fundamentos de comunicaciones inalámbricas
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Comunicaciones InalpambricasTRANSCRIPT
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Fundamentos de Comunicaciones Inalámbricas
201310 Profesora: María Gabriela Calle Torres, Ph. D.
[email protected] o mejor [email protected]
2-9A Horario de Atención:
Lunes:
Miércoles
Jueves:
Viernes:
16:30 – 17:30
16:30 – 17:30
16:30 – 17:30
8:30 – 10:30
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Normas
Minimizar el uso de celulares
Llegar a tiempo a clase
Calificaciones:
Examen parcial Viernes, julio 12 25%
Examen parcial Viernes, agosto 2 25%
Ejercicios, Prácticas 25%
Proyecto Final Sábado, agosto 10 25%
Bibliografía Haykin, Simon and Moher, Michael. Modern Wireless Communications. Prentice Hall, 2005
Pahlavan, Kaveh and Krishnamurthy, Prashant. Networking Fundamentals: Wide, Local and Personal Area Communications. John Wiley, 2009.
Foundations on Wireless Communications, Notas de Clase, Dr. Prashant Krishnamurthy, Universidad de Pittsburgh
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Normas
Todos los trabajos individuales deben ser escritos por cada estudiante. Copias textuales o traducciones literales se califican con cero.
http://support.microsoft.com/kb/151713 Fraudes en cualquiera de las actividades de clase se
califican con cero y se procede a sanción disciplinaria. Las tareas se entregan al principio de la clase. No se
aceptarán tareas que lleguen tarde. Explicaciones claras Verificar constantemente el correo electrónico. Allí habrá
información del curso (tareas, trabajos, etc.), aún cuando no sea mencionada en clase
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Objetivos de la Asignatura El estudiante podrá:
Entender diferentes esquemas de modulación y por qué se utilizan en diferentes tecnologías cableadas o inalámbricas.
Entender los fenómenos de propagación de sistemas de telecomunicaciones y, con base en ellos, calcular los parámetros necesarios para diseño de enlaces.
Analizar y seleccionar la tecnología más apropiada para resolver un problema dado.
Comprender y evaluar la literatura científica relacionada con el tema.
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Objetivos de esta clase
Presentar la asignatura
Presentar ejemplos de sistemas de comunicaciones
Mostrar la importancia de conocer los fundamentos de funcionamiento de las redes de comunicaciones
Comenzar a revisar temas básicos de Sistemas y Señales
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Comunicaciones Digitales Avanzadas
La mayoría de los temas son de la capa física, en el sentido del modelo OSI. Se explicarán ejemplos de sistemas reales.
Aplicación directa en otras asignaturas, como Antenas, Circuitos RF y Propagación, Sistemas de Transmisión, Telemática y Redes, Sistemas de Comunicaciones.
Ojo: para desarrollar una Aplicación hay que tener en cuenta la capa física! (y toda la pila también)
Enlace
Física
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
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Contenidos de la asignatura Introducción a los sistemas de comunicación
Teoría básica de señales y detección digital.
Canales en sistemas de comunicaciones digitales.
Características de transmisiones digitales:
Problemas que se presentan en el medio. Interferencia intersimbólica, detección coherente
BPSK, MSK, GMSK, Aplicaciones
Características del Medio de transmisión inalámbrico
Área de cobertura, desvanecimiento, modelos de pérdidas
Retardo por trayectorias múltiples
Ecualización, OFDM, Espectro Ensanchado, UWB
Técnicas de diversidad, antenas inteligentes
Codificación por bloques, Códigos Convolucionales, Codificadores Turbo
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Ejemplos de sistemas de comunicaciones cableados
Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN): usa par de cobre, microondas, fibra óptica
Redes de Área Local cableadas (Ethernet): cable de cobre, fibra óptica
Televisión por Cable: Cable Coaxial Transmisión de Datos a través de línea telefónica: ADSL Internet: Cableada cuando se requiere mayor velocidad,
cableada o inalámbrica cerca de los usuarios Comunicaciones Industriales: Fieldbus, Modbus, Profibus http://www.fieldbus.org/index.php?option=com_content&task=vie
w&id=23&Itemid=308
Sistemas exitosos ya que proporcionan comunicación con bajo nivel de errores a velocidades altas para el usuario final y muy altas dentro del núcleo de la red.
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Ejemplos de sistemas de comunicaciones inalámbricos
Telefonía celular: Advanced Mobile Phone System (AMPS), Global
System for Mobile Communications (GSM), UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System), Code Division Multiple Access
(CDMA2000), Long Term Evolution (LTE). Ejemplos en Colombia?
Redes de Área Local: 802.11 a, b, g, n
Rédes de área personal: 802.15.1 (Bluetooth), 802.15.4 (relacionado
con Zigbee)
Comunicaciones satelitales: Global Positioning System (GPS)
Sistemas exitosos porque ofrecen servicio con movilidad, lo cual es
conveniente para los usuarios.
Ejemplos de sistemas no exitosos?
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Inalámbrico no siempre es sinónimo de Móvil / Cableado no siempre es sinónimo de Inmóvil
Los sistemas móviles permiten acceder a la red desde diferentes lugares. Ejs:
Computador de escritorio: No M, No I.
Redireccionamiento de llamadas: M, No I
IEEE802.16: Lazo local inalámbrico: No M, I
Teléfono celular: M, I
Computador portátil con tarjeta WiFi: M, I
Correo Electrónico vía Web: M, I o No I
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Aplicaciones de Redes Inalámbricas
Verticales
Usuarios específicos dentro de un campo particular
Puntos de venta, empresas de mensajería (DHL), medicina (para acceso
a historias clínicas, asesoría, GE Medical Patientnet),
http://www.gehealthcare.com/usen/patient_mon_sys/wireless_and_teleme
try/products/telemetry_sys/docs/patientnet.pdf
militares (monitoreo de soldados y del campo de batalla), vehículos en
carreteras
Horizontales
Dirigidas a grupo amplio de usuarios
Ej: E-mail, juegos inalámbricos (Nintendo Wii), computadores portátiles
y Personal Digital Assistants (PDAs)
Puntos de acceso de WiFi
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Existe una infraestructura fija para proveer comunicación entre diferentes dispositivos inalámbricos o entre fijos e inalámbricos.
Topología física es en estrella El centro de la estrella es la Estación Base (BS) o el Punto de
Acceso (AP). La infraestructura está soportada por redes cableadas (fibra
óptica) o inalámbrica (microondas) Dos dispositivos inalámbricos tienen que comunicarse a través
de la Estación Base, la cual administra el acceso a la red
Ejemplos? Dificultad de Instalación?
Redes con Topología de Infraestructura
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Redes con topología Ad-Hoc
“para referirse a lo que se dice o hace solo para un fin determinado“ www.rae.es
Se pueden implementar rápidamente
No necesitan soporte cableado
Los dispositivos inalámbricos se pueden comunicar directamente
Los miembros de la red se descubren y comunican de manera automática
Ejemplos:
Redes Inalámbricas de Sensores,
WLANs configuradas con
Distribution Coordination Function (DCF)
formando un Independent Basic
Service Set (IBSS)
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Características de Nivel Físico Canal Inalámbrico es hostil:
Desvanecimiento
Trayectorias múltiples
Atenuación por la lluvia en altas frecuencias (Ejemplo?)
Interferencias. De quién?
Tasas de error altas
Medios cableados son más predecibles y controlables
Tener en cuenta las regulaciones
Espectro es limitado y todas las aplicaciones deben tener participación.
El cable limita la dirección de propagación de las ondas. El aire no.
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Características de Capa MAC
Muchos sistemas usan un solo canal, que debe ser compartido por todos los usuarios. Ejemplo?
Técnicas de Acceso Múltiple: Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA): GSM
Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA): GSM
Acceso Múltiple por División de Código (CDMA): CDMA
Acceso Múltiple por Detección de Portadora (CSMA): LAN
usuarios t
usuarios
f usuarios c
f t
t
f
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Efectos del medio cableado en otros niveles
Información digital mucho más sensible a problemas en el medio que información analógica (Ejemplo con Tv por cable)
Condiciones del medio determinan complejidad en transmisor y receptor. Cables cortos pueden utilizar esquemas simples de
modulación y/o codificación y lograr tasas de transmisión de Mbps.
Cables de fibra óptica tienen capacidad de Ghz. No es fácil aprovecharlos por la velocidad de los dispositivos electrónicos utilizados.
Interferencia entre cables vecinos puede ser atenuada por medios físicos
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Efectos del medio inalámbrico en otros niveles
Limitaciones en consumo de energía: usualmente los dispositivos se alimentan con baterías.
Muchos dispositivos móviles tienen limitaciones en capacidad de cómputo (?)
Protocolos “sencillos” y eficientes Potencia de transmisión? Variable? Con qué criterios? Cambio de celda: cuándo? Quién decide? Dirección: no corresponde con la localización física, como en
dispositivos fijos. Movimiento crea condiciones más difíciles en el canal. Seguridad: otros usuarios pueden escuchar lo que se envía por
el medio. Tarificación. Quién cobra? Red origen? Red de Tránsito? El dispositivo debe ser liviano y cómodo para el usuario
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Por eso, se requiere estudiar
Cómo enviar señales Cómo tener buena calidad de comunicación,
atacando los problemas del canal Cómo hacer uso efectivo del ancho de banda
disponible Temas básicos (fundamentos) necesarios
para entender el comportamiento del canal inalámbrico o cableado
Técnicas utilizadas actualmente para atenuar las dificultades presentes en el canal
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Ahora sí, entremos en materia
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Modelo del sistema de comunicaciones
Para este curso
Fuente Codificador de Canal
Modulador Medio (Canal)
Destino Decodificador de Canal
Demodulador
Qué hace cada uno?
De nuestro interés
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Funciones
Fuente genera la información
Codificador de Canal proporciona bits adicionales para recuperar la información si ocurren errores en el canal
Modulador transforma los bits en señales apropiadas para ser transmitidas
Canal: transporta las señales
Dei: realizan operaciones inversas
Un poco más sobre el canal…
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Tipos de Medios de Transmisión
Guiados: Las ondas viajan por un material sólido (fibra,
cobre, etc)
No guiados (mayor énfasis en el curso): Las ondas pueden viajar a través del medio, pero
no están confinadas (atmósfera). Las antenas son transductores para convertir
ondas que viajan por un cable en ondas que se propagan en el espacio y viceversa
La transmisión puede ser Direccional y Omnidireccional
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Rangos de Frecuencia
Microondas : 1 GHz a 40 GHz
Se puede realizar comunicación direccional
Transmisión punto a punto.
Ejemplos?
Enlace ascendente (Frecuencia alta) Enlace descendente
(Frecuencia menor)
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Rangos de Frecuencia (cont.)
Radio Frecuencia: 30 MHz a 1 GHz
Comunicación Omnidireccional
Ejemplos?
Infrarrojo: 3x1011 Hz hasta 2x1014 Hz
Ejemplos?
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Problemas en el canal
Señales no deseadas se consideran ruido No necesariamente ruido AWG
Interferencias también son señales no deseadas
CCI: Interferencia Co-Canal: generada por la misma frecuencia utilizada en otra celda
ACI: Interferencia de Canal Adyacente: generada por frecuencias adyacentes usadas en la misma celda
ISI: Interferencia Intersimbólica: generada por símbolos consecutivos de la secuencia transmitida
El ruido afecta la tasa de error de bit (BER), cambiando bits
Componentes multiplicativas que incrementan estos problemas (más adelante)
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Modelo del Canal
Asumimos que el Canal es un sistema lineal invariante en el tiempo (LTI) (aunque no lo sea)
Las señales son las entradas
Podemos modelar el canal usando técnicas como análisis de Fourier y convolución
h(t)
x(t) y(t)
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Definiciones
Datos: contienen información Análogos: video, audio Digitales: texto
Señales: Representaciones de los datos a través de ondas
eléctricas, electromagnéticas, ópticas o acústicas Forma de energía que contiene información
Transmisión: comunicación de los datos a través de la propagación y procesamiento de señales.
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Ejemplo de señal eléctrica: Triangular
fT(t)
voltios
t (tiempo)
1
T T/2
casootrocualquieren
TtT
sitT
Ttsit
T
tf
0
22
2
20
2
)(
Voltaje o Corriente?
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Representación de señales
t
1
T T/2 3T/2 0
fT(t-T/2)
t
fT(-t) = fT (t+T)
1
-T -T/2 0
-1
T T/2
t
-fT(t)
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Otras señales interesantes
casootrocualquieren
TtsitfT
0
01)(
1)(
t
t
1
T
Pulso Rectangular
Ejemplos?
Impulso (Delta de Dirac)
0 t
(t)
(t) = 0 si t ≠0
)()()( 00 txdttttx
Será real?
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Señal Cosenoidal
x(t) = A cos(2πft + Φ)
Amplitud: Máximo valor de la señal (si no hay DC) Longitud de onda: Distancia que ocupa un solo ciclo de la señal. λ Periodo: tiempo necesario para repetir la señal. T = 1/f Fase: Medida de la posición de la señal en el tiempo en un solo
periodo Considerando propagación en el vacío c=λf
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 1 2 3 4 5
Tiempo
Am
pli
tud
Cambio en los parámetros?
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Conclusiones
Se presentó la asignatura
Se mostraron ejemplos de sistemas de comunicaciones inalámbricas
Se explicó la importancia de conocer los fundamentos de funcionamiento de las redes de comunicaciones
Comenzamos a revisar temas de Sistemas y Señales
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Preguntas?