Interferencia Electromagnética Producida por un Horno Microondas

Todas las comunicaciones son eventos aleatorios e impredecibles desde el punto de vista de quien recibe la información, ya que este no esta en la capacidad de predecir o antelarse al comportamiento de la de un sistema de comunicaciones. Como se vio en la práctica anterior, la influencia del ruido tiene importantes consecuencias en la calidad de comunicación y en la veracidad de la información transmitida añadiendo variaciones en la señal que puede cambiar su interpretación, como ocurre en el caso de transmisión digital. En esta práctica se estudiará el fenómeno de la interferencia, que ocurre cuando dos o más ondas de la misma familia interactúan en el espacio generando otra onda que puede ser totalmente diferente tanto en amplitud como en frecuencia.

En este punto resulta común encontrar distintos dispositivos que trabajan en el mismo espectro de radio frecuencias, creando interferencias con efectos negativos entre si mismos. En una vivienda normal, por ejemplo, puede encontrarse teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos, buscapersonas, puntos de acceso a internet Wi-Fi, dispositivos con Bluetooth, hornos microondas, puertas electrónicas e incluso sistemas de vigilancia y otras comunicaciones que trabajan en un mismo rango de frecuencias. Al estar funcionando simultáneamente la interferencia puede llegar a ser tal que en el caso extremo resulta imposible entablar una comunicación estable.

A continuación se muestra el efecto que tiene el uso de un horno microondas en un ambiente donde se esta transmitiendo información a través de una red local inalámbrica bajo el protocolo 802.11b,g. Se demuestra así que la interferencia puede llegar incluso a tener un deterioro de mas del 90% en la transmisión de datos.

Las bandas ISM son espacios en frecuencias que se han destinado de manera internacional para aplicaciones públicas y no comerciales. De esta manera cualquiera tiene acceso a estas frecuencias sin ningún tipo de reglamentación o certificado salvo tener el compromiso de regular los dispositivos para evitar radiación excesiva que pueda inutilizar a los dispositivos cercanos.

Estos rangos de frecuencia van desde los 902 hasta los 928MHz, de frecuencias, 2400 a 2482MHz y finalmente de 5725 a los 5850MHz. En este rango encontramos tecnologías como WiFI, Bluetooth, HomeRF, etc.

Las tecnologías inalámbricas han facilitado nuestra vida en varios aspectos, razón por la que cada día es más común encontrar nuevos protocolos o mejoras que ofrecen mayor transmisión de información y con un mayor alcance. El mejor ejemplo ocurre al observar una red de área local con conexión a internet presente en la mayoría de los hogares.

Dentro del modelo OSI, que significa Interconexión de sistemas abiertos, se establecen 7 niveles que permiten la implementación de un estándar de comunicación en una red. El último nivel, o nivel físico, establece la modulación de las ondas de radio y las características de señalización para la transmisión. Y es precisamente en este nivel en donde se aplica el estándar 802.11, que a su ves se encuentra separado en tres capas físicas que establecen los modos de transmisión: DSSS, FHSS e Infrarrojo. Existen un número considerado de variaciones de este estándar, sin embargo estudiaremos a continuación las cuatro principales:

Este estándar tiene un flujo de datos de aproximadamente 54Mbps en la teoría pero siendo solo 30Mbps en la práctica, lo que le permite aumentar su rendimiento en unas cinco veces al estándar normal. Para esto utiliza una tecnología conocida multiplexación por división de frecuencias ortogonales u OFDM por sus siglas en ingles. Operando en una frecuencia central de 5GHz y posee 8 canales no superpuestos. Su alcance máximo es de 10m.

Este estándar permite transmisión a una velocidad máxima teórica de 11Mbps en un rango de aproximadamente 100m en condiciones normales o 200m en campo abierto. En la práctica, la velocidad disminuye a los 5.9Mbps en TCP y 7.1Mbps en UDP debido a la codificación del protocolo. Para esto utiliza el mismo método CSMA/CA del estándar original en los 2.4GHz. Adicionalmente se utiliza la técnica de ensanchado de espectro basado en DSSS.

Este estándar, ratificado en el año 2003, permite una transferencia de datos de 54Mbps en rangos comparables del estándar anterior, por lo que es común encontrar que sean compatibles, sin embargo se tiene una velocidad real promedio es de 22Mbps. Trabaja también en un una frecuencia de 2.4GHz pero con una codificación OFDM como la variación a.

Este estándar, que ha sido desarrollado en los últimos años y cuya ratificación como estándar se produjo este año permite tener velocidades de transmisión de cerca de los 600Mbps reales y con un alcance mucho mayor. Esto lo logra usando un estándar MIMO (múltiples entradas, múltiples salidas) con lo que logra la utilización de varios canales, e incluso dos frecuencias distintas: 2.4Ghz y los 5Ghz, las mismas de los estándares a, b y g mencionadas anteriormente, logrando adicionalmente ser compatible con estas. Es por eso común encontrar ya esta tecnología en portátiles de Apple.

Una técnica, que se menciono anteriormente es utilizada en el estándar 802.11 se conoce como Espectro Ensanchado. Este es un método que permite transmitir información en un acho de banda mucho mayor al justamente necesario para lograr una transmisión exitosa, por lo que es posible la incorporación de mecanismos de protección ante interferencias y a una potencia relativamente baja. Esto es posible al usar varios canales de comunicación disponibles ubicados en diferentes frecuencias minimizando la posibilidad que dos comunicaciones interfieran al ser transmitidas por el mismo canal.

Esta técnica, conocida por sus iniciales en ingles DSSS o DS-CDMA en aplicaciones móviles utiliza una técnica de modulación con un código de pseudorruido (combinación aleatoria de 1 y -1 y se conoce como secuencia de Barker o código de dispersión) para modular una portadora que reduce la PSD y aumenta el ancho de banda.

En esta técnica se adicionan (recordando que en análisis en frecuencia es una convolución del PSD) donde se obtiene finalmente una señal a transmitir con un espectro de frecuencias mucho mayor al original que es representado por el término de expansión W_x/W_c donde x es la señal original y c la señal aleatoria. Este factor tiene un rango entre 10 y a 40dB. De esta manera se logra generar un código que solo el receptor, que conoce de antemano el algoritmo usado puede decodificarlo. Para los demás dispositivos la señal puede ser tan solo ruido. En la tecnología CMDA, cada usuario tiene su propio algoritmo de codificación, con lo que se logra una comunicación entre varias usuarios por un mismo medio.

Figura 1: Frecuencia de salida en función del mensaje transmitido para una transmisión FHSS lenta.

Esta técnica consiste en emitir una señal en una portadora que esta cambiando cada cierto periodo de tiempo la frecuencia de operación de manera síncrona. La principal ventaja ocurre en la seguridad, ya que resulta complejo el captar el mensaje enviado debido a que este cambio de frecuencia aleatoriamente.

El funcionamiento es el siguiente: El mensaje digital que se quiere transmitir, compuesto por un arreglo de M símbolos es modulado por FSK a una frecuencia portadora f_c. Luego, este mensaje es combinado con un sintetizador de frecuencias. La salida de este es una de las Y=2^k valores, donde k es igual al número de salidas del generador de pseudorruido. De esta manera, el BPF selecciona la suma de los términos del mezclador anterior para la transmisión por un canal. El receptor, al otro extremo realiza el proceso inverso.

Existen igualmente dos tipos de transmisión FH-SS: Slow hop SS y Fast Hop SS. En el salto de frecuencia lenta se envía un símbolo en cada salto de frecuencia, mientras que en el salto de frecuencia rápida, por cada mensaje transmitido hay un mínimo de dos saltos de frecuencias. Es por esto que el receptor debe tomar el símbolo dependiendo en reglas de selección combinadas como la que más semejanza tenga al símbolo. Se puede ver gráficamente en la figura1.

Entre las principales ventajas de este mecanismo se encuentra la alta resistencia al ruido y la interferencia. Además, debido a su naturaleza aleatoria es difícil de interceptar, al ser percibida como un ruido corto en dispositivo que no se encuentre transmitiendo con la misma secuencia. Es por esto que se permite compartir un ancho de bando en una misma frecuencia con varios dispositivos y tener una interferencia que no afecta el desempeño.

Para el desarrollo de esta práctica fue necesario conocer el ruido que genera el horno microondas cuando esta en funcionamiento en distintas potencias y diferentes distancias de la antena receptora. Teniendo un modelo del comportamiento del horno se repitió el procedimiento para una comunicación de datos bajo el estándar 802.11. Terminado esto se procedió a comprobar el comportamiento de la misma comunicación cuando se encuentra el horno encendido. Para esto se usaron patrones UDP (Multidifusión) y TCP (Conexión orientada) para comprobar la disminución del rendimiento bajo interferencia cuando se envían grandes o pocos volúmenes de información.

Como se puede ver en las figuras 2 y 3, el horno microondas tiene una frecuencia de radiación aproximadamente en los 2.45Ghz. En esta prueba, cuando el horno se encuentra alejado hay una potencia recibida por el equipo de medición de -21dBm en la frecuencia del canal 6 WiFi y -18dBm en el canal 11 y finalmente una potencia de -15dBm en la frecuencia de operación del horno microondas. Como vemos, tiene casi la misma potencia que una transmisión de datos. En la figura 2, cuando el horno se encuentra cerca de la antena (menos de un metro de distancia), la potencia de este que es recibida llega casi a los 5dBm mientras que las potencias de WiFi son constantes.

Figura 2: Densidad Espectral de Potencia para Horno Microondas cercano

Figura 3: Densidad Espectral de Potencia para Horno Microondas lejano

Como se puede ver en las dos gráficas anteriores, se presenta que hay recepción de señales con una potencia considerable en otras frecuencias a las del horno microondas, lo que nos indica el comportamiento de otras fuentes como computadores en salas cercanas y que demuestra la problemática de tener que compartir un mismo ancho de banda entre varios dispositivos. Esto nos indica que estando cerca un dispositivo que transmite en esta frecuencia va a sufrir de altas tasas de interferencia, como se comprueba en la siguiente prueba.

En esta segunda parte del laboratorio se midió la interferencia producida por un horno microondas en funcionamiento en dos tipos de comunicación bajo el protocolo 802.11. En una primera prueba se midió las tasas de transferencia para tres canales bajo un protocolo TCP/IP, en donde se establece la conexión entre un equipo cliente y un equipo servidor para la transferencia de dos archivos de prueba y medir el tiempo que demora en completarse la transferencia. Para esto se usó un servidor externo, en internet para conocer el efecto de la red bajo congestión y con un servidor local, que permite conocer el comportamiento bajo todo el potencial de la red y sin congestión de otros usuarios.

En la primera parte, usando el canal 10 que tiene una frecuencia central de 2.43GHz con un acho de banda de 22MHz, se obtuvieron velocidades de 1300Kbps de subida y 440Kbps de bajada. Los términos subida y de bajada corresponden a la dirección de la comunicación (cliente-servidor o servidor-cliente). Cuando se enciende el horno, estos tiempos disminuyen considerablemente, pasando a ser de solo 160Kbps de bajada. (El tiempo de subida no pudo ser calculado, ya que el servidor tiene una restricción de tiempo para completar la solicitud que no es posible conseguir).

Cuando se cambia el canal, es decir, al canal 1 o canal 6 que tiene una frecuencia central distante y sin sobrelapamiento con el canal 10 vemos que la influencia del horno microondas no tiene tanto impacto como ocurre en el canal 6.

Figura 4: Densidad espectral de potencia para una comunicación 802.11 en canal 1 a) sin y b) con horno microondas

Como podemos ver, las frecuencias están físicamente separadas explicando porque al estar en este canal no hay influencia notoria en las velocidades de transmisión. Si miramos ahora el comportamiento de la densidad espectral de potencia cuando se transmite por el canal 10, vemos que al tener una frecuencia central muy parecida al del horno microondas, los paquetes de internet son afectados por esta radiación, como se puede observar en la figura 5.

Entre las frecuencias 2.45 y 2.46GHz se ven los paquetes enviados por el computador entremezclados con potencias aleatorias generadas por el horno. Esto hace que la señal sea degradada, ocasionando que sea imposible reconocer la información transmitida por parte del receptor. Es clara la diferencia entre la grafica 5 y la gráfica 4b, donde a pesar de estar el horno se tiene una ráfaga de paquetes definida y constante. Debido a la naturaleza de la conexión TCP/IP, cuando un dato no es reconocido, se debe solicitar de nuevo al servidor, haciendo que la comunicación sea más lenta al enviar muchas veces la misma información hasta que esta sea interpretada completamente. Como veremos a continuación, con el protocolo UDP/IP, al no tener que haber una confirmación de recibido, la conexión continua emitiendo y al ser de aplicaciones multimedia, la perdida de información no es importante.

Figura 5: Densidad espectral de potencia para una comunicación bajo estándar 802.11 con interferencia de horno microondas

En la segunda prueba, se uso un computador privado como servidor de la red de área local inalámbrica que ofrece sus servicios a través de un AccesPoint que puede configurarse el canal de transmisión. De esta manera aseguramos un tráfico constante libre de congestión y que aprovecha el máximo de los equipos, al no imponer limitaciones comerciales como ocurre con el proveedor externo usado anteriormente. En este caso, se tomo un archivo de 48MiB y se envió por la red en varios canales y tomando el tiempo que tarda en completarse la operación con y sin la presencia de la interferencia del horno microondas. Los resultados pueden observarse en la tabla 1.

Tabla 1: Tiempos de transmisión en WLAN en distintos canales para visualizar el efecto que tiene la interferencia generada por el horno microondas.

Como observamos, en canales que tiene una frecuencia relativamente lejos de la frecuencia del horno, los efectos de este son casi despreciables. Sin embargo, cuando aumentamos el canal, y por ende la frecuencia central se acerca más a la frecuencia de la interferencia, es más probable que haya la destrucción de la señal, hasta el punto en donde en el que canal 11, en donde la señal comparte completamente el canal con el horno, es imposible obtener una comunicación confiable de WiFi. Esta es la razón por la cual en este canal no se pudo completar el envió del archivo. En las siguientes gráficas aparece la PSD para cada canal

Figura 6: Densidad espectral de potencia para una transmisión por canal 1 a) Con horno b) Sin horno

Figura 7: Densidad espectral de potencia para una transmisión por canal 3 a) Con horno b) Sin horno

Figura 8: Densidad espectral de potencia para una transmisión por canal 6 a) Con horno b) Sin horno

Figura 9: Densidad espectral de potencia para una transmisión por canal 9 a) Con horno b) Sin horno

Figura 10: Densidad espectral de potencia para una transmisión por canal 11 a) Con horno b) Sin horno

De todas las anteriores gráficas es posible ver claramente como en los canales altos, en donde la frecuencia de operación es muy similar a la del horno, se genera la interferencia de ambas señales.

En la siguiente prueba se miró el comportamiento de la comunicación con un servidor mediante un protocolo UDP/IP, similar al de una emisora de radió que difunde su contenido multimedia a un gran número de usuarios. Debido a esto, el servidor no tiene importancia del comportamiento de los clientes y solo tiene la responsabilidad de enviar la información. El cliente, por el otro lado, está en condiciones de atrapar esta información y reproducirla de manera correcta. Dada esta condición, y las condiciones de un archivo multimedia se cumplen dos condiciones importantes para el análisis. La primera es que se necesita una gran cantidad de información en un corto periodo de tiempo para poder mostrar la imagen correcta continua o tener un audio de calidad moderada o superior. Esto nos indica que la red tiene que tener un flujo constante de paquetes de información.

La segunda característica, es debía a que se está interactuando con los sentidos del cuerpo humano, que tiene una limitación en cuando a la capacidad de distinguir cada pixel de la imagen o una variación mínima en una señal de audio. Es por esto que la pérdida o alteración de información solo produce que un pequeño grupo de un par de ´pixeles muestren un color erróneo por milésimas de segundo o un ligero cambio de frecuencia o tono en el audio que son totalmente imperceptibles para nosotros. Esto nos indica que a pesar de perder información no representa una pérdida de calidad.

Esto nos determina que en este sistema, la interferencia del horno tiene un menor efecto en la aplicación, ya que solo hasta un punto máximo, donde la cantidad de información perdida es considerable que la aplicación colapsa, como ocurrió en el canal 9, donde el audio, a pesar de no eliminarse completamente si se notan los saltos largos generando interrupciones que impiden realmente escuchar con facilidad el contenido difundido.

Con el desarrollo de esta práctica se logró tener un acercamiento a las tecnologías de comunicaciones inalámbricas, conociendo de manera aproximadamente las características de funcionamiento del estándar conocido como Wirless Fidelity (WiFi) o IEEE 802.11 y sus variantes en el tiempo que han introducido nuevas mejoras en cuanto a desempeño, velocidad, alcance y seguridad al combinar técnicas conocidas como Espectro Ensanchado.

Conociendo este protocolo de comunicación, que modela la manera en que funciona la capa física del modelo OSI fue posible estudiar el comportamiento en la presencia de una fuente de interferencia, que en este caso es el horno microondas.

Las interferencias son producidas cuando dos o más dispositivos están trabajando en una misma frecuencia de comunicación, con lo que las ondas de cada una interfieren entre sí generando una nueva onda que es totalmente irreconocible para los equipos de recepción. Para evitar esto, el estándar IEEE 802.11 propone ampliar al espectro de frecuencias y reducir la potencia emitida para poder crear multiples canales que permiten un paralelismo entre la información viajante y cambiando o alternando las frecuencias de manera asíncrona con lo que la posibilidad que dos o más ondas estén viajando en el mismo canal, a la misma frecuencia y el mismo instante de tiempo se reduce considerablemente.

Sin embargo, con la presencia del horno microondas, que emite en todo el espectro de los canales altos de la tecnología WiFi y de manera también aleatoria y en grandes volúmenes logra interferir con las señales de comunicación impidiendo que estos logren captar el mensaje correctamente en la primera oportunidad, sino que por el contrario deben pedir al servidor enviar nuevamente la información hasta que se logre evitar la interferencia.

Con esta práctica de laboratorio, finalmente se logró crear un punto de partida en nuestra carreras que nos muestra la importancia que tienen hoy en día todas las comunicaciones inalámbricas en la vida cotidiana, pero que al estar creciendo de manera tan acelerada hay que buscar nuevas alternativas a las ya existentes para evitar los problemas de interferencia entre los mismo dispositivos que tratan de trasmitir su información al mismo tiempo y por el mismo espacio de frecuencias, limitado por normas internacionales.

[1] HAYKIN, Simon. Communication Systems. Cuarta Edición.
[2] CARLSON, A Bruce. Communication Systems. An Introduction to Signal and Noise in Electrical Comunication. Editorial McGraw Hill. Cuarta Edición. New York. 2002
[3] J. Galán-Jiménez y J. L. González-Sánchez. Universidad de Extremadura. Estudio analítico y evaluación de los efectos entre tecnologías de comunicaciones inalámbricas. [Disponible en: http://gitaca.unex.es/cubicuo/iwireless/Resumen_PFC.pdf]
[4] Guía de Laboratorio del curso de Comunicaciones: Practica 4. Disponible en SICUA.Universidad de los Andes. Bogotá. Colombia
[6] IEEE 802.11. Wikipedia, La Enciclopedia Libre. [Consultado 25 de Octubre de 2008] http://es.wikipedia.org/wiki/802.11
[6] Introducción a Wi-Fi (802.11 o WiFi) [Consultado 25 de Octubre de 2008] http://es.kioskea.net/contents/wifi/wifiintro.php3