Modelado de Comunicaciones Móviles e Inalámbricas

Transcripción

1 de Comunicaciones Móviles e Inalámbricas

2 Introducción Tipos de comunicación inalámbrica Celular Red WiFi Servicio de radio

3 Introducción Servicios de comunicación inalámbrica

4 Introducción Comunicaciones inalámbricas Ventajas: Movilidad Fácil mantenimiento Infraestructura flexible / de difícil acceso Desventajas: Vulnerabilidad Costos iniciales más elevados Interferencias con el entorno y otros sistemas

5 Introducción Canales y Frecuencias Portadoras La información enviada del transmisor al receptor se propaga a través de una banda de frecuencia bien definida. A esta banda se le conoce como canal. Cada canal tiene un ancho de banda (Bandwidth) y una capacidad de transferencia (bit-rate) predefinidos. Varios canales o bandas de frecuencia pueden ser empleadas de manera simultanea para transmitir la información de manera paralela.

6 Introducción Canales y Frecuencias Portadoras Ejemplo : Disponemos de un espectro de 90KHz al que se le asigna una frecuencia base b para enlazar las estaciones A y B. Se especifican 3 canales de tipo simplex donde cada canal ocupará 30KHz de ancho de banda. Para la comunicación full dúplex se utilizan dos canales diferentes (frontal y canales inversa) y se emplea multiplexación por división de tiempo en cada canal. Channel 1 (b - b+30) Station A Channel 2 (b+30 - b+60) Channel 3 (b+60 - b+90) Station B

7 Introducción Radio Propagación Las ondas de radio emitidas por una antena se propagan en las direcciones que permite la configuración de la antena. Las ondas de radio se debilitan a medida que viajan largas distancias

8 Introducción Interferencia de señales Por interrupción Por degradación

9 Introducción Características por determinar Modelo del Canal Móvil Nivel medio de potencia (Atenuación por propagación). Desvanecimientos lentos Movilidad del receptor Dispersión en frecuencia Desvanecimientos rápidos en el tiempo Propagación Multitrayecto Dispersión temporal Desvanecimientos en frecuencia

10 Introducción Características por determinar (cont...) Funciones para la caracterización de un canal. Modelos de Propagación. Soluciones para reducir los efectos del canal radio.

11 Introducción Propagación multi-trayectoria (MPC) La propagación multi-trayectoria se produce debido a: Reflexiones y difracciones en cuerpos cercanos al receptor (suelo, árboles, mobiliario urbano, vehículos,etc). Refracciones en la atmósfera que producen ecos en la señal. para la caracterización de un canal. 2. Desvanecimiento a mediana escala: por sombras y obstáculos 3. Desvanecimiento a pequeña escala: múltiples trayectorias (MPCs) Tx 1. Desvanecimiento de gran magnitud (escala) : debido a la distancia Rx

12 Introducción Propagación en Áreas Edificadas La propagación en áreas urbanas está fuertemente influenciada por la naturaleza del entorno. En los entornos urbanos la propagación viene influenciada por fenómenos como: Efecto de sombra por edificios. Efecto de guía-onda a lo largo de las calles. Efectos introducidos por los árboles. La potencia recibida se estima en dos etapas: Predicción del nivel medio de potencia en una región. Predicción de las variaciones respecto al valor medio.

13 Introducción Propagación en Áreas Edificadas (cont...) La propagación en áreas urbanas está fuertemente influenciada por la naturaleza del entorno. Variaciones lentas: causadas por los cambios en el entorno Variaciones rápidas: causadas por la movilidad en un entorno con multi-trayectorias. Dispersión en frecuencia Desvanecimientos Rápidos. Dispersión temporal Desvanecimientos en Frecuencia.

14 Introducción Nivel Medio de Potencia en una Región Predicción del nivel medio de potencia en una región. Se realiza considerando dos términos: Atenuación por espacio libre (fórmula de Friis). Atenuación media de la región debido a la existencia de zonas de sombra características del entorno (montañas, bosques, edificios, etc). Modelo de Okomura-Hata, COST231, etc Atenuación de espacio libre + Atenuación adicional media de la región Atenuación media en la región

15 Introducción Nivel Medio de Potencia en una Región Predicción del nivel medio de potencia en una región. Amplitud media de la señal recibida: 1 (t +T) m(t) = r (t ) dt (t T ) 2T r(t) : Amplitud instantánea de la señal recibida 2T : Intervalo temporal de promediado (Ajuste eurístico) Para un sistema móvil T es el tiempo en que tarda en recorrer una distancia de entre 20λ - 40λ.

16 Desvanecimiento por multitudtrayectorias «MPC» en canales de comunicación de Canal en Banda Estrecha «Narrowband» de Canal en Banda Ancha «Wideband» de Canal «WSSUS :Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering» Funciones, variables y distribuciones

17 Señal LPE «Low-pass equivalent» Señal equivalente de pasa bajas Frecuencia portadora RF s t Re z t e j 2 fct Señal de RF : Reales Señal LPE : Compleja z t x t j y t c t e Componente de la señal en Fase j t Componente en Cuadratura

18 Señal LPE «Low-pass equivalent» Características espectrales magnitud 0 f Señal Real en el dominio del tiempo (e.g. portadora de RF) f Respuesta espectral Hermitiana fase 0 Señal LPE Compleja en el dominio del tiempo Respuesta espectral NO Hermitiana

19 Para qué queremos un modelo? Simulación, pronóstico, mapas de cobertura y comparación de sistemas de comunicación. Modelos determinísticos E.g.: Trazado de rayos Modelos estadísticos Caracterización de la señal en pequeña escala (tiempo, distancia, frecuencia) Variaciones debajo de un umbral mínimo Análisis de respuesta al impulso por una variable aleatoria en el tiempo

20 Modelos estadísticos dependen de: LOS Línea de vista (line-of-sight) Existe una componente principal en el tren de ecos que llegan al Rx NLOS No línea de vista (non-line-of-sight) No existe ninguna componente principal en Rx Tipo de desvanecimiento: Lento o a Gran Escala: Características globales del entorno y medio Rápido: Características debido a pequeños movimientos cerca del Rx

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22 Gran escala: Predicen la atenuación de la señal que llega al Rx a una distancia mucho mayor en comparación con la longitud de onda de la señal E.g.: Pérdidas de espacio libre, de trayectoria y de ensombrecimiento Perdida por distancia. Pérdida por sombreado Interferencia por MPCs log10 distance

23 Pequeña escala: Predicen las variaciones de la señal en Rx en pequeñas distancias (comparables con la longitud de onda) o en pequeños períodos de tiempo. Para cambios pequeños de posición puede haber atenuaciones de 3 o 4 órdenes de magnitud Ej: Desvanecimiento multi-trayectoria y Efecto Doppler Rx Tx t0 time t

24 Dispersión de Pequeña escala basada en Multi-trayectoria y dispersión del retardo de señal (Lleva a la dispersión en el tiempo y al desvanecimiento selectivo en la frecuencia) Desvanecimiento plano (no selectivo en la frec.) a) BWsignal < BWChannel b) Dispersión del retraso < Período de la Señal Desvanecimiento selectivo en la frecuencia a) BWsignal > BWChannel b) Dispersión del retraso > Período de la Señal

25 Dispersión de Pequeña escala basada en la dispersión Doppler (Lleva a la dispersión en frecuencia y al desvanecimiento selectivo en el tiempo) Desvanecimiento rápido (Alta dispersión Doppler) a) Tiempo de coherencia < Período de la Señal b) Variaciones del canal más rápidas que las variaciones de la banda base Desvanecimiento lento (Baja dispersión Doppler) a) Tiempo de coherencia > Período de la Señal b) Variaciones del canal más lentas que las variaciones de la banda base

26 Variabilidad de la potencia del canal:

27 Modelo de canal simple de 2 señales: h a1 e j 1 1 a2 e j 2 2 H f a1 e j 1 e j 2 f 1 a2 e j 2 e j 2 f 2 Para ciertas frecuencias/fases los dos términos se suman constructivamente o destructivamente y obtenemos: H f constructive a1 a2 H f destructive a1 a2 f

28 El Ancho de banda de coherencia «BC» es una medida estadística de la gama de frecuencias en la cual la respuesta del canal se puede considerar "plana" (intervalo del ancho de banda sobre la cual se obtiene una amplitud comparable como respuesta). Bcoherencia = BC = 1 / D D : Delay spread Bcoherencia = BC = 2π / D (radianes) Ejemplo: Calcular la banda de coherencia para un «delay spread» (dispersión del retardo) igual a 0.32μs. BC = 1 / D = 1 / 0.32(10)-6 = MHz

29 Dispersión Temporal es resultado de la propagación MPC's de una señal digital. Al sumarse en Rx las versiones retardadas (y escaladas) se obtiene una señal extendida (dispersión temporal de la señal). El efecto de la dispersión temporal sobre la señal digital del receptor varía de acuerdo a su relación con el tiempo de símbolo de la señal digital (T). i.e.: Δτ = τ-τmin > T Canal dispersivo en el tiempo (ISI) Δτ = τ-τmin < T Canal no dispersivo (Cambio de Pot) En canales reales se utiliza τrms en vez del τ.

30 Dispersión Temporal es resultado de la propagación MPC's de una señal digital. Al sumarse en Rx las versiones retardadas (y escaladas) se obtiene una señal extendida (dispersión temporal de la señal) Trayectoria corta Trayectoria larga Señal resultante

31 Tiempo de coherencia «TC» : El Tiempo de coherencia es el intervalo del tiempo durante el cual a la respuesta de impulso de canal permanece constante. i.e.: yt1 (t) = x(t t1 ) ht1 (t) Respuesta al impulso del canal en t1 yt2 (t) = x (t t 2 ) ht2 (t) Respuesta al impulso del canal en t2 Si la diferencia ht1(t) ht2(t) es pequeña, el canal se podrá considerar constante y entonces Tc estará definido de manera simple como: T c = t 2 t 1

32 Tiempo de coherencia «TC» La atenuación, dispersión y difracción afectan directamente al tiempo de coherencia. Aunado a lo anterior, la influencia de las variaciones debido a los efectos Doppler son muy significativas, especialmente en los enlaces de comunicación inalámbricos «ICI: Inter-channel Interference». El TC es inversamente proporcional a la dispersión Doppler. Su relación con el máximo corrimiento doppler fdmax, está definido con: 1 Tc f dmax

33 Tiempo de coherencia «TC» Usando el método de Clarke y el máximo corrimiento doppler fdmax, se puede obtener el 50% de tiempo de coherencia TC mediante : 9 Tc = 2 16 π f dmax Tc = 16 π f dmax f dmax

34 Si Selectivo en frecuencia (Dispersivo en el tiempo) Selectivo en frecuencia (Dispersivo en el tiempo) Desvanecimiento lento / plano (Baja dispersión Doppler) Desvanecimiento rápido (Alta dispersión Doppler) Bc No Frecuency Selective (Time Dispersive) BW (Ancho de Banda) Plano en frecuencia (Sin dispersión temporal) Plano en frecuencia (Sin dispersión temporal) Desvanecimiento lento /plano (Baja dispersión Doppler) No Desvanecimiento rápido (Alta dispersión Doppler) Tc Time Selective (Frecuency Dispersive) Si T (Tiempo de Símbolo)

35 Frecuency Selective (Time Dispersive) Desvanecimiento selectivo en frecuencia BW >> Bc Desvanecimiento plano en frecuencia BW << Bc Dispersión Temporal T << τrms S No Dispersión temporal T >>τrms S Time Selective (Frecuency Dispersive) Desvanecimiento selectivo en el tiempo TS>>Tc Desvanecimiento plano en el tiempo TS<<Tc Dispersión en frec. BW<<B rms No Dispersión en frec BW>>B rms

36 Atenuación a gran escala Perdida por Trayectoria (Distancia) Perdida por Sombras (Variaciones de señal) Desvanecimiento Total Desvanecimiento a pequeña escala Multi-trayectoria Desvanecimiento Rayleigh (Cambios del orden de Una longitud de onda)

37 Dispersión en el tiempo Flat Fading ( BW << Bc ) Frecuency Selectivity (BW >> Bc) Multi-trayectoria Desvanecimiento Rayleigh (Cambios del orden de Una longitud de onda) Fast Fading ( TS>>Tc ) Varianza en el Tiempo (Doppler) Slow Fading ( TS<<Tc )

38 Desvanecimiento rápido vs lento «fast vs slow fading»: Representan los cambios en la amplitud de la señal debido al efecto combinado de las atenuaciones del entorno. Influencia de los efectos de desvanecimiento de gran y pequeña escala

39 Desvanecimiento lento «slow fading»: Cambios en el promedio de amplitud de la señal debidos a cambios de gran escala, e.g. Cambios del entorno, sombras de edificios. También conocidas como: «slow», «shadow» o «lognormal fading». El corrimiento Doppler máximo fdmax es menor a la frecuencia equivalente de coherencia 1 f dmax < Tc

40 Desvanecimiento rápido «fast fading»: Cambios rápidos de la señal en distancias muy cortas (MPC's). Se observan en todas direcciones. También conocidas como: «short term» o «small scale fading». El corrimiento Doppler máximo fdmax es mayor a la frecuencia equivalente de coherencia 1 f dmax > Tc

41 De acuerdo a lo anterior: En el dominio del tiempo: No selectivo (Plano): Escenario estático, invariante en el tiempo Selectivo: Escenario cambiante, variante en el tiempo En el dominio de la frecuencia: No selectivo: Banda Angosta (Narrowband) Selectivo : Banda Ancha (Wideband)

42 Modelo AWGN : Additive White Gaussian Noise Ruido Aditivo blanco gaussiano Uniforme en el tiempo y en el espacio No contempla selectividad temporal ni en frecuencia r t = s t n t Densidad de probabilidad: 1 n 2 σ 2 ( ) 1 f ( n) = e σ 2 π

43 Modelo AWGN : Additive White Gaussian Noise

44 Respuesta al impulso del canal «CIR» h(,t) delay spread Tm

45 Respuesta al impulso del canal «CIR» El CIR consiste de L trayectorias de propagación L 1 h, t ai t e i 0 path attenuation j i t i path phase path delay LOS path

46 Respuesta al impulso del canal «CIR» s t Tx b p t kt k k complex symbol Rx r t h t s t pulse waveform h, t s t d L 1 ai t e i 0 j i t s t i f t t t dt f t 0 0

47 Respuesta al impulso del canal «CIR» La señal Rx se compone de las L trayectorias de propagación (atenuadas, retrazadas y defasadas) generadas a apartir de la original a0 e j 0 s t 0 a1 e j 1 s t 1 T Tm a2 e j 2 s t 2 : Dispersión Normalizada D = Tm / T

48 Respuesta al impulso del canal «CIR» La dispersión normalizada es un factor importante. Cuando D << 1 el canal es: Narrowband, no selectivo en frecuencia y Plano No existe la interferencia entre símbolos (ISI) Cuando D se acerca al 1 o es mayor, entonces: Wideband, Selectivo en frecuencia y dispersivo en el tiempo

49 Narrowband Wideband Cálculo por pérdidas de trayectoria - Por espacio libre - Por reflecciones - Por diffracción - Por dispersión Modelos Determinísticos (e.g. ray tracing, playback modelling) Principal problema: Desvanecimiento de la señal «fading» Modelos Estocásticos (e.g. WSSUS) Principal problema: Dispersión de la señal

50 Cuando el canal de comunicación se caracteriza en función de la frecuencia, la relación entre el ancho de banda de la señal transmitida «BW» y el propio ancho banda de coherencia del canal «Bc» resulta relevante. El ancho de Banda de coherencia se define como la banda de frecuencia dentro de la cual todos sus componentes se ven afectados de manera similar por los defasamientos de propagación «multipath». La Bc es una medida de la separación máxima entre dos componentes frecuenciales.

51 Ya que un sistema puede definirse como Narrowband o Wideband dependiendo del ancho de banda del canal físico de transmisión respecto a los canales con los cuales funciona, entonces el tipo de ancho de banda que caracteriza al canal se determina mediante el ancho de banda de la coherencia.

52 Banda Angosta «Narrowband»: Al transmitir señales cuyo ancho de banda es menor que el ancho de banda de coherencia del canal: BW (signal) < B c el canal se identifica como de banda estrecha. La función de transferencia del canal presenta un comportamiento plano en el ancho de banda de la señal (flat-fading).

53 Banda Angosta «Narrowband»:

54 Banda Angosta «Narrowband»: En sistemas de banda estrecha, todos los componentes de la señal son afectados de manera similar por la propagación multidireccional. Por consiguiente, aunque con diversas amplitudes, la señal recibida de banda estrecha es esencialmente igual que la señal de banda estrecha transmitida. En el dominio del tiempo, la señal transmitida no sufre distorsión temporal. Por tanto, en el dominio del tiempo, la respuesta impulsiva del canal de banda estrecha se puede representar mediante una función delta.

55 Modelo Banda Angosta : Rayleigh, Ricean noise Características de desvanecimiento plano Puede haber interferencia destructiva en el Receptor Varias réplicas de la señal se suman vectorialmente en el Receptor quadrature phase component in-phase component Rx Tx

56 Modelo Banda Angosta : Rayleigh, Ricean noise 1 τrms Bc Se utiliza una función densidad de probabilidad que toma la variación de la señal en Rx Distribuciones de Rayleigh, Ricean

57 Modelo Rayleigh La amplitud de la señal compleja recibida Rx es el resultado de la suma de fasores complejos cada uno con magnitud y fase, asociadas a las MPC's Las componentes de cada trayectoria no se pueden descomponer en elementos más simples. La suma se puede descomponer en fase y cuadratura Si dichas componentes tienen distribución normal de media nula entonces la amplitud del vector tiene una distribución de Rayleigh

58 Modelo Rayleigh Las variaciones rápidas sufridas por la señal se deben a las interferencias destructivas y constructivas de las distintas componentes multi-trayectoria Para NLOS, no existe componente principal en la multi-trayectoria.

59 Modelo Rayleigh Densidad de probabilidad Rayleigh: { x 2 2 σ2 x e, 0 x 2 f ( x) = σ 0, x<0 } x : amplitud del voltaje de la señal en recepción 2σ² : Potencia recibida

60 Modelo Rayleigh Función de Densidad de probabilidad Rayleigh:

61 Modelo Rayleigh Desvanecimiento Rayleigh, frecuencia Doppler 10Hz

62 Modelo Rayleigh Desvanecimiento Rayleigh, frecuencia Doppler 100Hz

63 Modelo Ricean El modelo detrás de desvanecimiento Rician es similar a la de desvanecimiento de Rayleigh, excepto que en el desvaneciendo Rician existe un fuerte componente dominante. Este componente dominante puede ser, por ejemplo, la onda de línea de visión LOS.

64 Modelo Ricean La amplitud de la señal compleja recibida es la suma de fasores complejos cada uno con magnitud y fase La señal se puede descomponer en fase y cuadratura Rician Fading signal (e.g.:los) in-phase component Rx Tx

65 Modelo Ricean Densidad de Probabilidad Ricean: { x e 2 f ( x) = σ 2 2 (x + A ) 2σ 2 I 0 0 Ax ( σ ), 2 A 0, x 0, x <0 } A : Amplitud de pico de la señal dominante I0 : Función de Bessel modificada, del primer tipo y orden cero (exponencial) 2 σ² : Potencia media de las componentes NLOS

66 Modelo Ricean Factor de Ricean: 2 potencia directa A k= = 2 potencia dispersa 2 σ Observación: Cuando A tiende a 0, la distribución de Ricean tiende a la distribución Rayleigh

67 Modelo Ricean Función Densidad de probabilidad Ricean A=v

68 Modelo Ricean Densidad de probabilidad Rayleigh vs Ricean

69 Distribución gaussiana compleja centrada en el origen del plano complejo => Su magnitud sigue una distribución Rayleigh y la probabilidad de Interferencias destructivas fuertes «deep fading» es mayor que en el caso de Rice iy p x, y Distribución gaussiana compleja centrada en la ubicación de la componente dominante (LOS) => Su magnitud sigue la distribución de Rice, y tiene una probabilidad extremadamente baja de sufrir Interferencias destructivas fuertes iy a0 x Función en forma de campana x

70 Contramedidas de la dispersión de «Narrowband» Diversidad (transmitiendo la misma señal a frecuencias diferentes, en diferentes momentos, o hacia / desde diferentes antenas) Canales de banda ancha => la diversidad de trayectos múltiples Intercalado de información «Interleaving» (recomendado cuando un desvanecimiento afecta a muchos bits o símbolos a la vez), salto de frecuencia

71 Contramedidas de la dispersión de «Narrowband» Forward Error Correction (corrección de errores a partir de la trama de datos), gran sobrecarga del procesador. Esquemas de petición automática de retransmisión «ARQ: Automatic Repeat request» No factibles para la transmisión de información en tiempo real

72 Bit Interleaving o intercalado de bits Transmisor Canal Receptor Los Bits son intercalados... La dispersión afecta a muchos bits adyacentes Después de la reconstrucción los bits erróneos están dispersos!... y serán reordenados en el receptor Bits erróneos en el receptor (Mejor para un FEC)

73 Banda Ancha «Wideband»: Se caracterizan por desvanecimiento selectivo en frecuencia y en el tiempo. Típicamente hay dispersión en el retardo y si el canal es móvil, también habrá dispersión Doppler. Las componentes en Rx se pueden discriminar Se considera al canal como un sistema LTV: Variante en el tiempo y lineal.

74 Banda Ancha «Wideband»: Los sistemas de Banda ancha funcionan con los canales substancialmente más anchos que la anchura de banda de la coherencia: BW (channel ) > B c 1 τ rms > Bc En sistemas de Banda Ancha, los componentes de frecuencia se ven afectados de manera diferente, lo que provoca un comportamiento selectivo en frecuencia.

75 Banda Ancha «Wideband»:

76 Banda Ancha «Wideband»: En Banda Ancha el dominio del tiempo, aunque el desvanecimiento es menos significativo (ya que el desvanecimiento en potencia se considera respecto a la potencia promedio en la banda), la señal transmitida se distorsiona ensanchándose temporalmente : Dispersión.

77 Sistema Lineal Variante con el Tiempo: Funciones de Bello. u(t) z(t) h(t,τ) U(f) Z(f) τ : variable de retardo t : variable de la variación temporal del canal

78 Funciones para la Caracterización de Canales Transformada (Inversa) de Fourier TimeTimevariant variant transfer transfer function function Time-variant Time-variant impulse impulseresponse response h,t S ( τ, v) T ( f, t) H (f, v) Doppler-variant Doppler-variant transfer transferfunction function DopplerDopplervariant variant impulse impulse response response

79 Funciones para la Caracterización de Canales Z (f ) = U (f )T (f, t) e j 2π ft df TimeTimevariant variant transfer transfer function function Time-variant Time-variant impulse impulseresponse response S ( τ, v) T ( f, t) Z (f ) = H (f v, v)u ( f v )dv h,t H (f, v) z (t ) = h( τ, t) u(t τ) d τ Doppler-variant Doppler-variant transfer transferfunction function DopplerDopplervariant variant impulse impulse response response z (t) = s (τ, v)u(t τ) j 2π fv e d τ dv

80 Banda Ancha «WSSUS»: El modelo WSSUS «Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering» proporciona una descripción estadística del comportamiento de transmisión de los canales inalámbricos. h, t Lo de «Wide-Sense Stationary» implica que los momentos de segundo orden, presentes en el canal, son estacionarios; implicando que sólo depende de la diferencia de tiempo. t = t 1 t 2

81 Banda Ancha «WSSUS»: H t Td Channel Channelintensity intensity profile profile h h ; t Frequency Frequency time time correlation correlation function function H f H f ; t S h ; D Scattering Scattering function function S H f ; Bm Channel ChannelDoppler Doppler spectrum spectrum SH Bd

82 Banda Ancha «WSSUS»: Dispersión máxima de retardo: D h Esta dispersión máxima puede definirse de varias maneras Por esta razón es muy común utilizar la dispersión del retardo cuadrático medio «RMS delay spread» στ h d d h h d h d 2 D 2

83 Banda Ancha «WSSUS»: La parte de: «uncorrelated scattering» o dispersión no correlacionada, se refiere a los retrasos τ debido a los efectos de la dispersión del canal de manera que no dependen unos de otros. h es cero para todo 1 2 donde se asume: h h 0,

84 Banda Ancha «WSSUS»: H f Ancho de banda de coherencia del canal Bc 1 / D Bc 0 Si dos frecuencias sinusoides están espaciadas mucho menos que Bc, su desvanecimiento resultará similar Si su separación es mucho más grande que Bc, su desvanecimiento será diferente. f

85 Banda Ancha «WSSUS»: Dispersión máxima Doppler : Bd SH El espectro Doppler toma a menudo en forma de U. La razón de este comportamiento es la relación de las frecuencias sinusoides V cos f d cos 0 Bd SH p

86 Banda Ancha «WSSUS»: Dispersión del retardo y ancho de banda de coherencia: Bm =

87 Banda Ancha «WSSUS»: Existen diversas funciones de transferencia que caracterizan el canal, denominadas funciones del sistema que se derivan de la respuesta al impulso variante en el tiempo Si aplicamos la transformada de Fourier a h, t obtendremos la función de transferencia variante en el tiempo: + H (f, t) = h( τ, t)e j2 π f τ dτ

88 Banda Ancha «WSSUS»: En vez de trabajar con la respuesta al impulso del canal se trabaja con el perfil de potencia de la señal recibida y sus transformadas. A partir de la autocorrelación de la respuesta al impulso del sistema se puede obtener: Las funciones de densidad de probabilidad de, fd Se define el tiempo de coherencia y el ancho de banda de coherencia

89 Banda Ancha «WSSUS»: Canal con P caminos de propagación P 1 j(2f h( τ, t) = δ( τ τ p )e p =1 P p : retardo asociado a cada trayectoria f D,p : frecuencia Doppler asociada a cada trayectoria p : fase asociada a cada trayectoria P debe ser suficientemente grande Se proponen pdf conocidas para cada parámetro D, P t + θp)

90 Contramedidas de la dispersión de «Wideband» Ecualización (en los sistemas TDMA) Ecualización lineal Decisión Feedback Equalization (DFE) Maximum Likelihood Sequence Estimation (MLSE) utilizando el algoritmo de Viterbi Sistemas de recepción Rake (DS-CDMA). Utiliza varios sub-receptores levemente defasados para sincronizar las componentes individuales de multi-trayectoria

91 Contramedidas de la dispersión de «Wideband» Para sistemas «OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing» o multiportadora, donde se envían múltiples ondas portadoras de diferentes frecuencias, donde cada una transporta información modulada en QAM o en PSK. Asignación de suficiente Número de subportadoras Intervalos de guarda suficientemente amplios (en sistemas OFDM o multiportadora) En sistemas Wideband: Intercalado en esquemas de FEC (Forward Error Correction) o Automatic Repeat-reQuest.

92 Conversión de Banda Ancha a Banda Estrecha : Cambios en la regulación obligan a reducir el ancho de banda

93 Conversión de Banda Ancha a Banda Estrecha : La mayoría de los sistemas de radio móvil terrestre (LMR) en las bandas VHF ( MHz) y UHF ( MHz) utilizaban anchos de banda de canal de 25 khz. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC EEUU) ordenó a los titulares de licencias de banda ancha con anchos de banda de 25 khz que convirtieran sus sistemas a anchos de banda de canal de 12.5 khz (a banda estrecha) para el 1 de enero de 2013

94 Conversión de Banda Ancha a Banda Estrecha : La conversión de banda ancha a banda angosta promueve un uso más eficiente del espectro de frecuencias (e.g.: VHF y UHF ) por el crecimiento al doble de la cantidad de canales disponibles.

95 Banda Estrecha vs Banda Ancha :

96 Desempeño del Canal Métricas: En los sistemas de comunicación inalámbrica es preciso lograr un mínimo nivel de señal en recepción, denominado umbral. El desempeño de un sistema depende de cuánto dure y se repita el desvanecimiento de la señal en Rx. Se definen parámetros asociados a la frecuencia y duración del desvanecimiento por debajo del umbral Para los sistemas digitales se asocia la tasa de error de bit con la relación señal a ruido (BER vs SNR)

97 Desempeño del Canal Métricas: Tasa de desvanecimiento: Cantidad de veces por segundo que el nivel de señal en Rx cae por debajo de cierto umbral Duración del desvanecimiento: Es el valor promedio de un período de desvanecimiento

98 Desempeño del Canal Métricas: Probabilidad de fuera de servicio (outage): Multiplicando la tasa de desvanecimiento por la duración promedio se obtiene la probabilidad de que la señal esté por debajo del umbral Disponibilidad = 1 Probabilidad de outage

99 Desempeño del Canal AWGN (no fading): BER <=> Q(S/N) Typical BER vs. S/N curves BER Frequency-selective channel (no equalization) Gaussian channel (no fading) Flat fading channel S/N

100 Desempeño del Canal Desvanecimiento plano: BER BER S N z p z dz z = signal power level Typical BER vs. S/N curves BER Frequency-selective channel (no equalization) Gaussian channel (no fading) Flat fading channel S/N

101 Desempeño del Canal Desvanecimiento selectivo en frecuencia : Irreducible BER floor Typical BER vs. S/N curves BER Frequency-selective channel (no equalization) Gaussian channel (no fading) Flat fading channel S/N

102 Desempeño del Canal Desvanecimiento selectivo en frecuencia: Compensado con diversidad multi-trayectoria Typical BER vs. S/N curves BER Gaussian channel (no fading) Frequency-selective channel (with equalization) Flat fading channel S/N

103 Desempeño del Canal Resumen: Modelos de Canal estadísticos para el desvanecimiento multi-trayectoria: Rayleigh (NLOS) Desvanecimiento plano Ricean (LOS) Desvanecimiento plano WSSUS Desvanecimiento selectivo en frecuencia Duración y frecuencia del desvanecimiento Disponibilidad Desempeño

104 Propagación en exteriores e interiores

105 Propagación en exteriores e interiores División Básica Con el tiempo se han desarrollado diferentes modelos, para establecer, al menos de manera aproximada, el comportamiento de la propagación en diferentes condiciones. Tipos de modelos de propagación de radio son: Modelos para aplicaciones en interiores Modelos para aplicaciones al aire libre Compromiso entre simplicidad y precisión

106 Propagación en exteriores e interiores Propagación en exteriores Hay una serie de modelos de propagación de radio móviles para predecir la pérdida de trayecto sobre terreno irregular. Estos métodos generalmente tienen como objetivo predecir la intensidad de la señal en un sector particular. Pero varían ampliamente en complejidad y precisión. Estos modelos se basan en la interpretación sistemática de los datos de medición obtenidos en el área de servicio.

107 Propagación en exteriores e interiores Tipos de modelos al aire libre Modelos de propagación de la onda de tierra Modelos de propagación de la onda ionosférica Modelos de atenuación Ambientales Point-to-Point modelos de propagación Modelos del terreno Modelos de ciudad

108 Propagación en exteriores e interiores Modelos de atenuación al aire libre Modelos de propagación cercanos a la Tierra Modelos para el Follaje Modelo de decaimiento exponencial modificada de Weissberger Modelo Temprano de la ITU Modelo Actualizado de la ITU Modelo Terminal Woodland Modelo de Obstrucción de vegetación sencillo

109 Propagación en exteriores e interiores Modelos de atenuación al aire libre Modelos de propagación cercanos a la Tierra Modelos del terreno Egli Modelo Modelo Longley-Rice Modelo ITU Terreno

110 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Modelo Young Modelo Okumura Modelo Hata para Áreas Urbanas Modelo Hata para zonas Suburbanas Modelo Hata para áreas abiertas Modelo COST Hata Modelo Área Área de Lee Modelo Punto Punto de Lee

111 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Modelo Okumura Es uno de los modelos más utilizados para la predicción de la señal en las zonas urbanas, y es aplicable para las frecuencias en el rango de 150 MHz a 1920 MHz Basado totalmente en las mediciones (no cálculos analíticos) Aplicable en la gama: 150MHz a 2000MHz, ~ 1 kilometros a 100 km de separación TR, alturas de antena de 30m a 100m

112 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Modelo Okumura

113 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Modelo Okumura La principal desventaja con este modelo es su pobre respuesta a cambios rápidos en el terreno, por lo tanto, el modelo es bastante bueno en las zonas urbanas, pero no tan bueno en las zonas rurales. Las desviaciones estándar entre los valores previstos por atenuación por trayectoria y los medidos comúnmente están alrededor de 10 a 14 db.

114 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Modelo Okumura hte 200 G (hte ) 20 log 1000m hte 30 m hre G (hre ) 10 log 3 hre 3 m hre G (hre ) 20 log 3 10m hre 3 m

115 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Modelo Okumura - Hata

116 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Modelo Hata Formulación empírica de los datos gráficos en el modelo Okamura. Válido 150MHz a 1500MHz, Se utiliza para los sistemas celulares Clasificación usada por Hata: Área urbana Área Suburbana Espacio abierto L db= A+ B log d E LdB= A+ B log d C LdB= A+ B log d D

117 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Modelo Hata Donde A log f 13.82hb B log hb C 2(log( f / 28)) D 4.78 log( f / 28) log f E=3. 2(log ( hm )) para grandes ciudades, f 300 MHz 2 E=8. 29( log(1. 54 h m )) 1. 1 para grandes ciudades, f <300 MHz E=(1.11 log f 0. 7 )h m (1. 56 log f 0. 8 ) para ciudades pequeñas o medianas

118 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Modelo Hata Donde A log f 13.82hb B log hb C 2(log( f / 28)) D 4.78 log( f / 28) log f E=3. 2(log ( hm )) para grandes ciudades, f 300 MHz 2 E=8. 29( log(1. 54 h m )) 1. 1 para grandes ciudades, f <300 MHz E=(1.11 log f 0. 7 )h m (1. 56 log f 0. 8 ) para ciudades pequeñas o medianas

119 Propagación en exteriores e interiores Modelos de propagación de ciudad Extensión PCS para el Modelo Hata Modelo Hata COST-231, estándar europeo Las frecuencias más altas: hasta 2GHz Tamaños de celda más pequeños Alturas de antena más bajas LdB F B log d E G F log f log hb f >1500MHz G=3 para grandes ciudades, G=0 para ciudades medias y pequeñas

120 Propagación en exteriores e interiores Modelos de banda específica 2,4 GHz (banda ISM, de particular interés para WiFi) Modelo Green-Obaidat

121 Propagación en exteriores e interiores Ejemplos de Modelos para exteriores Modelo Longley-Rice Modelo de Durkin Modelo de Okumura Modelo Hata Extensión PCS al modelo Hata Walfisch y Bertoni

122 Propagación en exteriores e interiores Propagación en Interiores Canal de radio interior se diferencia del tradicional canal de radio móvil en: Distancias a recorrer mucho menores Mayor variabilidad del medio ambiente es mayor para una gama mucho más pequeña de las distancias de separación TR Está fuertemente influenciado por las características específicas, tales como: Distribución del edificio, Materiales de construcción y tipo del edificio.

123 Propagación en exteriores e interiores Propagación en Interiores En general, los enlaces interiores pueden clasificarse ya sea como LOS o OBS con diferentes grado de ruido Las pérdidas entre plantas de un edificio se determinan por las dimensiones externas y materiales del edificio, así como el tipo de construcción utilizado para crear los pisos y los alrededores externos. Factor de atenuación Piso (FAF) Log-distance Path Loss Model

124 Propagación en exteriores e interiores Propagación en Interiores Penetración de Señal en Edificios La penetración de RF es función de la frecuencia así como la altura dentro del edificio. La Intensidad de la señal recibida en el interior de un edificio aumenta con la altura, y la pérdida de penetración disminuye al aumentar la frecuencia. Walker muestra que la pérdida de penetración disminuye a un ritmo de 1,9 db por piso, desde el nivel del suelo hasta el piso número 15. Por encima de la planta 15 comienza a aumentar.

125 Propagación en exteriores e interiores Propagación en Interiores Penetración de Señal en Edificios Walker El aumento de la pérdida de penetración en las plantas superiores se atribuye a los efectos de sombra de los edificios adyacentes. Se requiere emplear algunos equipos para llevar a cabo las mediciones de atenuación de señales en dichos lugares.

126 Propagación en exteriores e interiores Propagación en Interiores Modelos de Propagación dentro de edificios: Modelo ITU para atenuación en edificios. Modelo de atenuación por pérdida logarítmica en trayectoria «Log-distance path loss model»

127 Propagación en exteriores e interiores Propagación en Interiores Distribución Log-Normal Describe los efectos de sombreado aleatorios que ocurren durante en un gran número de puntos de medición que tienen la misma separación Tx - Rx, pero que presentan diferentes niveles de ruido acumulado durante el trayecto. Los efectos del ruido aleatorio de sombreado se modelan utilizando la distribución Gaussiana En la práctica, los valores de n y σ a menudo se calculan a partir de los datos medidos, utilizando regresión lineal

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129 Propagación en exteriores e interiores Aplicaciones La probabilidad de que el nivel de la señal recibida será superior a un cierto valor γ se puede calcular a partir de la función de densidad acumulativa: ( γ P r ( d ) Pr [ P r ( d )> γ ]=Q σ ) La misma puede ser empleada para determinar el porcentaje de área de cobertura en los sistemas celulares.

130 Propagación en exteriores e interiores Modelos de atenuación por edificios y de pérdida logarítmica por distancia Ambos modelos, los teóricos o los basados en mediciones de propagación, indican que la potencia media de la señal recibida disminuye logarítmicamente con la distancia, ya sea en los canales de radio al aire libre o en interiores. La atenuación debido a trayectorias de media a gran escala, para una separación dada entre el Tx y el Rx se expresa como una función de la distancia mediante el uso de un exponente de pérdida de trayectoria: n.

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133 Propagación en exteriores e interiores Ray Tracing y modelado específico de sitio Los Modelos de propagación específico del sitio requieren: El trazado de rayos. Modelo determinista. Site Planner Sistema de información gráfica. Base de datos para edificios, árboles, etc.

134 Propagación en exteriores e interiores Ray Tracing y modelado específico de sitio

135 Propagación en exteriores e interiores Ray Tracing y modelado específico de sitio

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