Introducción Visión general

Transcripción

1 Capítulo Introducción De todas las redes conocidas, la red eléctrica se podría decir que es la más extensa del mundo: está formada por miles de kilómetros de cable, llega a millones de personas e incluso a aquellos lugares más remotos. Usar esta extensa red para la transmisión de voz y datos, ya sea para usar la línea telefónica o conectarse a Internet desde cualquier enchufe, no es algo descabellado. En esto se basa precisamente la tecnología Power Line Communications (PLC), cuya traducción directa es comunicación por red eléctrica, es decir, transporta datos sobre un conductor el cuál es además utilizado de forma simultánea para la distribución de potencia eléctrica. PRIME (PoweRline Intelligent Metering Evolution) es un estándar mundial de PLC. Las comunicaciones PLC del estándar PRIME están basadas en la Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM), para de esa forma poder ofrecer todo tipo de servicios propios de una red inteligente, en coexistencia con la red de distribución eléctrica... Visión general En la especificación PRIME se concretan una capa física (PHY), una capa de enlace (MAC) y una capa de convergencia. La interacción entre las distintas capas ofrecerían transmisiones de datos (menor que 200 Kbps) de banda estrecha que podrían formar parte de un sistema de red inteligente. Dichas transmisiones están basadas en un esquema de modulación OFDM para proveer principalmente de servicios básicos que resulten útiles. En este proyecto solo se tratará la capa física PHY, para la cual lo que realmente se describe es la capacidad para lograr tasas de 28 Kbps (sin codificación). PHY

2 Figura.: Modelo de referencia de las capas de protocolos usadas en la especificación PRIME OFDM. transmite y recibe MPDUs entre nodos vecinos usando la técnica de modulación OFDM..2. Descripción general de OFDM La multiplexación por división de frecuencias ortogonales (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM )esutilizadapordiversosmotivos,algunos de los cuales surgen como solución a problemas existentes dados en las modulaciones mono-portadora y multi-portadora..2.. Modulación mono-portadora Uno de los problemas presente en este punto es el de los efectos producidos por los ecos del canal, como se puede apreciar en la figura.2: Supóngase una modulación BPSK (un símbolo equivale a un bit) con un tiempo de símbolo T S = (.) R donde R es el regimen binario (en bps). Para poder recuperar la información debido a los efectos del ISI ( InterSymbol Interference), T S debe ser mucho mayor que la diferencia entre el primer y último eco, es decir: T S > 2 0 = MAX (.2) Problema: Cuanto mayor es T S,menoreslatasadetransferenciaR (ecuación.). Solución: Modulación multi-portadora (FDM). 2

3 (a) Ecos del canal. (b) Efectos de los ecos. Figura.2: Modulación mono-portadora Modulación multi-portadora: FDM Siguiendo en el mismo caso anterior (modulación BPSK y tiempo de símbolo dada por la ecuación.), al tener N portadoras, el tiempo de símbolo queda de la siguiente manera: T S = N R =) Mantengo R (no lo disminuyo). (.3) Subo T S! Mejor comportamiento ante el ISI. Problema: El espectro utilizado es muy grande. Solución: OFDM. 3

4 .2.3. Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM Es una variante de las modulaciones multi-portadora (FDM) en la que se aprovecha la propiedad de la ortogonalidad entre ellas, es decir, en el espectro el máximo de una portadora coincide con un cero en las demás (figura.3b). Para ello, las frecuencias de las N + portadoras tienen que cumplir que: f ck = k T S, k = N 2,...,0,...,N 2 (.4) (a) Diferencias entre FDM y OFDM. (b) Portadoras ortogonales. Figura.3: OFDM. En la figura.3a se aprecia el ahorro en el uso del espectro al utilizar OFDM en contrapartida al utilizado por FDM Sistema OFDM: modulador y demodulador Matemáticamente, para un símbolo concreto, sea a k la salida del mapper para una portadora k a k = I k + jq k (.5) Siendo I k y Q k su componente en fase y en cuadratura, respectivamente. Si la salida del mapper a k se multiplica por la función que representa a cada portadora e k = e j2 fkt j2 f k t t 2 [0,T u(t) = s ] (.6) 0 e.o.c. (Recordando que para conseguir la propiedad de ortogonalidad: f k = k T s k 2 [0,N ] ). El símbolo tendrá la siguiente expresión,con s(t) = a k (t) = a k e j2 fkt u(t) (.7) 4

5 Problema: Implementar demasiados osciladores en analógico es complicado. Solución: Se muestrea un símbolo con N muestras: T m = T s N =) t = nt m =) j2 f k t = j2 k n T s T s N = j2 kn (.8) N Siendo T m y T s el tiempo de muestro y el de símbolo, respectivamente. De esta forma, el símbolo quedaría como s(t) = a k (t) = a k e j 2 N kn = IDFT[a k ] n 2 [0,N ] (.9) Donde a k representa la fase y amplitud de cada portadora. Es decir, la realización de la IDFT es equivalente a la implementación de un número elevado de osciladores planteado en el problema mencionado anteriormente, con la diferencia de que no se implementa realmente, con el ahorro en complejidad y costes que ello supone. El modulador y demodulador por tanto es: (a) Modulador OFDM. (b) Demodulador OFDM. Figura.4: Sistema OFDM. 5

6 En la figura.4 se puede apreciar cómo con la IDFT se pasa al dominio del tiempo (conversor frecuencia-tiempo), por ello se dice que todos los bloques anteriores a la IDFT pertenecen al dominio de la frecuencia, y que todos los bloques siguientes pertenecen al dominio del tiempo. En la figura.5 se puede apreciar la forma característica que presenta una señal OFDM en su espectro (dominio de la frecuencia): Figura.5: Espectro de una señal OFDM. Por tanto, los principales motivos de la elección de OFDM son: Su resistencia a interferencias RF (lo cuál es común pero impredecible, como son las interferencias de banda estrecha o jamming no intencional) Su robustez al ruido impulsivo, resultado de la duración de símbolo extendido y el uso de FEC. Su capacidad para lograr una alta eficiencia espectral con implementaciones simples en el transceptor: provee más servicios de datos. Baja distorsión por multi-trayectoria: responde bien en ambientes de interiores así como a la velocidad de los vehículos. 6