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RSRD - Redes y Servicios de RadioGrado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación

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Tema 1: Técnicas básicas en

redes radio

RSRD - T1 Técnicas básicas en redes radio

Contenido

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Técnicas de Acceso Múltiple en contienda.

Técnicas de Acceso Múltiple con

reserva/selección. TDMA, OFDMA, CDMA.

Optimización del enlace Radio: Fundamentos de

Técnicas de Control del Enlace (LLC). HARQ.

Acceso Múltiple:Técnicas de Compartición

Clasificación de las técnicas

● Contienda. Las estaciones compiten por el medio, pudiendo haber colisiones.

● Reserva. En primer lugar la estación solicita el recurso (intervalo de tiempo, canal en

frecuancia, código). Se le asigna una parte del recurso (reserva) para que curse sus datos.

● Selección.Existe un mecanismo que indica qué estación puedehacer uso del enlace en cada momento.

● Técnicas híbridas.

Tratan de combinar las ventajas que ofrecen las anteriores

Acceso Múltiple en Contienda: Aloha simple

Una estación transmite cuando tiene datos que cursar.

Puede que 2 o más teminales solapen su transmisión (colisiones).

Después de recibir, se espera un asentimiento del destino.

Si no llega transcurrido un plazo, se retransmite.

El plazo de retransmisión es aleatorio.

Formato de paquete Aloha

Preámbulo Cabecera Datos (0-L caracteres) FCS

1 2 3 4 5 3r1 4r 6 5r 3r2

Rtx del 3 Rtx del 4 Rtx del 3r1

Transmisiones buenas

Colisiones

Rtx del 5

Acceso Múltiple en Contienda: Aloha Ranurado

Las estaciones transmiten sin escuchaprevia

La probabilidad de colisión disminuirá sidisminuye el intervalo vulnerable

El tiempo se divide en cuantosdenominados ranuras (slots)

Se transmite al comienzo de cada ranura

La ranura se dimensiona con un tamaño xp

Intervalo vulnerable:

Mitad que en Aloha simple

3r 4r1

Formato de paquete aloha ranurado

Preámbulo Cabecera Datos +relleno (L caracteres) FCS

Rtx del 3

Rtx del 4

Rtx del 5

Rtx del 4r1

Acceso Múltiple en contienda: Prestaciones de Aloha

Capacidad máxima doble en Aloha ranurado que en Aloha simple. Buenas prestaciones con tráfico bajo.

Inestabilidad.

Tráfico cursado (% de la capacidad del canal)

Tráfico inyectado al canal (Cursado + Colisionado. % de la capacidad del canal)

S=G e-2G

S=G e-G

Acceso Múltiple: Refinamientos de la contienda

Escucha de portadora (Carrier Sense)

No se transmite si el medio está ya ocupado

Gestión de colisiones (Collision Detect/Avoidance)

Se utilizan aplazamientos de duarción aleatoria pararesolver/evitar las colisiones

Acceso Múltiple: División del recurso

Recursos de comunicación “troceados” (xDMA)

Se crean/reparten:

• Intervalos de tiempo

• Canales de frecuencia

• Familias de códigos

xDMA: Acceso Múltiple por División en “x” (Tiempo/Frec./Código)

• TDMA• FDMA, OFDMA• CDMA

Acceso Múltiple: Métodos de Reserva

Asignación de recursos bajo demanda

Se basan en:

Recursos de comunicación “troceados” (xDMA)

Mecanismos de reserva (centralizados o distribuidos)

La reserva concede el derecho de uso de una parte de los recursos de comunicación.

DAMA/xDMA

DAMA: Acceso Múltiple con Asignación bajo Demanda

Acceso Múltiple: Métodos de Reserva

Casi libre de colisiones

Permite muchos usuarios

Elevados retardos de acceso

Elevado caudal cursado

Intervalode guarda Preámbulo Datos CRC

Intervalo de guarda Preámbulo Petición CRC

R1R6,R7R2

P1 Pn P2Pz

m slots de reserva

Trama TramaTrama

DAMA/TDMA con acceso Aloha

Acceso Múltiple: Métodos Híbridos

Combinar las buenas propiedades de los métodosanteriores:

● Con tráfico bajo: Los métodos de contienda se comportan bien y dan bajos retardos de acceso

● Con tráfico alto: Los métodos de reserva permiten cursar un caudal muy elevado

Métodos Híbridos: Contienda para bajo tráfico y Reserva para alto

Acceso Múltiple. Prestaciones caudal-retardo

No se parte del modelo teórico, sino de un modelo de tráfico más real

Se tienen en cuenta diversos factores que no aparecen en el modelo teórico:

● Preámbulos

● Cabeceras

● Ocupación de slot

Figura tomada de Ku-Band Satellite Data Networks Using Very Small Aperture Terminals-Part I:

Multiaccess Protocols. D. Raychadhuri, K. Joseph.

Caudal Cursado (Relativo al Canal)

Acceso Múltiple: OFDMA

• Historia

• Modelo OFDM

• Características

• Parámetros OFDM

• Acceso múltiple OFDMA

• Single Carrier FDMA (SC-FDMA)

• Despliegue celular

OFDMA Historia

• 1966. Descrito por R. W. Chang en Bell Labs

• 1970. Primera patente OFDM

• 1991. Estándar ANSI ADSL

• 1994. Descripción y patente de OFDMA por M. Fattouche and H. Zaghloul

• 1995. Estándar ETSI DAB (Digital audio broadcasting).

• 1997. Estándar DVBT (TDT)

• 1999. Estándar IEEE 802.11a

• 2002. Estándar IEEE 802.11g

• 2004. Estándar IEEE 802.16

• 2005. Estándar 3GPP LTE (downlink)

OFDMA. Modelo OFDM

Modulación multiportadora:

Escalable en ancho de banda

Codificación espacio-tiempo

OFDMA. Modelo OFDM

Portadoras ortogonales:

Tu = 1/Δf

Sin interferencia entre portadoras

OFDMA. Características OFDM. Sencillez

Implantación:

IFFT - FFT

OFDMA. Características OFDM. Reducción de la interferencia entre

símbolos

Multitrayecto → Interferencia entre símbolos

Muchas portadoras → Baja velocidad de símbolo

OFDMA. Características OFDM. Reducción de la interferencia entre

símbolos

Prefijo cíclico

Tiempo de guarda:

• Mayor que el tiempo de dispersión

Relleno con el final del símbolo:

• Para conservar la ortogonalidad

OFDMA. Características OFDM. Alto factor de cresta

El máximo PAPR es igual al número de subportadoras Nc

Reduce la eficiencia del amplificador de Tx al obligar a altos backoff

Output backoff (OBO) and input backoff (IBO)

Peak to Average Power Ratio: PAPR

OFDMA. Características OFDM. Robustez al desvanecimento

selectivo

El multitrayecto produce desvanecimientos parciales

Se puede codificar con diversidad en frecuencia

(frecuency interleaving)

OFDMA. Características OFDM. Sincronización

Se requiere en tiempo y en frecuencia

Con las referencias también se evalúa el canal

OFDMA. Parámetros OFDM. Espacio entre subportadoras Δf = 1/Tu

• Δf pequeño:

• Es bueno. Tu grande → Reduce el efecto overhead del prefijo cíclico

• Es malo. Más sensibilidad al efecto Doppler

El efecto Doppler desplaza las portadoras perdiendo ortogonalidad,

provocando interferencia entre portadoras.

La solución es un compromiso. Por ejemplo:• Banda de 2GHz → λ=15 cm

• Velocidades hasta v=200 km/h

• Dispersión por Doppler = v/λ = 370 Hz

• Para S/R = 30 dB → dispersión Doppler normalizada ≤ 2,5 %

• Δf = 14,8 kHz (En LTE se usa 15 kHz)

OFDMA. Parámetros OFDM. Número de subportadoras Nc

• Nc determina el ancho de banda total = Nc x Δf

El espectro decae lentamente. Se aplican guardas en los extremos.

Reduce en un 10 % el ancho de banda disponible.

Ejemplos para un ancho de banda de 5 MHz:

• Disponible 4,5 MHz

• En LTE, Δf = 15 kHz → Nc = 300 subportadoras

• En WiMAX, Δf = 10,94 kHz → Nc = 400 subportadoras

OFDMA. Parámetros OFDM. Prefijo cíclico. Tcp

• Absorbe la dispersión temporal por multitrayecto

• El decaimiento suele ser exponencial

• A mayor Tcp:

• Más overhead

• Peor rendimiento en potencia (En Tcp también se transmite)

• Dispersión por multitrayecto DS (Delay Spread) típica:

• Zona urbana. DS ≤ 0,7 µs en el 90%

• Zona rural. 5 µs ≤ DS ≤ 20 µs en el 90%

• Ejemplo:

• Trayecto alternativo con Δs = 2 km → Δt = Δs/c = 6,7 µs

OFDMA. Parámetros OFDM. Conformación de pulsos

• Se puede aplicar para mejorar el decaimiento del espectro

• Típicamente: Coseno alzado en el tiempo

• Roll-off de compromiso β = 2,5 %

• Ni WiMAX ni LTE lo usan

OFDMA. Acceso múltiple OFDMA. Modelo

• Grupos de portadoras asignadas a diferentes usuarios

• En downlink y uplink

• Asignación de subportadoras:• Consecutivas

• Por bloques

• Distribuidas

OFDMA. Acceso múltiple OFDMA. Asignación dinámica

El desvanecimiento cambia con:

• El tiempo

• La frecuencia (selectivo)

• La ubicación

Sondeando el estado se planifica dinámicamente la asignación para maximizar la capacidad

OFDMA. Acceso Múltiple Single Carrier FDMA (SC-FDMA)

SC-FDMA

Ventaja: Menor factor de cresta.

Uplink LTE

→ Optimiza el consumo de batería

OFDMA. Acceso Múltiple Single Carrier FDMA (SC-FDMA)

Multiplexación de usuarios

OFDMA. Despliegue celular

Despliegue celular GSM

Factor de reutilización = 3

Cada celda puede utilizar 1/3 de las frecuencias

Despliegue celular WiMax con sectorización.

Técnicas de aleatorización para repartir la interferencia

Despliegue celular WiMax con sectorización.

Menor interferencia.

Menor ancho de banda por sector

Reutilización fracionaria

En el centro: Factor de reutilización 1.

En los bordes: Factor de reutilización 3

Se puede combinar con coordinación temporal

Acceso múltiple. Espectro ensanchado. CDMA

• Transmisión con espectro ensanchado

• Modelo

• Características

• Historia

• Ventajas

• Técnicas

• Secuencia directa DS

• Salto de frecuencia FH

• Acceso múltiple CDMA

• Análisis de CDMA-DS

Espectro ensanchado. Modelo

Características del generador pseudoaleatorio:

Generado por: algoritmo+semilla.

Debe ser el mismo en TX y RX.

Generador pseudoaleatorio

Generador pseudoaleatorio.

Cod. línea

Mod. Dem. Dec. línea

BW datos

BW en el medio

BW datos

Espectro ensanchado. Características

• Códigos: muy baja correlación cruzada/autocorrelación.

• Ganancia del proceso: Wmedio/Wdatos = 10 - 106

• Inicialmente se usó para comunicaciones militares:

Protección frente a interferencias.

Disminución de la densidad espectral de potencia.

Medición de retardos y distancias (radar).

Espectro ensanchado. Historia

• Primeras ideas durante la 2ª Guerra Mundial (H. Lamarr, G. Antheil).

• No llegaron a concretarse.

• Durante los años 50 y principios de los 60, gran investigación militar en este tipo de sistemas.

• Desclasificada en los años 80.

• Actualmente también en sistemas de uso civil.

Espectro ensanchado. Ventajas

Detección en el receptor

interferencia Señal ensanchada

señal

Interferencia ensanchada

Problemas en comunicaciones por radio:

Los desvanecimientos pueden afectar bastante a un canal de banda estrecha.

Coexistencia de varias señales en el mismo espectro y tiempo.

Protección frente a usuarios maliciosos o enemigos.

Solución: ensanchar el espectro de la señal.

Espectro ensanchado. Ventajas

Señal de usuarioInterferencia de banda anchaInterferencia de banda estrecha

TRANSMISOR

Señal original Tras la expansión

RECEPTOR

Señales recibidas

Tras deshacer la expansión

Filtrado

Técnicas de ensanchamiento espectral

Existen diferentes formas de ensanchar una señal:

Secuencia directa (DS).

Salto de frecuencia (FH).

Salto en el tiempo (TH).

Espectro ensanchado por secuencia directa (DS)

• La señal de datos se multiplica por una secuencia pseudoaleatoria(PNcode).

• PNcode es una secuencia de chips con propiedades de ruido: baja correlación cruzada entre códigos, y dificultad de interferir.

• Existen varias familias de PNcodes.

• La longitud del código es la ganancia de procesamiento.

Espectro ensanchado por secuencia directa (DS)

• Producto de la señal con una secuencia pseudoaleatoria (secuencia de chips)

• Muchos chips por bit aumentan el ancho de banda.

• Ventajas

– Reduce desvanecimientos

• selectivos en frecuencia

– En redes celulares

• Las bases pueden usar las mismas frecuencias

• Soft handover.

• Desventajas

– Necesario control de potencia.

secuencia de chips

señal resultante

0 1 1 0 1 0 1 01 0 0 1 11

0 1 1 0 0 1 0 11 0 1 0 01

tb: periodo de bittc: periodo de chip

Espectro ensanchado por salto de frecuencia (FH)

• Cambios discretos de la frecuencia de portadora.

• Cambios determinados por una secuencia pseudoaleatoria.

• Dos versiones:

• Slow Hopping: varios bits de usuario por frecuencia.

• Fast Hopping: varias frecuencias por bit de usuario.

• Características:

• Desvanecimientos e interferencias limitados a periodos cortos.

• Implantación simple.

• Sólo se usa una parte del espectro en cada instante.

• Más fácil de detectar que CDMA-DS.

Espectro ensanchado por salto de frecuencia (FH)

Slow hopping(3 bits/salto)

Fast hopping(4 saltos/bit)

1 0 0 1 1

tb: periodo de bit td: tiempo de permanencia en 1 frecuencia

Espectro ensanchado. CDMA

• Code Division Multiple Access

• Basa la separación entre canales de transmisión en códigos.

• Cada usuario del sistema usa un código.

• Los usuarios transmiten en el mismo ancho de banda y al mismo tiempo.

• El código no está correlado con la señal a transmitir, y su ancho de banda es mucho mayor.

• Como resultado, se ensancha el espectro de la señal transmitida (basado en técnicas de espectro ensanchado, spread spectrum).

CDMA. Ventajas e inconvenientes

Ventajas: Puede llegar a ser bastante

eficiente.

Protección frente a interferencias,

ataques, multipropagación, ...

Desventajas: Tasas de usuario ¿bajas?

Complejidad.

Requiere un control de potencia

muy estricto.

CDMA. Propiedades

Propiedades

• Baja densidad espectral.

• Sistema limitado por interferencia.

• Seguridad grande comparado con FDMA o TDMA.

• Protección frente a la multipropagación.

• Posibilidad de iniciar las transmisiones en instantes arbitrarios.

• Buena resistencia ante señales interferentes.

CDMA. Ganancia del proceso

• Cociente entre el BW de la transmisión y el de la información.

GP = BWt / BWi

• Este factor determina:

• Capacidad del sistema.

• Reducción de los efectos de la multipropagación.

• Capacidad de detección de la señal.

• Resistencia a ataques por interferencia.

CDMA. Control de potencia

• En CDMA existe un problema si las señales se reciben con niveles de potencia diferentes: las más fuertes pueden suprimir las más débiles (problema cerca/lejos).

• Deben estar en torno a 1 dB para un funcionamiento adecuado.

• Es preciso un control de potencia adaptativo y rápido.

• Se usan combinaciones de control en bucle abierto y cerrado.

CDMA-DSSS. Dimensionado

• Modelo de caso peor: todos los (K) usuarios transmitiendo.

• P: potencia transmitida con un código.

• Potencia total: KP.

• Ruido en el receptor despreciable frente a KP.

• La calidad depende del número de usuarios.

ciaInterferenRuido

Señal

Optimización del enlace

• Técnicas de control de enlace

• ARQ

• FEC

• Híbridas FEC-ARQ

• Técnicas de transmisión MIMO.

Optimización del enlace. Objetivo

Son técnicas en general aplicables a cualquier sistema radio e incluso a varios niveles de la arquitectura de protocolos (enlace, transporte, aplicación)

Fiabilidad

Eficiencia

Condiciones del “canal”

Repaso de Algunas Técnicas de Optimización dePrestaciones en Redes Radio

Perturbaciones del enlace

Canal fuertemente variable

Ruido blanco

Desvanecimineto acorto plazo

(multitrayecto)

Desvanecimiento alargo plazo(shadowing)

Datos Buenos

Potenciade señal

Control de enlace

Calidad de servicio punto a punto:

● FIABILIDAD: Prob. de error residual.

● EFICIENCIA: Retardo. Caudal eficaz.

Control acceso Control acceso

Control enlace Control enlace

CALIDAD DE SERVICIO DE ENLACE

Protocolo

Control de Enlace: Técnicas

●Las soluciones dependen de la calidad del canal

● (BER, tipo de errores, variabilidad de comportamiento)

●Técnicas básicas utilizadas

● FEC (corrección de errores en destino)

● ARQ (petición automática de retransmisión)

● Híbridos

● ( Concatenación de códigos,FEC + ARQ estático, FEC + ARQ adaptativo )

COMPROMISOS: complejidad - calidad

EFICIENCIA – FIABILIDAD

Técnicas ARQ

Buffering+

Retransmisiones

Codificador

CANAL + Control de acceso

Buffering+

Petición de Retransmisiones

Detección de Errores

Caudal Eficaz Normalizado con ARQ

k,n son parámetros del código detector:k/n (Tasa de codificación): Relación entre símbolos

de información y símbolos totalesM: número medio de transmisiones por paquete.

Caudaleficaz

normalizado

Datos CRC

Técnicas FEC

Codificador

Corrección de Errores

Técnicas FEC: Características

El código seleccionado es función del tipo de errores del canal.

CANALES CON RUIDO BLANCO GAUSSIANO:

Códigos convolucionales

CANALES CON RUIDO A RÁFAGAS o DESVANECIMIENTOS:

Códigos bloque

Técnicas FEC: Concatenación de códigos

Suma de códigos Suma de prestaciones

Convolucional (anti ruido blanco) BER disminuye

Codificadorinterno

Decodif.interno

Super canal

DATOS DATOS

Codificadorexterno

Decodificadorexterno

Bloque (anti ráfagas)

Técnicas FEC: Entrelazado (Interleaving)

OBJETIVO:convertir ráfagas de errores en errores aislados

Entrelazador

DATOS DATOS

Codificador Decodificador

Desentrelazador

SALIDA

ENTRADA

PARÁMETRO: profundidad de entrelazado

(compromiso entre máxima longitud de ráfaga de errores a superar y retardo añadido)

Técnicas híbridas tipo I. (FEC + ARQ rígido)

Codificador

Corrección de errores

DATOS DATOS

Buffering+

Retransmisiones

Codificador

Buffering+

Técnicas híbridas tipo I (FEC + ARQ rígido)

EFICIENCIA

Equilibrio entre: BER y k / n

Caudaleficaz

MENOS errores

MAS redundanciaARQ + FEC rígido

Técnicas híbridas tipo II. Necesidad

PROBLEMA: Canales NO ESTACIONARIOS

¿ Diseño de caso peor ? NO

SOLUCIÓN: Sólo mandar la redundancia del FEC si es necesaria

Caudaleficaz

ARQ II

ARQ + FEC rígido

Técnicas híbridas tipo II. Arquitectura

Codificador

Buffering+

Retransmisiones

Buffering+

Codificador

DATOS DATOS

Corrección de errores

HARQ II – repetición de copias

HARQ II – redundancia incremental

datos información

Técnicas MIMO

Multiple In Multiple Out

•Se transmite y recibe con varias antenas

•La multipropagación se considera “un refuerzo”

•Mejora la capacidad de detección

• Más distancia

• Más velocidad

Referencias

• LTE: Nuevas tendencias en comunicaciones móviles. Ramón Agusti, et al. Coordinador Ramón Agusti. Fundación Vodafone España. ISBN: 84-934740-4-5. D.L: M-34503-2010

• Spread Spectrum (SS) An Introduction.Jan Meel, DE NAYER institutein Belgium. 1999

• Spread Spectrum Applications.Jan Meel, DE NAYER institute in Belgium. 1999

• ARQ Schemes for Data Transmission in Mobile Radio Systems. R. Comroe et al. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. Vol. SAC-2, no.4, July 1984

• OFDM(A) for wireless communication. R&I Research Report R 7/2008. Per Hjalmar Lehne, Frode Bøhagen. ISBN / ISSN 82-423-0614-1 / 1500-2616. 2008.04.25

Resumen

Se ha visto:

• Las técnicas básicas de Acceso Múltiple en contienda: Aloha y Aloha ranurado.

• Las técnicas de Acceso Múltiple con reserva/selección DAMA/TDMA

• Los fundamentos de OFDM y su aplicación a OFDMA

• Los fundamentos de Espectro Ensanchado y su aplicación a CDMA.

• La optimización del enlace radio mediante Técnicas de Control del Enlace FEC, ARQ e Híbridas

• La optimización del enlace radio mediante técnicas MIMO.

Backup

Métodos de Contienda: Análisis de Retardo

Se define el retardo de tránsito T como el intervalo desde que una trama se puede transmitir por primera vez hasta que llega al otro extremo sin colisión.

Suponemos que después de transmitir se espera por un asentimiento Te del destinatario, y luego se retransmite después de una espera aleatoria Tr

Aloha Simple:

Aloha Ranurado:

Nr = Número de transmisiones

TS = Tiempo Salto Satélite

Métodos de Contienda: Análisis de Retardo (II)

Si Tr es una variable aleatoria entre xp y kxp,

El número de transmisiones por trama cursada es igual al de colisiones más la trama cursada

Aloha simple:

Aloha ranurado:

El retardo normalizafo (D=T/xp) :

w = Te/xp

Análisis de CDMA-DS

Se asigna un código a cada usuario: g1(t), g2(t), ... , gK(t). Los códigos son casi ortogonales (muy baja correlación cruzada).

Sean s1(t), s2(t), ... , sK(t) las señales que cada usuario desea transmitir. Cada uno las combina con su código, de forma que cada uno transmite:

s1(t)g1(t), s2(t)g2(t), ... , sK(t) gK(t)

Considerar una secuencia de expansión {cn},n=0 a n=N-1, que supondremos polar (valores +1 y –1).

Las propiedades deben ser:

Media cero:

Autocorrelación:

Se trata de condiciones ideales, aunque en la práctica se pueden aproximar bastantes.

Al ser propiedades similares a las del ruido, dan lugar a las llamadas secuencias PN (pseudonoise).

)()(jkiN

Supongamos que la secuencia {cn} se usa como multiplicador de la secuencia de información {bm}, y que la duración de cada símbolo de la secuencia c, Tc, está relacionada con la duración de cada bit T por Tc = T/N.

Supondremos también que hay K usuarios, y que cada usuario tiene asignada la secuencia {cn

(k)}, cumpliéndose que la correlación cruzada es:

En el receptor se reciben las transmisiones superpuestas de los K usuarios (supondremos que sincronizadas), y un ruido añadido {wn} con propiedades

E(wn) = 0, E(wnwn+l) = σ2δ(l)

La secuencia recibida es, por tanto,

siendo bm(k) el bit de información m que se está

transmitiendo por el usuario k.

wcbr n

El receptor realiza correlación con el código que está interesado en recibir (supondremos el 1).

Usando la propiedad de correlación:

)1()1(

2)1()1( )1(N

cwccbcby nn

)1()1()1(

cwNby n

Se ha supuesto sincronización en el receptor:

Frecuencia de portadora.

Control de potencia.

Relojes de chip y bit.

En la práctica el sistema está limitado por la relación señal a interferencia, interferencia introducida por las demás transmisiones.

Cuanto mayor sea la ganancia de procesamiento, mejor es la relación señal a interferencia.

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