Paquete de radio

Terminal Controlador de Nodos 2400 módem de radio de paquete de baud

En radio digital, packet radio es la aplicación de técnicas de conmutación de paquetes a las comunicaciones de radio digital. La radio por paquetes utiliza un protocolo de conmutación de paquetes en lugar de protocolos de conmutación de circuitos o conmutación de mensajes para transmitir datos digitales a través de un enlace de comunicación por radio. La radio por paquetes se puede diferenciar de otros esquemas de conmutación de radio digital por los siguientes atributos:

• Los datos transmitidos se dividen en paquetes, cada uno de los cuales contiene una dirección de destino (y típicamente la fuente)
• Un mensaje transmitido puede dividirse en una secuencia de paquetes antes de la transmisión, que luego se reensamblan en el mensaje original en la recepción
• Los paquetes para múltiples destinos se pueden transmitir en el mismo enlace de radio de una manera asincrónica
• Un paquete puede ser dirigido a todos los posibles receptores en lugar de uno específico (broadcast)
• Un paquete puede ser almacenado y posteriormente enviado hacia su destino por un nodo de red

Esto es muy similar a cómo se transfieren los paquetes de datos entre nodos en Internet.

Los radioaficionados utilizan con frecuencia la radio por paquetes. El protocolo AX.25 (Amateur X.25) se derivó del protocolo de capa de enlace de datos X.25 y se adaptó para uso de radioaficionados. Cada paquete AX.25 incluye el indicativo de radioaficionado del remitente, que cumple con los requisitos de la FCC de EE. UU. para la identificación de estaciones de radioaficionados. AX.25 permite que otras estaciones repitan paquetes automáticamente para ampliar el rango de transmisiones. Es posible que cualquier estación de paquetes actúe como repetidor digital, conectando estaciones distantes entre sí a través de redes ad hoc. Esto hace que la radio por paquetes sea especialmente útil para las comunicaciones de emergencia.

La radio por paquetes se puede utilizar en comunicaciones móviles. Algunas estaciones de radio de paquetes móviles transmiten su ubicación periódicamente utilizando el Sistema automático de informes de paquetes (APRS). Si el paquete APRS es recibido por un "igate" la estación, los informes de posición y otros mensajes pueden enrutarse a un servidor de Internet y hacerse accesibles en una página web pública. Esto permite a los radioaficionados rastrear la ubicación de vehículos, excursionistas, globos aerostáticos, etc., junto con telemetría y otros mensajes en todo el mundo.

Algunas implementaciones de paquetes de radio también utilizan enlaces punto a punto dedicados, como TARPN. En casos como este, han surgido nuevos protocolos, como el Protocolo mejorado de capa 2 (IL2P), que admite la corrección de errores de reenvío para enlaces de señal ruidosos y débiles.

Cronología

Los primeros modos de comunicación por radio digital eran la telegrafía (usando el código Morse), la teleimpresora (usando el código Baudot) y el facsímil.

Aloha y PRNET

Dado que los circuitos de radio poseen inherentemente una topología de red de transmisión (es decir, muchos o todos los nodos están conectados a la red simultáneamente), uno de los primeros desafíos técnicos que se enfrentaron en la implementación de redes de paquetes de radio fue un medio para controlar el acceso a una red compartida. canal de comunicación para evitar colisiones de señales. El profesor Norman Abramson de la Universidad de Hawái dirigió el desarrollo de una red de radio por paquetes conocida como ALOHAnet y realizó una serie de experimentos a partir de la década de 1970 para desarrollar métodos para arbitrar el acceso a un canal de radio compartido por parte de los nodos de la red. Este sistema operaba en frecuencias UHF a 9.600 baudios. De este trabajo se derivó el protocolo de acceso múltiple Aloha. Las mejoras posteriores en las técnicas de acceso al canal realizadas por Leonard Kleinrock et al. en 1975 llevaron a Robert Metcalfe a utilizar protocolos de acceso múltiple con detección de portadora (CSMA) en el diseño de la ahora común red de área local Ethernet (LAN).) tecnología.

Entre 1973 y 1976, DARPA creó una red de radio por paquetes llamada PRNET en el área de la Bahía de San Francisco y llevó a cabo una serie de experimentos con SRI para verificar el uso de los protocolos de comunicaciones ARPANET (un precursor de Internet) (más tarde conocido como IP) a través de enlaces de radio por paquetes entre nodos de red fija y móvil. Este sistema era bastante avanzado, ya que utilizaba técnicas de modulación de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS) y corrección de errores de reenvío (FEC) para proporcionar canales de datos de 100 kbit/sy 400 kbit/s. En general, estos experimentos se consideraron exitosos y también marcaron la primera demostración de interconexión de redes, ya que en estos experimentos los datos se enrutaron entre las redes ARPANET, PRNET y SATNET (una red de radio por paquetes satelital). A lo largo de las décadas de 1970 y 1980, DARPA operó varias redes de radio por paquetes terrestres y satelitales conectadas a ARPANET en varias instalaciones militares y gubernamentales.

Radio de paquetes amateur y AMPRNet

Los operadores de radioaficionados comenzaron a experimentar con la radio por paquetes en 1978, cuando, después de obtener la autorización del gobierno canadiense, Robert Rouleau, VE2PY; Bram Frank, VE2BFH; Norma Perla, VE2BQS; y Jacques Orsali, VE2EHP del Club de Radioaficionados de Montreal Montreal, Quebec, comenzaron a experimentar con la transmisión de datos codificados en ASCII a través de frecuencias de radioaficionados VHF utilizando equipos de fabricación casera. En 1980, Doug Lockhart VE7APU y el Grupo de Comunicaciones Digitales del Área de Vancouver (VADCG) en Vancouver, Columbia Británica, comenzaron a producir equipos estandarizados (controladores de nodos terminales) en cantidad para su uso en redes de radioaficionados por paquetes. En 2003, Rouleau fue incluido en el salón de la fama de la revista CQ Amateur Radio por su trabajo sobre el Protocolo de Montreal en 1978.

Poco después de que comenzara esta actividad en Canadá, los aficionados en los EE. UU. se interesaron en la radio por paquetes. En 1980, la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos (FCC) autorizó a los aficionados estadounidenses a transmitir códigos ASCII a través de radioaficionados. Los repetidores pueden estar diseñados para radioaficionados por paquetes, estos se denominan "digipeaters". La primera actividad conocida de radio por paquetes de aficionados en los EE. UU. Ocurrió en San Francisco durante diciembre de 1980, cuando Hank Magnuski KA6M y Pacific Packet Radio Society (PPRS) pusieron en funcionamiento un repetidor de paquetes en 2 metros. De acuerdo con el dominio de DARPA y ARPANET en ese momento, la naciente red de radioaficionados por paquetes se denominó AMPRNet al estilo de DARPA. Magnuski obtuvo asignaciones de direcciones IP en la red 44.0.0.0/8 para uso de radioaficionados en todo el mundo.

Pronto se formaron muchos grupos de radioaficionados interesados en la radio por paquetes en todo el país, incluida la Pacific Packet Radio Society (PPRS) en California, la Tucson Amateur Packet Radio Corporation (TAPR) en Arizona y la Amateur Radio Research and Development Corporation (AMRAD) en Washington, DC

En 1983, TAPR ofrecía la primera TNC disponible en forma de kit. La radio por paquetes comenzó a ser cada vez más popular en América del Norte y, en 1984, comenzaron a aparecer los primeros sistemas de tablones de anuncios basados en paquetes. Los paquetes de radio demostraron su valor para las operaciones de emergencia luego del accidente de un avión de Aeroméxico en un vecindario de Cerritos, California, en agosto de 1986. Los voluntarios conectaron varios sitios clave para pasar el tráfico de texto a través de paquetes de radio que mantuvieron claras las frecuencias de voz.

Para obtener una descripción objetiva de los primeros desarrollos en la radio por paquetes para aficionados, consulte el artículo "Radio por paquetes en el servicio de radioaficionados".

Sistemas comerciales

Muchas operaciones comerciales, particularmente aquellas que hacen uso del despacho de vehículos (por ejemplo, taxis, grúas, policía) se dieron cuenta rápidamente del valor de los sistemas de radio por paquetes para proporcionar sistemas de datos móviles simples. Esto condujo al rápido desarrollo de una serie de sistemas comerciales de radio por paquetes:

• MDI (1979)
• DCS (1984)
• DRN (1986)
• Mobitex (1986)
• ARDIS (1990)
• CDPD permitió que los datos del paquete se llevaran a través de redes telefónicas celulares analógicas AMPS
• GPRS es la instalación de datos de paquetes proporcionada por la red telefónica celular GSM

Detalles técnicos

Voz, no datos

Uno de los primeros desafíos que enfrentan los radioaficionados al implementar la radio por paquetes es que casi todos los equipos de radioaficionados (y la mayoría de los excedentes de equipos comerciales/militares) han sido históricamente diseñados para transmitir voz, no datos. Como cualquier otro sistema de comunicaciones digitales que utiliza medios analógicos, los sistemas de radio por paquetes requieren un módem. Dado que el equipo de radio que se usaría con el módem estaba destinado a la voz, los primeros sistemas de paquetes de aficionados usaban módems AFSK que seguían los estándares telefónicos (en particular, el estándar Bell 202). Si bien este enfoque funcionó, no fue óptimo, ya que utilizó un canal FM de 25 kHz para transmitir a 1200 baudios. Cuando se utiliza una modulación FSK directa como el módem de radio por paquetes G3RUH, se realiza fácilmente una transmisión de 9600 baudios en el mismo canal.

Además, las características de banda base del canal de audio proporcionado por las radios de voz suelen ser bastante diferentes de las de los canales de audio telefónicos. Esto llevó a la necesidad en algunos casos de habilitar o deshabilitar circuitos de pre-énfasis o de-énfasis en las radios y/o módems.

Encuadre asíncrono

Otro problema al que se enfrentaban los primeros "empaquetadores" fue la cuestión de la transferencia de datos asíncrona frente a la síncrona. En ese momento, la mayoría de las computadoras personales tenían puertos seriales RS-232 asíncronos para comunicaciones de datos entre la computadora y dispositivos como módems. El estándar RS-232 especifica un modo asíncrono de transmisión de datos de inicio y parada donde los datos se envían en grupos (caracteres) de 7 u 8 bits. Desafortunadamente, los módems AFSK simples que se usan normalmente no proporcionan una señal de temporización para indicar el inicio de una trama de paquete. Eso condujo a la necesidad de un mecanismo que permitiera al receptor saber cuándo comenzar a ensamblar cada trama de paquete. El método utilizado se llama tramado asíncrono. El receptor busca el "octeto de límite de trama" luego comienza a decodificar el paquete de datos que le sigue. Otro octeto de límite de trama marca el final de la trama del paquete.

Compartir el canal

Un número de datos de "conversaciones" son posibles en un solo canal de radio durante un período finito.

Configuración de la estación

Una estación de radio por paquetes básica consta de una computadora o terminal tonto, un módem y un transceptor con una antena. Tradicionalmente, la computadora y el módem se combinan en una unidad, el controlador de nodo terminal (TNC), con un terminal tonto (o emulador de terminal) que se usa para ingresar y mostrar datos. Cada vez más, las computadoras personales están asumiendo las funciones de la TNC, con el módem como una unidad independiente o implementado completamente en software. Alternativamente, varios fabricantes (incluidos Kenwood y Alinco) ahora comercializan radios portátiles o móviles con TNC incorporados, lo que permite la conexión directamente al puerto serie de una computadora o terminal sin necesidad de ningún otro equipo.

La computadora es responsable de administrar las conexiones de red, formatear los datos como paquetes AX.25 y controlar el canal de radio. Con frecuencia, también proporciona otras funciones, como un sistema de tablón de anuncios simple para aceptar mensajes mientras el operador no está.

Siguiendo el modelo OSI, las redes de radio por paquetes se pueden describir en términos de los protocolos de capa de red, enlace de datos y físico en los que se basan.

Capa física: módem y canal de radio

• Ejemplo de transmisión de radio de paquetes en 1.200 bits por segundo(help·info)

Los módems utilizados para la radio por paquetes varían en rendimiento y técnica de modulación, y normalmente se seleccionan para que coincidan con las capacidades del equipo de radio en uso. El método más comúnmente utilizado es el que utiliza modulación por desplazamiento de frecuencia de audio (AFSK) dentro del ancho de banda de voz existente del equipo de radio. Las primeras estaciones de radio por paquetes de aficionados se construyeron utilizando módems Bell 202 de 1200 bit/s sobrantes y, a pesar de su baja tasa de datos, la modulación Bell 202 ha seguido siendo el estándar para la operación VHF en la mayoría de las áreas. Más recientemente, 9.600 bit/s se ha convertido en una alternativa popular, aunque técnicamente más exigente. En las frecuencias de HF se utiliza la modulación Bell 103, a una velocidad de 300 bit/s.

Debido a razones históricas, todas las modulaciones comúnmente utilizadas se basan en una idea de modificación mínima de la radio en sí, por lo general, simplemente conectando la salida de audio de la computadora directamente a la entrada del micrófono del transmisor y el receptor. Salida de audio de s directamente a la entrada de micrófono de la computadora. Al agregar una señal de salida encender el transmisor ("PTT") para el control del transmisor, se ha creado un módem de radio. Debido a esta simplicidad, y al tener a mano los microchips adecuados, la modulación Bell 202 se convirtió en la forma estándar de enviar los datos de radio por paquetes a través de la radio como dos tonos distintos. Los tonos son de 1200 Hz para Mark y 2200 Hz para el espacio (desplazamiento de 1000 Hz). En el caso de la modulación Bell 103, se utiliza un cambio de 200 Hz. Los datos se codifican diferencialmente con un patrón NRZI, donde un bit cero de datos se codifica mediante un cambio en los tonos y un bit de datos se codifica sin cambios en los tonos.

Las formas de lograr velocidades superiores a 1200 bits/s incluyen el uso de chips de módem telefónico a través del micrófono y conectores de salida de audio. Se ha demostrado que funciona a velocidades de hasta 4800 bit/s utilizando módems de fax V.27 en modo semidúplex. Estos módems utilizan modulación por desplazamiento de fase, que funciona bien cuando no hay modulación por desplazamiento de amplitud, pero a velocidades más altas, como 9600 bit/s, los niveles de señal se vuelven críticos y son extremadamente sensibles al retardo de grupo en la radio. Estos sistemas fueron iniciados por Simon Taylor (G1NTX) y Jerry Sandys (G8DXZ) en la década de 1980. James Miller (G3RUH) desarrolló otros sistemas que involucraron una pequeña modificación de la radio y operaron a 9600 bit/s.

Los controladores de nodos AFSK de 1200 bit/s en 2 metros (144 - 148 MHz) son los paquetes de radio que se encuentran con más frecuencia. Para la radio por paquetes UHF/VHF de 1200/2400 bit/s, los aficionados utilizan radios de voz FM de banda estrecha comúnmente disponibles. Para paquetes HF, se utilizan datos de 300 bit/s sobre modulación de banda lateral única (SSB). Para paquetes de alta velocidad (9600 bit/s hacia arriba), se deben usar radios especiales o radios FM modificadas.

Se han desarrollado módems personalizados que permiten tasas de rendimiento de 19,2 kbit/s, 56 kbit/s e incluso 1,2 Mbit/s a través de enlaces de radioaficionados en frecuencias permitidas por la FCC de 440 MHz y superiores. Sin embargo, se necesita un equipo de radio especial para transportar datos a estas velocidades. La interfaz entre el "módem" y la "radio" se encuentra en la parte de frecuencia intermedia de la radio, a diferencia de la sección de audio que se utiliza para el funcionamiento a 1200 bit/s. La adopción de estos enlaces de alta velocidad ha sido limitada.

En muchas aplicaciones comerciales de radio de datos, no se utiliza la modulación de banda base de audio. Los datos se transmiten alterando la frecuencia de salida del transmisor entre dos frecuencias distintas (en el caso de la modulación FSK, existen otras alternativas).

Radio multimedia de alta velocidad

El "Wi-Fi" de 2,4 GHz La banda se superpone parcialmente a una banda de radioaficionados, por lo que los operadores de radioaficionados con licencia pueden adaptar y utilizar el hardware Wi-Fi comercial a niveles de potencia más altos, aunque las restricciones en la radioafición limitan el atractivo del uso de la radio por paquetes para conectarse a Internet. Las regulaciones de la FCC de EE. UU. no permiten que las comunicaciones de radioaficionados sean encriptadas o privadas, además de otras restricciones de contenido.

Capa de enlace de datos: AX.25

Las redes de paquetes de radio se basan en el protocolo de capa de enlace de datos AX.25, derivado del conjunto de protocolos X.25 y diseñado específicamente para uso de radioaficionados. A pesar de su nombre, AX.25 define las capas física y de enlace de datos del modelo OSI. (También define un protocolo de capa de red, aunque rara vez se usa).

Capa de red

La radio por paquetes se ha utilizado con mayor frecuencia para conexiones directas de teclado a teclado entre estaciones, ya sea entre dos operadores en vivo o entre un operador y un sistema de tablón de anuncios. No se requieren servicios de red por encima de la capa de enlace de datos para estas aplicaciones.

Para proporcionar enrutamiento automatizado de datos entre estaciones (importante para la entrega de correo electrónico), se han desarrollado varios protocolos de capa de red para usar con AX.25. Los más destacados entre estos protocolos de capa de red son NET/ROM & TheNET, ROSE, FlexNet y TexNet.

En principio, se puede utilizar cualquier protocolo de capa de red, incluido el omnipresente Protocolo de Internet.