comunicaciones inalámbricas capitulo 1: fundamentos...
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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.
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
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)
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Sistemas cableados Vs Inalámbricos
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Historia • Historia
Michael Faraday James Clerk Maxwell Heinrich Rudolf Hertz
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Historia
Alexander Stepanovich Popov Nikola Tesla Guglielmo Marconi
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Sistema de Comunicaciones Inalámbrico
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Sistema de Comunicaciones Inalámbrico
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Transmisor
Sistema de Comunicaciones Inalámbrico
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• Receptor
Sistema de Comunicaciones Inalámbrico
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
Sistema de Comunicaciones Inalámbrico
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Interfaz Radio
– Sistema de telecomunicaciones: Red de acceso y red de transporte.
Sistema de Comunicaciones Inalámbrico
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
• Interfaz radio
– Utilización del espectro radioeléctrico implica un uso compartido y coordinado de asignaciones de las variables (f, t y s).
Sistema de Comunicaciones Inalámbrico
Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca
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.
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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.
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• Multiplexación por División de Frecuencia
Multiplexación
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• 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
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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.
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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.
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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)
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• 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
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• CDMA. SSM.
Técnicas de Acceso
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• CDMA. SSM.
Técnicas de Acceso
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• CDMA. SSM.
Técnicas de Acceso
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• 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
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• 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
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• 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
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• OFDM
– Sistemas celulares de cuarta generación, televisión y radio digital.
Técnicas de Acceso
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• 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
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• OFDM
UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ
Técnicas de Acceso
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Conclusión • Cada técnica de acceso tiene sus propios retos –
control de potencia en CDMA, temporización en TDMA, y generación/filtrado de frecuencia en FDMA.
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