Universidad Carlos III de Madrid

Introducción

Primeras etapas de la telefonía ...Un par de cables para cada circuito de la red troncal

Introducción

Las técnicas de compartición del medio físico permiten un mejor aprovechamiento de los recursos. Según la componente escogida para proporcionar la separación entre transmisiones se distinguen

División de frecuencia (FD), A cada usuario se le asigna una fracción del ancho de banda totalEs posible la transmisión continua sobre ese canal

División de Tiempo (TD) Cada usuario ocupar el ancho de banda durante una fracción del tiempo

División de código (CD) Permite separar usuarios transmitiendo en la misma frecuencia y al mismo tiempo mediante la asignación de códigos ortogonales.

División espacial (SD)Separación mediante antenas multihaz

División por polarización (PD)Se emplean polarizaciones ortogonales para separar a los usuarios

Introducción

“Multiplexado” o “acceso múltiple” se aplican cuando el medio se comparte entre varios usuarios (o transmisiones)

Multiplexado hace referencia a métodos o técnicas de compartición de medios “locales” que son estáticas, o con leves variaciones temporales.

Acceso múltiple se aplica a técnicas de compartición de medios “remotos” (satélite). El acceso puede estar regulado por un controlador

B B

C C

A A

B

C

A

B

C

AMUX DEMUX

64 kbps

192 kbps64 kbps

64 kbps

Duplexado

En sistemas full duplex es necesario separar la transmisión de la recepción

Frequency division duplexing (FDD)Dos bandas de frecuencia para cada usuario

forward bandreverse band

La separación en frecuencia entre bandas forward y reverse es constante

Time division duplexing (TDD) emplea el tiempo para separar lastransmisiones

forward time slotreverse time slot

Separación en frecuencia

reverse channel forward channel

f

Separación temporalt

forward channelreverse channel

Protocolos de acceso múltiple

Protocolos de acceso múltiple

Acceso aleatorio Acceso controlado Canalización

Aloha

CSMA

Reserva

Paso de testigo

Sondeo

FDMA

TDMA

CDMA

SDMA

FDMA y TDMA•FDMA

frecuencia

tiempo•TDMA

frecuencia

tiempo

4 usuariosEjemplo:

Frecuencia

Tiempo

Código

•CDMA

Frequency division multiplex FDM

Un circuito por canalLa transmisión es continua y simultánea en todos los canales

Problema: sistemas con intervalos sin transmisiónDatos a ráfagas, voz, …

Suele implementarse para sistemas de banda estrechaAncho de banda del canal << Frecuencia central

FDM exige precisión en el filtrado y en el control de frecuenciapara minimizar la interferencia de canales adyacentes.

Para facilitar el filtrado, suele añadirse un ancho de banda de guarda entrecanales adyacentes

Número de canales

total

canal guarda

BNB B

=+

totalB

canalB guardaB

Frequency division multiplex FDM

300 34003400− 300− ( )f Hz

cos(2 )cf tπ

20300 2340016600 19700 ( )f Hz

20cf kHz=

USBLSB

1cos(2 )f tπ

1 20f kHz=

2cos(2 )f tπ

2 16f kHz=

3cos(2 )f tπ

3 12f kHz=

300 3400

300 3400

300 3400

canal 1

canal 2

canal 3

8.6 19.7kHz

Modulación

Frequency division multiplex FDM

entrada

canal 1

canal 2

canal 3

canal 4

canal 5

canal 6

canal 7

canal 8

canal 9

canal 10

canal 11

canal 12

0,3 kHz

3,4 kHz

60 kHz

108 kHz Gr 5

Gr. 4

Gr. 3

Gr. 2

Gr. 1312 kHz

360 kHz

408 kHz

456 kHz

504 kHz

552 kHz

64 kHz

72 kHz

80 kHz

88 kHz

96 kHz

104 kHz

Frecuenciasde portadora

420 kHz

468 kHz

516 kHz

564 kHz

612 kHz

Grupo básicode 12 canales60-108 kHz

Subportadorasde grupo

Supergrupo básicode 60 canales312-552 kHz

Jerarquías

FDM y FDMA

Mixer 1

Mixer 3

Mixer 2

300 - 3400 Hz

300 - 3400 Hz

300 - 3400 Hz

16.6 - 19.7 kHz

Channel 1

Channel 2

Channel 3

8.6 - 11.7 kHz

12.6 - 15.7 kHz

20-kHz

12-kHz

16-kHz

8.6 19.7 kHz

FDMFrequencyDivisionMultiplex

A

N

Mixer 1

Mixer 3

Mixer 2

300 - 3400 Hz

300 - 3400 Hz

300 - 3400 Hz

16.6 - 19.7 kHz

Channel 1

Channel 2

Channel 3

8.6 - 11.7 kHz

12.6 - 15.7 kHz

20-kHz

12-kHz

16-kHz

8.6 19.7 kHz

FDMFrequencyDivision

MultiplexModulator

Modulador

FDMA

Principle of FDM/FDMARef Sklar, Dodel

fu,1

fu,N

Multiplexación por división en el tiempo: TDM

Multiplexación de bytes y de bits.

A3 A2 A1

B3 B2 B1

C3 C2 C164 kbit/s

A3 A2 A1

B3 B2 B1

C3 C2 C164 kbit/s

A3 A2 A1

B3 B2 B1

C3 C2 C164 kbit/s

A3 A2 A1

B3 B2 B1

C3 C2 C1A1B1C1A2B2C2A3B3C3

A1B1C1A2B2C2A3B3C3

A3 A2 A1

B3 B2 B1

C3 C2 C1

64 kbit/s3 x 64 kbit/s = 192 kbit/s

3 x 64 kbit/s = 192 kbit/s

64 kbit/s

TDMA

Repetición cíclica de tramas

Preámbulo Mensaje con Información Bits de cola

Trama TDMA

Slot 1 Slot 2 Slot 3 … Slot N

Cabecera Sync. Bits Datos de Inform. Bits de guarda

TDM y TDMA

Generador de ráfagas (Ref. Maral)Ri = Tasa binaria de usuario (bits/s), Rb = tasa de información del múltiplex (bit/s) = Σ Ri, RTDMA = tasa en cada ráfaga (bit/s), TB = duración de la ráfaga (s), TF = duración de la trama (s)

buffers

TDMAtiming

Generadorde preámbulo

ModuladorPSK

alup-converter

preámbuloFlujo de bits hacia A

BC

bit rate: R1

bit rate: R2

bit rate: R3

A CB

ESTRUCTURA RÁFAGAbit rate RTDMA

tiempo

TB

MUX(TDM)

Rb= ΣRi

D

transponder

TF

RTDMAusuarios con Ri T B

T F

A

C

B

Comparación FDMA y TDMATasa binaria FDMA

La capacidad R (bits/seg) se reparte entre M usuarios.La información de cada uno de los M usuarios se agrupa en paquetes de b bitsLos paquetes de b bits tardan en transmitirse Tf segundos

S1

Si

SM

R/M

R/M

R/M

Paquetes en colaLongitud = b bits/pkt

Fuentes

Tasa binaria: R/M bps

( )bits segusuarioRRM

=

( ) ( ) ( )1 paquetes bits bits seg seg paquetef

R bT M

= ÷

Comparación FDMA y TDMATasa binaria TDMA

Cada usuario accede a la máxima capacidad R en el slot asignado.Los paquetes de b-bits se transmiten en Tf/M segundos

S1

Si

SM

R

Paquetes en colaLongitud = b bits/pkt

Fuentes

Tasa binaria: R bps

TD FDf

bR R RTM

= = =

TDM

Slot syncdelay

Slot syncdelay

Slot syncdelay

Comparación FDMA y TDMA

Retardo FDMATiempo de espera (antes de la transmisión): wFDTiempo de transmisión de un paquete: τFD

S1

Si

SM

R/M

R/M

R/M

Paquetes en colaLongitud = b bits/pkt

Fuentes

Tasa binaria: R/M bps

FD FD FDD w τ= +

FD fTτ =

0FDw =

FD fD T=

Comparación FDMA y TDMARetardo TDMA

Tiempo de espera (antes de la transmisión): wTDTiempo de transmisión de un paquete: τTD

TD TD TDD w τ= +

fTD

T bM R

τ = =

1

1 1( 1) 12

Mf f

TDi

T Tw i

M M M=

⎛ ⎞= − = −⎜ ⎟⎝ ⎠

∑

S1

Si

SM

R

Paquetes en colaLongitud = b bits/pkt

Fuentes

Tasa binaria: R bps

TDM

Slot syncdelay

Slot syncdelay

Slot syncdelay

S1

11S 12S 1, 1kS − 1,kS 1, 1kS +

Si

,1iS ,2iS , 1i kS − ,i kS , 1i kS +

SM

,1MS ,2MS , 1M kS − ,M kS , 1M kS +

fT

1,kS 1,kS ,i kS ,M kS

( 1) fTi

M−

Trama TDMA k-ésima

TDτ

HipótesisFuentes de tasa constanteDeterministas

1

0

( 1)2

M

k

M Mk−

=

−=∑

Comparación FDMA y TDMA

RetardoFDMA

TDMA

Comparación

FD fD T=

112

f fTD

T TD

M M⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠

( )

112

12

fTD FD

FD

TD D

MbD MR

⎛ ⎞= − −⎜ ⎟⎝ ⎠

= − −

El retardo en TDMA es menor

Space Division Multiple Access

Mediante antenas sectorizadas …

… o con antenas inteligentes

Tipos de antenas inteligentes

Básicamente hay dos tiposHaz conmutado: disponen de un número finito de patrones predefinidos (combinaciones de estrategias)

Array adaptativo: Los patrones se ajustan en tiempo real

SDMA en satélites

Códigos ortogonales

Códigos ortogonales

1

, [ ] [ ]K

Ti j i j i j ij

k

k k Kδ=

= = =∑c c c c c c

Multiplexación DS-CDMA

Demultiplexación DS-CDMA

1+

Direct Sequence Spread Spectrum

t

Tb

t

Tc

Tb

f

Código PN

Bits

Chips

f1/Tc

Espectro originalEspectro ensanchado

1/Tb

K (Ganancia de proceso)b

c

TT

=

• En UMTS 1/ Tc es un valor fijo (3.84 Mchips/sec)• El régimen binario de usuario (Rb = 1/ Tb) puede ser variable

• Tc ≤ Tb (El régimen binario no puede superar la velocidad de chip)• Con 3.84 Mchips/sec el régimen binario efectivo máximo es 2 Mbps

Direct Sequence Spread Spectrum

Demodulación

Código PN

Filtro Adapt.al pulso

Rec. Portadora

T

Filtro adaptadoal pulso ensanchado

t

T

f1/Tc

t

T

f

Filtro adaptadoal pulso

Direct Sequence Spread Spectrum

Protección frente a interferencias

Código PN

Filtro Adapt.al pulso

Rec. Portadora

T

Filtro adaptadoal pulso ensanchado

ff

Interferencia

Interferencia(banda estrecha)

Señal útil

f

f

Concepto de Espectro Ensanchado

¿Afecta el ensanchamiento espectral a la probabilidad de error de bit?

Probabilidad de error (cota superior de la unión) en cualquier transmisión digital

La probabilidad de error queda determinada por el cociente

1 20

2 se

EP k Q kN

⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠

ES = Energía media por Símbolo (J)No/2 = DEP de ruido (W/Hz = J)

0 0

S SE STN N

=S = Potencia media RecibidaRs=1/Ts = Velocidad de transmisión

( ) ( )22 2 2z

u

erfc u e dz Q uπ

∞−= =∫

Concepto de Espectro Ensanchado

Dada una velocidad de transmisión, 1/TS, la probabilidad de error es una función de S/N0

f

DEP Señal recibida

No/2S

K/TS

Tradicionalmente K ≈1

Concepto de Espectro Ensanchado

Sin embargo, la probabilidad de error no se alteraría si manteniendo el área, S, se ensancha el espectro

f

DEP Señal recibida

No/2S1/TS

Espectro ensanchado por FH

También se puede conseguir ensanchar el espectro asignando distintos patrones de salto de frecuencia (Frequency Hopping)

FDMA

VentajasCanales de banda estrecha

Sin ISIBaja complejidadPermite la transmisión continua y la estimación de canal.

DesventajasEn comunicaciones móviles …

Múltiples cabeceras de radio en estaciones baseMecanismos de traspaso (Handoff) complejos en transmisión continua

Canales dedicadosSi un usuario no transmite, la capacidad se desperdicia

Dificultad para acomodar varios canales para un usuario.

TDMA

VentajasCabeceras de radio comunes para todos los usuarios.Permite la transmisión discontínua (a ráfagas)

Facilidad de realizar traspasosReducción de la potencia consumuda

Facilidad en la asignación de múltiples canales a un usuarioDesventajas

Se requiere sincronizaciónEl multitrayecto hace perder la ortogonalidad entre slots.

Requieren mecanismos de cancelación de ISILas transmisiones a ráfagas complican el diseño del igualador

CDMA

VentajasNo hay límite superior al número de usuarios en el sistema

En realidad, el número de usuarios máximo lo determina la interferenciaLas técnicas de reducción de la interferencia pueden incrementar la capacidad (número de usuarios)No se requiere sincronización.Se pueden asignar múltiples canales a cada usuario sin más que modificarlas longitudes de los códigos.

DesventajasComplejidadNear-far problem

Técnicas de Acceso Múltiple y de Duplexado

Acceso Múltiple

DuplexadoAdvanced Mobile Phone System (AMPS) FDMA/FDD

Global System for Mobile (GSM) TDMA/FDD

US Digital Cellular (USDC) TDMA/FDD

Digital European Cordless Telephone (DECT) FDMA/TDD

US Narrowband Spread Spectrum (IS-95) CDMA/FDD

UMTS WCDMA/TDD y FDD

Sistema