comunicaciones inalámbricas capitulo 1: fundamentos...

Comunicaciones Inalámbricas Capitulo 1: Fundamentos

Víctor Manuel Quintero Flórez

Claudia Milena Hernández Bonilla

Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones

II-2013

Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca

Sistemas cableados Vs Inalámbricos

• En áreas con alta densidad de población los sistemas cableados son económicamente preferibles. (Sistemas banda estrecha y sistemas banda ancha).

– Par trenzado.

• 10 kHz @ 2-3 dB/km.

• 10 MHz @ 7 dB por 100 metros.

– Cable coaxial

• Altas frecuencias (TV, datos de alta velocidad).

• 1 GHz @ 2dB por 100 metros.


Sistemas cableados Vs Inalámbricos – Fibra óptica.

• Mayor costo.

• 850 nm @ ≅ 2.3 dB/km.

• 1300 nm @ ≅ 0.25 dB/km.

• 1550 nm @ ≅ 0.25 dB/km.

• Sistemas inalámbricos menor pérdida de potencia – mayor distancia, para áreas donde la población se encuentra dispersa.

• La potencia radiada por unidad de área decrece con el inverso del cuadrado de la distancia entre transmisor y receptor. – Duplicando distancia factor de pérdida ≈ 4 (6 dB)


Sistemas cableados Vs Inalámbricos


Espectro de Radiofrecuencia


Espectro Electromagnético


Historia • Historia

Michael Faraday James Clerk Maxwell Heinrich Rudolf Hertz


Historia

Alexander Stepanovich Popov Nikola Tesla Guglielmo Marconi


Sistema de Comunicaciones Inalámbrico


• Transmisor



• Receptor



• Interfaz Radio

– Sistema de telecomunicaciones: Red de acceso y red de transporte.



• Interfaz radio

– Utilización del espectro radioeléctrico implica un uso compartido y coordinado de asignaciones de las variables (f, t y s).



Multiplexación • La capacidad del medio de transmisión

usualmente excede la capacidad requerida para la transmisión de una única señal

• Multiplexación – Transportar múltiples señales sobre un único medio

– Mayor eficiencia en el uso del medio de transmisión.


Multiplexación


Multiplexación (3) • Técnicas de Multiplexación

– FDM (Frequency-division multiplexing)

• Toma ventaja del hecho que el ancho de banda útil del medio excede el ancho de banda requerido para una señal dada.

– TDM (Time-division multiplexing)

• Toma ventaja del hecho que la tasa de datos alcanzable en el medio excede la tasa de datos requerida por una señal digital.


• Multiplexación por División de Frecuencia

Multiplexación


• Multiplexación por División de Tiempo

Multiplexación

Duplexación

• Transmitir y recibir simultaneamente

• Frequency Division Duplexing (FDD).

– Dos distintas frecuencias simultaneamente en las dos direcciones.

– La separación de frecuencias es coordinada por tecnología RF.

– Una frecuencia para cada usuario.

• Time Division Duplexing (TDD)

– Dos distintos conjuntos de intervalos de tiempo sobre la misma frecuencia en las dos direcciones.

– Latencia en el tiempo debido a que es cuasi-duplex

– No necesita Duplexor de RF

Duplexación


MAC (Control de Acceso al Medio). ¿Cuando transmitir?

– Acceso múltiple y duplexación. • Acceso múltiple: múltiples usuarios. • Duplexación: Simultaneamente transmitir y recibir.

– Acceso planeado o programado (Scheduled). • Comunicaciones estructuradas. • No ocurren colisiones. • Considerable información de control para controlar la transferencia de

información del usuario (High overhead). • Coordinación de los transmisores.

– Acceso aleatorio (basado en contención) • Comunicaciones no estructuradas. • Suceden colisiones. • Baja información de control (Low overhead) para controlar la

transferencia de información de usuario. • No coordinación de los transmisores.


Acceso Múltiple: aleatorio • ALOHA

– Transmitir sin escuchar primero.

• Acceso múltiple detección de portadora (CSMA) – Escucha antes de transmistir.

– Detección de colisión (CSMA/CD) • El nodo debe ser capaz de transmitir y recibir simultaneamente.

• Redes alambradas Ethernet 802.3.

– Evasión de colisión (CSMA/CA) • No requiere transmisión y recepción simultanea.

• Reserva canales para transmisión posterior de un numero considerable de paquetes de datos.

• Utilizado en muchas redes inalámbricas.


• Frequency Division Multiple Access (FDMA) – Asigna una banda de frecuencia diferente a cada usuario. – Banda de frecuencia (“canal”) asignado bajo demanda. – El espectro disponible “banda ancha” dividido en un número

de canales de “banda estrecha” . – Transmisión continua. No implica tramas ni bits de

sincronización. – Requiere filtrado de RF para minimizar la interferencia de

canales adyacentes y radiación espurea. – Usualmente combinado con FDD para la duplexación.

Técnicas de Acceso


• FDMA Técnicas de Acceso


• Time Division Multiple Access (TDMA) – Usuarios múltiples comparten la misma banda de frecuencia

repitiendo cíclicamente “intervalos de tiempo”. – “canal” = Un intervalo de tiempo particular reocurrente cada

trama de N intervalos. – Necesario ecualización adaptativa por altas velocidades de

transmisión de datos y multitrayectoria. – Bits de sincronización, bits de guarda. – Bits de guarda para las variaciones de retardo en la

propagación. – Usualmente combinado con TDD o FDD. – TDMA/TDD: Mitad de los intervalos en una trama son

utilizados para enlace de subida (uplink), mitad para el enlace de bajada (downlink).

– TDMA/FDD: Tramas idénticas, sobre dos frecuencias.

Técnicas de Acceso

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• TDMA

Técnicas de Acceso

Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca UNIVERSIDAD DEL CAUCA - Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones

• TDMA

Técnicas de Acceso


• FDMA/TDMA Hibrido – TDMA “puro”. Una sola banda de frecuencia es no deseable. – Múltiples portadoras con múltiples canales por portadora. – canal == (banda de frecuencia, intervalo de tiempo). – Puede hacer saltos de frecuencia para combatir el

desvanecimiento por multitrayectoria (TDFH, Time Division Frequency Hopping).

– Incrementa la capacidad del sistema.

Técnicas de Acceso

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• FDMA/TDMA Hibrido

Técnicas de Acceso


• Code Division Multiple Access (CDMA) – Comunicaciones que coinciden en frecuencia y

tiempo.

– Las comunicaciones se codifican con códigos que presentan muy baja correlación cruzada.

– El receptor recupera una transmisión especifica con su correspondiente código.

Técnicas de Acceso (10)


• CDMA

Técnicas de Acceso


• CDMA

• Spread Spectrum Modulation.

– El Tx multiplica la señal con un código especial y entonces la señal es transmitida. La señal se expande (ensancha) varias veces el BW original. El receptor correlaciona las señales recibidas con el código especial para recuperar la señal de información original (desensanchamiento).

– Otras señales creadas con otros códigos solo aparecen en el receptor como ruido aleatorio

Técnicas de Acceso


• CDMA. SSM.

Técnicas de Acceso

• CDMA. SSM .

Técnicas de Acceso (19)


• Tipos de SSM

– Secuencia Directa (DS, Direct Sequence)

• Multiplicando la señal de usuario por una señal de alta velocidad

(código PN).

• 1.228 Mcps en IS-95, 3.84 Mcps en WCDMA.

• La energía de la señal se dispersa sobre un amplio rango de

frecuencias (e.g. 1.25MHz in IS-95, 5MHz en WCDMA)

– Saltos de Frecuencia (FH, Frequency Hopping)

• Aletoriamente cambia la frecuencia del canal con el tiempo, siguiendo

el código PN

Técnicas de Acceso


• DSSS

Técnicas de Acceso


• FHSS

Técnicas de Acceso


• Space Division Multiple Access (SDMA)

– Control de la energía radiada para cada usuario en el espacio.

– Antenas sectorizadas.

– Áreas diferentes servidas por diferentes antenas o lóbulos

– Antenas adaptativas (antenas inteligentes).

Técnicas de Acceso


• SDMA

Técnicas de Acceso


• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

– OFDM. Técnica de transmisión. Multiplexación por división de

frecuencia. Técnica de modulación multiportadora digital.

– Divide un canal de alta velocidad en canales múltiples, paralelos,

de baja velocidad.

– Utilizado en IEEE 802.11a,g (WLANs).

– Compensa efectos del canal sin complejos ecualizadores.

Técnicas de Acceso


• OFDM

– Sistemas celulares de cuarta generación, televisión y radio digital.

Técnicas de Acceso


• OFDM (3)

– La ortogonalidad requiere que el espaciamiento entre sub-portadoras Δf = k/(TU) Hertz, donde TU segundos es la duración del simbolo, y K es un entero positivo, tipicamente igual a 1.

– Con N sub-portadoras, el ancho de banda total sera B ≈ N·Δf (Hz).

Técnicas de Acceso


• OFDM

UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

Técnicas de Acceso


• OFDM

Técnicas de Acceso


Conclusión • Cada técnica de acceso tiene sus propios retos –

control de potencia en CDMA, temporización en TDMA, y generación/filtrado de frecuencia en FDMA.