Medidas de Seguridad en WiFi

- Emplear las mismas herramientas que los intrusos: realizar la misma actividad, pero para el “lado bueno”, es decir realizar controles periódicos con “Netstumbler”, Escuchar tráfico e intentar obtener información trivial con “Kismet” o “AirSnort”, medir potencias irradiadas con cualquier tarjeta desde los perímetros de la red

- Mejorar la seguridad física.

- Cancelar puertos que no se emplean.

- Limitar el número de direcciones MAC que pueden acceder. Esta actividad se realiza por medio de ACLs (Access List Control) en los AP, en las cuales se especifica (a mano) las direcciones MAC de las tarjetas a las que se les permitirá el acceso, negando el mismo a cualquiera que no figure en ellas. Cabe aclarar que es tremendamente fácil falsificar una dirección MAC (Ej: en los SSOO Linux es simplemente el comando “ifconfig”).

- Ya no se menciona el tema de cancelar la tramas Beacon en los AP, pues cualquier sistema de escucha, por más que no capture la trama Beacon, al capturar la trama PROVE REQUEST del cliente, o la trama PROVE RESPONSE del AP, en ellas también viaja el ESSID.

- Satisfacer la demanda: Si se están empleando AP no autorizados por parte de los empleados, es porque les resulta útil, por lo tanto, se pueden adoptar las medidas para que se implanten, pero de forma segura y controlada, de otra forma, seguirán apareciendo, pero de forma clandestina.

- Controle el área de transmisión: muchos puntos de acceso inalámbrico permiten ajustar el poder de la señal. Coloque sus puntos de acceso tan lejos como sea posible de las paredes y ventanas exteriores. Pruebe el poder de la señal para que usted únicamente pueda conectarse a estos sitios. Luego, asegúrese de cambiar la contraseña predeterminada en todos los puntos de acceso. Utilice una contraseña fuerte para proteger todos los puntos de acceso.

- Implemente la autenticación de usuario: Mejore los puntos de acceso para usar las implementaciones de las normas WPA y 802.11i.

- Proteja la WLAN con la tecnología “VPN Ipsec” o tecnología “VPN clientless”: esta es la forma más segura de prestar servicios de autenticación de usuario e integridad y confidencialidad de la información en una WLAN. La tecnología adicional VPN no depende del punto de acceso o de la tarjeta LAN inalámbrica; por consiguiente, no se incurren en costos adicionales de hardware puesto que las normas de seguridad inalámbrica continúan evolucionando.

- Active el mayor nivel de seguridad que soporta su hardware: incluso si tiene un equipo de un modelo anterior que soporta únicamente WEP, asegúrese de activarlo. En lo posible, utilice por lo menos una WEP con un mínimo de encriptación de 128 bits.

- Instale firewalls personales y protección antivirus en todos los dispositivos móviles: la Alianza WiFi recomienda utilizar la política de seguridad de redes corporativas para imponer su uso continuo.

- Adquiera equipamiento que responda a los estándares y certificado por “WiFi Alliance”.

Problemas concretos de Seguridad en WiFi

Puntos ocultos: Este es un problema específico de las redes inalámbricas, pues suele ser muy común que los propios empleados de la empresa por cuestiones de comodidad, instalen sus propios puntos de acceso. Este tipo de instalaciones, si no se controlan, dejan huecos de seguridad enormes en la red. El peor de estos casos es la situación en la cual un intruso lo deja oculto y luego ingresa a la red desde cualquier ubicación cercana a la misma. La gran ventaja que queda de este problema es que es muy fácil su identificación siempre y cuando se propongan medidas de auditorías periódicas específicas para las infraestructuras WiFi de la empresa, dentro del plan o política de seguridad.

Falsificación de AP: Es muy simple colocar una AP que difunda sus SSID, para permitir a cualquiera que se conecte, si sobre el mismo se emplean técnicas de “Phishing”, se puede inducir a creer que se está conectando a una red en concreto. Existen varios productos ya diseñados par falsificar AP, en la terminología WiFi se los suelen llamar “Rogue AP” o Fake AP”, el más común es un concocido srcipt en Perl denominado justamente “FakeAP”, que envía Beacons con diferentes ESSID y difernetes direcciones MAC con o sin empleo de WEP.

Deficiencias en WEP (Características lineales de CRC32): Esta característica fue demostrada en teoría por Nikita Borisov, Ian Goldberg y David Wagner. El ICV permite verificar la integridad de un mensaje, por lo tanto, el receptor aceptará el mensaje si su ICV es válido (Recuerdo que es un simple CRC32). Esto presenta dos problemas:

- El CRC es independiente de al clave empleada.

- Los CRC son lineales CRC (m?k) = CRC (m) ? CRC (k). En virtud de esta linealidad, se puede generar un ICV válido. Un atacante debe interceptar un mensaje (conocido o no) y modificarlo en forma conocida para generar un mensaje m`, operando sobre el mismo obtendrá un paquete que será aceptado por el receptor.

ICV independiente de la llave: Esta característica fue demostrada en teoría por David Wagner. Nuevamente se trata el ICV, el cual se calcula previamente a comenzar el proceso criptográfico, por lo tanto no depende de la clave ni del IV. Esta debilidad da lugar a que conocido el texto plano de un solo paquete encriptado con WEP, sea posible inyectar paquetes en la red.

Tamaño de IV demasiado corto: El IV tiene 24 bits de longitud (224 = 16.777.216) y viaja como texto plano. Un punto de acceso que opere con grandes volúmenes de tráfico comenzará a repetir este IV a partir de aproximadamente 5 horas. Esta repetición hace que matemáticamente se pueda operar para poder obtener el texto plano de mensajes con IV repetido (sin gran nivel de dificultad). El estándar especifica que el cambio de IV es opcional, siendo un valor que empieza con cero y se va incrementando en uno.

Deficiencias en el método de autenticación: Si un atacante captura el segundo y tercer mensaje de administración en una autenticación mutua. El segundo posee el desafío en texto plano y el tercero contiene el mensaje criptografiado con la clave compartida. Con estos datos, posee todos los elementos para autenticarse con éxito sin conocer el secreto compartido (Con esto sólo logra autenticarse, luego queda el acceso a la red).

Debilidades en el algoritmo key Scheduling de RC4: scott Fluhrer, Itsik Mantin y Adi Shamir publicaron en Agosto del 2001 la demostración teórica de la vulnerabilidad más devastadora de las existentes hasta ahora en la encriptación WEP. Adam Stubblefield, un trabajador de AT&T Labs, fue la primera persona que implementó este ataque con éxito.

Demostraron que usando sólo la primera palabra de un keystream, podían obtener información de la clave secreta compartida. Se buscan IVs que causen que no haya información de la llave en el keystream. Los autores llamaron a esta condición “resolved condition” o condición resuelta.El número de paquetes que se necesitan recolectar antes de descubrir un byte de la llave varía en función de en que valor se encuentre el contador de IV’s de las tarjetas que se estén monitorizando. Hay 9.000 IV's débiles en los 16 millones de IV's posibles.

h. Debilidad en WPA: Un estudio realizado por Robert Moskowitz, director de ICSA Labs, indica que el sistema utilizado por WPA para el intercambio de la información utilizada para la generación de las claves de cifrado es muy débil. Según este estudio, WPA en determinadas circunstancias es incluso más inseguro que WPE. Cuando las claves preestablecidas utilizadas en WPA utilizan palabras presentes en el diccionario y la longitud es inferior a los 20 caracteres, el atacante sólo necesitará interceptar el tráfico inicial de intercambio de claves. Sobre este tráfico, realizando un ataque de diccionario, el atacante puede obtener la clave preestablecida, que es la información necesaria para obtener acceso a la red. Es decir, a diferencia de WEP en que es necesario capturar un volumen significativo de tráfico para poder identificar las claves, en WPA únicamente capturando el tráfico de intercambio de claves para poder realizar este ataque de diccionario. No es un problema nuevo, pues fue apuntado durante la verificación inicial del protocolo. Es solo una muestra que una implementación inadecuada puede afectar negativamente cualquier sistema de cifrado. Como hemos indicado, el problema solo es explotable bajo una serie de circunstancias muy concretas. Este problema puntual no es, en absoluto, una indicación de la debilidad de WPA. Únicamente es un recordatorio de la necesidad de utilizar claves convenientemente largas y que incluyan caracteres especiales.

Los estandares 802.11

WiFi (Wireless Fidelity) es un nombre comercial desarrollado por un grupo de comercio industrial llamado WiFi Alliance (Inicalmente: 3Com – Aironet [hoy parte de CISCO] – Harris – Lucent – Nokia y Symbol technologies, hoy más de 150 miembros), el nombre “oficial” de esta alianza es WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) y son los primeros responsables de 802.11b.

WiFI describe los productos de WLAN basados en los estándares 802.11 y está pensado en forma más “Amigable” que la presentación eminentemente técnica que ofrece IEEE. Se podría llegar a discutir si cubre o no todo lo que ofrece 802.11 o no, pues alguno de ellos podría ser puesto en duda, pero a los efectos de este texto, se hará más referencia a lo que establece 802.11, sin detenerse en estas diferencias.

El estándar 802.11 de IEEE se publica en junio 1997, luego de seis años de proceso de creación. Propone velocidades de 1 y 2Mbps y un rudimentario sistema de cifrado (el WEP:Wired Equivalent Privacy), opera en 2,4 GHz con RF e IR. Aunque WEP aún se sigue empleando, ha sido totalmente desacreditado como protocolos seguro.

En septiembre de 1999 salen a la luz el estándar 802.11b que ofrece 11Mbps y el 802.11a que ofrece 54 Mbps, si bien los productos de la primera aparecieron en el mercado mucho antes.

Modo turbo: Algunos fabricantes ofrece velocidades de 72 e incluso 108 Mbps. Estos procesos, lo logran mediante la “Vinculación de canales”, es decir, dos canales son multiplexados juntos empleando el total de velocidad de la suma de ambos. Esto si bien es favorable aparentemente, tiene las desventajas de no respetar el estándar y de sacrificar la mitad de los canales de 802.11a.

La familia 802.11, hoy se encuentra compuesta por los siguientes estándares:

802.11a: (5,1-5,2 Ghz, 5,2-5,3 Ghz, 5,7-5,8 GHz), 54 Mbps. OFDM: Multiplexación por división de frecuencias ortogonal

802.11b: (2,4-2,485 GHz), 11 Mbps.

802.11c: Define características de AP como Bridges.

802.11d: Múltiples dominios reguladores (restricciones de países al uso de determinadas frecuencias).

802.11e: Calidad de servicio (QoS).

802.11f: Protocolo de conexión entre puntos de acceso (AP), protocolo IAPP: Inter Access Point Protocol.

802.11g: (2,4-2,485 GHz), 36 o 54 Mbps. OFDM: Multiplexación por división de frecuencias ortogonal. Aprobado en 2003 para dar mayor velocidad con cierto grado de compatibilidad a equipamiento 802.11b.

802.11h: DFS: Dynamic Frequency Selection, habilita una cierta coexistencia con HiperLAN y regula también la potencia de difusión.

802.11i: Seguridad (aprobada en Julio de 2004).

802.11j: Permitiría armonización entre IEEE (802.11), ETSI (HiperLAN2) y ARIB (HISWANa).

802.11m: Mantenimiento redes wireless.

Quizás el tema más importante a destacar es la posibilidad de expansión de 802.11. El incremento constante de mayores velocidades, hace que los 11 Mbps de 802.11b, estén quedando pequeños. La migración natural es hacia 802.11g, pues sigue manteniendo la frecuencia de 2,4GHz, por lo tanto durante cualquier transcición en la que deban convivir, ambos estándares lo permiten. En cambio si se comienzan a instalar dispositivos 802.11a, los mismos no permiten ningún tipo de compatibilidad con 802.11b, pues operan en la banda de 5 GHz.

Para acotar únicamente el tema de seguridad, se tratarán sólo 802.11a, b g y 802.11i.

Hoy en día se puede decir que existen tres estándares de WLAN:

-HomeRF: Es una inciativa lanzada por Promix, principalmente en EEUU y orientada exclusivamente al mercado residencial. Tiene sus bases en los estándares de teléfono digital inalámbrico mejorado (DECT)

- BlueTooth: Lo inició IBM, orientado al mercado comercial/ventas, y a la interconectividad de elementos de hardware. En realidad no compite con 802.11, pues tiene la intención de ser una estándar con alcance nominal de 1 a 3 metros y a su vez no supera los 1,5 Mbps

- 802.11: Cubre todo el espectro empresarial.

Una iniciativa que se debe mencionar también es HiperLAN en sus versiones 1 y 2. Se trata de una verdadera analogía inalámbrica para ATM. Fue un competidor de 802.11 que opera en la frecuencia de 5 GHz y gozó del apoyo de compañías como Ericsson, Motorola, Nokia; Panasonic y Sony, se llegaron a crear regulaciones por parte de ETSI al respecto, pero no se logró imponer y hoy en día está prácticamente en desuso. En lo particular me hace acordar mucho a la batalle que hubo entre ATM y Ethernet (Fast ethernet, giga ethernet....).

Definiciones a tener en cuenta:

Access control: Es la prevención del uso no autorizado de recursos.

Access Point (AP): Cualquier entidad que tiene funcionalidad de estación y provee acceso a servicios de distribución vía wireless medium (WM) para estaciones asociadas.

Ad Hoc network: red wireless compuesta únicamente por estaciones con iguales derechos.

Portal: punto lógico desde el cual se conecta una red wireless con una no wireless.

Station (STA): cualquier dispositivo que cumple con un nivel MAC conforme a 802.11 y un nivel físico que posee una interfaz wireless.

Portable station: estación que puede ser movida de ubicación, pero que solo puede Tx o Rx en estado fijo.

Movile station: Estación que permite Tx o Rx en movimiento.

Modelo de capas de 802.11

La capa física de 802.11:

La capa física la componen dos subcapas: -PLCP (Physical Layer Convergence Protocol): Se encarga de codificación y modulación.

• Preámbulo (144 bits = 128 sincronismo + 16 inicio trama).
• HEC (Header Error Control): CRC 32
• Modulación (propagación) DSSS o FHSS o IR.
• PMD (Physical Medium Dependence): Es la que crea la interfaz y controla la comunicación hacia la capa MAC (a través del SAP: Service Access Point)

Este nivel lo conforman dos elementos principales:

• Radio: Recibe y genera la señal.
• Antena: Existe una gran variedad y no será tratado en este texto.

El estándar 802.11 define en el punto 12 del mismo todas las especificaciones de servicio para este nivel, las cuales no serán tratadas en este texto. Hay algunos aspectos físicos que vale la pena profundizar para la comprensión de WiFi, de los cuales se recomienda especialmente:

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) para la banda de 2,4 GHz (ISM: Industrial, Scientific and Medical band) en el punto 14 de la recomendación.

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum para 2,4 GHz, en el punto 15.

IR (InfraRed), en el punto 16.

NOTA: Aunque esto no forma parte de los conceptos de WiFi, cuando se habla de transmisión, se deben diferenciar tres palabras:

Modulación: Es el método de emplear una señal portadora y una moduladora (que da forma a la anterior). Cada una de ellas puede ser analógica o digital, con lo cual se obtienen cuatro posibles combinaciones de portadora y moduladora (AA – AD – DA y DD), con las cuales se conforman todas las técnicas de modulación. WiFi en la mayoría de los casos emplea la técnica QAM (Modulación en cuadratura de Fases con más de un nivel de amplitud).

Propagación: Es la forma en la cual “van saliendo” las señales al aire. Aquí es donde verdaderamente se aplican las técnicas de DHSS y FHSS. SS (Spread Spectrum) es la técnica de emplear muchas subportadoras de muy baja potencia con lo cual se “expande” el espectro útil. En cuanto a DH y FH El ejemplo típico que se emplea para estas técnicas es la analogía con una terminal de trenes, en la cual existen varios andenes. Para DH, los trenes estarían saliendo, primero el andén 1, luego el 2, a continuación el 3, 4, 5... y así sucesivamente, respetando siempre este orden. Para FH, la salida de los trenes no respeta el orden y puede ser aleatoria o acorde a un patrón determinado (WiFi hace un muy buen uso de esto, pues en las subportadoras que recibe mucha interferencia no las usa o emplea menos cantidad de bits en las mismas).

Codificación: Es la asociación de bit a cada “muestra” que se obtiene. WiFi en la mayoría de los casos emplea el código Barker.

La capa de enlace de 802.11

Respetando el modelo OSI, en este texto se agrupará en el nivel de enlace, los dos subniveles que lo conforman (MAC: Medium Access Control y LLC: Logical Link Control). Desde el punto de vista de 802.11, solo interesa hacer referencia al subnivel MAC.

Capa MAC: Controla el flujo de paquetes entre 2 o más puntos de una red Emplea CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access / Collision avoidance. Sus funciones principales son:

Exploración: Envío de Beacons que incluyen los SSID: Service Set identifiers O también llamados ESSID (Extended SSID), máximo 32 carateres.

Autenticación: Proceso previo a la asociación. Existen dos tipos:

Autenticación de sistema abierto: Obligatoria en 802.11, se realiza cuando el cliente envía una solicitud de autenticación con su SSID a un AP, el cual autorizará o no. Este método aunque es totalmente inseguro, no puede ser dejado de lado, pues uno de los puntos más fuertes de WiFi es la posibilidad de conectarse desde sitios públicos anónimamente (Terminales, hoteles, aeropuertos, etc.).

Autenticación de clave compartida: Es el fundamento del protocolo WEP (hoy totalmente desacreditado), se trata de un envío de interrogatorio (desafío) por parte del AP al cliente.

Asociación: Este proceso es el que le dará acceso a la red y solo puede ser llevado a cabo una vez autenticado

Seguridad: Mediante WEP, con este protocolo se cifran los datos pero no los encabezados.

RTS/CTS: Funciona igual que en el puerto serie (RS-232), el aspecto más importante es cuando existen “nodos ocultos”, pues a diferencia de Ethernet, en esta topología SÍ pueden existir nodos que no se escuchen entre sí y que solo lleguen hasta el AP, (Ej: su potencia está limitada, posee un obstáculo entre ellos, etc), en estos casos se puede configurar el empleo de RTS/CTS. Otro empleo importante es para designar el tamaño máximo de trama (en 802.11 Es: mínimo=256 y máximo=2312 Bytes).

Modo ahorro de energía: Cuando esta activado este modo, el cliente envió previamente al AP una trama indicando “que se irá a dormir”, El AP, coloca en su buffer estos datos. Se debe tener en cuenta que por defecto este modo suele estar inactivo (lo que se denomina Constant Awake Mode: CAM).

Fragmentación: Es la capacidad que tiene un AP de dividir la información en tramas más pequeñas.

Topología WiFi

802.11 presenta dos topologías:

• Ad Hoc (o peer to peer): Dos o más clientes que son iguales entre ellos.
• Infraestructura: Red centralizada a través de uno o más Access Point (AP).

Descripción general de componentes de las mismas:

BSS (Basic Service Set): Es el bloque básico de construcción de una LAN 802.11. En el caso de tratarse de únicamente 2 estaciones ser denomina IBSS (Independent BSS), es lo que a menudo se denomina “Ad Hoc Netwok”.

DS (Distribution System): Es la arquitectura que se propone para interconectar distintos BSS. El AP es el encargado de proveer acceso al DS, todos los datos que se mueven entre BSS y DS se hacen a través de estos AP, como los mismos son también STA, son por lo tanto entidades direccionables.

ESS (Extended Service Set): Tanto BSS como DS permiten crear wireless network de tamaño arbitrario, este tipo de redes se denominan redes ESS.

La integración entre una red 802.11 y una No 802.11 se realiza mediante un Portal. Es posible que un mismo dispositivo cumpla las funciones de AP y Portal.

Dispositivos Bluetooth

El estándar Bluetooth es una especificación para redes WPAN (Wireless Personal Area Network). En realidad, no se plantea como una alternativa real a las redes WLAN propiamente dichas, sino más bien como un sustituto del cable en las conexiones de corta distancia. A pesar de que los productos basados en el estándar Bluetooth podrían ser capaces de funcionar con mayores alcances, su área de trabajo se limita normalmente a unos 10 m.

El estándar se basa en tecnología FHSS, empleando una señal de 1 MHz que cambia de frecuencia central a una tasa de 1600 Hz en la banda de 2,4 GHz. El ancho de banda total ocupado es de 79 MHz. El principal potencial de Bluetooth es que ofrece bajo coste, pequeño tamaño (un solo chip) y bajo consumo de potencia. Adicionalmente, tiene la capacidad de funcionar en entornos radioeléctricos ruidosos con buenas tasas de transmisión. Estas características, junto con el hecho de soportar tráfico de voz y de datos en tiempo real, convierten a Bluetooth en una tecnología inalámbrica muy atractiva para PDAs, periféricos, teléfonos móviles y otros dispositivos de electrónica de consumo. En la actualidad hay miles de compañías desarrollando o trabajando en productos basados en esta especificación.

La primera versión de Bluetooth, la que implementan los circuitos disponibles actualmente, puede transferir datos de forma asimétrica a 721 kbit/s y simétricamente a 432 kbit/s. Para transmitir vídeo es necesario comprimirlo en formato MPEG-4 y usar 340 kbit/s para conseguir refrescar 15 veces por segundo una pantalla VGA de 320x240 puntos. Dependiendo de las distancias que se desean cubrir, las potencias de emisión se sitúan en 1 mW para 10 m y en 100 mW para 100 m.
Dado que los equipos Bluetooth trabajan en la banda de 2,4 GHz, constituyen una importante fuente de interferencia para los equipos 802.11b y viceversa. Los dispositivos Bluetooth necesitan 79 MHz de ancho de banda en la banda ISM para poder funcionar correctamente, mientras que los equipos 802.11b requieren de 16 MHz, por lo que no es posible que puedan funcionar ambos productos simultáneamente en una misma zona sin ningún tipo de interferencia. En la práctica, sus tasas de transmisión se verán reducidas como consecuencia de los efectos interferentes.

Radio módems

Cualquier tipo de módem (MOdulador/DEModulador) se encarga de convertir un flujo de datos digitales banda base en una señal analógica apropiada para ser transmitida sobre el medio, y viceversa. La principal diferencia entre un radio módem y un módem de cable se refiere a la aplicación a la que se destina. De este modo, los módems de cable están preparados para conectarse a redes de cable como pueda ser la red telefónica conmutada o una red híbrida de fibra óptica y coaxial (HFC). Por su parte, los radio módems están destinados a aplicaciones en las cuales sea necesario transmitir la señal vía radio, como por ejemplo interconexión de ordenadores a través de LAN o MAN inalámbricas, sistemas MMDS o LMDS, envío y recepción de mensajes o faxes a través de GSM, telemetría, localización automática de vehículos, vending, etc. En la figura 1 se muestra una aplicación típica de acceso a Internet a través del sistema MMDS.

Fig. 1. Acceso inalámbrico a internet usando MMDS/MDS.

Así pues, los radio módems deben estar preparados para transmitir sobre un entorno más hostil que el cable, a menudo sujeto a desvanecimientos, propagación multicamino (multipath) o interferencias. Esto obliga a emplear mecanismos de modulación distintos a los empleados en los módems de cable. Al mismo tiempo, dado que en algunos casos es necesario dotar de movilidad al dispositivo, aparecen nuevos problemas como el tamaño o la autonomía del dispositivo. Para la transmisión, los radio módems disponibles comercialmente suelen utilizar las bandas ISM de 900 MHz (902-928 MHz), 2,4 GHz (2400-2483,5 MHz) y 5,8 GHz (5725-5850 MHz).

Características de un radio módem

Los módems de cable tienen su propio estándar, DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification), pero éste no incluye a los sistemas inalámbricos. Los radio módems requieren una serie de modificaciones y mejoras para que puedan funcionar correctamente. A continuación se comentan algunas de ellas:

1) Bandas de frecuencia:
Los módems típicos para transmitir sobre el par telefónico utilizan portadoras que se acomodan dentro de los 4 kHz de ancho de banda telefónico, si exceptuamos los modernos módems ADSL. Los módems de cable, por su parte, utilizan frecuencias que se solapan con los canales VHF y UHF de difusión de televisión. Sin embargo, los radio módems suelen utilizar frecuencias superiores que gozan de licencia para transmisiones inalámbricas. En la figura 2 se muestran precisamente cuáles son estas bandas de frecuencia. Normalmente, se emplea un conversor de frecuencia para colocar los canales de FI del radio módem en estas bandas. Además, son típicos esquemas de multiplexación conjuntos FDMA/TDMA de forma similar a como se realiza en el sistema de telefonía celular GSM para compartir de forma eficiente el espectro radioeléctrico entre un conjunto de usuarios. De este modo, sobre cada subcanal radio (FDMA) se transmiten diferentes slots de tiempo (TDMA).

Fig. 2. Bandas de frecuencia de sistemas inalámbricos.

2) Tolerancia de frecuencia y seguimiento de la portadora:
En un sistema de cable, la frecuencia de la señal del módem de cable es idéntica a la que debe demodularse en la cabecera de red. Si se produce una desviación de frecuencia de 30 ppm, lo cual supone 600 Hz para una portadora de 20 MHz, la señal todavía se encuentra lo suficientemente centrada y puede demodularse correctamente. Sin embargo, en un sistema inalámbrico las frecuencias se convierten a las bandas MDS, y una tolerancia de 30 ppm se traduce en un desplazamiento de hasta 64 kHz. Un modulador típico tendría dificultades para recuperar la señal, ya que el estándar DOCSIS especifica que la portadora debe encontrarse dentro de un ancho de banda de 30 kHz. Para corregir este problema, los radio módems implementan un mecanismo de búsqueda y seguimiento de la portadora por medio de bucles de enganche de fase, comúnmente conocidos como PLLs, y que siguen la señal en rangos de 30 a 150 kHz.

3) Potencia transmitida y margen dinámico:
Cualquier demodulador posee un margen dinámico limitado en el que puede funcionar correctamente. La señal del enlace de subida debe estar contenida dentro del margen dinámico del demodulador de cabecera. Esto incluye variaciones en el nivel de potencia de la señal debidas a la ganancia de las antenas, desvanecimientos por vegetación o precipitaciones y efecto multicamino. Los módems DOCSIS se especifican con un rango de 12 dB de tolerancia, mientras que los radio módems poseen un margen superior: típicamente 20 dB. Adicionalmente, es necesario ejecutar un algoritmo inicial para que el radio módem localice el nivel de potencia adecuado para comenzar a funcionar. Téngase en cuenta que este nivel es muy dependiente de las características del entorno donde vaya a trabajar.

4) Ecualización:
Como ya se ha comentado con anterioridad, durante la propagación, la señal radio sufre variaciones de amplitud y de fase que es necesario corregir en el receptor. Estos cambios deben corregirse y compensarse dinámicamente. Es por ello que los radio módems disponen de ecualizadores en tiempo real que modifican su ganancia o introducen retardos de forma dinámica en función de las condiciones del medio. Normalmente se implementan por medio de procesadores digitales de señal (DSPs). Para realizar las correcciones, es necesario disponer de alguna señal de referencia en el receptor. En el caso del estándar GSM, se transmite periódicamente una secuencia de bits conocida que se utiliza para calcular los coeficientes del filtro adaptativo del ecualizador.

5) Efecto multicamino:
La propagación multicamino no existe en los sistemas de cable, sin embargo, en los sistemas de radiocomunicaciones se convierte en uno de los principales problemas. Se produce como consecuencia de reflexiones de la señal que se combinan a la entrada de la antena y que dan lugar a degradaciones en el nivel de potencia o distorsión de la señal. En particular, un camino secundario de la señal ligeramente mayor puede ocasionar la cancelación completa del trayecto principal. En los radio módems aun es más perjudicial, puesto que como suelen disponer de movilidad, es posible que en ciertas posiciones se produzca la reflexión en algún obstáculo inesperado.

6) Esquemas de modulación:
Además de las distintas características mencionadas anteriormente, la principal diferencia de los radio módems se refiere a los esquemas y velocidades de modulación utilizados. Normalmente, se utiliza modulación QPSK para el enlace de subida y modulaciones 16QAM o 64QAM para el enlace de bajada. Conforme disminuye la complejidad de la modulación, se consigue una mayor inmunidad frente a desvanecimientos y efecto multicamino, aunque a costa de reducirse la tasa de transmisión. Lo mismo ocurre con la velocidad de modulación. Además, menores velocidades suponen anchos de banda inferiores, lo cual afecta a la sensibilidad de la cabecera y, por lo tanto, al alcance del sistema. En particular, las modulaciones de fase son más adecuadas para la propagación de señales sobre entornos radio. La modulación QPSK es la más robusta, necesitando únicamente de una relación señal a ruido de 13 dB. Por otro lado, la modulación 64QAM consigue una eficiencia espectral tres veces superior, aunque a costa de necesitar una relación señal a ruido de 27 dB para conseguir la misma probabilidad de error (BER). En la figura 3 se representan las constelaciones de las técnicas de modulación QPSK y 16QAM, junto con la codificación que corresponde a cada símbolo transmitido. Obsérvese que conforme aumenta el número de símbolos para una misma potencia transmitida, aumenta la probabilidad de error como consecuencia de que se encuentran más próximos entre sí y son más difíciles de discernir en presencia de ruido.

Fig. 3. Constelaciones de las modulaciones QPSK y 16QAM con codificación Gray.

Tipos de fibra óptica

Básicamente, existen dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo. La fibra óptica multimodo es adecuada para distancias cortas, como por ejemplo redes LAN o sistemas de videovigilancia, mientras que la fibra óptica monomodo está diseñada para sistemas de comunicaciones ópticas de larga distancia.

Fibra óptica multimodo

Este tipo de fibra fue el primero en fabricarse y comercializarse. Su nombre proviene del hecho de que transporta múltiples modos de forma simultánea, ya que este tipo de fibra se caracteriza por tener un diámetro del núcleo mucho mayor que las fibras monomodo. El número de modos que se propagan por una fibra óptica depende de su apertura numérica o cono de aceptación de rayos de luz a la entrada. El mayor diámetro del núcleo facilita el acoplamiento de la fibra, pero su principal inconveniente es que tiene un ancho de banda reducido como consecuencia de la dispersión modal. Los diámetros de núcleo y cubierta típicos de estas fibras son 50/125 y 62,5/125 mm.

Existen dos tipos de fibra óptica multimodo: de salto de índice o de índice gradual. En el primer caso, existe una discontinuidad de índices de refracción entre el núcleo (n1 = cte) y la cubierta o revestimiento de la fibra (n2 = cte). Por el contrario, en el segundo caso la variación del índice es gradual. Esto permite que en las fibras multimodo de índice gradual los rayos de luz viajen a distinta velocidad, de tal modo que aquellos que recorran mayor distancia se propaguen más rápido, reduciéndose la dispersión temporal a la salida de la fibra.

Fibra óptica multimodo de salto de índice

Fibra óptica multimodo de índice

Fibra óptica monomodo

Las fibras ópticas monomodo tienen un diámetro del núcleo mucho menor, lo que permite que se transmita un único modo y se evite la dispersión multimodal. Los diámetros de núcleo y cubierta típicos para estas fibras son de 9/125 mm. Al igual que las fibras multimodo, las primeras fibras monomodo eran de salto de índice, si bien en la actualidad existen diseños bastante más complejos del perfil de índice de refracción que permiten configurar múltiples propiedades de la fibra. Las fibras monomodo también se caracterizan por una menor atenuación que las fibras multimodo, aunque como desventaja resulta más complicado el acoplamiento de la luz y las tolerancias de los conectores y empalmes son más estrictas. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias y transmitir elevadas tasas de bit, las cuales vienen limitadas principalmente por la dispersión cromática y los efectos no lineales.

Fibra óptica monomodo

Fibra óptica monomodo estándar (Standard Single-Mode Fiber, SSMF):

Esta fibra se caracteriza por una atenuación en torno a los 0,2 dB/km y una dispersión cromática de unos 16 ps/km-nm en tercera ventana (1550 nm). La longitud de onda de dispersión nula se sitúa en torno a los 1310 nm (segunda ventana) donde su atenuación aumenta ligeramente. Está normalizada en la recomendación ITU G.652 y existen millones de km de este tipo de fibra instalados en redes ópticas de todo el mundo, que se benefician de sus bajas pérdidas a 1550 nm y de la utilización de los amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio (EDFA). Algunos ejemplos de este tipo de fibra serían: SMF-28 (Corning) y AllWave (Lucent). En el segundo caso, además, la fibra se caracteriza por eliminar el pico de absorción de OH, por lo que dispone de una mayor anchura espectral para la transmisión en sistemas multicanal CWDM.

Fibra óptica de dispersión desplazada (Dispersion-Shifted Fiber, DSF):

Mediante la modificación geométrica del perfil de índice de refracción, se puede conseguir desplazar la longitud de onda de dispersión nula a tercera ventana, surgiendo de este modo las fibras de dispersión desplazada. Sus pérdidas son ligeramente superiores (0,25 dB/km a 1550 nm), pero su principal inconveniente proviene de los efectos no lineales, ya que su área efectiva es bastante más pequeña que en el caso de la fibra monomodo estándar. Luego este tipo de fibras no son en principio adecuadas para sistemas DWDM, ya que el fenómeno no lineal de mezclado de cuatro ondas (FWM) produce degradaciones significativas. Este tipo de fibras se describe en la recomendación ITU G.653.

Fibra óptica de dispersión desplazada no nula (Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber, NZDSF):

Para resolver los problemas de no linealidades de la fibra de dispersión desplazada surgieron este tipo de fibras, que se caracterizan por valores de dispersión cromática reducidos pero no nulos. En el mercado se pueden encontrar fibras con valores de dispersión tanto positivos (NZDSF+) como negativos (NZDSF-), con el fin de ser utilizadas en sistemas de gestión de dispersión. En la recomendación ITU G.655 se puede encontrar información sobre este tipo de fibras. Algunos ejemplos de este tipo de fibras serían: LEAF (Corning), True-Wave (Lucent) y Teralight (Alcatel).

Fibra óptica compensadora de dispersión (Dispersion Compensating Fiber, DCF):

Este tipo de fibra se caracteriza por un valor de dispersión cromátiva elevado y de signo contrario al de la fibra estándar. Se utiliza en sistemas de compensación de dispersión, colocando un pequeño tramo de DCF para compensar la dispersión cromática acumulada en el enlace óptico. Como datos negativos, tiene una mayor atenuación que la fibra estándar (0,5 dB/km aprox.) y una menor área efectiva.

Fibra óptica mantenedora de polarización (Polarization-Maintaining Fiber, PMF):

Es otro tipo de fibra monomodo que se diseña para permitir la propagación de una única polarización de la señal óptica de entrada. Se utiliza en el caso de dispositivos sensibles a la polarización, como por ejemplo moduladores externos de tipo Mach-Zehnder. Su principio de funcionamiento se basa en introducir deformaciones geométricas en el núcleo de la fibra durante el proceso de fabricación para conseguir un comportamiento birrefringente.

Fibra óptica de plástico (Plastic Optical Fiber, POF)

Las fibras ópticas de plástico constituyen una solución de bajo coste para realizar conexiones ópticas en distancias cortas, como por ejemplo en el interior de dispositivos, automóviles, redes en el hogar, etc. Se caracterizan por unas pérdidas de 0,15-0,2 dB/m a 650 nm (se suele emplear como transmisor un LED rojo) y por un ancho de banda reducido como consecuencia de su gran apertura numérica (diámetros del núcleo del orden de 1 mm), pero por otra parte ofrecen como ventajas un manejo e instalación sencillos y una mayor robustez. Como ejemplo, las pérdidas que se producen son muy bajas con radios de curvatura de hasta 25 mm, lo que facilita su instalación en paredes y lugares estrechos. Además, avances recientes están propiciando mayores anchos de banda y distancias.

Fibra óptica de cristal fotónico

Recientemente han surgido un nuevo tipo de fibras de sílice caracterizadas por una microestructura de agujeros de aire que se extiende a lo largo de la misma. Su inusual mecanismo de guiado, basado en el denominado guiado intrabanda, hace que presenten toda una serie de propiedades únicas que las diferencian de las fibras ordinarias. Entre estas propiedades, destaca la posibilidad de construirlas con núcleos de tamaño muy pequeño para acrecentar los efectos no lineales, así como con bandas de propagación monomodo muy extensas. Además, la dispersión cromática de estas fibras puede ajustarse mediante el diseño adecuado de su geometría, o sea de su microestructura, pudiendo obtenerse valores inalcanzables con la tecnología de fibra óptica convencional.

Fibra óptica de cristal fotónico