TEMARIO: MÓDULO 1: Ingeniería inalámbrica (8 h.)

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1 TEMARIO: MÓDULO 1: Ingeniería inalámbrica (8 h.) 1. Modulación en sistema de comunicaciones 2. Ingeniería de radiofrecuencias 3. Antenas 4. Control de acceso al medio 5. Códigos de control de errores 6. Seguridad 7. Facilidades de infraestructura 8. Acuerdos, normatividad, políticas y regulaciones. SECCIÓN DE DE

2 1. Modulación en sistema de comunicaciones 1. QPSK, OQPSK, MPSK 2. Espectro expandido: FHSS, DSSS 3. OFDM SECCIÓN DE DE

3 Modulación en sistemas de comunicaciones Modulación engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias. Según la American National Standard for Telecommunications, la modulación es el proceso de variar una característica de una portadora de acuerdo con una señal que transporta información. Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que queremos transmitir. SECCIÓN DE DE

4 Definiciones La duración de un bit esta dada por T b. La velocidad de transmisión esta dada por: 1 1 Rb Tb La duración de un símbolo Tb esta dada R por b T sym. La velocidad de transmisión de símbolos esta dada por: R sym 1 T sym T sym 1 R sym La velocidad de símbolos esta medida en baudios ó sps donde un baudio = un símbolo por segundo. SECCIÓN DE DE

5 SECCIÓN DE DE Codificación de en: (a) NRZ polar binario y (b) NRZ polar cuaternario

6 Definiciones En una señal con M niveles donde cada símbolo representa m bits, se tiene que: m log 2 M Entonces el periodo de un símbolo es igual a: Por lo que, la velocidad de símbolos en función de la velocidad de transmisión esta dada por: R sym Tsym mt b Rb m R log 2 b M SECCIÓN DE DE

7 Definiciones Se tiene que un modem V.29 transmite 9600 bps, con una modulación 16QAM. Indicar su velocidad y duración de símbolos. SOLUCIÓN Si transmite en modulación 16 QAM, quiere decir que tiene 16 estados ó niveles. Entonces m = 4, puesto que: log 2 M = log 2 16 = log = 4 Entonces su velocidad de símbolos es: La duración de un símbolo es: SECCIÓN DE DE m log 2 M Rb 9600 Rsym 2400bps m Tsym mtb s R 9600 b

8 Requerimientos de ancho de banda En un sistema de transmisión satelital la señal banda base modula a una portadora para su transmisión. El espectro de un pulso a la salida de un receptor esta determinado por: El espectro del pulso de entrada V i (f) La respuesta del filtro transmisión H T (f) La respuesta en frecuencia del canal H CH (f) y La respuesta del filtro de recepción H R (f). V i (f) H T (f) H CH (f) H R (f) V(f) SECCIÓN DE DE

9 Uso del muestreo para evitar la interferencia entre símbolos (ISI) Los elementos inductivos y capacitivos son parte inherente del proceso de filtrado, lo cual produce un efecto de timbrado. El timbrado no puede ser removido, pero se puede conformar los pulsos de manera que el muestreo de un determinado pulso ocurra cuando las colas se encuentren en los puntos de cruce por cero. Se muestrea para evitar la interferencia entre símbolos (Inter Symbol Interference - ISI). SECCIÓN DE DE Instante de muestreo

10 Muestreo para evitar la interferencia entre símbolos (ISI) El muestreo de pulsos se lleva a cabo controlando el espectro del pulso recibido usando un filtro que tiene como modelo un filtro teórico con una respuesta conocida como la respuesta de coseno alzado (raised cosine response). Respuesta de coseno alzado (raised cosine response) de un filtro SECCIÓN DE DE

11 Muestreo para evitar la interferencia entre símbolos (ISI) Aunque es un modelo teórico, puede ser llevado a cabo en la práctica de manera muy cercana. El espectro del filtro de coseno alzado esta descrito por: SECCIÓN DE DE

12 Muestreo para evitar la interferencia entre símbolos (ISI) Las frecuencias f1 y el ancho de banda B están determinados por la velocidad de símbolos y un parámetro de diseño conocido como el factor de rolloff (enrrollamiento), denotado por el símbolo r. El factor de rolloff tiene el siguiente rango: 0 1 En términos de r y la velocidad de símbolos, el ancho de banda B y la frecuencia f 1 están dadas por: SECCIÓN DE DE 1 B R 2 1 f1 R 2 sym sym

13 SECCIÓN DE DE Ancho de banda de Nyquist

14 SECCIÓN DE DE Modulación digital

15 SECCIÓN DE DE Proceso de modulación digital

16 Modulación digital Data original de la fuente: digitalización de la voz, imágenes, etc. La compresión se emplea para aumentar la eficiencia La corrección de errores se usa para reducir la tasa de bits errados (Bit Error Rate - BER) El intercalamiento (Interleaving) se emplea para mejorar la calidad de la señal frente a los desvanecimientos (fading) La encriptación, se utiliza para tener confidencialidad de las comunicaciones SECCIÓN DE DE

17 Mapeo en el espacio IQ (IQ Mapping) Qué es el mapeo? Es la acción de trasladar a un símbolo a un punto en el espacio IQ Mapeo de modulación SECCIÓN DE DE

18 Modulación diferencial QPSK (Quadrature PSK): asigna el valor a los puntos en el espacio IQ DQPSK (Differential QPSK): el valor esta basado en las transiciones entre dos puntos SECCIÓN DE DE

19 Modulación de mayor orden 8PSK (8- PSK): asigna el valor a los puntos en el espacio IQ. Tres puntos por símboloi π/4 DQPSK: el valor esta basado en las transiciones entre dos puntos. Elimina los cruces por cero SECCIÓN DE DE

20 16QAM (16-Quadrature Amplitude Modulation) Mas modulaciones de mayor orden Cada locación de símbolo IQ es representado por 4 bits 64QAM (64-Quadrature Amplitude Modulation) Cada símbolo representa 5 bits SECCIÓN DE DE

21 Por qué no continuar asignando más bits? Los errores en la modulación IQ crean símbolos con error en la transmisión Se crean errores en los vectores El ruido en el canal de transmisión crea símbolos con error Las imprecisiones en el receptor crean errores Los requerimiento de la relación S/N aumentan con las modulaciones de mayor orden SECCIÓN DE DE

22 Tipos de modulación Modulación Unidades Bits por Símbolo Velocidad de símbolo Velocidad de transmisión ASK, FSK, 2PSK Bit 1 N N 4-PSK, 4-QAM Dibit 2 N 2N 8-PSK, 8-QAM Tribit 3 N 3N 16-QAM Cuatribit 4 N 4N 32-QAM Pentabit 5 N 5N 64-QAM Hexabit 6 N 6N 128-QAM Heptabit 7 N 7N 256-QAM Octabit 8 N 8N SECCIÓN DE DE

23 Modulación digital La siguiente figura presenta el principio de un modulador de transmisión digital, el cual consiste en: Un generador de símbolos Un codificador ó mapeador Un generador de señales (portadora) Datos de entrada R C Generador de simbolos M- ary de canal MODULADOR Codificador Generador de señales M-ary de canal Señales de canal R S SECCIÓN DE DE

24 Modulación digital Pueden considerarse dos tipos de correspondencia: Asignación directa: un estado del símbolo define un estado de la portadora Codificación de transiciones (codificación diferencial): un estado del símbolo define una transición entre dos estados consecutivos de la portadora. Según el número m de bits por símbolo, se tienen varias modulaciones de M-ary fases tales como: BPSK QPSK: y sus variantes: OQPSK, π/4qpsk, MSK, GMSK 16QAM, 32 APKS, 64 QPSK SECCIÓN DE DE

25 Relación C/N 0 y velocidad de transmisión La probabilidad de error P e de un transmisión digital puede ser reducida incrementando la relación E b /N 0, hasta unos límites prácticos. La ecuación: C N 0 E N b 0 R b muestra que para una determinada velocidad R b, la relación E b /N 0 es directamente proporcional a C/N 0. El incremento de C/N 0 puede ser logrado aumentando la potencia de transmisión o reduciendo la temperatura de ruido del sistema. Un valor de P e = 10-4 es satisfactorio para transmisión de voz, pero para menores valores se debe usar codificación de control de errores. SECCIÓN DE DE

26 Demodulación digital El rol del demodulador es identificar la fase ó desplazamiento de fase de la portadora recibida y deducir de allí, el valor de los bits del flujo de datos binarios transmitidos. SECCIÓN DE DE

27 Tasa de bits errados para la modulación PSK Respecto a la figura, el ruido a la entrada del receptor puede causar errores en la señal detectada. El voltaje de ruido, el cual se añade a la señal, fluctúa aleatoriamente entre valores positivos y negativos, y de esta manera el valor muestreado de la señal más el ruido tiene la polaridad opuesta que la señal sola. Esto podría constituirse en un error en el pulso recibido. El ruido puede ser representado como una fuente n(t) en la parte frontal del receptor, como se ve en la figura. Se observa que el ruido es filtrado por el filtro de entrada del receptor. SECCIÓN DE DE

28 Tasa de bits errados para la modulación BPSK De esta manera, el filtro de recepción, en adición a contribuir a minimizar el ISI, debe minimizar el ruido, a la vez que debe maximizar a la señal recibida. En resumen, el filtro debe maximizar, la relación señal a ruido recibida. En la práctica, esto puede ser usualmente logrado haciendo que los filtros de transmisión y recepción sean idénticos, cada uno de ellos teniendo una respuesta en frecuencia la cual es la raíz cuadrada del coseno alzado de la respuesta. SECCIÓN DE DE

29 Tasa de bits errados para la modulación BPSK El tipo de ruido más común, tiene un espectro de frecuencia plano, lo que significa que su densidad espectral de potencia de ruido (N 0 ) en Joules (W/Hz) es constante. Cuando un filtro es diseñado para maximizar la relación señal a ruido (S/N) recibida, se halla que la relación máxima de voltaje de señal a ruido es igual a: 2 N E b 0 Donde E b = energía promedio por bit. Este valor E b puede ser calculado, conociendo la potencia promedio recibida P R y el período del bit T b : E P T b R b SECCIÓN DE DE

30 Tasa de bits errados (BER) para BPSK La probabilidad que el detector cometa un error como resultado del ruido (BER) esta dada por: P e 1 2 erfc Donde erfc = función de error complementaria. Los valores de esta función están disponibles en forma tabular ó gráfica en libros de tablas matemáticas. Una función relacionada, llamada la función de error, erf(.), se usa, donde: erfc x 1 Estas ecuaciones se aplican a los sistemas de modulación QPSK. E N erf b 0 x SECCIÓN DE DE

31 BER vs E b /N 0 para señalización banda base NRZ. La curva se aplica para BPSK y QPSK SECCIÓN DE DE

32 Relación C/N 0 y velocidad de transmisión Sabemos que: E b P T R Entonces, dividiendo entre N 0 ambos términos: b P R R b E N b P R R 0 bn 0 Pero P R N 0 es la relación de portadora a densidad de ruido: P R N C 0 N 0 De allí tenemos que: E N b C R 0 bn 0 Reordenando tenemos (en decibelios): C N 0 db E N b 0 db R b db SECCIÓN DE DE Donde Eb/N 0 se expresa en db y C/N 0 en db/hz

33 Espectro expandido Dispersa la señal transmitida sobre un rango amplio del espectro Evita concentrar la potencia en una sola banda estrecha de frecuencias El ruido hace esto necesario de tal manera que el receptor puede decodificar con precisión la señal transmitida Se tiene los dos enfoques principales: FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum SECCIÓN DE DE

34 FHSS (Espectro ensanchado por salto de frecuencia) La tecnología de espectro ensanchado por salto en frecuencia (FHSS) consiste en transmitir una parte de la información en una determinada frecuencia durante un intervalo de tiempo inferior a 400 ms. Pasado este tiempo se cambia la frecuencia de emisión y se sigue transmitiendo a otra frecuencia. De esta manera cada tramo de información se va transmitiendo en una frecuencia distinta durante un intervalo muy corto de tiempo. El orden en los saltos en frecuencia se determina según una secuencia pseudoaleatoria almacenada en unas tablas, y que tanto el emisor y el receptor deben conocer. Si se mantiene la sincronización en los saltos de frecuencias se consigue que, aunque en el tiempo se cambie de canal físico, a nivel lógico se mantiene un solo canal por el que se realiza la comunicación. SECCIÓN DE DE

35 FHSS (Espectro ensanchado por salto de frecuencia) Esta técnica también utiliza la zona de los 2.4 GHz, la cual organiza en 79 canales con un ancho de banda de 1 MHz cada uno. El número de saltos por segundo es regulado por cada país, así, por ejemplo, Estados Unidos fija una tasa mínima de saltos es de 2'5 por segundo. (1sg/2'5)= 400 ms. El estándar IEEE define la modulación aplicable en este caso. Se utiliza la modulación en frecuencia GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), con una velocidad de 1 Mbps ampliable a 2 Mbps. En la revisión del estándar, la b, esta velocidad también ha aumentado a 11 Mbps. La técnica FHSS seria equivalente a una multiplexación en frecuencia. SECCIÓN DE DE

36 SECCIÓN DE DE Técnica FHSS

37 Transreceptor por salto de frecuencias Transmisor FHSS Protocolo de convergencia de capa física PLCP Aleatorizador Mapeo de símbolos Filtro gaussiano Modulador GFSK Receptor FHSS Demodulador GFSK Sincronización temporal Desaleatorizador Protocolo de convergencia de capa física - PLCP SECCIÓN DE DE

38 Ventajas de la técnica FHSS Las señales en espectro ensanchado son altamente resistentes al ruido y a la interferencia y al desvanecimiento (fading). Las señales en espectro ensanchado son difíciles de interceptar. Una transmisión de este tipo suena como un ruido de corta duración, o como un incremento en el ruido en cualquier receptor, excepto para aquel que esté usando la secuencia que fue usada por el transmisor. Las transmisiones en espectro ensanchado pueden compartir una banda de frecuencia con muchos tipos de transmisiones convencionales con mínima interferencia. Entonces, el FHSS, constituye una solución efectiva a un ambiente de multitrayectorias. SECCIÓN DE DE

39 Espectro expandido por secuencia directa DSSS El espectro ensanchado por secuencia directa (Direct sequence spread spectrum - DSSS), también conocido en comunicaciones móviles como DS-CDMA (acceso múltiple por división de código en secuencia directa), es uno de los métodos de codificación de canal (previa a la modulación) en espectro ensanchado para transmisión de señales digitales sobre ondas radiofónicas que más se utilizan. La traducción del inglés spread spectrum se hace con distintos adjetivos según las fuentes; pueden emplearse indistintamente espectro ensanchado, espectro expandido, espectro difuso o espectro disperso para referirse al mismo concepto. SECCIÓN DE DE

40 Espectro expandido por secuencia directa DSSS El espectro ensanchado por secuencia directa es una técnica de codificación que utiliza un código de pseudorruido para "modular" digitalmente una portadora, de tal forma que aumente el ancho de banda de la transmisión y reduzca la densidad de potencia espectral (es decir, el nivel de potencia en cualquier frecuencia dada). La señal resultante tiene un espectro muy parecido al del ruido, de tal forma que a todos los radiorreceptores les parecerá ruido menos al que va dirigida la señal. Debido a la semejanza de este mecanismo de codificación con la modulación ordinaria (una "modulación digital", análoga a la que se realiza sobre una onda sinusoidal), en ocasiones se utiliza el término modulación como sinónimo de codificación, de manera impropia si nos atenemos al verdadero concepto de modulación en telecomunicación. SECCIÓN DE DE

41 Espectro expandido por secuencia directa DSSS En esta técnica se genera un patrón de bits redundante para cada uno de los bits que componen la señal. Cuanto mayor sea este patrón de bits, mayor será la resistencia de la señal a las interferencias. El estándar IEEE recomienda un tamaño de 11 bits, pero el óptimo es de 100. En la recepción se realiza el proceso inverso para recuperar la información. La secuencia de bits utilizada para modular los bits se conoce como secuencia de Barker (también llamado código de dispersión o pseudorruido). Es una secuencia rápida diseñada para que aparezca aproximadamente la misma cantidad de 1 s y de 0 s. Un ejemplo de esta secuencia es el siguiente Solo los receptores a los que el emisor haya enviado previamente la secuencia podrán recomponer la señal original. SECCIÓN DE DE

42 Transreceptor por secuencia directa - DSSS Transmisor DSSS Protocolo de convergencia de capa física PLCP Aleatorizador Filtro Modulador (DQPSK, CCK,DBSK) Receptor DSSS Sincronización temporal Demodulador Desaleatorizador Protocolo de convergencia de capa física - PLCP SECCIÓN DE DE

43 Espectro expandido por secuencia directa DSSS Esta secuencia proporciona 10.4 db de aumento del proceso, el cual reúne los requisitos mínimos para las reglas fijadas por la FCC. Una vez aplicada secuencia de Barker, el estándar IEEE ha definido dos tipos de modulación para la técnica de espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS), la modulación DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) y la modulación DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying), que proporcionan una velocidad de transferencia de 1 y 2 Mbps respectivamente. SECCIÓN DE DE

44 Espectro expandido por secuencia directa DSSS Esta técnica usa una sola banda de frecuencias. La banda de GHz tiene 14 canales de 22 MHz separados por 5 MHz. Los canales adyacentes se sobreponen parcialmente, como se muestra en la figura: SECCIÓN DE DE

45 Espectro expandido por secuencia directa DSSS La secuencia directa emplea una modulación de fase diferencial. Así cada nuevo símbolo a ser transmitido resulta de la rotación de la fase de la señal, para lo cual requiere conocer la fase de referencia solo del símbolo anterior transmitido. En la modulación DBPSK, solo un bit de información es transmitido por cada símbolo. Asi la aparición de un 0 no causa rotación de fase, mientras que la aparición de un 1 causa inversión de fase. En la modulación DQPSK, se transmiten dos bits de información por cada símbolo. La tasa de transmisión es multiplicada por dos. SECCIÓN DE DE

46 Espectro expandido por secuencia directa DSSS Esta secuencia en general consiste en 11 bits, la cual ha sido acordada entre el transmisor y el receptor. Se usa el código Barker, con una secuencia de cincelado (chipping) igual a: +1, 1, +1, +1, 1, +1, +1, +1, 1, 1, 1 Este código redundante permite la recuperación del bit completo aun cuando gran parte de este se halla perdido. Este método de cincelado (chipping) introduce una redundancia en adición a la técnica de expansión del espectro la cual hace a la señal a ser transmitida mas robusta frente a los errores. SECCIÓN DE DE

47 Secuencias Barker de 11-chip con función XOR en DSSS +1, 1, +1, +1, 1, +1, +1, +1, 1, 1, 1 SECCIÓN DE DE

48 Técnica OFDM usada en IEEE a/g La OFDM se basa en una división frecuencial donde la banda de frecuencias se divide en las portadoras que pueden ser usadas simultáneamente al multiplexar los datos sobre ellas. Un canal consta de 52 portadores de 300 KHz de ancho de banda cada uno: 48 portadores están dedicados a transporte de información 4 portadoras se usan como pilotos piloto de corrección de errores La OFDM soporta una serie de modulaciones y codificaciones que le permiten ofreces varios caudales. SECCIÓN DE DE

49 Superposición espectral de OFDM Técnica convencional: FDM Técnica OFDM - La superposición de portadoras les causa interferencias por s - ortogonalidad SECCIÓN DE DE

50 Diagrama de bloques de un transceiver Transmisor FEC Codificador de convolución Intercalamiento, mapeo e inserción de piloto IFFT Inserción de intervalo de guarda Modulación I - Q HPA Receptor LNA AGC Demodulación I - Q Inserción de intervalo de guarda FFT Remoción de: piloto, de intercalmiento y mapeo FEC Decodificador SECCIÓN DE DE

51 Capa física del OFDM La capa física está basada en el OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), un esquema que ofrece buena resistencia a las multitrayectorias, permitiendo operar en condiciones NLOS. El OFDM es una multiplexación que consiste en enviar un conjunto de ondas portadoras ORTOGONALES ENTRE SI, donde cada una transporta información, la cual luego es modulada en QAM ó PSK. Debido al problema técnico que supone la generación y la detección en tiempo continuo de los cientos, o incluso miles de portadoras equiespaciadas que forma el OFDM, los procesos de multiplexación y demultiplexación se realizan en tiempo discreto mediante la IFFT y la FFT respectivamente. SECCIÓN DE DE

52 OFDM-based physical layer El problema de transmitir altas velocidades de información en canales de radio radica en la respuesta impulsiva del canal. Los pulsos muy angostos se ven afectados por la respuesta impulsiva del canal, mientras que pulsos de mayor duración no son afectados. Todo esto limita la capacidad con la cual se puede transmitir la información. Una forma de aumentar el ancho de los pulsos de una secuencia de alta velocidad es dividiendo esta en varios flujos de menor velocidad. Cada flujo de baja velocidad ahora se transmite con un ancho de pulso más largo, lo cual lo hace más robusto frente a la respuesta impulsiva del canal. SECCIÓN DE DE

53 OFDM Se tienen 256 portadoras, de varios tipos. - Portadoras de datos: Portadoras piloto para estimación de canal y sincronización: 8 - Portadoras nulas como bandas de guarda entre canales: Portadora nula para las conversiones analogo/digitales: 1 (192) (8) (28) (27) SECCIÓN DE DE (1)

54 Multitrayectoria y OFDM Debido a la atenuación multicanal solamente se pierden algunas portadoras SECCIÓN DE DE

55 Multitrayectoria y OFDM El retardo interfiere en los símbolos posteriores Se debe dejar un margen de guarda Las señales deben ser continuas, se copia una parte del símbolo, antes. SECCIÓN DE DE

56 Tiempo de guarda La última parte del tiempo de símbolo de datos se repite antes del símbolo y se usa como tiempo de guarda Tg. Los valores típicos de la relación entre tiempo de guarda y tiempo de bit - G - son: ¼, 1/8, 1/16 y 1/32 Estructura de tiempos del símbolo OFDM SECCIÓN DE DE

57 OFDMA OFDM fue diseñado para una única transmisión Si se quiere un acceso múltiple debe hacerse en TDMA ó FDMA OFDMA: es el OFDM con FDMA Posibilidad de tener: 128, 512, 1024 y 2048 subportadoras SECCIÓN DE DE

58 Técnicas de codificación de canal Interleaving (Entrelazado) SECCIÓN DE DE

59 Mecanismos para combatir el multicamino Corrección de errores por repetición: ARQ Técnicas de diversidad en transmisión y en recepción En transmisión se emplea: la codificación espacial temporal (Space Time Coding - STC) En recepción se emplea: la combinación de relación maximizada (Maximal Ratio Combining MRC) La técnica de combinación de diversidad, es aquella que combina múltiples (diversas) señales recibidas en un sola señal mejorada. Estas técnicas intentan explotar positivamente los efectos de la propagación multicamino SECCIÓN DE DE

60 Modulación adaptativa Ajusta el esquema de modulación que se requiera de acuerdo a las condición de la transmisión (C/I + N) Se utiliza siempre la modulación mas eficiente (con menos protección de errores) que permita la transmisión. SECCIÓN DE DE