Espectro Electromagnético. Espectro de Radiofrecuencia 13/09/2013. Sistemas cableados Vs Inalámbricos

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1 Comunicaciones Inalámbricas Capitulo 1: Fundamentos Víctor Manuel Quintero Flórez Claudia Milena Hernández Bonilla Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones II-2013 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 db/km db por 100 metros. Cable coaxial Altas frecuencias (TV, datos de alta velocidad). 1 2dB por 100 metros. Sistemas cableados Vs Inalámbricos Fibra óptica. Mayor costo db/km db/km 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) Sistemas cableados Vs Inalámbricos Espectro de Radiofrecuencia 1

2 2

3 Historia Historia Historia Michael Faraday James Clerk Maxwell Heinrich Rudolf Hertz Alexander Stepanovich Popov Nikola Tesla Guglielmo Marconi Transmisor Receptor 3

4 Interfaz Radio Sistema de telecomunicaciones: Red de acceso y red de transporte. Interfaz radio Utilización del espectro radioeléctrico implica un uso compartido y coordinado de asignaciones de las variables (f, t y s). 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. Multiplexación 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. 4

5 Multiplexación Multiplexación por División de Frecuencia Multiplexación Multiplexación por División de Tiempo 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. Duplexación 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 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. 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 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. 5

6 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. FDMA FDMA 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. TDMA TDMA UNIVERSIDAD DEL CAUCA - Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones 6

7 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. FDMA/TDMA Hibrido UNIVERSIDAD DEL CAUCA - Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones (10) 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. CDMA CDMA 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 7

8 CDMA. SSM. CDMA. SSM. CDMA. SSM. CDMA. SSM. (19) Tipos de SSM Secuencia Directa (DS, Direct Sequence) Multiplicando la señal de usuario por una señal de alta velocidad (código PN) 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 DSSS 8

9 FHSS FHSS 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). SDMA 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 a,g (WLANs). Compensa efectos del canal sin complejos ecualizadores. OFDM Sistemas celulares de cuarta generación, televisión y radio digital. 9

10 OFDM (3) La ortogonalidad requiere que el espaciamiento entre sub-portadoras Δf = k/(t U ) Hertz, donde T U 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). OFDM UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ OFDM Conclusión Cada técnica de acceso tiene sus propios retos control de potencia en CDMA, temporización en TDMA, y generación/filtrado de frecuencia en FDMA. 10

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