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TEMA 1: Nivel de Red (DHCP-NA(P)T-ICMP)
El protocolo IP no ofrece un servicio orientado a la conexión (es no fiable). Emplea el servicio de entrega de R_PDU empleado por el nivel de enlace (utiliza servicio de su nivel inferior), permitiendo intercambiar información entre hosts o routers y dispositivos que implementen como mucho N.E.D.
Establece las herramientas necesarias para enrutar, es decir, definir el camino a seguir por los datos de extremo a extremo.
1. Introducción
Esquema de direccionamiento
Todo dispositivo en una red debe poseer una dirección IP para poder transmitir datos usando TCP/IP. Hay dos versiones de IP: IPv4 (32b) e IPv6 (128b). Las direcciones se pueden configurar de dos formas:
- Estática: El usuario configura la IP en el host suministrada por el administrador de la red.
- Dinámica: Se asigna automáticamente una IP al host mediante DHCP. La dirección IPv4 NO ES LO MISMO que la configuración IPv4. Para decir que un equipo tiene una configuración IPv4 correcta debe tener como mínimo dirección IP y máscara de red. Adicionalmente se suele especificar la dirección IP del gateway/puerta de enlace/router frontera.
2. Configuración dinámica de direcciones
DHCP
Hay varias formas de asignación dinámica de direcciones IP:
- Asignación automática:
Ciclo básico
DHCP tiene un ciclo de mensajes básico tal que:
- DHCP DISCOVER: intenta encontrar un servidor DHCP Se envía un paquete IP con IP origen 0.0.0.0 y destino 255.255.255.255 (broadcast).
- DHCP OFFER: el/los servidores DHCP ofrecen una dirección IP El servidor DHCP, si lo hay, envía un paquete IP con IP origen su propia IP y destino la de broadcast
- DHCP REQUEST: el cliente pide ciertos parámetros Se envía un paquete al servidor DHCP con IP origen 0.0.0.0 y destino 255.255.255.255, aunque la IP está "pre-asignada" todavía no se le ha concedido al host dicha IP.
- DHCP ACK: ACK de confirmación desde el servidor El servidor DHCP envía un ACK en un paquete IP con IP origen la suya y destino la de broadcast. Tras completar el ciclo básico el cliente envía una petición ARP llamada ARP Gratuito para ver si cualquier otro host tiene la IP que se le ha asignado. Si no obtiene respuesta, se queda con esa IP. Si la obtiene vuelve a solicitar otra.
Formato de mensajes
Los mensajes DHCP tienen un formato específico:
- Los primeros 4 Bytes se denominan magic cookie.
- Cada transacción (petición/respuesta) tiene un id.
3. Control de errores
IP no implementa un control de errores, así que en caso de que se produzca un error existen protocolos que se "montan" sobre IP para este propósito.
ICMP (Internet Control Message Protocol)
Es usado por hosts y routers para comunicar información a nivel de red (informe de errores o avisos). Se encapsulan en datagramas IP, por lo que los dispositivos deben ser de hasta nivel 3.
Formato de mensajes
- Type: Indica el tipo de mensaje ICMP
- Code. Indica el subtipo de mensaje
- Checksum: Para detectar mensajes corruptos
| Tipo | Código | Descripción |
|---|---|---|
| 0 | 0 | Respuesta de eco (ping) |
| 3 | 0 | Red inalcanzable |
| 3 | 1 | Host inalcanzable |
| 3 | 2 | Protocolo inalcanzable |
| 3 | 3 | Puerto inalcanzable |
| 5 | 0 | Redireccionamiento |
| 8 | 0 | Petición de eco (ping) |
| 11 | 0 | TTL excedido |
4. Traducción de direcciones
Hay dos alternativas:
- Dinámica: El router NAT asignará de forma temporal las IPs públicas cuando haya necesidad de "saltar" a internet.
- El router tiene un rango de IPs asignables y además una tabla para guardar dichas asignaciones de IPs.
- Estática: Se configuran las asignaciones de forma permanente por el administrador de la red.
TEMA 2: Nivel de Red (Routing)
1. Introducción
Para que el datagrama se entregue con éxito se debe cumplir:
- El prefijo de dirección destino debe corresponder a una sola red
- Los routers y hosts que tienen un prefijo de red común deben ser capaz de intercambiar datos sin ayuda de un router
- Cada red (a nivel 2) debe estar conectada al menos con otra red mediante un router
Un nodo (router o host) tiene que tener una tabla de enrutamiento. Suele tener los campos Red, Próximo Salto, Interfaz.
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En Windows, la Métrica es el "coste" que tiene esa ruta si se escoge. Se puede valorar en términos de velocidad, TTL o delay temporal.
2. Reenvío / Enrutamiento
Hay varios pasos en el reenvío:
- Validar cabecera
- Procesar opciones
- Analizar destino
- Buscar destino en la tabla de enrutamiento
- Decrementar TTL
- Fragmentar
- Calcular checksum
- Reenviar al PS
- Enviar ICMP
3. Información global
Todos los routers tienen la topología completa y la información de coste de los enlaces (Algoritmo "link state").
4. Información descentralizada
Los routers conocen los vecinos físicamente conectados y el coste del enlace a sus vecinos. En un proceso iterativo, intercambia información con sus vecinos (Algoritmo "distance vector").
5. Enrutamiento estático
Las rutas cambian lentamente. Es decir, todas las entradas de la tabla se habrán introducido manualmente. La información de ida no proporciona información sobre como volver ni lo asegura. Convergencia: todos los routers tienen información precisa y coherente.
6. Enrutamiento dinámico
Las rutas cambian más rápido (actualizaciones periódicas y respuesta a los cambios en los enlaces).
Sistemas autónomos
Grupo de prefijos de red de uno o varios ISP en el que existe una política de enrutamiento única y claramente definida.
- Dentro de cada AS se utilizan protocolos de routing interiores (IGP)
- Entre cada AS se usarán protocolos de routing exteriores (EGP)
Componentes de un algoritmo de enrutamiento
- Un proceso para enviar y recibir información sobre redes alcanzables a/de otros routers
- Un proceso para calcular rutas óptimas (costes en cada enlace)
- Un proceso para reaccionar y avisar de cambios en la topología
Cálculo del camino más corto
Vector distancia (Bellman-Ford)
- Cada router conoce la distancia (o coste) de sus vecinos directamente conectados
- Un router envía una lista de actualizaciones de enrutamiento a sus vecinos que contiene las redes alcanzables por él y su distancia
- Si todos los routers actualizan las redes alcanzables/distancias con la información recibida de sus vecinos, la red converge.
- Cada router conoce:
- Su ID
- Sus interfaces
- La distancia hasta el siguiente router de cada interfaz
- Actualizaciones periódicas: cada (~90s) se envía una actualización
- Actualizaciones por cambios: si hay cambios en la métrica de un enlace, se envía inmediatamente
- Actualizaciones de toda la TE: la mayoría de los protocolos que usan vector distancia, envían toda la TE a sus vecinos en las actualizaciones
- Tiempo para invalidar rutas: se invalidan las rutas en la TE si no son refrescadas, tras un valor típico 3-16 veces periodo de actualización
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Estado del enlace (Dijkstra)
- Cada router conoce la distancia de sus vecinos directamente conectados
- La información de distancia (LS: Link State) es enviada por broadcast a todos los routers de la red
- Todos los routers construyen la topología de la red
- Cada router calcula el camino más corto a todas las redes alcanzables de manera independiente
7. RIP
RIPv1
- Sufre los problemas típicos del vector distancia
- Sólo útil en redes pequeñas (5-10 routers)
- Métrica basada en número de saltos únicamente
- Máximo 15 saltos. Infinito 16.
- La información se intercambia cada 30s. Los mensajes RIP se encapsulan en UDP en el puerto 520.
- Dirección destino broadcast dirigido
- Solo procesa actualización si origen pertenece a la red de la interfaz En un mensaje RIP pueden enviarse hasta 25 entradas del vector distancias
- Vectores grandes -> varios mensajes
- Invalidación tras 180s No usa máscara de red en los mensajes -> no soporta CIDR ni VLSM.
RIPv2
- Permite CIDR (tiene el campo de la máscara de subred).
- Campo próximo salto
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TEMA 3: Redes inalámbricas y móviles
Dos retos importantes aunque diferentes:
- Sin cables: comunicación a través de un enlace inalámbrico
- Movilidad: gestionando las conexiones cuando un usuario cambia de punto de acceso a la red sin perder su conexión
1. Introducción
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Hay dos formas de conectar dispositivos de forma inalámbrica
Modo infraestructura
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- Las estaciones base conectan dispositivos de forma cableada.
- Transferencia: dispositivo cambia de estación base que provee la conexión a la red cableada.
UN PUNTO DE ACCESO NO TIENE IP, ES DE NIVEL 2
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Inundación: Tabla vacía. El equipo X transmite a la estación A.
Envío de tráfico: Si A contesta a X, el punto de acceso recibe una trama en el puerto I con dirección MAC_A de origen y MAC_X destino.
Modo ad hoc
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- No hay estaciones base
- Los nodos sólo pueden transmitir a otros nodos en su alcance
- Los nodos se organizan a sí mismos en red: enrutamiento a través de ellos mismos
Otros modos
- Modo Máster: una estación inalámbrica actúa como punto de acceso
- Modo Monitor: permite capturar paquetes sin asociarse a un punto de acceso o red ad-hoc, es decir, permite monitorizar la red sin transmitir tráfico a la misma (modo pasivo).
- Modo Promiscuo: permite capturar paquetes de la red, pero hay que estar en ella.
2. Topologías
- BSS (Basic Service Set): topología de red formada por un punto de acceso y estaciones inalámbricas.
- ESS (Extended Service Set): topología de red formada por varias BSS interconectadas entre ellas.
- IBSS (Independent Basic Service Set): topología de red formada únicamente por estaciones inalámbricas, operando en modo ad-hoc.
3. Sistemas de distribución
Cableado
A través de red LAN IEEE 802.3
Inalámbricos
- WLAN con rutas preconfiguradas estáticas: WLAN basado en IEEE 802.11
- WLAN con rutas no preconfiguradas o Redes Mesh: Las redes Mesh se definen como el conjunto AP interconectadas mediante enlaces inalámbricos ocn configuración dinámica (algoritmos). El objetivo de las redes Mesh es llegar a todos los rincones del sitio con varios AP en una "malla" (mesh).
4. Diferencias entre tipos de enlace
En redes inalámbricas hay problemas de obstáculos y distancia, ya que si hubiese tres equipos A,B,C, A y C no "se ven" y como la señal se debilita con la distancia entre ellos o el obstáculo entre ellos no se pueden comunicar.
| Obstáculo | Distancia |
|---|---|
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5. Code Division Multiple Access (CDMA)
Código único asignado a cada usuario. Todos los usuarios comparten la misma frecuencia pero cada uno tiene una frecuencia de chip para codificar los datos. Permite a usuarios coexistir y transmitir simultáneamente.
- Señal codificada: datos originales x secuencia de chip
- Decodificación: producto escalar entre la señal codificada y la secuencia de chip
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6. LAN Inalámbrica IEEE 802.11
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La arquitectura de LAN 802.11 es básicamente:
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- Host inalámbrico comunica con la estación base (Punto de Acceso, AP). Conjunto de servicios básico BSS (modo infraestructura: hosts, AP; modo ad hoc: hosts).
Escaneo activo/pasivo
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Escaneo pasivo:
- Los AP envían tramas baliza
- Host envía petición de asociación al AP seleccionado
- Se recibe en el Host una respuesta de asociación desde el AP
- IP, Netmask, RF, DNS.
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Escaneo activo:
- Broadcast con una trama de sondeo desde el Host.
- Respuesta a la trama de sondeo enviadas desde los AP.
- Host envía petición de asociación al AP seleccionado.
- Se recibe en el Host una respuesta de asociación desde el AP.
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Emisión/Recepción
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- Emisor:
- Si tras un tiempo DIFS está el canal libre, se transmite la trama entera.
- Si está ocupado el canal, inicia un tiempo aleatorio de espera. El contador va bajando mientras el canal se queda libre. Intentará transmitir cuando el contador expire.
- Si no ACK, incrementa el contador y vuelve a 2.
- Receptor: Si trama recibida OK: devuelve ACK después de SIFS
IDEA: para evitar las colisiones
Permitir al emisor "reservar" el canal en lugar de acceder aleatoriamente evitando colisiones con tramas largas.
- El emisor transmite primero pequeños paquetes de solicitud de transmisión (RTS) usando CSMA (los RTS pueden colisionar pero son cortos).
- El AP responde preparado para enviar (CTS).
- Cuando el resto de Hosts reciben el CTS, aplazan sus transmisiones y el Host emisor actual transmite su trama.
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Trama 802.11
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- Dirección 1: MAC Rx
- Dirección 2: MAC Tx
- Dirección 3: MAC de la interfaz del router a la que el AP está conectado
- Dirección 4: sólo en modo ad-hoc
- CRC: control de errores
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7. Movilidad
Definiciones
Dirección permanente: permanece constante (ej. 128.119.40.186) Care-of-address (COA): dirección en la red visitada (ej. 79.129.13.2) Red ajena (visited network): red en la que reside actualmente el dispositivo (ej. 79.129.13.0/24) Corresponsal: host que quiere comunicarse Agente ajeno (foreign agent): entidad en la red ajena que se encarga de funciones de movilidad.
Enrutamiento indirecto
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Enrutamiento directo
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TEMA 4: Transmisión de Datos
1. Introducción
Datos: entidades que contienen información
- Digitales: datos binarios (0's y 1's)
- Analógicos: datos en forma de ondas variables con el tiempo (por ejemplo onda sonora de la voz a través del teléfono) Señales: representaciones eléctricas/electromagnéticas de los datos Señalización: proceso de conversión de datos en señales físicas adecuadas al medio
- Digital: codificación
- Analógica: modulación Transmisión: proceso de comunicación de datos mediante propagación y procesado de señales
- Digital: ondas cuadradas discretas, por ejemplo redes de computadores
- Analógica: datos analógicos transmitidos de forma analógica, por ejemplo TV/radio
Datos convertidos A/D
- Módem (modulador/demodulador): se utiliza cuando los datos digitales se envían como transmisión analógica
- Códec (codificador/decodificador): se utiliza cuando se envían datos analógicos a través de señales de transmisión digital
Ventajas de la transmisión digital
- Menos errores: más fácil detectarlos y corregirlos porque son binarios. Una onda cuadrada débil se puede propagar fácilmente en forma perfecta.
- Velocidades de transmisión más altas: por ejemplo fibra óptica.
- Más eficiente: es posible enviar más datos digitales a través de un circuito dado, el circuito puede ser "encapsulado".
- Más seguro: más fácil cifrar un bit stream.
- Más simple para VVD (voz, vídeo y datos): se pueden mezclar más fácilmente (binarios).
2. Configuración de circuitos
Punto a punto
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Se usa cuando los hosts generan suficientes datos como para llenar la capacidad del circuito. Cada host tiene su propio circuito para llegar al otro host en la red (caro).
Multipunto
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Se usa cuando cada host no tiene que usar el circuito continuamente. Es mas barato, ya que no hay tantos cables y es más fácil de cablear. Solo un host puede usar el circuito a la vez.
3. Flujo de datos
Simplex
Los datos van nen una sola dirección (radio y TV por cable).
Half-duplex
Los datos fluyen en ambos sentidos pero solo en uno a la vez (walkie talkies).
Full-duplex
Los datos fluyen en ambos sentidos a la misma vez.
4. Modos de transmisión
Transmisión serie
!Pasted image 20250510205021.png Se puede usar a distancias más largas ya que los bits permanecen en orden.
\begin{equation}
V_b=\frac{1}{T_b}
\end{equation}
Transmisión en paralelo
!Pasted image 20250510205203.png Se utiliza para distancias cortas ya que los bits en paralelo tienden a dispersarse.
\begin{equation}
nV_b=\frac{1}{T_b}, \text{n número de líneas}
\end{equation}
Tipo de sincronización
- Heterosincronizada: El reloj es único y está en el Tx. También es posible situar el reloj en el Rx. Esta estructura no se da con frecuencia.
- Autosincronizada: Única línea por la que se envían datos y CLK. El reloj tiene que estar en el Tx. Para conseguir esto, se recurre a algo llamado CÓDIGO DE LÍNEA
Alambre de cobre formado por núcleo y malla. Buen ancho de banda y buena inmunidad al ruido. 50$\Omega$ digital, 75$\Omega$ analógico.
- Mayor ancho de banda que el UTP
- Menor atenuación
- Ideal para señales analógicas como TV
### Fibra óptica
!Pasted image 20250510221553.png
Se basa en la reflexión total interna para transmitir la luz. Pueden usarse LED o Láser. Hay una relación entre la longitud de onda, el tipo de fibra y la velocidad de transmisión.
## 2. Medios no guiados
### Radio
- Omnidireccional
- Un Tx varios Rx
- Bandas: LF, MF, HF, VHF
- Fáciles de generar
- Largas distancias
- Atraviesan paredes
- Absorbidas por la lluvia
- Interferencias posibles por equipos eléctricos
#### Factores que afectan a la transmisión en line of sight
- Pérdida en el espacio libre por distancia
- Absorción atmosférica: vapor de agua (22GHz) y oxígeno (60GHz)
- Trayectorias múltiples
- Refracción
### Microondas
!Pasted image 20250510222011.png
!Pasted image 20250510222038.png
- Frecuencias muy altas de 3GHz a 100GHz
- Longitud de onda muy pequeña
- Antenas parabólicas
- Rx y Tx en _line of sight_
- A 100m de altura se alcanzan 80Km sin repetidores
- Rebotan en los metales (radar)
### Satélites
!Pasted image 20250510222503.png
| Banda | Frecuencia | Uso |
|---|---|---|
| L | 1 GHz | Antenas omnidireccionales |
| S | 2 GHz | NASA |
| C | 6/4 GHz | Comercial, teléfono |
| X | 8/7 GHz | Militar, Gobierno |
| Ku | 14/12 GHz | |
| Ka | 30/20 GHz | Intersatélite |
| V | 40 GHz | |
| Q | 60 GHz |
Ventajas
- Comunicación sin cables
- Gran cobertura
- Disponibilidad de banda ancha
- Instalación rápida de una red
- Bajo coste añadir otro Rx
- Servicio total proporcionado por el satélite en sí
TEMA 6: Alteraciones en las transmisiones
1. Atenuación
- La potencia de la señal decae con la distancia
- Depende del medio
- Se suele medir en dB/m
- La potencia debe ser suficiente fuerte para ser detectada y lo suficientemente más grande que el ruido para recibirse sin error
- Se usan amplificadores/repetidores
- Es mayor a más frecuencia
Ganancia y atenuación
dB = Indica la relación entre dos valores de P, V o I
La ganancia expresada en dB sería:
- Relación de potencias:
G(dB)=10\times\log_{10}{\frac{P_2}{P_1}} - Relación de tensiones:
G(dB)=20\times\log_{10}{\frac{V_2}{V_1}}ya queP=V^2/Ry el cuadrado multiplica fuera - Relación de intensidades:
G(dB)=10\times\log_{10}{\frac{I_2}{I_1}}
dBm = unidad de medida absoluta que mide potencia respecto a 1mW
\begin{equation}
P(dBm)=10\times\log_{10}{\frac{P(mW)}{1mW}}
\end{equation}
Esto es muy util si hay atenuaciones y amplificaciones (ganancias) sucesivas:
\begin{equation}
P_2(dBm)=P_1(dBm)+\sum_i{G_i(dB)}-\sum_j{A_j(dB)}\rightarrow\text{G, A: Ganancia, Atenuación}
\end{equation}
Pérdida en medios no guiados
\begin{equation}
L=10\times\log(4\pi d/\lambda)^2~~~\text{(dB)}
\end{equation}
2. Desvanecimiento
Desaparece la señal de forma transitoria. En teoría se puede restablecer en el Rx con control automático de ganancia, a menos que sea muy pequeña. Es causado por condiciones atmosféricas.
3. Distorsión armónica
- Ocurre sólo en medios guiados
- La velocidad de propagación varía con la frecuencia
- Particularmente crítico en datos digitales a velocidades altas
4. Ruido
Son señales no deseadas que se superponen con la señal que se quiere transmitir a lo largo del proceso de transmisión.
Ruido térmico
Se debe al calor, aparece en todos los dispositivos electrónicos
\begin{equation}
N_0=k\times{T}~~~\text{(W/Hz)}
\end{equation}
\begin{equation}
k=1,38\times10^{-23}~\text{J/ºK (constante de Boltzmann)}
\end{equation}
\begin{equation}
T\equiv\text{temperatura en Kelvin}
\end{equation}
Ruido magnético natural
- Atmosférico: producido por perturbaciones en la atmósfera. El rayo es la fuente más visible de este tipo de ruido. Se propagan como las ondas de radio. Es importante hasta los 20KHz y en TV (500MHz).
- Espacial:
- Solar: erupciones solares
- Cósmico: rayos cósmicos
Ruido magnético artificial
- Arrancar y parar motores
- Vibraciones mecánicas -> eléctricas
- Fluorescentes
- Diafonía
- Conmutación de circuitos
Ruido de rebote en los cables
!
\begin{equation}
V_{TOTAL}=V_++V_-
\end{equation}
\begin{equation}
\rho\equiv\text{coeficiente de reflexión}=\frac{V_-}{V_+}
\end{equation}
Ruido por diferencia en GNDs
!Pasted image 20250510224952.png Se produce cuando hay diferencias de tension en la GND del Tx y Rx. Es un problema importante. Puede producir problemas graves.
Ruido de intermodulación
Superposición de señales al multiplexar varias en un canal
Ruido de cuantización
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Ocurre al digitalizar. Son los "trozos sobrantes" de la señal digital respecto a la analógica.
Ruido AWGN
\begin{equation}
p(z)=\frac{1}{\sqrt{2\pi\sigma}}e^{-(z-\mu)^2/2\sigma^2}
\end{equation}
ADITIVO + BLANCO + GAUSSIANO = AWGN
5. Fórmulas
Nyquist (capacidad del canal)
Canales ideales, libres de ruidos. Si cada forma de onda transmite un bit, tenemos C=2B\text{ bps}. Se mejora usando señales multinivel
\begin{equation}
C=2B\times\log_2{M}~~~\text{(bps)}
\end{equation}
Shannon (capacidad del canal)
Considera el ruido del canal. Relaciona la capacidad y la relación señal/ruido (SNR).
\begin{equation}
SNR=\frac{\text{Potencia señal (S)}}{\text{Potencia ruido (N)}}
\end{equation}
\begin{equation}
SNR_{dB}=10\log_{10}{\frac{\text{Potencia señal}}{\text{Potencia ruido}}}~~~\text{(dB)}
\end{equation}
\begin{equation}
C=B\log_2{(1+SNR)}~~~\text{(bps)}
\end{equation}
BER (Bit Error Rate)
\begin{equation}
BER=\frac{\text{nº de bits erroneos}}{\text{nº de bits transmitidos}}
\end{equation}
NOTAS
- Si SNR es grande la comunicación es buena (mas señal que ruido)
- Si es pequeño, mala o imposible
TEMA 7: Digitalización, modulación, multiplexión
1. Muestreo de una señal
\begin{equation}
f_{MUESTREO}\geq2\times{f_{MÁX.}}
\end{equation}