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Sistemas de Comunicaciones Móviles
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Ingeniería de Telecomunicaciones
Sesión: 3Fundamentos de la Interfaz radio
Prof. Ing. José C. Benítez P.
Sesión. Fundamentos de la interfaz radio
1. Concepto.
2. Enlaces.
3. Duplexación.
4. Acceso múltiple.
5. Modelo energético.
6. Cobertura radioeléctrica
7. Modelo de red.
8. Modelo de sistema de transmisión.
1. La interfaz radio
1. La interfaz radio
• Es la interfaz móvil-base.
• Proporciona la movilidad: es imprescindible.
• Limita las prestaciones del sistema, debido a:
• Características de la transmisión por radio:
• inestabilidad de la señal,
• distorsión,
• interferencia.
• Limitación de ancho de banda (por regulación).
2. Enlaces
• Enlace Descendente (Down Link)
• Enlace Ascendente (Up Link)
(Requiere Técnicas de multiacceso)
• Alcance de la estación Base (Talk Out)
• RetroAlcance (Talk back) de la
estación móvil)
2. Enlaces
3. Duplexación
• Permiten la comunicación full-duplex entre MS y BTS.
• Hay dos técnicas:
• FDD (Frequency Division Duplex - Duplexado por
división de frecuencia).
• TDD (Time Division Duplex - Duplexado por
división de tiempo).
3. Duplexación
FDD: Duplexado por división de frecuencia
• Cada móvil se comunica a través de
un radiocanal.
• Un radiocanal se compone de dos
frecuencias (fi, fi’).
• Una comunicación requiere dos
frecuencias.
• Frecuencias separadas para Tx y Rx.
• UL: menor potencia de transmisión
en el móvil (menor atenuación a
menor frecuencia).
3. Duplexación
TDD: Duplexado por división de tiempo
• UL y DL operan en la misma banda de frecuencias, utilizando
diferentes slots de tiempo.
• Intervalos de tiempo separados para Tx y Rx, utilizando la misma
frecuencia en los dos sentidos.
• Los intervalos de tiempo son suficientemente cortos, para que la
transmisión en los dos sentidos sea aparentemente simultánea.
• Se utiliza una sola frecuencia para la comunicación.
Permite asimetría, lo que se presta para
comunicación de datos.
3. Duplexación
4. Acceso múltiple
Dimensiones de un proceso de
radiocomunicación
4. Acceso múltiple
• FDMA (separación en frecuencia)
� (+) Sencillez.
� (−) Número de equipos en la base; poca flexibilidad en la tasa binaria;
dificultad para incluir señalización asociada.
• TDMA (separación en el tiempo)
� (+) Menos equipos; no duplexor; flexibilidad para canales de distinta
tasa binaria; facilidad para señalización asociada.
� (−) (Sólo modulaciones digitales); sincronización estricta; interferencia
en equipos (p. ej. de audio).
• CDMA (separación en el “código”).
� (+) Flexibilidad (como TDMA); más capacidad (discutible).
� (−) (Sólo digital); control de potencia muy estricto; tecnología compleja
• SDMA (separación en ubicación o dirección espacial).
� (+) Eficiencia en el uso de los recursos.
� (−) Más equipos (células o sectores); complejidad (antenas inteligentes).
• Otras técnicas:
� Aloha ranurado (S-Aloha): para acceso inicial.
4. Acceso múltiple
• Los sistemas móviles siempre incluyen una componente FDMA.
De acuerdo con esto, existen
� Sistemas FDMA. Ej.: AMPS.
� Sistemas FDMA/TDMA. Ej.: GSM.
� Sistemas FDMA/CDMA. Ej.: UMTS.
� ···
• Se llama radiocanal a la unidad mínima de FDMA.
� Ej.: en GSM un radiocanal (portadora) ocupa unos 200 kHz;
y se divide en 8 intervalos de tiempo, según una estructura
TDMA.
4. Acceso múltiple
4. Acceso múltiple
Distribuciones de frecuencias
en el canal móvil
5. Modelo energético
Entidades y parámetros de la interfaz radio
PRAD: Potencia radiada aparente del Tx deseado.
PSD: Potencia Señal deseada.
ED: Campo eléctrico del Tx deseado en la antena Rx.
EI: Campo eléctrico interferente total.
Perturbaciones:
Pnext: Potencia Ruido externo.
Pnint: Potencia Ruido Interno.
Pst: Potencia Total Señales
interferentes en el receptor
5. Modelo energético
D D
5. Modelo energético
5. Modelo energético
En el lado de Tx:
• Transmisor (TX), encargado de la
generación de la señal modulada.
• Circuitos de acoplo de antena, entre
los que se encuentran aquellos
elementos (alimentadores,
multiplexores, circuladores) que
permiten adaptar la antena al
transmisor.
• El circuito de antena lo constituyen
los elementos disipativos de la
antena.
• Por último, se dispone de una antena
ideal. El conjunto formado por el
circuito de antena y la antena ideal
constituye la antena real.
5. Modelo energético
En el lado de Rx:
• Antena ideal.
• El circuito de antena representa a los
elementos disipativos de la antena
receptora. Este circuito junto con la
antena ideal forman la antena
receptora real.
• Los circuitos de acoplo del receptor,
constituidos por duplexores, filtros,
línea de alimentación, …, es decir, por
los elementos de adaptación entre la
antena y el receptor.
• El receptor (RX), encargado de extraer
de la señal modulada la información
transmitida.
5. Modelo energético
Las potencias en el modelo energético:
• En el lado de la transmisión (dBm).
� Potencia entregada por el transmisor
(Pet).
� Potencia entregada a la antena real
(Pt’).
� Potencia ficticia entregada a la
antena ideal, sin pérdidas,
equivalente a la antena real, o
potencia radiada (Pt).
� Potencia isótropa radiada
equivalente en dirección al receptor
(PIRE).
5. Modelo energético
Las potencias en el modelo energético:
• En el lado de la recepción (dBm).
� Potencia ficticia disponible en una
antena receptora isótropa (Pi).
� Potencia ficticia disponible en los
terminales de la antena receptora
ideal, equivalente a la antena
receptora real, (Pr).
� Potencia disponible a la entrada de
los circuitos de acoplo del receptor
(Pr’).
� Potencia disponible a la entrada del
receptor (Pdr).
5. Modelo energético
Las pérdidas (dB):
• Pérdidas en los circuitos terminales del transmisor: Ltt.
• Pérdidas en la antena de transmisión, dadas por la expresión Lat=10.log(100/ecdt), donde ecdt es la
eficiencia de radiación de la antena TX.
• Pérdidas en los circuitos terminales del receptor: Ltr.
• Pérdidas en la antena de recepción, dadas por la expresión Lar=10.log(100/ecdr), donde ecdr es la
eficiencia de radiación de la antena RX.
• Pérdida básica de propagación, entre antenas isótropas, Lb, que es función de la frecuencia, la
distancia, el modo y el medio de propagación.
• Pérdida de transmisión entre antenas ideales, Lt.
• Pérdida del sistema, definida entre los interfaces de las antenas reales, Ls.
• Pérdida global, Lg, definida entre la salida del TX y la entrada al RX.
5. Modelo energético
Las ganancias (dB), se considerarán como pérdidas negativas, y son las siguientes:
• Ganancia de potencia de la antena transmisora, Gt’.
• Directividad de la antena transmisora, Dt.
• Ganancia de potencia de la antena receptora, Gr’.
• Ganancia directiva de la antena receptora, Dr.
Se interpreta la ganancia de potencia de una antena como el producto de la directividad
por la eficiencia de radiación (ITU-R.- Rec. V.573-4: Radiocommunication vocabulary.-
Internacional Telecommunication Union, Switzerland, 2000. p.14.).
5. Modelo energético
0
antant
T
Tf =
• Dipolo (antena): “fuente de ruido”
Tant
0cuadcuad )1( TfT −=
• Cuadripolo: “añade ruido”
Tcuad
g
Para un cuadripolo pasivo a T0: fcuad = l = 1/g
• Sistema
Ttotal
0
entrada la a totalsis
T
Tf =
10
cuadcuad +=
T
Tf
• Factor de ruido f =SNRi
SNRo
Definiciones de factor de ruido
• Factor de ruido equivalente en cascada (Formula de Friis):
La magnitud del ruido generado por un dispositivo
electrónico, por ejemplo un amplificador, se puede
expresar mediante el denominado factor de ruido (f).
La razón de señal a ruido (SNR ó S/N) es la razón de
potencia entre una señal (información valiosa) y el ruido
de fondo. (P es la potencia y A la amplitud rms)
Pn = fKTB
Pn es la potencia del ruido de entrada en watts (W)
f es el factor de ruido.
K es la constante de Boltzmann (1.38 X 10-23 J/°K)
B es el ancho de banda en Hertz (Hz)
T es la temperatura en grados Kelvin (To=290oK=17oC)
5. Modelo energético
Ruido en el receptor
dtrar
pa
r
trar
pa
d
trar
pa
ar
trarasis
lll
g
f
ll
g
l
ll
f
l
llff
11
1
1
1
11
−+
−+
−
+−
++−=
WfTkN sis0= N: potencia de ruido
5. Modelo energético
Calidad en Comunicaciones Digitales
WfTkN sis0=
RfkT
S
RN
S
N
S
R
W
N
EB
sis000
===
N: potencia de ruido
S: potencia de señal
R: tasa binaria
Eb/N0=SNR/(eficiencia espectral)
S/N: SNR
R/W: eficiencia espectral (bps/Hz)
5. Modelo energético
Modulaciones Digitales
• Modulaciones utilizadas en Comunicaciones Móviles
– BPSK
– QPSK
– GMSK (equivalente a BPSK con conformación de pulsos)
– En los últimos años se han introducido 8-PSK, 16-QAM.
• Receptor:
– Para símbolos independientes: Filtro adaptado (óptimo)
– En presencia de ISI: Filtro adaptado y algoritmo de Viterbi
(óptimo) o ecualizador (subóptimo).
• Conformación de pulsos:
– Reducción de lóbulos laterales.
– Posible ISI.
5. Modelo energético
Modulaciones Digitales
5. Modelo energético
Conformación de pulsos
4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3
x 106
-40
-30
-20
-10
0
dB
4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3
x 106
-40
-30
-20
-10
0
dB
-50 0 50 100 150 200 250 300 3500
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-50 0 50 100 150 200 250 300 3500
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Tiempo Frecuencia
5. Modelo energético
Conformación de pulsos
Ejemplo: espectro de señal GSM
5. Modelo energético
Codificación del canal
Tipos de códigos:
• Detección de errores / corrección de errores.
• Bloque / convolucional / turbo.
Formas de decodificación:
• Soft / hard.
Utilización en Comunicaciones Móviles:
• Código externo: detector (bloque)
• Código interno: corrector (convolucional o
turbo; a veces bloque)
• Entrelazado.
5. Modelo energético
Codificación del canal
Código
externoEntrelazado
Canal (propagación)
Código
internoModulador
Desentrel. Demod.
···
···
Decod. int.Decod. ext.
Detector
Bloque
Corrector (FEC)
Convolucional / Turbo / Bloque
Soft / Hard
Bits de fuente
···
Bloque: correcto o erróneo. Si erróneo: eliminación o retransmisión (ARQ).
5. Modelo energético
Código corrector (FEC – Forward error correction)
Hay que distinguir EB/N0 de fuente y de canal. Normalmente se utiliza
la de fuente (es decir, considerando la tasa binaria de fuente).
Efectos de la codificación de canal:
(1)(–) Reducción de EB/N0 de canal, para una EB/N0 de fuente dada
• Debido al aumento de la tasa binaria tras codificar
(2) (+) Capacidad correctora.
(3) (–) Aumento de la tasa binaria.
� (1) y (2) afectan a la BER final. El código es útil cuando (2) supera a
(1).
� Aumento de tasa binaria afecta al ancho de banda, salvo en
sistemas de espectro ensanchado.
5. Modelo energéticoCódigo corrector (FEC – Forward error correction)
Ejemplo: código BCH (n=127,k=36)
(a) BER sin código
(b) BER de canal con código
(c) BER de fuente con código
4 5 6 7 810-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
Eb/N0 (dB) de fuente
(b)
(a)
(c) Ganancia de codificación:
reducción de EB/N0 para una
calidad objetivo
Zona útil: ganancia positiva
Ganancia de codificación
BE
R
k: bits antes de codificar
n: bits tras codificar
k/Tbloque: R antes de codificar
k/Tbloque: R tras codificar
5. Modelo energético
Tasa de codificación
• La tasa de codificación indica la proporción entre bits de fuente y de
canal. Es menor o igual que 1.
• Para códigos convolucionales o turbo son habituales los valores 1/2, 1/3.
• La tasa de codificación de un código corrector puede ajustarse de forma
fina por medio de:
� Repetición:
� Se repiten algunos bits de canal
� Sus posiciones son conocidas en el receptor
� Esos bits se reciben con más fiabilidad.
� Eliminación (puncturing):
� Se eliminan algunos bits de canal
� Sus posiciones son conocidas en el receptor
� El algoritmo de decodificación tiene en cuenta que para esos
bits no se dispone de información.
5. Modelo energético
Entrelazado
• En un canal de propagación
multitrayecto los errores se
suelen producir en ráfagas,
correspondientes a periodos de
desvanecimiento.
• El objetivo del entrelazado es
dispersar los errores, de modo
que ya no aparezcan en ráfagas.
• De esta forma el código
corrector puede corregir mejor
los errores.
5. Modelo energético
Código detector: ARQ
• La detección de errores logra una tasa de bloques erróneos (BLER)
arbitrariamente pequeña (idealmente 0) por el procedimiento de
retransmitir los bloques recibidos incorrectamente (ARQ).
• En comunicaciones móviles, el nivel recibido o EB/N0 instantánea tiene
variaciones grandes (debidas a multitrayecto). Los errores tienden a
producirse cuando el nivel recibido es bajo.
• En un sistema sin ARQ, conseguir una BLER muy pequeña requiere un
planteamiento conservador: exigir niveles medios de EB/N0 muy
grandes, para que aún cuando el nivel instantáneo baje no se produzcan
errores.
• El uso de ARQ permite detectar (a posteriori) qué bloques han tenido
errores, y tomar las medidas necesarias sólo para esos bloques.
(+) Menor EB/N0 media necesaria
(–) Retardo variable para cada bloque
5. Modelo energético
Código detector: ARQ
6. Cobertura radioeléctrica
Zona de cobertura
6. Cobertura radioeléctrica
6. Cobertura radioeléctrica
6. Cobertura radioeléctrica
7. Modelo de red
7. Modelo de red
8. Modelo de transmisión
8. Modelo de transmisión
Bibliografía
1. Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant:
"An Introduction to GSM", Artech House, March 1995, ISBN
978-0-89006-785-7
2. Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant:
"GSM and Personal Communications Handbook", Artech
House, May 1998, ISBN 978-0-89006-957-8
3. M. Boulmalf, S. Akhtar. Performance Evaluation of
Operational GSM's Air-Interface (Um). UAE University.
4. http://www.gsma.com/latinamerica/
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Um_interface
6. http://www.3gpp.org/
S3. Interfaz radio
Blog del curso:
http://uniscm.blogspot.com