa de enlace y filtra el tráfico entre puertos, dividiendo la red en segmentos. Asocia direcciones MAC a puertos, lo que le permite reenviar mensajes únicamente al puerto correspondiente según la dirección MAC de destino. Si desconoce la dirección MAC de destino o si se trata de una dirección de broadcast, actúa como un repetidor y retransmite el mensaje por todos los puertos excepto el de origen.

El router opera en el nivel de red y toma decisiones sobre el puerto de salida y los nodos subsiguientes en la ruta. Para ello, debe disponer de conocimiento sobre la topología de la red.

El conmutador (switch) funciona en los niveles de enlace de datos y red. Realiza un mapeo entre direcciones IP y puertos de salida, lo que le permite determinar con precisión el puerto por el cual debe reenviarse cada mensaje, aumentando la eficiencia de la red al evitar transmisiones innecesarias.

La pasarela (gateway) opera en niveles superiores a la capa de red y se encarga de la traducción entre dos dominios de red diferentes, facilitando la comunicación entre redes que utilizan protocolos o arquitecturas distintas.

Modelo TCP/IP

El modelo TCP/IP se compone de cuatro capas. La capa de aplicación facilita la comunicación entre procesos o aplicaciones que se ejecutan en terminales separados, proporcionando servicios directamente utilizados por las aplicaciones. La capa de transporte (o extremo a extremo) ofrece un servicio de transferencia de datos de extremo a extremo, garantizando que los datos se entreguen de manera confiable y en el orden correcto. La capa de Internet se ocupa del enrutamiento de los datos desde su origen hasta su destino a través de redes interconectadas por dispositivos de enrutamiento. La capa de acceso a la red se relaciona con la interfaz lógica entre un sistema final y una subred, asegurando que los datos se transmitan correctamente en el nivel más básico de la red.

TCP/IP frente a OSI

El modelo OSI especifica de forma precisa qué funciones pertenecen a cada uno de sus niveles, mientras que los niveles de TCP/IP contienen protocolos relativamente independientes que pueden solaparse o combinarse según las necesidades del sistema. TCP/IP se estableció antes que OSI, por lo que el coste de migración resultaría elevado. De hecho, Internet se construye sobre el conjunto de protocolos TCP/IP, lo que ha consolidado su posición como estándar de facto en las comunicaciones globales.

Enfoques cross-layer y layer-less

En el enfoque cross-layer no se respeta la regla de que los protocolos de capas superiores utilicen exclusivamente los servicios de las capas inferiores. Se permite una comunicación directa entre protocolos de capas no contiguas, incluyendo el intercambio de variables entre ellas, lo que puede mejorar el rendimiento en determinados escenarios.

En el concepto layer-less se busca consolidar el diseño de manera que cada vez más funciones sean realizadas por una misma capa, lo que conduce a una reducción progresiva del número de niveles en el modelo de comunicación.

Redes de telecomunicación

Internet: arquitectura de la red

Internet es una red descentralizada compuesta por la interconexión de diversas redes mediante routers y otros elementos clave.

Los hosts son los dispositivos finales —computadoras personales, dispositivos móviles, servidores y otros equipos— que necesitan conectarse a través de la red. Se vinculan a redes locales (LAN) y redes de área amplia (WAN). Los routers son dispositivos fundamentales que permiten la interconexión de redes entre sí y se encargan de encaminar los paquetes de datos de manera eficiente.

Los proveedores de servicio de Internet (ISP) son empresas que brindan acceso a Internet. Operan grupos de servidores conectados mediante enlaces de alta velocidad y asignan direcciones IP a sus clientes. Para mantener la conectividad, disponen de equipos y enlaces de telecomunicación organizados en puntos de presencia (POP), que marcan la frontera de la red del ISP y constituyen los puntos donde se establecen las conexiones con los clientes.

Los puntos de acceso a la red (NAP o IXP) son servicios públicos que ofrecen conmutación a gran escala, facilitando la interconexión entre diversas redes. Los proveedores de servicio de red (NSP) son empresas que proporcionan a los ISP la infraestructura de telecomunicaciones necesaria; en algunos casos, una misma empresa puede operar simultáneamente como ISP y NSP.

Capa IP

La capa IP (Internet Protocol) es fundamental en el funcionamiento de Internet. Se caracteriza por ser no orientada a la conexión y se encarga de fragmentar y ensamblar los datos en datagramas. Cada datagrama contiene información de control en su cabecera y el payload, que es la información útil que se está transmitiendo.

GSM: problemática de las redes móviles

Las redes móviles presentan una serie de desafíos específicos que deben abordarse de manera eficiente. La movilidad de los dispositivos exige la transmisión a través de enlaces de radio, y el espectro radioeléctrico disponible es limitado, lo que puede dar lugar a interferencias que afectan la calidad de la comunicación. La potencia de transmisión de los dispositivos terminales es un factor crítico: si no es adecuada, puede resultar en una cobertura insuficiente o conexiones de baja calidad.

Para brindar cobertura en un área extensa, el territorio se divide en celdas y se instala una estación base en cada una de ellas. La eficiente gestión de estas estaciones resulta esencial para garantizar una conectividad adecuada. La organización en sistemas celulares implica la reutilización de canales considerando las interferencias cocanal, lo que añade un desafío adicional en la asignación eficiente de recursos.

Geometría de las celdas

El diseño geométrico de las celdas en las redes móviles es un aspecto crucial para garantizar un servicio confiable. Se persiguen tres objetivos fundamentales: eliminar los solapamientos entre celdas para evitar interferencias y problemas de calidad de señal, asegurar la ausencia de zonas de sombra (áreas sin cobertura) y maximizar el área de cobertura de cada celda sin comprometer la calidad de la señal, lo que implica una distribución estratégica de estaciones base y antenas.

Reutilización de los canales

La reutilización de canales es una práctica esencial para gestionar eficazmente el espectro de frecuencia disponible. La asignación cuidadosa de canales de frecuencia garantiza que las celdas cercanas no utilicen los mismos canales, reduciendo las interferencias y mejorando la capacidad de la red. Para minimizar las interferencias cocanal, se emplean estrategias inteligentes de reutilización que permiten un aprovechamiento más efectivo del espectro disponible.

Handover

El handover (HO) es un proceso esencial en las redes móviles que consiste en el cambio de canal durante una conexión activa. Este cambio puede producirse por diversas razones: el desplazamiento del dispositivo móvil a una nueva celda, una disminución en la potencia de la señal recibida o una redistribución del tráfico en la red. La transferencia puede realizarse con continuidad en la comunicación (handover suave o soft HO) o con una breve interrupción (handover brusco o hard HO).

El proceso comprende tres etapas: la detección de la condición que requiere la transferencia, la búsqueda del canal de destino óptimo para mantener la calidad de la comunicación y la ejecución de la transferencia entre canales de forma eficiente.

Roaming

El roaming es el conjunto de procedimientos que permiten que un terminal móvil establezca una conexión en cualquier ubicación dentro del área de cobertura del sistema, independientemente de su posición geográfica. Para ello, se define un área de localización conjunta, que comprende un conjunto de celdas controladas por una central de conmutación móvil.

Durante el proceso de roaming, cada dispositivo móvil realiza un registro de localización, enviando un mensaje a la red para que esta lo ubique en un área de localización específica. Además, se implementa el proceso de radiobúsqueda o paging, que consiste en el envío de mensajes a todas las celdas dentro de un área de localización con el objetivo de establecer una conexión con un dispositivo móvil concreto. Este mecanismo garantiza que los dispositivos puedan mantener una comunicación ininterrumpida mientras se desplazan.

Seguridad y privacidad en redes móviles

En las redes móviles, la seguridad y la privacidad se abordan mediante dos procedimientos fundamentales. La autenticación permite que la red verifique la identidad del usuario móvil, previniendo intentos de suplantación o acceso no autorizado. El cifrado protege la información transmitida mediante algoritmos criptográficos, evitando que sea accesible para terceros no autorizados y asegurando la confidencialidad de los datos.

Arquitectura del sistema GSM

El sistema GSM (Global System for Mobile Communications) se compone de varios elementos que desempeñan funciones esenciales en su operación.

La estación móvil (MS) es el terminal utilizado por el usuario. Contiene la tarjeta SIM, que almacena el número de teléfono, la agenda y los mensajes SMS, entre otros datos. Además, incluye el equipo móvil (ME) con el número IMEI, un identificador único asociado a cada terminal.

El subsistema de estación base (BSS) consta de dos componentes. La estación base (BTS) incluye antenas, líneas de transmisión, amplificadores, filtros y otros equipos que permiten la comunicación inalámbrica con los dispositivos móviles. El controlador de estación base (BSC) supervisa y gestiona las estaciones base, ejecutando las órdenes de la central de conmutación móvil (MSC) a la que está conectado.

El subsistema de conmutación de red (NSS) está compuesto por varios elementos. El centro de conmutación móvil (MSC) se encarga del enrutamiento de llamadas, las transferencias, la itinerancia (roaming) y la interconexión con otras redes. El registro de localización de hogar (HLR) es una base de datos que almacena la información de los usuarios de la red. El registro de localización visitante (VLR) contiene una copia de la información del HLR y se accede desde la MSC. El centro de autenticación (AuC) almacena los algoritmos y las claves de cifrado utilizados para la autenticación y la seguridad de la red. El registro de identidad de equipos (EIR) contiene los IMEI de todos los dispositivos móviles registrados en la red.

El centro de operaciones y mantenimiento (OMC) desempeña un papel vital al obtener informes de funcionamiento, gestionar alarmas y generar estadísticas para el monitoreo y mantenimiento continuo de la red.