UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA FUNDAMENTOS DE RADIOCOMUNICACIONES EC-4434 Sección 1 Prof. Miguel Díaz.

Transcripción

1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA FUNDAMENTOS DE RADIOCOMUNICACIONES EC-4434 Sección 1 Prof. Miguel Díaz. Elaborado por: Chakraborty, Raúl # Coirazza, Pasquale # Espinoza, Kharem # Hernández, Adriana # Muñoz, Luis Augusto# Sartenejas, viernes 5 de marzo de 2004.

2 1. Resumen y Palabras Claves MMDS significa Sistema de Distribución Multipunto Multicanal (Multichannel Multipoint Distribution System), o también es llamado cable inalámbrico, es decir, televisión por cable pero sin los cables... Un cableado coaxial es la manera más cara de proveer a un área con programación de televisión, requiere instalar decenas o hasta cientos de miles de metros de cable, con riesgos de que se dañe, o incluso de ser robado, para poder enviar los programas de televisión al subscriptor. Para todo esto hay una nueva tecnología. Un paquete completo de programas de televisión está siendo transmitido a una muy alta frecuencia ( GHz). A estas frecuencias de microondas se pueden combinar un número de estaciones en la misma antena transmisora. Generalmente, un terminal de MMDS cubre áreas entre 20 y 50 Km. Las señales de MMDS están normalmente codificadas, para permitir que el operador controle y cobre por sus servicios. En el lado receptor se instala un conversor, para pasar las frecuencias de microondas a señales normales UHF o VHF. El conversor se puede conectar directamente al equipo de televisión. En un sistema MMDS encriptado se instala un decoder entre la antena y el equipo de televisión. Por otro lado, todos quieren acceso a Internet de banda ancha, mientras más ancha mejor. Pero para muchos, las opciones de servicio están limitadas la opción que se escoja puede ser la única disponible, y para algunos clientes la opción a través de la línea telefónica (dial-in) es la mejor disponible. Aquellos en este pobre estado pueden ser salvados por la nueva tecnología inalámbrica MMDS. La aplicación más prometedora de MMDS es para el acceso a Internet; esto difiere de la aplicación original descrita de MMDS que era para el servicio de televisión inalámbrica. Esta aplicación no ha sido muy popular, y muchas de las empresas con licencias en la banda de MMDS se están concentrando en servicios de datos. En el presente trabajo se tratan aspectos como la descripción del servicio, alcance de la cobertura, frecuencias y bandas de operación, sub-bandas, anchos de banda, esquemas de modulación utilizados, niveles típicos de potencia en transmisión y recepción, tipos de antenas utilizadas, patrón de radiación, ganancia y las empresas en Venezuela que explotan este tipo de sistema. Palabras Claves Antenas Frecuencias Modulación Microondas Inalámbrico Cobertura 1

3 2. Índice de Contenidos 1. Resumen y Palabras Claves Índice de Contenidos Índice de Figuras y Tablas Introducción Breve descripción del servicio o sistema. Alcance de la cobertura Frecuencias y Bandas de Operación. Sub-Bandas y Canales (bandas, grupos, anchos de banda) Esquemas de modulación utilizados Niveles típicos de potencia en Transmisión (Tx) y Recepción (Rx) Tipos de antenas utilizadas. Patrón de Radiación. Ganancia Empresas en Venezuela que explotan este tipo de sistema Conclusiones Referencias Bibliográficas Índice de Figuras y Tablas Figura 1 Transmisión inalámbrica usando MMDS...3 Figura 2 Acceso inalámbrico a Internet usando MMDS...6 Figura 3 Típicas antenas de MMDS...11 Tabla 1 Designaciones de la Banda de Frecuencias...7 Tabla 2 Banda de Frecuencias para MMDS...7 Tabla 3 Criterios Típicos de Diseño para MMDS...9 2

4 4. Introducción Una de las áreas de mayor potencial en la evolución futura de las telecomunicaciones es la transmisión inalámbrica digital de banda ancha. Figura 1. Transmisión inalámbrica usando MMDS. Idealmente, un sistema inalámbrico de banda ancha permitiría la transmisión de cualquier tipo de información digitalizada (audio, video, datos) desde cualquier lugar y en cualquier momento, con posibilidad de transmitir en tiempo real de ser necesario. Entre las ventajas de un sistema inalámbrico sobre uno cableado se pueden mencionar: Movilidad, la cual apoya la productividad y la efectividad con que se presta el servicio. Aunque los costos iniciales son mayores que los que supondría un sistema cableado, a lo largo del tiempo los gastos de operación pueden ser significativamente menores. Menor tiempo de instalación y puesta en marcha del sistema. La instalación es más sencilla. Existe completa flexibilidad en cuanto a la configuración del sistema. Se pueden tener diversas topologías para satisfacer los requerimientos de aplicaciones e instalaciones específicas. La aparición de un sistema de esta naturaleza requiere la conjunción de varios factores, entre los que se pueden mencionar: Utilización de técnicas de espectro esparcido, que en combinación con esquemas de sectorización y/o celularización permitirán un uso más eficiente del cada vez más congestionado (y costoso) espectro radioeléctrico. Desarrollo de sistemas de microondas económicos y compactos que operen a frecuencias cada vez más altas. Nuevos y mejores modelos de propagación que permitan una mejor predicción de los factores que afectan la calidad del servicio, tales como los efectos de trayectorias múltiples, pérdidas por ocultamiento y atenuación por lluvia, entre otros. Desarrollo de antenas inteligentes que compensen las variaciones en el canal de transmisión y que minimicen los efectos de la interferencia co-canal. Técnicas de modulación robustas que permitan altas velocidades de transmisión con bajo BER (Bit Error Rate, Tasa de Errores de Bit) en presencia de condiciones adversas. 3

5 Esquemas de enrutamiento apropiados que garanticen cobertura adecuada y al mismo tiempo calidad de servicio. Nueva legislación conducente a una mejor administración y control del espectro radioeléctrico. Aunque no todos los factores mencionados existen en el mundo actual, un sistema inalámbrico es, en muchos casos, la alternativa más atractiva en aplicaciones tales como telefonía, interconexión de redes, acceso a Internet de alta velocidad, teleconferencia, etc. MMDS es una forma típica de la tecnología de transmisión inalámbrica. 5. Breve descripción del servicio o sistema. Alcance de la cobertura. MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System, Sistema de Distribución Multipunto Multicanal) es una tecnología inalámbrica originalmente concebida para la distribución de video en aquellas zonas en las que no es factible realizar un cableado convencional. MMDS es una especificación punto-multipunto inalámbrica de banda ancha que utiliza comunicaciones UHF (Ultra High Frequency, Frecuencia Ultra Alta). MMDS y LMDS son tecnologías que permiten la distribución de televisión por cable y servicio de Internet a usuarios de ciudades donde tender un cableado es sumamente costoso y complicado. MMDS se caracteriza por una menor necesidad de equipo por parte del proveedor dado su largo alcance, pero sufre de problemas de distorsión. LMDS requiere una inversión mayor por parte del proveedor en equipamiento, pero garantiza una señal mucho más fiel y libre de errores, además de una mayor capacidad de transferencia de datos. MMDS realmente surgió como un sistema de distribución de televisión por microondas en forma unidireccional. Se trata de una tecnología parecida a LMDS, con características más limitadas, pero como trabaja a otras frecuencias tiene mayor alcance geográfico, puede llegar hasta 50 Km. Asumiendo que la mayoría de los canales RF de MMDS están dedicados a el servicio de entretenimiento de enviar video, sólo un limitado número de canales están disponibles para datos D/S o de bajada (downstream). Una conversión a video digital puede ser una forma atractiva de aumentar la capacidad de los sistemas y los canales disponibles para datos. MMDS, ITFS (Instructional Television Fixed Service) y MDS (Multipoint Distribution Service) con transmisores de televisión analógicos fueron los primeros usados para acceso a Internet. Las bandas eran subutilizadas para televisión y uno, dos, o hasta tres sub-canales digitales de 2 MHz podían ponerse a funcionar con ajustes en el transmisor analógico y en los filtros. Los transmisores digitales han sido recientemente incorporados en estos sistemas. 6. Frecuencias y Bandas de Operación. Sub-Bandas y Canales (bandas, grupos, anchos de banda). En un sistema MMDS los datos son transmitidos vía microondas utilizando un esquema de multiplexación por división de tiempo (TDM, Time Division Multiplexing). Cada suscriptor dispone de un modem inalámbrico, el cual monitorea la señal recibida en espera de la información dirigida a un usuario particular. Los datos del canal de retorno (U/S, upstream) son enviados utilizando la línea telefónica, lo cual se ajusta a la asimetría inherente al acceso a Internet. El canal de D/S (downstream, información dirigida al usuario) está compartido, por lo que es necesario algún tipo de algoritmo para administrar el empleo del canal por parte de los 4

6 suscriptores. Este algoritmo puede ser relativamente simple ya que sería ejecutado desde el extremo transmisor sin necesidad de realimentación por parte de los usuarios. Cada canal de 6 MHz podría ser modulado utilizando por ejemplo la técnica 64-QAM, lo cual representa una rata de bits de 27 a 30 Mbps después de la respectiva corrección de errores. En los Estados Unidos MMDS opera en la banda de 2150 a 2686 MHz bajo licencias de la FCC. En otros países se le ha asignado a este servicio un rango que va de 2 a 3 GHz. El sistema transmite video en formato digital; de esta manera, es posible acomodar 5 canales de video con la técnica de compresión MPEG2 y con resolución NTSC (la calidad de video asociada a un canal convencional de televisión) en un canal de 6 MHz. Los sistemas transmisores de MMDS/WCS son para acceso a Internet. WCS (Wireless Communications Service, Servicio de Comunicaciones Inalámbricas) es una banda recientemente habilitada con transmisores inalámbricos y conversores en desarrollo. Figura 2. Acceso inalámbrico a Internet usando MMDS. Transmisores UHF (Ultra High Frequency, Frecuencia Ultra Alta) y VHF (Very High Frequency, Frecuencia Muy Alta) de baja potencia están en servicio para acceso a Internet en downstream o bajada usando licencias experimentales en Estados Unidos. La mayoría de los anchos de banda son de 6-MHz downstream, mientras que para WCS son de 5 MHz. Los transmisores de MMDS/WCS aceptan una modulación QAM centrada en 44 MHz, luego convierten y amplifican la señal. Los transmisores están disponibles con una potencia promedio de salida desde 5 W hasta 100 W. Se utilizan osciladores de cristal para proveer un excelente ruido de fase. Amplificadores de retroalimentación directa o feedforward y técnicas de igualación proveen buena ganancia y linealidad de fase mientras minimizan el consumo de potencia. Filtros especiales se requieren para sistemas WCS para cumplir con las estrictas especificaciones de la FCC para potencia fuera de banda. Combinadores de canal utilizan filtros direccionales de guías de ondas para combinar ya sean canales de microondas no adyacentes o adyacentes para la transmisión. 5

7 Nombre MMDS MDS WCS ITFS LMDS ISM Uso Básico La mayoría de estos transmisores de televisión son analógicos y requieren mejoramiento a digital a menos que se esté utilizando sub-canalización (ver Nota 1). Televisión analógica o no usado. Nuevo. Servicios educacionales, incluye acceso a Internet. (Local Multipoint Distribution Service, Servicio de Distribución Local Multipunto); nuevo. (Instructional, Scientific and Medical, Instructivo, Científico y Médico); bandas sin licencia usadas para redes de área local o LANs y para el camino de retorno de los sistemas modem de dos vías. Nota 1: Sub-canalización es una manera de aumentar la potencia del igualador o ecualizador adaptivo en el cable del modem al aplicarlo a un ancho de banda más angosto. Un igualador estándar puede igualar tres veces la desviación de amplitud o el triple del retardo si opera en un canal de 2 MHz en lugar de en uno de 6 MHz. Tabla 1. Designaciones de la Banda de Frecuencias. Nombre Frecuencias Notas MMDS MHz 31 canales de televisión individuales de 6 MHz (transmisores) incluyendo los compartidos con ITFS. Algunos operadores tienen cuatro canales; rango de 35 millas; es afectado por el efecto multicamino (ver Nota 2). Nota 2: Multicamino es la recepción de dos o más señales que recorren distintos caminos. La señal directa puede combinarse con la reflejada en un techo, en una pared u otra superficie, con las retractadas en los árboles o en una capa de inversión atmosférica. La señal recibida es la suma vectorial de las dos o más señales originando tanto un cambio de amplitud como un cambio de fase. La distorsión puede moverse rápidamente a través de la banda de frecuencias. Tabla 2. Banda de Frecuencias para MMDS. 7. Esquemas de modulación utilizados. Entre los formatos de modulación que pueden emplearse en MMDS se tienen: BPSK (Binary Phase Shift Keying, Modulación Binaria por Corrimiento de Fase). QPSK (Quadrature Phase Shift Keying, Modulación en Cuadratura por Corrimiento de Fase). QAM (Quadrature Amplitude Modulation, Modulación de Amplitud en Cuadratura). DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, Espectro Esparcido de Secuencia Directa). BPSK es una alternativa pobre dado que la eficiencia espectral es la mitad de la correspondiente a QPSK con poca ventaja en cuanto a la relación señal a ruido. QAM parece ser el estándar adoptado por la industria, ya que permite obtener un elevado rendimiento en cuanto a velocidad de transmisión. DSSS es una técnica que permitiría obtener un rendimiento aún mayor del espectro radioeléctrico pero no ha sido aún adoptada por los fabricantes, posiblemente debido a problemas con la legislación vigente. En un sistema como el MMDS el espectro disponible está limitado por las disposiciones de los organismos gubernamentales reguladores de las radiocomunicaciones, por lo que es imperativo utilizar algún método que permita aumentar la cobertura sin requerir frecuencias adicionales. 6

8 Uno de estos métodos es la sectorización, técnica en la cual se emplea un arreglo de antenas altamente direccionales para re-utilizar los canales de RF en una determinada zona geográfica. En este contexto, la re-utilización de frecuencias se refiere al envío de distinta información a diferentes usuarios utilizando varias veces los mismos canales de RF. Por ejemplo, supóngase que se dispone de un arreglo de antenas que permite dividir la zona a cubrir en 6 sectores de 60 cada uno; si se dispusiera solamente de un par de canales A y B, ello permitiría utilizar 3 veces cada canal para transmitir distinta información, lo cual triplica la capacidad de cada canal. En un esquema de sectorización existirá un compromiso entre el incremento de la capacidad asociado al número de sectores cubiertos y el incremento de la capacidad asociado a la utilización de esquemas de modulación cada vez más complejos, cuya susceptibilidad al ruido e interferencia será cada vez mayor. Cuando se utiliza la sectorización es necesario contar con una adecuada separación entre sectores adyacentes, lo cual puede lograrse utilizando antenas lo suficientemente directivas y polarizaciones alternas. Por lo general, en un entorno libre de obstáculos y de trayectorias múltiples, un aislamiento entre sectores de 30 db suele dar resultados satisfactorios. Otra técnica empleada para aumentar el rendimiento del espectro de RF es la celularización. En ella se utilizan múltiples transmisores para enviar información a grupos de suscriptores que están geográficamente dispersos; cada grupo de suscriptores se halla dentro de una región o celda. El incremento en la capacidad se produce al enviar diferente información de RF desde distintas celdas utilizando los mismos canales de RF. En la práctica se acostumbra utilizar una combinación de técnicas de sectorización y celularización. Para utilizar un esquema de celularización es necesario contar con un enlace de banda ancha entre la estación central y cada una de las estaciones base, el cual permitirá acomodar el crecimiento del ancho de banda provocado por la re-utilización de frecuencias. Dicho enlace suele ser de fibra óptica o microonda punto-a-punto. Por supuesto, es necesario diseñar tomando en cuenta la presencia de señales ajenas a la deseada en cada una de las celdas, lo que no es un problema tan grave como en el caso de la telefonía celular, en el que cada uno de los usuarios dispone de antenas omnidireccionales. En MMDS cada suscriptor emplea antenas altamente direccionales, dirigidas hacia la respectiva estación base. En un sistema celularizado podrían emplearse dos técnicas básicas de multicanalización o multiplexación: FDM (Frequency Division Multiplexing, Multicanalización por División de Frecuencias) y TDM (Time Division Multiplexing, Multicanalización por División de Tiempo). La elección está dictada por el espectro disponible y el tamaño de las celdas a servir. Esto último es una función de factores tales como la potencia disponible para la transmisión, el formato de modulación, la ganancia de las antenas, el tipo de terreno, etc. En un sistema MMDS los datos son transmitidos utilizando un esquema TDM. Por razones de competitividad se requiere un tamaño de celda relativamente grande, ya que al reducir el tamaño de la celda suben los costos de infraestructura. 8. Niveles típicos de potencia en Transmisión (Tx) y Recepción (Rx). Criterios típicos de diseño en MMDS: Pérdida típica en el combinador de canal = 2.5 db Pérdida típica en la guía de onda = 2 db Ganancia de la antena transmisora = 13 dbi Ganancia del bloque conversor = 32 db 7

9 Figura de ruido del bloque conversor = 2.5 db Pérdida típica en la línea de recepción = 6 db Margen de desvanecimiento típico = 15 db Potencia de Salida en Tx Ganancia de la Antena en Rx Cobertura Máxima 5 W promedio 10 W promedio 15 W promedio 18 dbi 24 dbi 18 dbi 24 dbi 18 dbi 24 dbi Tabla 3. Criterios Típicos de Diseño para MMDS millas 25.5 millas 12.5 millas 25.5 millas 15.5 millas 31.0 millas Considerando: Tx p = Potencia de salida del transmisor en dbm C L = Pérdidas del combinador de canal en db TL L = Pérdida total en la línea de transmisión en db TA G = Ganancia de la antena transmisora en dbi PL = Pérdidas de espacio libre en db = Log(frecuencia GHz) + 20Log(distancia Millas) RA G = Ganancia de la antena receptora en dbi BDC G = Ganancia del bloque conversor en db RL L = Pérdida total en la línea de recepción en db NF = Límite inferior del ruido térmico (-108 db) nf = Figura de ruido del sistema de recepción (2.6 db típico) FM = Margen de desvanecimiento (15 db típico) El factor crítico de diseño para un sistema digital es la relación señal a ruido del receptor requerida (SNR o S/N, signal to noise ratio); en este caso, 25 db. El margen de desvanecimiento es un valor estimado que variará según el lugar. Los factores que pueden contribuir al desvanecimiento incluyen lluvia fuerte, efecto multicamino, terreno, y bloqueo por follaje. Se tiene: Fuerza de la señal para el enlace: Tx p - C L - TL L + TA G - PL - FM + RA G + BDC G - RL L = Fuerza de la señal en el lugar de recepción en dbm Relación señal a ruido (S/N) para el enlace: Tx p - C L - TL L + TA G - PL - FM + RA G - nf - NF = S/N en el lugar de recepción en db NOTA: Este cálculo es válido para un modem con canales de 2 MHz y 4.5 db adicionales en el transmisor para permitir la transmisión del pico de señal que aparece de los tres moduladores correspondientes en un canal. Los números varían para un solo modulador y para más subcanales. 9. Tipos de antenas utilizadas. Patrón de Radiación. Ganancia. En este caso, es importante recalcar que la banda de frecuencias de un sistema determina el tipo de antena receptora y la cobertura, o rango, del transmisor. En MMDS, como ya se ha explicado, se utilizan muy altas frecuencias ( GHz). A estas frecuencias de microondas 8

10 se pueden combinar un número de estaciones en la misma antena transmisora. Como las señales de microondas viajan sólo en una línea recta de vista, la altura de la antena transmisora es muy importante, y tiene que ser tan alta como sea posible. En el lado receptor, se usa una antena receptora pequeña. En la antena, se instala un conversor, para pasar las frecuencias de microondas a señales normales UHF o VHF. La transmisión de downstream o de información dirigida al usuario permite el uso de antenas de transmisión y recepción integradas en la localidad del cliente. Esto es más barato que utilizar unidades separadas y, como apuntan en la misma dirección, la antena de transmisión está automáticamente alineada cuando la antena de recepción es instalada y alineada. Por otro lado, la transmisión hacia el punto de acceso a Internet (ver Figura 1) requiere antenas separadas con alineamiento individual. Figura 3. Típicas antenas de MMDS. 10. Empresas en Venezuela que explotan este tipo de sistema. En Venezuela, la empresa Cablevisión, fundada en 1.991, se dedica a la distribución de canales por suscripción a través de una frecuencia otorgada en concesión del Estado Venezolano, los cuales están ubicados en la banda de MMDS (2.5 a 2.7 GHz). La utilización de dichas frecuencias permite estar en hogares ofreciendo una alternativa de distracción. Sus antenas están ubicadas en Lomas del Cuño (Norte de la ciudad de Caracas, en el Parque Nacional El Ávila) y en el Cerro El Volcán (al Sur-Este de la ciudad de Caracas). Estas antenas permiten una cobertura homogénea de la ciudad facilitando los lapsos de instalación y dando la alternativa real de una excelente calidad de señal. Igualmente cubre San Antonio de los Altos y Guarenas-Guatire. Es importante notar que en Venezuela y el mundo, el empleo de MMDS no está de ninguna manera limitado a proveer televisión o acceso a Internet: también pueden tenerse aplicaciones que requieren de un tráfico simétrico, tales como telefonía, videoconferencia e interconexión de LANs. Una aplicación particularmente interesante de MMDS está ejemplificada por el sistema PRIZM desarrollado por SPIKE, actualmente operativo en la ciudad de Mérida, Venezuela. PRIZM provee canales bidireccionales de 10 Mbps utilizando una antena especial que opera con 22 sectores empleando modulación QPSK. La utilización de QPSK hace que PRIZM sea un sistema particularmente robusto en condiciones de propagación adversas; sin embargo, PRIZM soporta otras técnicas de modulación como QAM-4, QAM-16 y QAM-64. Cada sector utiliza un par de canales de 6 MHz, cada uno de los cuales puede transmitir 10 Mbps. PRIZM también puede operar con un canal de retorno a través de la red telefónica, pero eso limita su utilización al suministro de acceso a Internet. El sistema PRIZM tiene un alcance de aproximadamente 50 Km con una sola estación principal, alcance que puede ser extendido mediante el uso de estaciones adicionales. 11. Conclusiones 9

11 Uno de los usos más prometedores de MMDS es para el acceso a Internet de alta velocidad. La demanda por acceso a Internet crece exponencialmente. Cada vez más y más usuarios obtienen acceso a la Red a través de un proveedor de servicios de Internet (IPS, Internet Services Provider) utilizando las líneas telefónicas. En el mejor de los casos, este esquema ofrece una velocidad de transmisión del orden de los 58 Kbps. Por otra parte, el sistema de telefonía pública conmutada (PSTN, Public Switched Telephone Network) está orientado a proveer una conexión bidireccional con un ancho de banda simétrico. Esto representa un desperdicio del ancho de banda disponible, ya que en una conexión a Internet el flujo de información es predominantemente unidireccional. De hecho, la información requerida por el usuario (texto, vídeo, imágenes, audio) puede necesitar un ancho de banda importante, en tanto que la información enviada por el usuario se limita muchas veces al clic del ratón sobre los íconos presentados en pantalla. Otro factor a tener en cuenta es que las centrales telefónicas están pensadas para manejar el tipo de tráfico originado por las llamadas convencionales de voz, cuya duración en promedio no va mas allá de algunos minutos; en contraste, una conexión a Internet representa una llamada cuya duración es mucho más larga, pero en la cual el canal es utilizado solamente en los momentos en los que hay intercambio de información. Una verdadera solución a esta necesidad es la utilización de MMDS para proveer acceso de alta velocidad a Internet. Con MMDS, unos pocos canales con un ancho de banda de 6 MHz pueden servir para proveer acceso de alta velocidad a Internet (10 Mbps downstream), pudiéndose atender de 500 a 4000 suscriptores por canal. 12. Referencias Bibliográficas