Comunicaciones Moviles

MÓDULO 1: FUNDAMENTOS DE COMUNICACIONES MÓVILES

J or ordi di Pére Pérezz Rom Romer ero o (jor (jorpe pere rez@t z@tsc. sc.up upc.e c.edu du)) , Univ Universit ersitat at Poli Politècn tècnica ica de Catalunya Catalunya (UPC (UPC))

MÓDULO 1.- FUND MÓDULO FUNDAMENT AMENTOS OS DE COMUNICACIONES MÓVILES Tema 1.- Introducción a las comunicaciones móviles BARCELONA 17-24 OCTUBRE 2007

Tema 1.- INT Tema INTROD RODUCC UCCIÓN IÓN A LAS LAS COMUNICACIONES MÓVILES

1.1.1.1.- Clasificación lasificación de sist sistem emas as móviles óviles 1.2.1.2.- Técnicas de Acceso Múltipl Múltiple e 1.3.- E lement lementos os de transmisión ransmisión 1.4.1.4.- P ropagaci ropagación ón y Cobert obertur uras as 1.5.1.5.- Sistem istemas as celular celulares es 1.6.1.6.- Radioe adioenl nlaces. aces.

MODULO1: MODULO1: Fundamentos Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi ordi Pérez Pérez Romero Romero,, Unive Universi rsita tatt Politècn Politècnicade icade Catalu Cataluny nya a (UPC)

2

1

BIBLIOGRAFÍA

• P rincipi rincipios os de com comunicacion unicaciones es móv móviles iles O. Salle S allent nt,, J . L. Valenzuel Valenzuela, a, R. Agustí Agustí Edicion Edicionss UPC, UP C, 2003 2003

• Comun Comunicac icacion iones es Móviles Móviles J . M. He Herrnand ando Centro de Estudios Ramon Areces, 1997

• Mobile Comm Communications unications Design Fundam undament entals als W. C. Y. Lee J ohn ohn Wile Wiley y & Sons, Sons, 1993, 2ª edic edició ión n

• Transm Transmisión isión por por Radio J . M. He Herrnand ando Centro de Estudios Ramon Areces, 1993


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1.1 .1..- Clasif lasifica icació ción n de sistemas móviles


4

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BIBLIOGRAFÍA

• P rincipi rincipios os de com comunicacion unicaciones es móv móviles iles O. Salle S allent nt,, J . L. Valenzuel Valenzuela, a, R. Agustí Agustí Edicion Edicionss UPC, UP C, 2003 2003

• Comun Comunicac icacion iones es Móviles Móviles J . M. He Herrnand ando Centro de Estudios Ramon Areces, 1997

• Mobile Comm Communications unications Design Fundam undament entals als W. C. Y. Lee J ohn ohn Wile Wiley y & Sons, Sons, 1993, 2ª edic edició ión n

• Transm Transmisión isión por por Radio J . M. He Herrnand ando Centro de Estudios Ramon Areces, 1993


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1.1 .1..- Clasif lasifica icació ción n de sistemas móviles


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CONTENIDO

• Radioco adiocom municac unicacion iones es • Comun omunicacion icaciones es móviles óviles – Intr Introdu oducción cción – Age Agentes – Evolució volución n de las comun comunicacion icaciones es móvil móviles es

• Sistem istemas as de Comuni omunicacion caciones es Móviles Móviles – – – –

Celular Celu lares Tru Trunking ing Inalá Inalám mbrico bricoss Radio Radiom mensaj ensajer ería ía

• Cara aract cterísti erísticas cas de calidad calidad de un un sistema sistema de comunicaciones móviles MODULO1: MODULO1: Fundamentos Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi ordi Pérez Pérez Romero Romero,, Unive Universi rsita tatt Politècn Politècnicade icade Catalu Cataluny nya a (UPC)

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RADIOCOMUNICACIÓN • Radioco Radiocom mun unica icació ción: n: Telec Telecom omu unicac icació ión n reali ealiza zad da por medio edio de las las on ondas radio adioel eléc écttricas icas • Ondas Ondas rad radioe ioeléc lécttri ricas cas (definición según ITU): Ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio sin guía artificial y cuyo cuyo límite superior de frecuencia se s e fija, convencionalment convencionalmente, e, en 3000 GHz. • Servicio Servicio de de rad radioco iocom mun unicaci icacione ones: s: Servicio que implica la emisión y/o recepción de ondas radioeléctricas con fines de transmisión/recepción de información, para la cobertura de necesidades de telecomunicación o de tipo científico o industrial. La técnica de la radiocomunicación consiste en superponer la información a transmitir sobre una onda electromagnética de soporte, denominada portadora portadora,, mediante el proceso denominado modulación modulación.. MODULO1: MODULO1: Fundamentos Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi ordi Pérez Pérez Romero Romero,, Unive Universi rsita tatt Politècn Politècnicade icade Catalu Cataluny nya a (UPC)

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3

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES Se pueden clasificar en base a diferentes criterios Posicionamiento emisor/receptor

Empleo del segmento espacial

Número de emisores/receptores

Fijos (radioenlaces) Móviles Terrenales Vía satélite Punto a punto Punto a multipunto

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INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES (I) • Sistema de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones fijas o entre estaciones móviles. • Emisor y/o receptor presentan movilidad – móvil terrestre, marítimo y aeronáutico

• Persiguen conseguir ubicuidad y movilidad en la comunicación • Permiten el intercambio de diferentes tipos de información: – – – – – – –

Voz Mensajes cortos (SMS) Mensajes multimedia Datos (http, ftp, correo electrónico) Video (Películas, videoconferencia, etc.) J uegos interactivos Televisión


8

4

INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES (II) Mensajería

Aplicaciones verticales

Servicio de Mensajes Cortos (SMS) Servicios de Información Comercio Electrónico Seguro

Acceso a bases de datos corporativas Sincronización Gestión de ficheros Juegos interactivos

Acceso a Información

Telemática

E-mail (con y sin attachments) WWW

Gestión de flotas Telemetría

Multimedia Transferencia de imágenes estáticas Voz sobre IP Video Videoconferencia

Servicios de radiodifusión Guiado de rutas Información de tráfico


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INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES (III) • Aspectos característicos: – Caracterización del canal radio: • Introduce una mayor degradación que en el caso de la comunicación entre puntos fijos debido a una mayor variabilidad

– Compartición del medio de transmisión: • Estrategias de duplexado • Estrategias de acceso múltiple

– Concepto de sistema celular • Mecanismo para reutilizar recursos radioeléctricos e incrementar la capacidad • Necesidad de mecanismos de handover o traspaso de llamada para garantizar la continuidad de las comunicaciones

• La información enviada puede ser de la siguiente naturaleza: – Tráfico, información útil de las diferentes aplicaciones (plano de usuario) – Señalización para establecimiento de las conexiones, búsqueda de terminales en llamadas entrantes (paging), protección de la información (plano de control) MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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5

AGENTES DE LAS COMUNICACIONES MÓVILES

• • • • •

Usuarios Operadores Proveedores de servicios Fabricantes Foros de estandarización: – A nivel mundial: ITU, 3GPP – A nivel europeo: ETSI

• Reguladores: – A nivel español: CMT: Comisión para el Mercado de las Telecomunicaciones


11

HISTORIA DE LA TELEFONÍA MÓVIL (I) 1946.- Primer servicio de Radiotelefonía Móvil comercial en St. Louis Crecimiento espectacular (50 ciudades en menos 1 año). Sistema manual de gran área de cobertura. 1964.- Implantación IMPS (Improved Mobile Phone System) Encaminamiento automático, marcación directa, servicio full-duplex 1979.- Primer sistema celular en Chicago denominado AMPS (Advanced Mobile Phone System). Sistema analógico, basado en el reuso de frecuencia. 1982.- CEPT crea el Groupe Special Mobile (GSM). Sistema celular digital. Triplica la capacidad del sistema analógico. Especificaciones terminadas en 1990. Denominado después GSM (Global System for Mobile communications) 1992.- SISTEMA GSM OPERATIVO (FASE 1) MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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6

HISTORIA DE LA TELEFONÍA MÓVIL (II) 1998.- Implantación de los primeros sistemas de transmisión por paquetes GPRS (General Packet Radio Service) como extensión de GSM 1990s.- Desarrollo de las tecnologías de tercera generación IMT-2000 (UMTS en Europa, CDMA2000 en USA) 1999.- Finalización de las especificaciones de la primera release de UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) (R99) 2002.- Implantación de UMTS 2002.- Release 5 de UMTS incorporando tecnología HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Actualidad: Tecnología HSUPA+HSDPA=HSPA (High Speed Packet Access) Desarrollo de UMTS-LTE (Long Term Evolution) hacia la 4ªG. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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HISTORIA DE LA TELEFONÍA MÓVIL (III) 1993

GSM 9.6 kbps

HSCSD 57,6 kpbs

GPRS

100 kb/s • • •

UMTS 2Mb/s

•

HSPA 10Mb/s

44 G G

100 100Mb/s Mb/s

• • • • • • •

•

• • • •

•

•

•


MULTIMEDIA MÓVIL 14

7

EVOLUCIÓN DEL MERCADO DE TELEFONÍA MÓVIL (I) La implantación en el mercado de las distintas tecnologías de la información se realiza cada vez de modo más rápido

No. de Usuarios Móviles

1

PC

TV Color

TV blanco y negro

10 Años después introducción en el mercado

20

Años


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EVOLUCIÓN DEL MERCADO DE TELEFONÍA MÓVIL (II)

• •

Industria de telecomunicaciones Industria de ordenadores Industria audiovisual MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

SOCIEDAD DE LA INFORMACIÓN 16

8

EVOLUCIÓN DEL MERCADO DE TELEFONÍA MÓVIL (III) Penetración Servicio Multimedia

350

70% 60%

300

s e r o 250 t p i r c s 200 b u S s 150 e n o l l i 100 M

N

50% Ó I

Servicio Multimedia

40% 30% 20% Sólo Voz

50

1995

2000

2005

2010

Años

C A R T E N E P

10% 2015

Fuente M. Guillaume UMTS’98


17

EVOLUCIÓN DE TERMINALES (I)

 Display limitado  Dificultad de entrada

por teclado  Gestión engorrosa

 Activados por voz  Pantalla táctil  Formas ergonómicas


18

9

EVOLUCIÓN DE TERMINALES (II)


19

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (I)

• Sist Sistem emas as ce celu lula larres es:: – P roporcion roporcionan an servicios servicios de telecom telecomun unicación icación sobre sobre zonas zonas geográficas extensas y con capacidad para mantener la continuidad de las comunicaciones mientras el usuario se va desplazando (cobert (cobertura ura global) – P recisan recisan del desplie despliegu gue e de una una red según según una una ciert cierta arquit arquitect ectur ura a – Están Estánd dares ares:: • 1ª Generación: Generación: TACS (Total (Total Access Com C omm municact unicactions ions System) System) • 2ª Generación: Generación: GSM GS M (Global (Global System System for Mobile comm communicat unications) ions) y GPRS GP RS (General (General Packe P ackett Radio Service) Service) para para paquet paquetes es • 3ª Generación: Generación: UMTS (Universal (Universal Mobile Mobile Telecomm Telecommunicat unications ions System) System)


20

10

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (II)

• Sist istem emas as tro ronc ncale aless (t (tru runk nkin ing) g) o de tele telefo fonía nía móv óvilil pr priv ivad ada a P MR (Pr (P riv ivat ate e Mob Mobile ile Rad Radio io): ): – Ofrece Ofrecen n ser servi vicio cioss de inter intercom comun unica icació ción n de voz/d voz/dat atos os para para grup grupos os cerrado cerradoss de usuario usuarioss mediant ediante e redes redes indepen independien diente tess de las redes redes públicas (p.ej. policía, gas, electricidad, electricidad, agua, emergencias, emergencias, ambulancias, am bulancias, bomberos, bomberos, protección protección civil, flotas flotas de vehículos, vehículos, etc.) – Cobertura Cobertura nacional, nacional, regional regional o lo local cal – Llamad Llamadas as frecu frecuen enttes de corta corta durac duración ión con necesi necesida dad d de crear crear subgrupos subgrupos de comunicación, comunicación, prioridad prioridad de llamadas llamadas de emergencia, emergencia, etc. etc. – P osibili osibilida dad d de llam llamadas adas de móvil óvil a móv móvil, il, así como como llam llamad adas as a gru grupo poss de móviles óviles o generales generales a todos todos los móviles móviles – No necesar necesariam iament ente e full-dup full-duplex lex (menor (menor em empleo pleo de recursos, recursos, al al no no ocuparse ocuparse dos canales canales simult simultánea áneam mente ente para para transm transmisión isión y recepción) recepción) – Están Estánd dares ares:: • Análog Análogico icos: s: MPT13XX (Reino (Reino Unido) Unido) • Digit Digitale ales: s: TETRA TE TRA (Trans (Trans European European Trunk Trunked ed Radio) Radio):: estánd estándar ar europ europeo eo de ETSI MODULO1: MODULO1: Fundamentos Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi ordi Pérez Pérez Romero Romero,, Unive Universi rsita tatt Politècn Politècnicade icade Catalu Cataluny nya a (UPC)

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SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (III)

• Comu Comunica nicacion ciones es inalám inalámbr bricas icas (Wireless) (Wireless) – Exte Extension nsiones es inalám inalámbr bricas icas de la red fija: fija: • No requieren de una una arquitectur arquitectura a de red propia propia sino que se sustentan en otras redes (p.ej. PSTN y extensiones de centralitas) • Bajo Bajo alcan alcance ce • Estánd Estándar ares: es: – Anal Analóg ógic ico: o: » CT-1 – Dig Digital ital:: » DECT DEC T (Digit (Digital al Europe European an Cordless Cordless Telecomm Telecommunicat unication ions) s)

– Wi Wire rele less ss Local Local Loop Loop:: • Tecnología sin cable para completar completar la “últim “última a milla” • Conexión Conexión a redes redes públ públicas icas • P ermiten ermiten rapidez rapidez en el despliegue despliegue de nuevas nuevas redes de acceso y en incrementar la capacidad de las ya existentes • P ermiten ermiten altas altas velocidades de transmisión transmisión (movilida (movilidad d reducida) reducida) • Estánd Estándar ares: es: – LMDS (Local Multipo Multipoint intDist Distrib ribut ution ion System System) MODULO1: MODULO1: Fundamentos Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi ordi Pérez Pérez Romero Romero,, Unive Universi rsita tatt Politècn Politècnicade icade Catalu Cataluny nya a (UPC)

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11

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (IV) • Comu Comunic nicacion aciones es inalám inalámbr bricas icas (Wireless) (Wireless) – Rede Redess área loca locall inalám inalámbr brica icass (WLAN): • Alcance limitad limitado o a algunos centenares centenares de metr metros os • Mayor facilidad facilidad de instalación instalación que las LAN cableadas, cableadas, y además además permiten permiten movilidad • Configuración flexible flexible y escalable • Posibilidad Posibilidad de rede redess adhoc adhoc • Velocidad Velocidades es de hasta hasta 54 54 Mb/s • Están Estánd dares: ares: – IEEE 802.1 802.11x 1x (a,b,g, (a,b,g,n) n) – HIPERLA PERLAN N

– Red Redes es de ár área Per Perso son nal (PAN (PAN)) • • • •

Sistem Sistemas as de cort corto alcan alcance ce Inicialm Inicialment ente e pensado pensadoss para para la interco interconex nexión ión de disposit dispositivo ivoss Redes Redes adho adhocc (MANET: (MANET: Mobil Mobile e Adho Adhocc Netw Networks orks)) Están Estánd dares: ares: – Blue Bluettoot ooth


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SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (V)

• Sist istem emas as de rad radiom iomen ensajer sajería ía y rad radiob iobúsq úsque ueda da.. – Transmisión Transmisión unidireccional unidireccional de de un mensaje desde el origen hasta hasta el term terminal inal destino. – Tipos Tipos de de mensaje ensajes: s: • Tono o señal (el receptor pita al recibir recibir un mensaje) • Mensajes alfan alfanum uméricos éricos • Voz – Están Estánd dares ares:: • P OCSAG OCS AG (Post Office Office Code Standa Standard rd Advisor Advisory y Group) Group): Estándar mundial de facto • ERMES ER MES (Eur (E urop opean ean Radio Message Message System System), ), desar desarrol rollad lado o por por ETSI ET SI


24

12

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (VI)

Wide Area Network Local Area Network

Personal Area Network

N A L

Personal

GSM UMTS WiMAX

Edificio

CDPD GPRS TDMA

Pais/Global


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SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (VII) Red de Ár ea Personal Red de Área Local Redes de Área Extensa

Cobertura

10 Km

4G / LTE

2G (GSM/GPRS) 3G (UMTS)

1 Km

WiMAX HSPA 2.4 GHz WLAN

100 m

5 GHz WLAN

Bluetooth

10 m

Velocidad de transmisión 0.1 Mbps

1 Mbps

10 Mbps


100 Mbps 26

13

CARACTERÍSTICAS DE CALIDAD DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES MÓVILES

• Cobertura – Extensión superficial (local, regional, nacional, global) – Porcentaje de ubicaciones

• Movilidad • Capacidad – Número de usuarios soportado bajo ciertos requisitos de calidad

• Calidad de servicio (QoS) – Tasa de error, velocidad de transmisión, etc.


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CALIDAD DE SERVICIO (QoS) (I) Se deben proveer múltiples servicios con diferentes requerimientos de calidad para cada uno.

Error tolerant

Conversational voice and video

Voice messaging Streaming audio and video

E-commerce, Error Telnet, WWW browsing, intolerant interactive games

Conversational

Interactive

FTP, still image, paging

Streaming


Fax

E-mail arrival notification

Background

28

14

CALIDAD DE SERVICIO (QoS) (II) Ejemplo: parámetros definidos por el 3GPP para UMTS Tr aff ic cl ass Maximumbitrate Delivery order MaximumSDU size SDU format information SDU error ratio Residual bit error ratio Delivery of erroneous SDUs Transfer delay Guaranteed bit rate Traffic handling priority Allocation/ Retention priority Source statistics descriptor

Conver sati onal class X X X X

Str eaming cl ass X X X X

Inter acti ve cl ass X X X

Backgr ound cl ass X X X

X X X

X X X

X X X

X X X

X X

X X

X

X

X X

X

X

X


29

1.2.- Técnicas de Acceso Múltiple


30

15

CONTENIDO

• Gestión del espectro radioeléctrico • Técnicas de acceso múltiple – FDMA – TDMA • Sincronización y avance temporal

– CDMA – OFDMA

• Técnicas de duplexado – FDD – TDD – Interferencias en FDD y TDD


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GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (I) • El espectro radioeléctrico es un recurso escaso de la naturaleza, por lo que debe optimizarse su uso de modo que lo puedan utilizar el mayor número posible de estaciones, con un mínimo de perturbaciones mútuas. • La gestión del espectro debe tener un carácter internacional, regulado principalmente por la ITU-R (International Telecommunications Union) y coordinado entre los diferentes países. • El espectro se subdivide en bandas de frecuencias, las cuales se atribuyen a los diferentes servicios radioeléctricos de acuerdo con las Conferencias Administrativas Mundiales de Radiocomunicaciones (WARC) • El Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF) refleja la atribución de las diferentes bandas de frecuencias a los distintos servicios de radiocomunicaciones, especifica su uso y realiza previsiones de espectro sobre futuros usos potenciales. Se publica en el BOE.


32

16

GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (II) Se definen un total de 9 bandas: Banda (N) 4

Símbolos VLF

Frecuencias 3 a 30 KHz

Designación Miriamétricas

5

LF

30 a 300 KHz

Kilométricas

6

MF

300 a 3000 KHz

Hectométricas

7

HF

3 a 30 MHz

Decamétricas

8

VHF

30 a 300 MHz

9

UHF

300 a 3000 MHz

Decimétricas

10

SHF

3 a 30 GHz

Centimétricas

11

EHF

30 a 300 GHz

12

WHD WH D

300 a 3000 GHz

Métricas

Milimétricas Decimilimétricas

En general, la banda N se extiende de 0.3·10 N Hz hasta hasta 3·10 3·10N Hz MODULO1: MODULO1: Fundamentos Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi ordi Pérez Pérez Romero Romero,, Unive Universi rsita tatt Politècn Politècnicade icade Catalu Cataluny nya a (UPC)

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GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (III) Ejemplos de atribuciones de bandas a servicios:

Frecuencias 325 a 405 KHz 1625 a 1635 KHz 87.5 a 108 MHz 890 a 960 MHz 1710 a 2170 MHz

Servicio Radionavegación adionavegación aeronáutica aeronáutica Radiolocalización Radiodifusión (FM) Móvil Móvil (GSM) (GS M) Móvil (UMTS)


34

17

GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (IV)

• Una vez se ha definid definido o la banda banda del del espectro espectro a la que que un un sistema va a trabajar quedan dos aspectos por resolver: – ¿ Cómo ómo regular regular el acceso compar comparttido de los múlt múltiples iples usuarios a la banda de frecuencias asignada? » TÉCNICA TÉCNICAS S DE DE ACCESO MÚLTI MÚLTIPLE PLE

– ¿ Cómo ómo diferen diferenciar ciar las transm transmisiones isiones móvil móvil a base base (ascendente) y base a móvil (descendente) ? » TÉCNICA TÉCNICAS S DE DE DUPLEXAD DUPLEXADO O


35

TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE (I)

 Permiten compartir una una porción de espectro radioeléctrico radioeléctrico entre varios usuarios.  Son procedimientos de asignación de canales físicos. Se basan en la capacidad de separar las señales de diferentes usuarios en el receptor. Dicha separabilidad separabilidad se puede conseguir en tanto que las señales sean ortogonales:: ortogonales

∫ v (t ) w* (t )dt = ∫ V ( f ) W *( f ) df = 0 A partir de esta relación se deduce que si las señales son disjuntas en tiempo o en frecuencia serán separables.


36

18

TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE (II)

Las técnicas más utilizadas en comunicaciones móviles son:    

La elección de una u otra técnica depende del del tipo de modulación utilizada y de la naturaleza (analógica ó digital) de la información a transmitir.


37

ACCESO MÚLTIPLE FDMA (I) Frecuencia

.

f 4 f 3 f 2 f 1 0

Bc

Bg 1

2

3

Usuario 4 Usuario 3 Usuario 2 Usuario 1 t3 t1 t2

t4

Tiempo

Filtro separador

4 BT


M f 38

19

ACCESO MÚLTIPLE FDMA (II) BFDMA = BT ≅ M ( Bc + Bg ) Bg.puede suponer un 10% del total Bc depende de la modulación: Ej: FM banda estrecha 25 kHz (TACS)

 Compatibilidad con modulaciones y señales analógicas y digitales.  Sencillez de implementación. Tecnología muy experimentada.  Rigidez en la gestión de recursos (no apta para flujo de tráfico

variable)  Poco adecuada a conmutación de paquetes (pensada para conmutación de circuitos)  Sobrevive como técnica mixta FDMA/TDMA MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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ACCESO MÚLTIPLE TDMA (I) Frecuencia f 4 f 3 f 2 f 1 N bits Usuario 1 Memoria

1 o i r a u s U

0

Sincronismo

Usuario 2 Memoria

t1

4 o i r a u s U

3 o i r a u s U

t2

t3

Tiempo t4

Memoria

Usuario 1

Memoria

Usuario 2

Memoria

Usuario M

Rx

Tx Usuario M Memoria Rb bit/s (codificados)

2 o i r a u s U

Rc bit/s


40

20

ACCESO MÚLTIPLE TDMA (II) Trama TT 1

2 Burst o ráfaga Slot o ranura

3

M Tiempos de guarda entre ráfagas

Tu Sec.sincronismo bit Canales lógicos de control, Datos codificados y estimación h(t) señalización c.potencia, etc.  Cada cierto tiempo la base transmite una ráfaga de control.  La velocidad total resultante en el canal dependerá del número de slots de la

trama y de la velocidad de cada uno de l os usuarios. La eficiencia del sistema depende de la cantidad de bits de control que se adjuntan.

Rc ≥ M ( Rb + Rs )


41

ACCESO MÚLTIPLE TDMA (III)

 Se utiliza con modulaciones digitales. Requiere digitalizar la información y

almacenarla hasta el instante de transmisión.  Simplicidad de las estaciones base multicanales. Un solo equipo    

transceptor. Muy versátiles. Permiten acomodar flujos de tráfico variables asignando varios slots a un usuario. Adecuada a conmutación de paquetes. Inserta canales de señalización modo simple. Requiere una estricta sincronización temporal y mecanismos de avance temporal para evitar colisiones entre ráfagas de distintos usuarios


42

21

SINCRONIZACIÓN EN TDMA

Entrada X

X

Umbral

Salida

SECUENCIA LOCAL •En el origen el valor de salida es igual a la longitud de la secuencia local •Para otros desplazamientos valor de salida nulo

Umbral

-2

-1

+1

+2

• MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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AVANCE TEMPORAL (I) Para poder transmitir en un slot el móvil debe conocer cuánto debe anticipar la transmisión respecto de la estructura de trama que está observando mediante la secuencia de sincronismo para compensar el retardo de propagación y evitar solaparse con los slots adyacentes.

Base

Slot 1

Slot 0 Ráfaga

Ráfaga llega 2Tp tarde !!

Tp=d/c

Móvil Ráfaga

2Tp MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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22

AVANCE TEMPORAL (II) Solución: El móvil debe transmitir 2Tp antes (Avance Temporal). Para ello, la red mide el retardo 2Tp en una ráfaga más corta (durante el establecimiento de la comunicación) y lo comunica en el mensaje de asignación de canal. A lo largo de la conexión dicho tiempo se va corrigiendo de acuerdo con la posición del móvil.

Slot 1

Slot 0

Base

Ráfaga

Ráfaga llega a tiempo !!

Móvil

Ráfaga

2Tp MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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ACCESO MÚLTIPLE CDMA . Frecuencia

A cada usuario se le asigna un código distinto

Usuario 4 Usuario 3 Usuario 2 Usuario 1

f n f 2

CÓDIGO ORTOGONAL 1

f 1

Tiempo

0

t1

t2

t3

t4

   

. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

46

23

ACCESO MÚLTIPLE OFDMA (I)

S(n) es un simboloQ AM de usuario de duraciónT

S(n)=a(n)+jb(n)

… S0 S1 S2….SN-1 SN …

S0

Conversor S/P

S1

Modulador en f 0

FPB

Modulador en f 1

FPB

Modulador en f N-1

FPB

SN-1

MODULADOR OFDM

¾ ¾ ¾ ¾

f 0

f 1

f N-1

Δf=1/T

NΔf=W (Espectro Disponible)


47

ACCESO MÚLTIPLE OFDMA (II) La modulación se consigue mediante una IDFT, asociando cada símbolo a la amplitud de una de las sub-portadoras de la transformada discreta de Fourier: S0 S0 S1 S2

S1

IDFT

S2

f 0 f 1 f 2

S N-1 f N-1

S N-1

La idea es generar la señal en el dominio espectral y mediante la IDFT convertirla a la señal temporal que se va a enviar. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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ACCESO MÚLTIPLE OFDMA (III)

0

n i b y c n e u q e r F

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

1

2

3

TX#1

4

TX#3

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

TX#4

TX#5 TX#2 TX#6

Time TX#i corresponden a distintos usuarios

¾ ¾ ¾ ¾ MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

49

TÉCNICAS DE DUPLEXADO  Modos de explotación en comunicaciones móviles: Simplex: Transmisión y recepción en una misma frecuencia. No se puede transmitir y recibir simultáneamente Half-duplex: Transmisión y recepción en dos frecuencias diferentes Estación base actúa como repetidor entre móviles y puede transmitir

y recibir simultáneamente empleando un duplexor en la antena. Terminales móviles no pueden transmitir y recibir simultáneamente. Duplex: Tanto base como móviles pueden transmitir y recibir simultáneamente. 



Técnicas utilizadas: • • MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

50

25

DUPLEXADO POR DIVISIÓN EN FRECUENCIA (FDD) • El enlace ascendente y el enlace descendente operan en bandas de frecuencia distintas Guarda de Duplexado

Enlace Ascendente

Enlace Descendente

Frecuencia

• Para simplificar la separación de ambas bandas por filtrado se fija una mínima diferencia de frecuencia entre ambas bandas. Por ejemplo: 45 MHz para sistema GSM900 y 90 MHZ para el sistema DCS1800. Usuario i: f DL,i=f UL,i+45 MHz • Si la técnica de acceso múltiple es TDMA, aun disponiendo de una única antena, no es necesario incluir el Filtro de Duplexado. Basta con desplazar algunos slots el origen de la trama de enlace ascendente con respecto a la trama descendente . ⇒ Instantes de tiempo de transmisión y recepción separados (p.ej. en GSM se emplea un decalaje de tres slots entre las tramas de subida y de bajada) Enlace Descendente Enlace Ascendente

T=0 MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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DUPLEXADO POR DIVISIÓN EN TIEMPO (TDD) • El enlace ascendente y el enlace descendente operan en la misma banda de frecuencia, utilizando diferentes slots Enlace Enlace Descendente

Ascendente

Trama

Permite la configuración variable del número de slots asignados a cada enlace

• Permite asignar recursos de forma asimétrica, haciendo un uso más eficaz del espectro disponible. Por ejemplo en aplicaciones tipo INTERNET (WEB,FTP, etc...) • Esta técnica se puede utilizar en tecnologías de acceso basadas en TDMA y CDMA. • Puesto que el enlace ascendente y descendente utilizan la misma frecuencia, la respuesta del canal en ambos es similar. Esto permite: •Utilizar un control de potencia en lazo abierto (determinar la potencia a transmitir en el UL a partir de las pérdidas de propagación medidas en el DL) •Implementar en el emisor de la Estación Base técnicas de predistorsión de la señal que compensen los efectos degradantes del canal móvil, disminuyendo la complejidad del terminal móvil y abaratando su coste MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

52

26

INTERFERENCIAS EN FDD En FDD las transmisiones UL y DL de todas las bases se efectúa simultáneamente. Se tienen interferencias cruzadas móvil-base. Interferencia UL: Proviene de móviles conectados a otras bases que estén transmitiendo a la misma frecuencia (co-canal). Generada por el móvil y medida en la base.

Interferencia DL: Proviene de otras bases que estén transmitiendo a la misma frecuencia (co-canal) Generada por la base y medida en el móvil f2

Interferencia UL

Interferencia DL f2 f1

f1


53

INTERFERENCIAS EN TDD

Región conflictiva

BS1 UP

DOWN

t

Puntos de conmutación BS2 up

BS2 UP

DOWN

Interferencia BS a BS BS1 down

t

Interferencia MS a MS

1 trama MS2 up


MS1 down 54

27

1.3.- Elementos de Transmisión


55

CONTENIDO

• Transmisor y receptor • Ruido en receptores – Sensibilidad de un receptor

• Interferencias • No linealidades en comunicaciones – Compresión de señal – Desensibilización – Intermodulación

• Ingeniería de estaciones base MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

56

28

TRANSMISOR

SEÑALIZACION Y BLOQUEO

FUENTE DE ALIMENTACION

INFORMACIÓN

MODULADOR

x(t)

AMPLIFICADOR DE POTENCIA

OSCILADOR TRANSMISOR

Transmisor: Conjunto de equipos para el tratamiento de la información de modo que pueda ser enviada a través del canal radio mediante una portadora. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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CARACTERÍSTICAS DEL TRANSMISOR (I) ¾Frecuencia de emisión ¾Estabilidad en frecuencia: variación de la frecuencia real de

emisión en relación al valor nominal deseado. ε

=

Δ f f

n o m i n al

medida típicamente en partes por millón (ppm) ¾Tipo de modulación ¾ Ancho de banda: dependiente del tipo de modulación empleado y del ancho de banda de la señal de información transmitida. ¾ Potencia de emisión: Calculado en función de la distancia a la que se espera que se encuentre el receptor y en base a las pérdidas de propagación. ¾ Polarización de la onda transmitida


58

29

CARACTERÍSTICAS DEL TRANSMISOR (II) ¾Emisiones indeseadas:

Ruido de los osciladores: en forma de bandas laterales alrededor de la frecuencia de emisión Armónicos: Emisiones a frecuencia múltiplo de la portadora debido a nolinealidades de los diferentes elementos del emisor

TRANSMISOR

f 0

2f 0

3f 0


59

MEDIO DE TRANSMISIÓN TRANSMISOR

CANAL

RECEPTOR

Constituye el medio radioeléctrico a través del cual la señal transmitida se propaga hasta llegar al receptor. Caracterizado por: - Atenuación de la señal transmitida, dependiente de la distancia al receptor y de la frecuencia empleada. - Distorsión de la señal, debida a la respuesta impulsional del canal, que puede ser variante con el tiempo - Aparición de señales indeseadas: -Ruido de origen natural o artificial -Interferencias: Otras señales emitidas por otros transmisores que comparten el mismo medio físico MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

60

30

RECEPTOR Receptor: Conjunto de equipos para el tratamiento de la señal recibida, de modo que pueda ser extraída la información enviada bajo unos ciertos requerimientos de calidad.

RECEPTOR


f s

CABEZAL DE RADIOFRECUENCIA (RF)

Señal útil, ruido e interferencias

Información

DEMODULADOR


61

RECEPTOR SUPERHETERODINO El cabezal de radiofrecuencia traslada la señal recibida a una frecuencia fija, denominada frecuencia intermedia, sobre la que se efectúa la demodulación.

f s

AMPLIFIC. RF.

f o

MEZCLADOR

f FI

AMPLIFIC. FI.

OSCILADOR LOCAL


SINTONÍA

Ventajas:

RECEPTOR

f

- receptor más estable

DEMODULADOR

F I

=

s − f 0 = C t e.

- permite una elevada selectividad MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

62

31

CARACTERÍSTICAS DEL RECEPTOR - Sensibilidad: Mínimo nivel de potencia de señal necesario a la entrada para garantizar a la salida del demodulador una determinada calidad en términos de (S/N) o de (Eb/No). Relacionada con el nivel de ruido externo e interno (generado por el propio receptor)

- Selectividad: Capacidad del receptor para atenuar el nivel de las señales interferentes próximas en frecuencia Relacionada con el nivel de filtrado del receptor

- Fidelidad: Capacidad del receptor para eliminar la distorsión en la señal recibida y extraer una información idéntica a la que se envió. Relacionada con la distorsión de la señal rec ibida y la introducida por el propio receptor.


63

RUIDO INTERNO DEL RECEPTOR Temperatura equivalente de ruido del cabezal de RF: Incremento en la temperatura de ruido que debería existir a la entrada del cabezal, supuesto no ruidoso, para que a su salida se midiera la misma potencia de ruido que si con el cabezal real. RECEPTOR CABEZAL DE RADIOFRECUENCIA (RF)

f s

Pn,i Temperatura de antena: Ta

DEMODULADOR

Pn,o Ganancia: G Temperatura de ruido: Te Ancho de banda: B

Ruido a la entrada: P ni=KTaB

Cte. de Boltzmann

Ruido a la salida: P no=GK(Ta+Te)B

K=1.38·10-23 J/K


64

32

FACTOR DE RUIDO DE UN RECEPTOR Se define el FACTOR de RUIDO como:

F = 1 +

T e T o

To=290 K

Factor de ruido resultante en función de los factores de ruido y ganancias de cada uno de los elementos del receptor:

Etapa RF FRF, GRF

Mezclador FMX,GMX

F = F RF +

Etapa FI FFI, GFI

F MX − 1 F FI − 1 + G RF GRF GMX


65

RELACIÓN SEÑAL A RUIDO Y SENSIBILIDAD DEL RECEPTOR Relación señal a ruido a la salida del cabezal (entrada del demodulador):

GPS PS PS ⎛ S ⎞ = ⎜ N ⎟ GK T + T B = K T + T F − 1 B = P ( a e) )) ⎝ ⎠o ( a o( N Para un cierto requerimiento de (S/N) mínimo a la entrada del demodulador, la SENSIBILIDAD vendrá dada por: ⎛ S ⎞ PS = ⎜ ⎟ K (T a + T o (F − 1)) B ⎝ N ⎠ min En sistemas de radiocomunicaciones móviles terrenos es habitual suponer Ta=To, de modo que:

S ⎞ PS = ⎛ ⎜ ⎟ KT o FB ⎝ N ⎠ min

P N = KTo FB

10log KTo = −174dBm / Hz

⎛ S ⎞ (dB) + 10 log( KT ) + F (dB) + 10 log B( Hz ) o ⎟ ⎝ N ⎠min

PS (dBm) = ⎜


Nota recordatorio: PS ( dBm ) = PS ( dBW ) + 30

66

33

ECUACIÓN DE TRANSMISIÓN L

PT GT

Tx útil

GR PR Rx útil

GT, GR son las ganancias de las antenas transmisora y receptora en la dirección Tx-Rx. Dependen del diagrama de radiación y son mayores cuanto más directivas sean las antenas.

PR (dBm)=PT(dBm)+GT(dB)+ GR (dB)-L(dB) ≥ PS(dBm) PIRE (dBm): Potencia Isotrópica Radiada Equivalente MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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INTERFERENCIAS PT GT

Tx útil

L

LI Tx interferente

GR PS GR,I

PR,I

Rx útil

PI GI

Relación señal a interferente:

PT GTG R C L = I P I GI GR,I L I

C/I (dB)=PT(dBm)-PI(dBm)+GT(dB)+GR(dB)-GI(dB)-GR,I(dB)-L(dB)+LI(dB) En caso de múltiples interferentes se sumaría la potencia recibida de cada uno de ellos en el denominador. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

68

34

NO LINEALIDADES EN COMUNICACIONES MÓVILES En comunicaciones móviles, a diferencia de otros sistemas de comunicaciones punto a punto, pueden existir en el receptor de modo simultáneo señales de elevado y reducido nivel. En consecuencia aparecen fenómenos de: - Compresión de Señal - Desensibilización o Bloqueo del receptor - Intermodulación - Distorsión de la modulación cruzada La Ingeniería radio permite disminuir los efectos negativos de todos estos fenómenos.


69

COMPRESIÓN DE SEÑAL (I) Un receptor que introduce distorsión cúbica viene caracterizado por la relación entrada salida:

y (t ) = a1 x(t ) − a3 x 3 (t )

Para:

x ( t ) = A co s( ω o t )

x(t)

Receptor

y(t)

Se obtiene:

⎡

y ( t ) = a1 A ⎢1 −

⎣

3a3 2 ⎤ 1 A ⎥ cos(ω o t ) − a 3 A 3 cos(3ω o t ) 4 a1 4 ⎦


70

35

COMPRESIÓN DE SEÑAL (II)

Po(dBm)

P f (dBm) en el caso lineal 1 dB

P f (dBm) con distorsión cúbica

Efecto de compresión de ganancia

Pi(dBm)

N 1dB

Sustituyendo y operando resulta: N 1 dB ( V ) =

4 a1 (1 − 10 3a3

− 0 . 05

)


71

DESENSIBILIZACIÓN

Sea la señal de entrada: x ( t ) =

A c o s (ω

u

t

)+

I c o s (ω i t )

útil

x(t)

Receptor

y(t)

interferencia

A la salida del receptor no lineal se tiene: ⎡ 3a3 y ( t ) = a 1 A ⎢ 1 − A 4 a1 ⎣

2

−

⎤ 3a3 I 2 ⎥ cos 2 a1 ⎦

Compresión de la Ganancia

I BLOQUEO

(ω u t ) + otros

terminos

DESENSIBILIZACIÓN

=

2 a 3a

1

⇒

y ( t )

ω u

= 0

3


72

36

PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN (I) f 1

f

f 2

•

x(t)

n ,m ∈

= n f 1 ± m f 2

{0 , 1 , 2 , 3 . . . }

y(t)

Receptor

PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN Orden de la distorsión : n+m

señales ocasionadas por la combinación (batido) de dos o más frecuencias en un elemento no lineal del receptor.

• Cuando el orden de los productos de intermodulación crece su amplitud tiende a disminuir Los

:

Entrada:

x(t ) = I 1 cos ⎛ ⎜ ω 1t ⎞⎟ + I 2 cos ⎛ ⎜ω 2t ⎞⎟ ⎝

⎠

⎝

⎠

y ( t ) = a 1 x ( t ) − a 3 [ x (t )]3

Productos de Intermodulación

3a3 2 I 1 I 2 [cos 4

{( 2 ω 1

+ ω 2 ) t }+ cos

{( 2 ω 1

− ω 2 ) t }]

3a3 I 1 I 22 [cos 4

{( 2 ω 2

+ ω 1 ) t }+ cos

{( 2 ω 2

− ω 1 ) t }]


73

PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN (II) Ejemplo: Intermodulación de tercer orden ocasionada por los canales adyacentes en un sistema con acceso múltiple FDMA.

x(t)

f 0

f 1

y(t)

Receptor

f 2

f 0: canal sintonizado f 1= f 0+Δf f 2= f 0+2Δf

f 0

f 1

f 2

2f 1-f 2=f 0

Es conveniente que en una estación base con varias frecuencias en una técnica FDMA, éstas se encuentren suficientemente separadas para poder ser filtradas sin problema. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

74

37

PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN (III) Nivel de potencia de entrada para el que a l a salida la potencia del fundamental es igual a la del producto de intermodulación. P0(dBm) m=1

Punto Intercepción (IP) Productos de Intermodulación m=3

Pi(dBm)

Se mide considerando la misma potencia para las dos señales que dan lugar al producto de intermodulación. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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RECHAZO A LA INTERMODULACIÓN (I) Diferencia de potencia a la salida entre la señal útil y el producto de intermodulación para un cierto nivel de potencia a la entrada.

UR Pi

Receptor f I f o

f o f 1 f 2 U R (dB ) = (m − 1) ( IPi (dBm) − Pi (dBm ) ) m=3 para intermodulación de tercer orden


76

38

RECHAZO A LA INTERMODULACIÓN (II) Para mejorar el rechazo es preciso que los canales adyacentes estén suficientemente atenuados, lo que se consigue mediante un filtrado adecuado.

UR +m Δ

Pi Filtro a f o

Receptor

f o f 1 f 2

f I f o

Pi Pi-Δ f o f 1 f 2


Selectividad del filtro

77

CIR DE CANAL ADYACENTE PI

Pu

PI-Δ f o f 1

Pu Filtro a f o

Receptor

f o f 1 Relación señal a interferente en el canal adyacente:

CIRady(dB)=Pu(dBm)-PI(dBm)+Δ (dB) Gracias a la selectividad de los filtros, es posible trabajar con P I>Pu.


78

39

INGENIERÍA DE ESTACIONES BASE Objetivo general: - Compartir el sistema radiante por varios transmisores y receptores, reduciendo las interacciones entre equipos. Elementos empleados: - Combinadores - Duplexores


79

AGRUPACIÓN DE TRANSMISORES EN UNA MISMA ANTENA La profusión de Antenas y Transmisores en una estación de Base plantea dos tipos de problemas: -Intermodulación entre Transmisores -Falta de espacio para las antenas

Ac

P1 F1

F2

mf 1+nf 2: Señal indeseada emitida con Pi=P1-Ac-Ai

Pérdidas de Acoplamiento(Ac) Relación entre la potencia radiada por un transmisor y el nivel de potencia de esta radiación a la salida de otro transmisor Pérdidas de Conversión (Ai): Relación entre el nivel de potencia a frecuencia f 1 a la salida de un transmisor interferido, que emite a f 2, y el producto de intermodulación generado a mf 1+nf 2 MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

80

40

COMBINADORES •Las pérdidas de Acoplo conseguidas por la separación física de las antenas es insuficiente en muchos casos para evitar la generación de productos de intermodulación. •Por otro lado, no suele haber en muchas aplicaciones espacio físico para ubicar todas las antenas en una misma torre, en particular con sistemas FDMA que requieren una antena por frecuencia.

Un Combinador permite conectar varios transmisores a una misma antena con unas pérdidas de acoplamiento mucho mayores que las que hay entre dos antenas próximas. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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COMBINADORES DE CAVIDADES PASO BANDA (I) •Una cavidad resonante presenta un circuito equivalente similar al de un filtro sintonizado paso banda de alto factor de calidad Q. Se pueden sintonizar via soft con control remoto.

A la Antena

F1 C1

Amp Potencia

Acoplo igual a la respuesta de C1 a F2

C2

Receptor

C4

F2

F4 C3

F3


82

41

COMBINADORES DE CAVIDADES PASO BANDA (II) - La utilización de cavidades requiere que los transmisores funcionen a frecuencias bastante separadas. Típicamente: 0.5- 1 MHz en VHF 2 MHz en UHF (banda de 400 MHz) 5 MHz en UHF (banda de 900 MHz) - El uso de una cavidad tanto en emisión como recepción (Duplexor) permite disminuir la cuantía de ruido del transmisor que llega al receptor y anular la desensibilización del receptor por efecto de la potencia elevada de los emisores cercanos - Una opción habitual para aumentar la selectividad a costa de tener unas pérdidas de inserción un poco mayores consiste en colocar dos o más cavidades en cascada. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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CAVIDADES BANDA ELIMINADA •Estas cavidades se comportan como una trampa de ondas. Se conectan en derivación presentando una elevada atenuación a las frecuencias que desean evitarse en el circuito principal

F2 C1 F1 T1 R1

F1 C2 F2 T2 R2

•C1 es una cavidad sintonizada para eliminar F2 •C2 es una cavidad sintonizada para eliminar F1

•Las cavidades banda eliminada tienen las mismas pérdidas que las cavidades paso banda pero una mayor selectividad •El número de cavidades a usar aumenta rápidamente al hacerlo el número de transmisores a combinar. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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42

COMBINADORES HÍBRIDOS (I) Los combinadores híbridos utilizan aisladores de ferritas y uniones híbridas. Formado por Circuladores de ferrita

2

Carga de Adaptación

2

1

Camino directo: 0.5 dB Camino inverso: 30 dB

1

Garantizan que la transmisión de la señal es unidireccional (de 1 a 2, pero no de 2 a 1). MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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COMBINADORES HÍBRIDOS (II) Formada por una línea de transmisión impresa

A la Antena

Carga de Adaptación

3.5 dB

Acoplamiento entre puertas:40 dB Pérdidas de inserción : 3.5 dB (0.5 dB en el camino directo y 3 dB en la carga de adaptación)

40 dB

Emisor 1

Emisor 2


86

43

COMBINADORES HÍBRIDOS (III) A LA ANTENA 0.5+3.5 dB Unión híbrida

Carga adaptada

Aislador

Aislador

Ac=40+30=70 dB Emisor 1

Emisor 2

Pérdidas de inserción totales son la suma de las pérdidas de aislador (0.5 dB) y unión híbrida (3.5 dB). Acoplamiento total es la suma de acoplamiento del aislador (30 dB) y de la unión híbrida (40 dB).


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COMBINADORES HÍBRIDOS (IV) VENTAJAS: •Los combinadores híbridos permiten trabajar con canales adyacentes, ya que la discriminación entre emisores no se hace por filtrado. •El tamaño es reducido INCONVENIENTES: •Elevadas pérdidas de inserción •Unilateralidad. Solamente son válidos para conectar transmisores, pero no receptores simultáneamente. •Coste elevado


88

44

DUPLEXORES Un Duplexor permite la conexión de un emisor y de un receptor a una misma antena. Usualmente está formado por un filtro transmisor y otro receptor

FPB Emisor

FPB Receptor

VENTAJAS: •La antena presenta el mismo diagrama de radiación en emisión que en recepción. •Se ahorra espacio al tener sólo una antena •Se reduce la desensibilización del receptor •Reducen el ruido del transmisor INCONVENIENTES: •Insuficiente aislamiento de la potencia emitida a la entrada del receptor. Es habitual usar además antenas de emisión y recepción separadas para mejorar el aislamiento. •Requieren de una cierta separación frecuencial entre la banda del enlace ascendente y del descendente


89

CONCEPTO DE TRX

Se suele denominar Transceptor o TRX al conjunto formado por un transmisor y un receptor en una misma estación de base.

FPB Emisor

FPB Receptor

Cada TRX está asociado con una frecuencia de emisión y una de recepción.


90

45

1.4.- Propagación y Coberturas


91

CONTENIDO • Propagación en entornos móviles • Modelos de propagación – – – – – –

Modelo de tierra plana Modelo de Egli Difracción por aristas Modelo de Okumura-Hata Modelo COST-231 Modelos para micro y picoceldas

• Desvanecimientos lentos • Desvanecimientos rápidos • Caracterización estadística del canal radio – Canales dispersivos y no dispersivos

• Técnicas de ingeniería: – Codificación de canal – Entrelazado – Técnicas de diversidad MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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46

PROPAGACIÓN EN ENTORNOS MÓVILES Pérdidas de Propagación (Path Loss)

Relación entre la potencia recibida y la distancia en un entorno móvil

Desvanecimiento lento Desvanecimientos rápidos

• Zona de cobertura determinada por: – leyde disminución de potencia (path loss) funciónde la distancia – desvanecimientos lentos superpuestos (estadística lognormal), independientes de la distancia

• Calidaddel enlace (Probabilidad de error) determinada por: – desvanecimientos rápidos (estadística Rayleigh/Rice), independientes de la distancia, causados por la propagación multicamino MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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MODELOS DE PROPAGACIÓN Atenuación depende de múltiples factores: atmósfera (refracción) suelo (reflexión) obstáculos (difracción) edificios/vegetación (clutter) conductividad (suelo) polarización onda frecuencia,....

Empíricos

RURAL Curvas Fórmulas Bullington Egli CCIR Langley-Rice

Semiemp.

perfiles Wilkerson Epstein&Peterson

Electromagn.

GTD/UTD


URBANO Curvas Fórmulas Okumura Hata Lee Ikegami Walfish COST231

94

47

CARACTERIZACIÓN GENÉRICA DE UN MODELO DE PROPAGACIÓN PT

GT

GR

h b

Potencia transmitida

PR

hm

Ganancia de las antenas Tx y Rx según diagrama de radiación

d

P R =

PT GT GR PT GT GR = L k ( hm , hB , f ) d α

Coeficiente de atenuación con la distancia

Coeficiente según frecuencia y alturas de antenas

P R (dBm) = PT ( dBm ) + GT (dB ) + G R (dB ) − L (dB ) Expresión genérica para la atenuación o Path Loss:

L(dB ) = 10log k ( hm , hb , f ) + 10α log d MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

95

MODELO DE TIERRA PLANA (I) • Espacio libre ⎞ P R = PT G T G R ⎛ ⎜ ⎟ ⎝ 4π d ⎠ λ

2

L

• Tierra Plana h1

= ⎛⎜ 4 π d ⎞⎟ λ

⎝

⎠

2 α=2

h1,h2 << d

l l1

l2

d 1

ρ = −1 φ pequeño

h2

d 2

d

2 ⎡ 1 h +h 2 1 h − h ⎤ 2h h 2 Δ = l1 + l2 − l = ( h1 + h2 ) + d 2 − ( h1 − h2 ) + d 2 = d ⎢1 + ⎛⎜ 1 2 ⎞⎟ + ······− 1− ⎛⎜ 1 2 ⎞⎟ ⎥ ≈ 1 2 d 2 ⎝ d ⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ 2 ⎝ d ⎠ 2

E T = E o 1 + ρ e E o 2 sen (

− j

π 2h1h2 λ

d

2π λ

Δ

= E o e

) ≈ 2 E o

− j

2π Δ 2 λ

e

j

2π Δ 2 λ

−e

− j

2π Δ 2 λ

=

2π h1h2 λ d


96

48

MODELO DE TIERRA PLANA (II)

2

2 λ ⎞ 4π ⎛ h1h2 ⎞ ⎛ P R = PT GT GR ⎜ ⎟ 4 2 ⎜ ⎟ ⎝ 4π d ⎠ λ ⎝ d ⎠

2

l

h1

l1

l2

d 1

h2

d 2

d

P R = PT G T G R

( h1 h 2 )

2 L

=

d 4

d 4 2 ( h1h 2 )

α=4

* atenuación proporcional a d 4 * no depende de f * doblar la altura de la antena representa 6 dB de incremento en la potencia recibida. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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MODELO DE EGLI (I) •

•

Limitaciones observadas sobre medidas en el modelo de tierra plana: – la potencia disminuye según f 1-2 – doblar la altura de la base incrementa 3 dB la potencia – atenuación crece con coeficiente depende del entorno. El modelo de Egli introduce una corrección sobre el modelo de tierra plana para tener en cuenta la dependencia con la frecuencia

2

⎞ 40 ⎛hh ⎞ ⎛ P R = PT G T G R ⎜ 1 2 2 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ d ⎠ ⎝ f (M Hz) ⎠


2

98

49

MODELO DE EGLI (II) Ejemplo: P T =40 dBm, G T =GR =3 dB, h1,h2 100 y 2 m, d =50 km.

Espacio libre tierra plana Egli cobertura (-110dBm)

f=400 MHz -72.5 dBm -96 dBm -116 dBm 35 km

f=150 MHz -64 dBm -96 dBm -107.8 dBm 50 km

La consideración o no de la frecuencia puede dar lugar a significativas diferencias en la cobertura planificada.


99

OTRAS CORRECCIONES AL MODELO DE TIERRA PLANA

• Utilización de bases de datos del terreno (perfiles con ordenador) – Promediar la altura del terreno cada 100-200m definiendo la altura media del tierra y las alturas equivalentes de antenas (si una antena queda por debajo, utilizar la altura real)

• Tener en cuenta la difracción por obstáculos como unas pérdidas adicionales en la propagación


100

50

OBSTRUCCIÓN POR OBSTÁCULOS • Teoría de la difracción de Fresnel-Kirchoff • obstáculos de dimensiones >>longitud de onda • atenuación respecto de la condición de espacio libre h>0

atenuación respecto E.L.

h=-0.6r1

0

d1

d2 ⎡ 2 ⎛ 1 1 ⎞⎤ v = h ⎢ ⎜ + ⎟⎥ ⎣ λ ⎝ d1 d 2 ⎠ ⎦

6 12

1/ 2

24 -2 -1

L D (v) = 6.9 + 20 log

(

0

1

2

3

υ= 2

h r 1

)

2 ( v − 0.1) + 1 + v − 0.1 (dB )


101

DIFRACCIÓN POR MÚLTIPLES ARISTAS • modelos : Millington, Deygout, Epstein & Peterson. – Se utiliza Epstein&Peterson (pesimista)

O2 O1

O3

T

R d1

d2

d3

d4

• modelo Epstein & Peterson – – – –

línea T-O2, atenuación O1 con altura efectiva línea O1-O3 atenuación O2 con altura efectiva línea O2-R atenuación O3 con altura efectiva atenuación total =suma de atenuaciones (en dB). MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

102

51

MODELOS EMPÍRICOS

• Basados en campañas de medidas. • Métodos más utilizados: – – – –

UIT-R 370 (rural) Okumura-Hata (urbano) Lee (urbano) Walfish-Ikegami (urbano)

• Proporcionan un error cuadrático medio respecto de las pérdidas reales de unos 10 dB.


103

MODELO DE OKUMURA-HATA (I)

• Medio urbano, diferentes alturas efectivas de antena, 150450-900 MHz y PRA 1kW. Altura del receptor 1.5 m • Curvas de intensidad de campo. • Define factores de corrección para incluir la ondulación del terreno (Δh), pendiente del terreno, obstáculos, heterogeneidad del terreno (tierra/mar), altura del receptor, PRA y orientación de calles y densidad de edificación en zonas urbanas. • Modelo más utilizado en Europa para predecir las coberturas de los sistemas de comunicaciones móviles.


104

52

MODELO DE OKUMURA-HATA (II)

Potencias recibidas para diferentes alturas de antena transmisora.


105

MODELO DE OKUMURA-HATA (III)

• Hata obtuvo fórmulas empíricas para calcular la pérdida básica de propagación Lb, para diferentes entornos L b = 69.55 + 26.16 log f − 13.82 log h t − a (h m ) + (44.9 − 6.55 log h t ) ⋅ log d

dB

f en MHz 150 ≤ f ≤ 1500 MHz ht altura efectiva antena transmisor en m 30 ≤ ht ≤ 200 m hm altura sobre el suelo de la antena receptor en m 1 ≤ hm ≤ 10 m d distancia en km1 ≤ d ≤ 20 km

• a(hm) corrección por altura del móvil (0 si hm=1.5 m) ⎧(1.1log f − 0.7)hm − (1..56 log f − 0.8) ciudad media-pequeña ⎪ 8.29(log1.54hm )2 − 1.1 ciudad grande a(hm ) = ⎨ f ≤ 200MHz 2 ⎪ 3.2(log11.75hm ) − 4.97 ciudad grande f ≥ 400MHz ⎩ MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

106

53

MODELO DE OKUMURA-HATA (IV) • Fórmula anterior es válida para un entorno urbano. • Corrección para entornos suburbanos (edificios de 3-4 plantas y calles anchas)

L bs = L b − 2[log(f / 28)]2 − 5.4 • Corrección para entorno rural (abierto, sin obstrucciones)

L br = L b − 4.78[log f ]2 + 18.33 log f − 40.94


107

MODELOS URBANOS SEMIEMPÍRICOS • Incluyen difracción: Multipantalla (edificios entre estación base y móvil). Difracción final en el edificio más próximo al móvil. • Incluyen reflexiones en edificios próximos a MT y BS • Consideran el ángulo entre la calle y la dirección de llegada de los rayos (eje base-móvil) • Aplicables a zonas urbanas y suburbanas homogéneas, con edificios de alturas similares • Ejemplo: Modelo COST-231 MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

108

54

MODELO COST 231 (I) d

ΔhB

ϕ

hB hR

ΔhR hm w b

Parámetros del modelo y gama de validez (aproximada)

- Distancia: 0.002 ≤ d ≤ 3 km

- Separación entre edificios: 20≤ b ≤ 50 m - Anchura calles: w (típicamente b/2) - Altura edificios: hR

- Frecuencia: 800 ≤ f ≤ 2000 MHz

- Angulo calle-rayo: 0 ≤ ϕ ≤ 90º

- Altura base: 4≤ hB ≤ 50 m - Altura móvil: 1≤ hm ≤ 3 m


109

MODELO COST 231 (II) • •

Pérdida o atenuación básica: Atenuación en espacio libre

•

Difracción último edificio depende del ángulo rayo-calle w: anchura de la calle

ΔhR =hR -hm (alt. edificio – alt. móvil)

•

Difracción multiobstáculo Δh B < 0 0 ⎧ L bsh = ⎨ − + Δ 18 log( 1 h ) resto ⎩ B

Δh B ≥ 0 18 ⎧ k d = ⎨ ⎩18 − 15Δh B / h R Δh B < 0

L b = L bf + L rts + L msd L bf = 32,45 + 20 log f ( MHz) + 20 log d(km) L rts = −16.9 − 10 log w + 10 log f + 20 log Δh R + L ori ⎧ − 10 + 0.3571ϕ 0º < ϕ < 35º ⎪ L ori = ⎨2.5 + 0.075(ϕ − 35º ) 35º < ϕ < 55º ⎪ 4 − 0.114(ϕ − 55º ) 55º < ϕ < 90º ⎩

L msd = L bsh + k a + k d ⋅ log d + k f ⋅ log f − 9 log b 54 Δh B ≥ 0 ⎧ ⎪ k a = ⎨ 54 − 0.8Δh B Δh B < 0, d ≥ 0.5 ⎪54 − 0.8Δh ⋅ d / 0.5 Δh < 0, d < 0.5 B B ⎩

⎧− 4 + 0.7(f / 925 − 1) ciudad de tamaño medio k f = ⎨ ⎩ − 4 + 1.5(f / 925 − 1) zona metropolitana

ΔhB=hB-hR (alt. base – alt. edificio) MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

110

55

MICROCELDAS Y PICOCELDAS  MICROCELULAS (metropolitanas)

– – – –

Cobertura: <1 km (baja pot.) usualmente en LOS (Line of Sight) BS a baja altura. Propagación guiada

mobil unit LOS

base station

mobil unit NLOS

 PICOCELULAS (indoor)

– fuerte obstaculización – estaciones base en cada planta – cobertura del unos 100 m (baja pot.)

base

thick wall

thin wall


111

MODELO DE PICOCELDAS (I)

•

Path loss en dB Lb

Lbf : Lc : kwi : Lwi : n: b: Lf :

= Lbf + Lc + ∑ kwi Lwi + n [(n + 2) /(n +1)− b] Lf i

P. espacio libre Lbf = 32,5 + 20 log f (GHz) + 20 log d (m) Pérdida constante Número de paredes atravesadas de tipo i Pérdida de una pared de tipo i Número de techos/suelos atravesados (entre 3-4) Parámetro empírico (0.46) Pérdida entre pisos adyacentes


112

56

MODELO DE PICOCELDAS (II)

Descripción

Parámetro

Valor (dB)

Lf

18,3

Lw1

3,4

Lw2

6,9

Estructuras de suelos de cemento armado con espesor < 30 m. típicas de oficinas Mamparas (pladur) o paredes ligeras enventanadas Tabiques interiores de ladrillo


113

DESVANECIMIENTOS LENTOS (I) φ d

Los modelos de propagación permiten determinar el valor esperado de la potencia a una distancia d. En las distintas posiciones en un radio a distancia d de la antena, el valor medio de la potencia recibida dependerá del entorno y de la ondulación del terreno en cada posición, originando variaciones de potencia entorno al valor predicho por el modelo de propagación. DESVANECIMIENTOS LENTOS MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

114

57

DESVANECIMIENTOS LENTOS (II) Potencia media real

-70 -75

Potencia según modelo de propagación a distancia d

m-80 B d ( r P -85

-90 -95 0

50

100

150

200

250

300

t (s)

Sombra

Buena visibilidad

Desvanecimientos lentos (shadowing) ocasionados por: - Zonas de sombra debidas a la ondulación del terreno - Presencia de objetos entre las antenas - Vegetación y características del terreno MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

115

EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (I) • La potencia recibida a una cierta distancia teniendo en cuenta los desvanecimientos lentos sigue una estadística de tipo lognormal. Potencia (mW)

Distribución lognormal

Potencia (dBm)= 10 log P(mW)

1 − f Pr ( Pr ) = e 2π σ P

(Pr − P )2 2σ 2

Distribución gaussiana (normal)

σ

pdf (Pr )

(dBm): Valor medio en calculado según modelo de propagación

P

σ(dB): Desviación estándar de los desvanecimientos lentos: - Depende del tipo de entorno - Valores entre 6 y 12 dB MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

116

58

EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (II) • Debido a la aleatoriedad introducida por los desvanecimientos lentos la cobertura a una cierta distancia únicamente puede ser evaluada de forma estadística. • Para una sensibilidad del receptor de valor P S (dBm) la probabilidad de tener cobertura a una distancia d viene dada por:

1 e 2π σ ∫PS

∞ −

P(Pr ≥ PS ) =

pdf (Precibida)

(Pr − P )2 2σ 2

dPr

Area =probabilidad de cobertura

P

PS(dBm)


117

EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (III) • La función error viene definida por:

erf ( x ) =

1 π

x

∫

− x

2

2

e − y dy =

π

∫

x

0

2

e − y dy

• Y la función error complementario:

2

erfc( x ) = 1 − erf ( x ) =

P ( Pr ≥ PS ) =

1 2πσ

π

∫

∞

PS

e

∫

∞ − y 2

x

e

( Pr − P ) − 2σ 2

2

-x

x

dy

1 1 ⎛ P − PS dPr = + erf ⎜ 2 2 ⎝ 2σ


⎞ 1 ⎛P −P⎞ ⎟ = erfc ⎜ S ⎟ ⎠ 2 ⎝ 2σ ⎠

118

59

EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (IV) Ejemplo: • Potencia del transmisor: PT=43 dBm • Pérdidas totales de acuerdo al modelo de propagación: L(dB)=128.1 + 37.6 log (d(km))

• A una distancia d=1 km L(dB)=128.1 dB Potencia media recibida:

P = PT (dBm) − L (dB) = −85.1 dBm Para una sensibilidad PS=-100 dBm la probabilidad de cobertura, suponiendo un desvanecimiento lognormal con σ=10 dB: 1 1 ⎛ 14.9 ⎞ P(Pr ≥ PS ) = + erf ⎜ ⎟ = 0.93 2 2 ⎝ 2 ·10 ⎠

Un 93% de los emplazamientos a distancia 1 km se encuentran dentro de la zona de cobertura MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

119

MARGEN DE DESVANECIMIENTOS (I) En la práctica, dentro del proceso de planificación de un sistema de comunicaciones móviles se suele dejar un cierto margen para compensar los desvanecimientos lognormales: P R = PTBS + G BS + G M − L p − La ≥ PS + MF PTBS: Potencia transmitida por la base GBS, GM: Ganancias de la base y del móvil (típicamente GM=0 dB) LP: Path loss (pérdidas de propagación según la distancia y de acuerdo al modelo de propagación considerado). La: Pérdidas adicionales (conectores, atenuación debida al cuerpo humano, edificios, carrocería del coche,...) MF: Margen del desvanecimiento lognormal PS: Sensibilidad del terminal, de acuerdo a su factor de ruido y la SNR necesaria PS (dBW ) = SNR(dB ) + 10 log(KT 0 BF M )(dBW )


120

60

MARGEN DE DESVANECIMIENTOS (II) • El margen de desvanecimiento se determina a partir del porcentaje de cobertura (típicamente 95 ó 98%)

1 ∞ − P(Pr ≥ PS ) = e 2π σ ∫PS

( p − PS − MF )2 2σ 2

1 1 ⎛ MF ⎞ dp = + erf ⎜ ⎟ = 0.95 2 2 ⎝ 2σ ⎠

pdf (Precibida) Area =0.95 ó 0.98 Ejemplo para 95%

σ (dB)

6 8 10

PS(dBm)

MF (dB) 9.87 13.16 16.46

MF MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

121

CORRELACIÓN ESPACIAL •

•

El valor del desvanecimiento lento se puede considerar constante para una cierta ubicación. Sin embargo, a medida que el terminal móvil se desplaza a una cierta velocidad, el desvanecimiento cambia en función de las ubicaciones recorridas. Los desvanecimientos lentos están correlados espacialmente de acuerdo a una función exponencial: R(Δ x ) = E [S ( x + Δ x )S ( x )] ≈ σ 2e

−

Δ x d c

Donde dc es la distancia de decorrelación, que significa que ubicaciones separadas más de dc presentarán valores de shadowing incorrelados. Depende del tipo de entorno considerado (valor típico: 20 m) Estas variaciones se pueden contemplar también temporalmente, en función de la velocidad del terminal: R(τ ) = E [S (t + τ )S (t )] ≈ σ 2 e

−

v τ d c


122

61

DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS

• Provocados por la propagación multicamino • Sobre el terminal móvil inciden rayos con diferente retardo, amplitud y fase ECOS LEJANOS: Canal Dispersivo: ISI

ECOS PRÓXIMOS Canal no dispersivo: Desvanecimientos rápidos

40λ MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

123

DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS: ECOS PRÓXIMOS (I) • •

La señal recibida es la suma de todas las trayectorias provocadas por las reflexiones del frente de onda en los objetos cercanos en di rección a la antena receptora Si los objetos están próximos entre sí, la diferencia de retardo es mucho menor que los símbolos transmitidos. Sin embargo, el efecto de las di ferentes fases puede ocasionar variaciones en la señal recibida:

Ejemplo para dos rayos: τ1 τ2

r (t ) =

∑ d h(t − kT − τ )cos(ω (t −τ )) + k

s

1

0

1

k

+ ∑ d k h(t − kT s − τ 2 ) cos(ω 0 (t − τ 2 )) k

d k h(t − kT s − τ 1 )[cos(ω 0 (t − τ 1 )) + cos(ω 0 (t − τ 2 ))] Si τ1, τ2<
124

62

DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS: ECOS PRÓXIMOS (II) r (t ) ≈

donde:

∑ d h(t − kT − τ )[cos(ω t − θ ) + cos(ω t − θ )] k

1

s

0

1

0

2

k

θ + θ ⎞ cos(ω 0t − θ 1 ) + cos(ω 0t − θ 2 ) = 2 + 2 cos(θ 1 − θ 2 ) cos⎛ ⎜ ω 0t − 1 2 ⎟ 2 ⎠ ⎝ ⎛ ⎛ τ + τ ⎞ ⎞ r (t ) ≈ ∑ d k h(t − kT s − τ 1 ) 2 + 2 cos ω 0 (τ 1 − τ 2 ) cos⎜ ω 0 ⎜ t − 1 2 ⎟ ⎟ 2 ⎠ ⎠ k ⎝ ⎝

r (t )

3

2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

10 log r (t )

1 -1 -3 -5 -7 -9 -11 -13 -15

0

1.57

3.14

4.71

6.28

0

1.57

3.14

4.71

6.28

ω 0 (τ 1 − τ 2 )

ω 0 (τ 1 − τ 2 )

ECOS PRÓXIMOS: HAY DESVANECIMIENTOS MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

125

DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS: ECOS PRÓXIMOS (III) En general el número de contribuciones existentes será múltiple, de modo que el equivalente paso bajo de la señal recibida se expresará como:

⎡ ⎡ ⎤ − jω τ jω t ⎤ α i (t )s (t )e ⎥ = Re ⎢∑ ρ i e s (t )e jω t ⎥ ∑ ⎣i ⎦ ⎣i ⎦

r (t ) = Re ⎢

0

0 i

0

Donde s(t) es la señal transmitida y ρi depende del coeficiente de reflexión de la trayectoria i-ésima y τi es su retardo de propagación (τi<
ρi, τi varían con el tiempo en función del movimiento del terminal y de los objetos cercanos. El resultado es que el módulo |r(t)| puede presentar atenuaciones de hasta 40 dB respecto del valor medio de señal. ECOS PRÓXIMOS: HAY DESVANECIMIENTOS MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

126

63

AUSENCIA DE VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RAYLEIGH (I) En canales sin visibilidad directa (NLOS) entre emisor y recept or, se puede asumir que el número de reflexiones es muy grande y que no hay ninguna que predomine especialmente sobre las demás. La señal recibida se puede expresar a partir de su envolvente como:

⎡ ⎤ − jω τ s(t )e jω t ⎥ = v(t )cos(ω 0t + φ (t )) ρ i e ∑ ⎣i ⎦

r (t ) = Re ⎢

0 i

0

φ (t ) = arctg

v(t ) = i 2 (t ) + q 2 (t )

q(t ) i(t )

Aplicando el teorema central del límite, las componentes en fase y cuadratura i(t), q(t) se pueden aproximar por procesos gaussianos independientes de media nula y varianza igual al nivel de potencia media recibida P r

Pr = E [r 2 (t )] =

E [v 2 (t )] 2


127

AUSENCIA DE VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RAYLEIGH (II) La estadística de la envolvente v(t) en canales sin visibilidad directa es de tipo Rayleigh: v2

v − 2 Pr f V (v ) = e Pr

v≥0

O equivalentemente, en términos de la potencia de la señal recibida, se obtiene una estadística de tipo exponencial: p

1 − Pr f P ( p ) = e Pr

p ≥ 0


128

64

AUSENCIA DE VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RAYLEIGH (III) Evolución temporal de la envolvente: r (t ) umbral Ráfagas de errores t

P b

C.Gaussiano Canal Rayleigh

Para asegurar una cierta tasa de error un canal Rayleigh requerirá mucha más Eb/No que un canal gaussiano!!!

Eb/No MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

129

VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RICE En canales con visibilidad directa, existen rayos que presentan un nivel predominante respecto al resto. En consecuencia, la componente en fase o la de cuadratura presentan un nivel de continua A diferente de 0, dando lugar a una estadística de la envolvente de tipo Nakagami-Rice:

f V (v ) =

v e Pr

−

(v + A )2 2 Pr

⎛ vA ⎞ ⎟⎟ ⎝ Pr ⎠

I 0 ⎜⎜

v≥0

Donde se suele definir el cociente entre la potencia del rayo principal respecto de la A2 potencia media local debida a las reflexiones cercanas: k = 2 Pr

A2 + Pr = Pr (1 + k ) Pm = 2

Siendo la potencia media:

f V (v ) =

v(1 + k ) e Pm

− k −

v 2 (1+ k ) 2 Pm

⎛ 2k (1 + k ) ⎞ ⎟ ⎟ P m ⎝ ⎠

I 0 ⎜⎜ v

v≥0

Io: función de Bessel modificada de orden 0 MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

130

65

COMPARATIVA RAYLEIGH-RICE 1.6 1.4 1.2

Rayleigh Nakagami-Rice, k=10

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

0.5

1

1.5

2 v

2.5

3

3.5

4

Comparativa para potencia media recibida igual a 1 en ambos casos. Observar que con Rayleigh es más probable tener valores pequeños de la envolvente. Para k=0 ambas estadísticas coinciden.


131

DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS CON DISTORSIÓN: ECOS LEJANOS h(τ,t) τ2

Ak (t ) = Rk (t ) exp( jφ k (t ))

τ3

τ1

τ1 τ2

τ3

τ

h(τ , t ) = A1 (t )δ (τ − τ 1 (t )) + A2 (t )δ (τ − τ 2 (t )) + A3 (t )δ (τ − τ 3 (t )) Si suponemos que τi, τ j son suficientemente grandes, por estar asociados a reflexiones o ecos en objetos lejanos, τ i, τ << T (Duración de un símbolo), entonces

d (τ − τ 1 ) ≠ d (τ − τ 2 ) ≠ d (τ − τ 3 )

De forma general la respuesta impulsional de una canal con propagación multicamino puede caracterizarse por:

h(τ , t ) =

∑ A (t )δ (τ − τ (t )) k

k

CANAL DISPERSIVO (Introduce Distorsión)

k

La variación de la amplitud compleja con el tiempo está asociada a la propia dinámica del móvil MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

132

66

CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (I) Ecos Lejanos:τ1 τ2 τ3

Ecos Próximos:τ1,1 τ2,1 τ3,1

τ3

τ2 τ1,1

τ3,3 τ2,1

τ1 h(τ)

τ3,1

τ1

τ1,2 τ3,2

τ2,2

τ3

τ2

Asociado a cada rayo lejano i-ésimo se generarán múltiples rayos próximos con retardos τi,j (j=1,2,..), que modelan básicamente A (t ) k

τ2,1

Ak (t ) = Rk (t ) exp( jφ k (t )) es una v.a. Rayleigh en amplitud y

τ2,4 τ2,2 τ2,3 τ2,5

uniforme en fase, caracterizada por sus variaciones rápidas debidas básicamente a los ecos próximos


133

CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (II) • Respuesta impulsiva del canal (Paso Bajo equivalente)

h(τ , t ) =

∑ A (t )δ (τ −τ k

k

(t ))

k

con Ak(t) un proceso estocástico complejo que juntamente con τk caracterizan un canal móvil. Señal recibida Transmisión

(Realizaciones)

t τ (Retardo)

t NOTA: Un canal dispersivo se caracteriza porque el módulo de su función de transferencia no es constante y su fase no es lineal MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

τ 134

67

CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (III) • PERFIL DE RETARDO DE POTENCIA (Power Delay Profile) Caracteriza la potencia media de los diferentes caminos de propagación P(τ)

~ P (τ ) = E t ⎧⎨ h (τ , t ) ⎩

2

⎫ ⎬ ⎭

(dB) 0 -10 -20

El PDP normalizado es P n(t)

-30

200

∫ P (τ ) dτ = 1 ⇒ ∫ K P(τ ) dτ = 1 ⇒ K = n

El

delay (ns)

1 ∫ PDP(τ ) dτ

∫

D = τ Pn (τ ) d τ y el Delay Spread es la desviación típica del retardo del PDP

es:

D s =

800

∫

+∞ −∞

2

(τ − D ) p (τ ) d τ

∫

+∞ −∞

p (τ ) d τ


135

CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (IV) • Función de coherencia P(f)=F[p(τ)] Se puede demostrar que

P ( Δ ) = E {H * ( f , t ) H ( f + Δ, t )}

• Ancho de banda de coherencia: Máximo ancho de banda de transmisión sin distorsión, es decir, sin desvanecimientos selectivos en frecuencia. Es la banda B a la que P(B) =P (0) / 2

Ejemplo.- PDP exponencial p (τ ) =

1 − τ / D s e u (τ ) D s

P ( f ) = F { p ( t )} =

B c ≅

1 2 π D s

1 1 + j 2π fDs


136

68

TRANSMISIÓN DE BANDA ANCHA Y BANDA ESTRECHA Canal no dispersivo: (BANDA ESTRECHA) – vel. de

transmisión baja

– (BW señal << BW coherencia)

(T >> Delay Spread)

s(t)

r(t) T

T

Canal dispersivo (BANDA ANCHA) – vel. de transmisión grande – (BW señal << BW coherencia)

(T<< Delay Spread)

s(t)

r(t) T

T

DISTORSIÓN + ISI MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

137

CARACTERIZACIÓN DE LAS VARIACIONES TEMPORALES (I) Espectro Doppler:

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ G ( f ) = F { R ( Δ t )} = ⎨ s ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎩

⎡ ( f − f ) 2 ⎢1 − 0 2 2 π f ⎢ f m ⎢⎣ m

⎤ ⎥ ⎥ ⎥⎦

⎡ ( f + f ) 2 ⎢1 − 0 2 π f ⎢ f 2 m ⎣⎢ m

⎤ ⎥ ⎥ ⎦⎥

σ 2

σ 2

−1 / 2 f − f

0

≤ f

m

−1/ 2 f + f

0

donde R(τ) es la función de autocorrelación de la señal recibida:

≥ f

m

R(Δt ) = E { An *(t ) An (t + Δt )}

Gs( f )

0

f 0

f 0+ f m

frecuencia

El espectro se concentra alrededor de los máximos desplazamientos de las variaciones temporales Doppler f m (Dirección de llegada de los frentes de onda uniformemente distribuida).

Espectro de banda estrecha (f m << f o) Frecuencia Doppler máxima f m =v/ λ ( 1 GHz y 90 km/h ⇒ f m 83 Hz). MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

138

69

CARACTERIZACIÓN DE LAS VARIACIONES TEMPORALES (II) Autocorrelación de la envolvente: •

Indica el ritmo de variación de la envovente de

En el terminal tenemos: πσ 2 ⎡ 1 2 2π ⎤ 1 + J ( ε ) R (ε ) = r 2 ⎢⎣ 4 0 λ ⎥⎦

0.5

Sin continua y normalizando

0.1 1/4.13

distancia recorrida

(

)

f m Δ t = v Δ t = ε / λ λ

0.5

•

: Si ε/λ>=0.5 ⇒ la correlación es pequeña por separación entre antenas (17 cm a 900 MHz)

efectiva en el móvil

• tiempo necesario para que el canal móvil cambie sustancialmente, es decir: R r (Δt)|τc ≅ Rr (0)/2 τ c

≅

1 4 . 13 f m

A 900 MHz y 90 km el tiempo de coherencia es de 3.2 mseg


139

RESUMEN DE PARÁMETROS DEL CANAL RADIO Respuesta impulsional (variante con el tiempo)

h (τ , t ) dimensión τ (duración de la respuesta impulsional)

PDP:

dimensión t (sistema variante)

P(τ )

Espectro doppler f m=v/λ

Delay Spread Ds Banda de coherencia B C ∝ 1/Ds Determina si hay o no distorsión Asociado a las diferencias de propagación de los diferentes ecos (velocidad de la luz)

Tiempo de coherencia

τC∝1/f m Determina la variabilidad del canal Asociado a la velocidad del móvil


140

70

TIPOS DE ENTORNOS

ENTORNO

Distancia Tx-Rx

Urbano y suburbano

<500m

Rural plano

<10 km

Rural montañoso

<10 km

Interiores (indoor)

<100m

Delay Spread

Tiempo de coherencia

3 ms (velocidad moderada <50 km/h) 1 ms 0.1 μs (alta velocidad: 120 (pocas reflexiones) km/h) 1 ms 5 μs (alta velocidad: 120 (reflexiones lejanas) km/h) 30 ms 10-100 ns (reflexiones (baja velocidad: muy próximas) <3 km/h) 1-2.5 μs (reflexiones en edificios)


141

FIABILIDAD DE UN CANAL RAYLEIGH (I)

f γ (γ ) =

QPSK

1 γ o

exp(− γ / γ o )

Canal Gaussiano P (γ ) = 1 erfc ( γ / 2 ) b 2 Canal Rayleigh P

b

( γ o ) = ∫ P b ( γ ) f γ ( γ ) d γ = ⎧ ⎪ = 1 ⎪⎨ 1 − 2 ⎪ ⎪ ⎩

⎫ ⎪ 1 1 ⎪ ≅ ⎬ 2 2 γ ⎪ 1+ o γ o ⎪⎭


r o r r E e d a s a T

Canal Rayleigh

Canal Gaussiano

SNR (dB)

142

71

FIABILIDAD DE UN CANAL RAYLEIGH (II)

Pb

γ 0 >>1

Pb

1⎡ 1 ⎤ ⎢1− ⎥ 2 ⎢⎣ 1+1/ γ o ⎥⎦ 1 1⎡ 1 ⎤ QPSK erfc( γ / 2 ) ⎢1− ⎥ 2 2 ⎢⎣ 1+ 2 / γ o ⎥⎦ 1 1⎡ 1 ⎤ DQPSK erfc( γ / 4 ) ⎢1− ⎥ 2 2 ⎣⎢ 1+ 4 / γ o ⎦⎥ 1 −γ 1 DPSK e 2 2(1+γ 0 ) BPSK

1 erfc( γ ) 2

γ

1 4γ 0

γ =

1 2γ 0

γ =

1 γ 0

E b N 0

2E b N 0

2E b N 0 E γ = b N 0

γ =

1 2γ 0


143

TECNICAS DE CODIFICACIÓN DE CANAL Añadir redundancia a la información transmitida, de modo que en recepción se pueda utilizar para detectar y corregir errores de la señal recibida. Tasa del código: r=k/n

Bits útiles: k bits

Velocidad de transmisión: R=Rb/n

Bits totales enviados: n bits (redundancia de n-k bits) P b

(Rb: velocidad sin codificar)

Sin codificación

Con codificación

Cuanto menor sea r más potente es el código, pero necesitamos mayor velocidad de transmisión (más ancho de banda)

Gracias a la codificación de canal se puede conseguir una cierta tasa de error con una Eb/No más baja !!!

Gc E b/No


144

72

TIPOS DE CÓDIGOS DE CANAL

Utilizan un mapeo fijo entre palabras de k bits y palabras resultantes de n bits Ejemplos: Códigos FIRE, BCH, Reed Solomon Generan los bits codificados a través de procesar los bits útiles mediante un registro de desplazamiento con una cierta memoria. Combinan dos códigos convolucionales y un proceso intermedio de entrelazado. Son códigos muy potentes, que consiguen reducir enormemente la tasa de error. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

145

ENTRELAZADO • Objetivo: Romper influencia de ráfagas de errores. • Metodología: Reordenar la información antes de enviarla. 0 1 2 M ........... 2 M ................. . . . (N -1) M ...... • • • • •

3 ......

M -1 2 M -1

M columnas N filas Nº filas. NTb ≥τc Bits sucesivos de una palabra código separados al menos el tiempo de coherencia del canal

NM -1

Se escribe por filas (según orden de llegada) Se lee por columnas (para enviar al canal) 0,M,2M,....N-1, 1, ...... Ráfagas de errores afectan a pocos bits de la palabra código En el receptor se vuelve a reordenar (matriz) Retardo introducido: 2MNTb
146

73

ENTRELAZADO Y CODIFICACIÓN Transmisor CODIFICADOR DE CANAL

ENTRELAZADO

CANAL DECODIFICADOR DE CANAL

DESENTRELAZADO Receptor


147

TECNICAS DE DIVERSIDAD Proteger al sistema frente a los desvanecimientos multicamino (Rayleigh) consiguiendo dos o más caminos incorrelados y de potencia media similar.     

(según complejidad y prestaciones):   

(Maximal Ratio Combining)


148

74

DISPOSICIÓN DE ANTENAS EN LA BASE (I) En Comunicaciones Móviles Celulares es usual la separación de antenas en emisión y recepción. Configuraciones Típicas : (Tipo colineal )

Emisión Diversidad en Recepción

Recepción

Recepción


149

DISPOSICIÓN DE ANTENAS EN LA BASE (II) : Antenas Sectoriales tipo panel con diversidad en espacio. Sectores de 120 grados

Emisión

Recepción

Recepción


150

75

COMBINACIÓN POR CONMUTACIÓN • • • •

Rx

Desm.

CAG

Comparador

umbral


151

COMBINACIÓN POR SELECCIÓN • • • •

Rx1 CAG1

Comparador

CAG2

Circuito de Decisión

.

Rx2


152

76

COMBINACIÓN MRC • • • r 1(t)exp(jφ1(t)) d(t)

Rx1

a1(t) proporcional a r 1(t)

a1(t) exp(-jφ1 (t))

Sum.. r 2(t)exp(jφ2(t)) d(t)

Circuito de Decisión

Rx2 a2 (t) exp(-jφ2 (t))

a2(t) proporcional a r 2(t)


153

PROBABILIDAD DE ERROR CON DIVERSIDAD Pb

r o r r E e d a s a T

M=1 M=2

Selección

M=3 Canal Gaussiano

M=4

Combinación

SNR (dB)

1 M o

• La combinación MRC es teóricamente entre 1 y 1.5 dB mejor que la diversidad por selección (los errores debidos a los transitorios de la conmutación no se han tenido en cuenta). No obstante la complejidad de implementación es considerablemente mayor • A medida que el orden de diversidad aumenta la evolución de la tasa de error tiende asintóticamente a comportarse como la obtenida en canal gausiano • Habitualmente el orden de la diversidad es M=2


154

77

FREQUENCY HOPPING 9 Transceptor (TRX) cambia de frecuencia (en emisión y recepción) cada cierto tiempo según una secuencia predeterminada: f f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 t TRX 1

Emisión:

f 2 f 1 f 4 f 5 f 3

TRX 2

Recepción: f 2’ f 1’ f 4’ f 5’ f 3’

Emisión:

f 1 f 2 f 3 f 4 f 5

Recepción: f 1’ f 2’ f 3’ f 4’ f 5’

9 Permite conseguir diversidad frecuencial y robustez frente a posibles

interferencias. 9 Es necesario establecer secuencias de salto adecuadas para evitar coincidencias entre diferentes TRX en ciertos instantes. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

155

1.5.- Sistemas Celulares


156

78

CONTENIDO

• Sistemas precelulares • Sistemas celulares: – – – –

Eficiencia de un sistema celular Reuso de frecuencias Tamaño del cluster Sectorización

• Tipos de células • Planificación de sistemas celulares – Balance de potencias – Cálculo de la distancia de ruso – Asignación de frecuencias

• Procedimientos asociados a los sistemas celulares – Handover – Búsqueda de móvil (paging) MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

157

SISTEMAS PRECELULARES  Gran zona de cobertura :

potencias elevadas  Reinicio de llamadas al cambiar de célula  Limitación en el número de usuarios activos.

F1 F2 llamada reiniciada

η = – Baja capacidad

– Elevada Prob. de bloqueo – Pobre eficiencia espectral

N 1 BT / B R 1 = S BT S BT

(ch / km2 Hz)

N: Número de canales BT: Banda total del sistema BR: Banda de un canal S: Superficie


158

79

SISTEMAS CELULARES cluster de 7 celdas G F

A E D



distancia media de reuso

B

F

A

C

celdas con las mismas letras utilizan las mismas frecuencias

E

Sistemas basados en la (baja potencia) (permiten teselación con área similar al círculo)

 

– – – MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

159

EFICIENCIA DE SISTEMAS CELULARES  



de distintos clusters (aumenta eficiencia ) La estructura se diseña para

η c

=

N / K 1 N N c N c = = η S / N c BT S ⋅ BT K K

(ch / km2 Hz)

NC número de celdas en la superficie S K es el factor de reuso (num. células por cluster) La eficiencia se incrementa respecto al caso no celular: Cuanto mayor sea Nc (más celdas y más pequeñas) Cuanto menor sea K (clusters más pequeños) MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

160

80

INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (V) Relación entre K y CIR: 3 d = R cos 30 = R 2 2

R

2

⎛ D ⎞ = K ⎜ ⎟ ⎝ d ⎠

d = 3R

d/2

⎛ D ⎞ = 3K ⎜ ⎟ ⎝ R ⎠ CIR

1 D 1 6 R

1 6

3K 1

1 K 1 (6CIR)1 / 3

2

Cuanto mayor sea el requerimiento de CIR, mayor deberá ser el tamaño del cluster.


165

SECTORIZACIÓN (I) •

Mediante el empleo de antenas direccionales es posible subdividir una celda en sectores y reducir la interferencia, incrementando la eficiencia (el cluster puede ser más pequeño)

Sector 3

Sector 1 ·

Sector 2

·

Sector 1

Sector 2 Célula trisectorial

Célula bisectorial

Las células trisectoriales se emplean habitualmente en zonas urbanas, mientras que las omnidireccionales se emplean en zonas rurales. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

166

83

SECTORIZACIÓN (II) Al emplear sectorización la relación señal a interferente mejora al existir menos número de interferentes:

Antenas trisectoriales 120º

Antenas bisectoriales 180º

n=3 interferentes

n=2 interferentes


167

SECTORIZACIÓN (III) Antenas de 6 sectores 60º α

P 1 ⎛ D ⎞ CIR = u = ⎜ − 1⎟ P I n ⎝ R ⎠

K

1 1 (nCIR)1 / 3

2

n: Número de interferentes

Si n es menor el cluster puede ser más pequeño !!

n=1 interferente

Tipo de antena Omnidireccional Bisectorial Trisectorial 6 sectores


n 6 3 2 1 168

84

TIPOS DE CÉLULAS 0.5 - 100 km

  

0.1 - 0.5 km

MACRO-CÉLULAS MICRO-CÉLULAS PICO-CÉLULAS

300 kb/s 1 - 2 Mb/s City-Urban-Rural macro-cell 0.01 - 0.1 km

Metropolitan micro-cell

2+ Mb/s

In building pico-cell

 CELULA MULTICAPA Microcell

Picocell Macrocell Global cell by Mobile Satellite MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

169

PLANIFICACIÓN CELULAR • La planificación es aquel proceso mediante el cual el operador dimensiona la red celular determinando el número de celdas necesario, el reparto de los radiocanales disponibles entre las mismas y los parámetros de transmisión de cada una. • Proceso: – Balance de potencias para el cálculo de cobertura y potencia transmitida – Determinación de la distancia de reuso y del tamaño del cluster – Cálculo del número de radiocanales necesario – Asignación de radiocanales


170

85

BALANCE DE POTENCIAS (I) •

PRDL = PTBS • : PTBS: Potencia transmitida por la base

+ GBS + GM − Lp − La ≥ PSM + MF

GBS, GM: Ganancias de la base y del móvil (típicamente G M=0 dB) LP: Path loss (pérdidas de propagación según la distancia y de acuerdo al modelo de propagación considerado). La: Pérdidas adicionales (conectores, atenuación debida al cuerpo humano, edificios, carrocería del coche,...) MF: Margen del desvanecimiento lognormal PSM: Sensibilidad del terminal, de acuerdo a su factor de ruido y la SNR necesaria PSM (dBW ) = SNR(dB ) + 10 log( KT 0 BF M )(dBW ) Máximo Path Loss en DL:

PTBS + GBS + GM − La − PSM − MF = Lp ,max DL


171

BALANCE DE POTENCIAS (II) • Enlace de subida: P RUL = PTM + GBS + GM − Lp − La + Gdiv ≥ PSB + MF

PTM: Potencia máxima transmitida por el móvil Gdiv: Ganancia de diversidad (si se utiliza en el enlace ascendente) PSB: Sensibilidad de la base, de acuerdo al factor de ruido y a la SNR necesaria PSB (dBW ) = SNR(dB) + 10 log(KT 0 BF BS )(dBW )

El resto de parámetros son igual que en el DL. Máximo Path Loss en UL:

PTM + GBS + GM − La + Gdiv − PSB − MF = L p,max UL


172

86

BALANCE DE POTENCIAS (III) Consideraciones para garantizar cobertura UL y DL: 1) DL: El operador puede ajustar la potencia de la base (dentro de unos límites) para conseguir la cobertura deseada UL: La potencia del móvil es fija, de modo que es un DATO en el estudio. 2) Las herramientas de planificación (e.g. ATOLL) únicamente permiten evaluar coberturas DL ya que se basan en ubicar un transmisor y comprobar la potencia recibida en los diferentes puntos del terreno, mientras que la cobertura UL requeriría ubicar múltiples transmisores. Solución: BALANCEAR EL ENLACE

L p,maxUL = Lp,max DL

PTM + GBS + GM − La + Gdiv − PSB − MF = PTBS + GBS + GM − La − PSM − MF

PTBS = PTM + Gdiv + PSM − PSB Para garantizar cobertura en UL y DL basta efectuar un estudio de cobertura DL suponiendo como potencia de la base el valor P TBS obtenido y comprobando que la potencia recibida en cualquier punto de la zona de estudio está por encima de la sensibilidad del móvil más el margen de fading. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

173

PROCESO ITERATIVO DE CÁLCULO DE COBERTURA 1) Calcular la potencia transmitida por la base :

2) Calcular el máximo path loss:

PTBS = PTM + Gdiv + PSM − PSB

L p ,max = PTM + GBS + GM − La + Gdiv − PSB − MF

Nota: Depende de la potencia del móvil

A partir del modelo de propagación se podría asociar Lpmax con un cierto radio de celda máximo (Rmax) 3) Distribuir las celdas por el territorio a cubrir y configurar parámetros (altura antenas, azimut, etc.) 4) Evaluar la potencia recibida DL en cada píxel del terreno y comprobar si está por encima de la sensibilidad:

PTBS + GBS + GM − Lp − La ≥ PSM + MF

Condición DL

Nota: Gracias a tener el enlace balanceado, esta condición es equivalente a la del UL:

PTM + Gdiv + PSM − PSB + GBS + G M − L p − La ≥ PSM + MF

PTBS

PTM + GBS + GM − Lp − La + Gdiv ≥ PSB + MF

Condición UL

5) Si la Condición DL no se cumple volver al paso 3 y modificar la configuración . Aspectos que se pueden modificar serían: cambiar la altura de las antenas, variar la inclinación (downtilt), modificar el azimut, cambiar la posición de las estaciones base, etc. Sin embargo NO MODIFICAR EL VALOR DE LA POTENCIA P TBS calculada, ya que incrementar su valor mejoraría la cobertura DL pero NO LA COBERTURA UL. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

174

87

RELACIÓN ENTRE CIR, SNR Y CALIDAD    Signal to Noiseand Interference Ratio

SNIRtotal =

SNIRtotal =

P R N + I

1 1 1 + SNR CIR



Pe = f ( SNIRtotal )

P.ej. Canal Rayleigh QPSK sin codificación:

Pe =

1 2SNIRtotal




175

CÁLCULO DEL NÚMERO DE RADIOCANALES (I) En sistemas FDMA, TDMA o FDMA/TDMA puede aparecer bloqueo por falta de recursos disponibles. 

El número de recursos (portadoras en FDMA, slots en TDMA o conjunto portadoras/slots en FDMA/TDMA) viene dado por el ancho de banda del sistema (BT), el ancho de banda por radiocanal (Bc) y el umbral de calidad de CIR establecido (que determina el cluster K con el que debe operarse): 

Sistema FDMA puro:

m =

Sistema FDMA/TDMA:

m =

BT BC K

BT N BC K slots

(ch./ célula)

(ch./célula)

En cualquier caso, el valor de m debe ser entero. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

176

88

CÁLCULO DEL NÚMERO DE RADIOCANALES (II) Normalmente

se fija un GoS (Grado de Servicio) determinado en términos de la máxima probabilidad de bloqueo tolerada (e.g. 2%). Se hace uso de las tablas de Erlang-B

Ch/ célula célula o ch/sector si hay sectorización Erlang/célula o Erlang /sector si hay sectorización m m1

PB

( m1 ) m / m! m

m1k / k!

k 0


177

CÁLCULO DEL NÚMERO DE RADIOCANALES (III) 

m1 ( Erlangs/sector ) = λ (llamadas/s/sector)Ts (s ) = N u N u ( usuarios/sector ) =

Q

3600

Ts

3600 ⋅ m1 Q ⋅ T s

Ejemplo de valores típicos: Ts=180 s, Q=0.4 llamadas/hora, lo que resulta en 0.02 Erlangs por usuario.



C (usuarios / km2 ) =

N u

⎛ π R 2 ⎞ ⎜ ns ⎟⎠ ⎝


178

89

ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS (I) 

  

- Para canales dentro del mismo sector la separación deberá ser superior o igual a 3 canales - Para sectores de una misma célula la separación deberá ser superior o igual a 2 canales - Para células colindantes deberá ser por lo menos de un canal


179

ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS (II) Métodos de asignación: - Asignación fija: La realiza el operador durante la planificación y dimensionado de la red La asignación es invariable a lo largo del tiempo De acuerdo a los requerimientos establecidos en términos de separación entre radiocanales existen algoritmos heurísticos que determinan la asignación óptima en función del grado de acoplamiento (interferencia mutua) existente entre celdas.

- Asignación dinámica: Además de asignar a cada célula un conjunto de radiocanales existe la posibilidad de “pedir prestados” canales a otras células en función de las necesidades de tráfico puntuales de cada una.


180

90

RESUMEN PROCESO PLANIFICACIÓN Q: llamadas/h/usuario

β (Usuarios/km2)

Ts: Duración llamada (s)

Tipo de CIR Canales disponibles requerida celda M=(BT/BC)nslots (ns: num. de sectores)

QT A( Erlangs / km2 ) = β s 3600

Tamaño K = 1 (1+ (n ( n ) CIR)1/α ) s cluster 3

PB

Modelo de propagación (α)

SNR requerida

2

M/ (ns K) Balance del enlace

(canales /sector) Tablas Erlang B m1 (Erlangs/sector) A

π R

R =

ns

2

- Potencia transmitida - Radio máximo (Rmax)

= m1

m1 ns π A

Radio de la célula (si el resultado es superior a Rmax, se tomará este último valor)


181

LIMITACIONES PRÁCTICAS DEL PROCESO En una situación real existirán las siguientes limitaciones en el anterior proceso: -La cobertura de las celdas no es ni circular ni hexagonal, sino que es irregular y depende de las condiciones del terreno y de la configuración de las celdas -La relación entre K y CIR no se puede expresar en general de forma analítica. -El área de una celda y, en consecuencia, la cantidad de usuarios que debe soportar, dependerá de las condiciones de propagación y del terreno. -La posición de las celdas no sigue en la práctica un despliegue hexagonal ya que la posibilidad de ubicar emplazamientos viene limitada por la disponibilidad de edificios, permisos, puntos altos, etc. Teniendo esto en cuenta, el anterior proceso únicamente servirá como una primera estimación del radio de la celda, que deberá emplearse como entrada en una herramienta de planificación automatizada (e.g. ATOLL). MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

182

91

PROCESO DE PLANIFICACIÓN ITERATIVO Estimación teórica de capacidad

Radio R

Distribuir las celdas por el territorio a cubrir y configurar parámetros (altura antenas, azimut, etc.)

PTBS = PTM + Gdiv + PSM − PSB

Calcular el área de cobertura de cada celda (a partir de los píxeles del terreno en que la potencia recibida está por encima de la sensibilidad)

Balance del enlace SNR requerida

Modificar parámetros: - alturas

Cobertura satisfactoria

NO

- azimut - downtilt - emplazamientos

SI

Mapa de tráfico (erlangs/km2)

etc.

Determinar el número de canales necesarios por celda (según su cobertura y la densidad de tráfico de cada píxel)

Prob. bloqueo CIR requerida

Añadir más bases (reducir radio)

Asignación de frecuencias

M canales disponibles Cálculo de la CIR en cada punto (cocanal y de canal adyacente) CIR satisfactoria

NO

SI Proceso completado MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

183

HANDOVER O TRASPASO DE LLAMADA (I) : es el procedimiento que permite mantener la continuidad de una llamada al efectuar un cambio de célula, cambiando el canal utilizado  Es un procedimiento automático, sin intervencion del usuario  Supone un requerimiento adicional de señalización  Consume un cierto tiempo, lo que implica que debe existir un cierto solapamiento en la cobertura de las celdas vecinas para evitar que la llamada caiga durante el proceso. – Cuanto más pequeñas sean las células más procesos de handover habrá, lo que implica más señalización: – Compromiso entre eficiencia y señalización – La sectorización también incrementa el número de handovers 


184

92

HANDOVER O TRASPASO DE LLAMADA (II) •El mecanismo de HANDOVER permite a los sistemas celulares garantizar la comunicación cuando un móvil se desplaza a lo largo de su zona de cobertura. •Cuando la calidad del enlace con la base de la célula en curso se hace insuficiente, se transfiere la comunicación del móvil a la base de una nueva célula (intercell Handover) o a otro canal de la misma base (intracell Handover) •Calidad del enlace: RSSI (Radio Signal Strength Indicator) BER Relación Señal-Interferencia (C/I) Distancia Tráfico


185

CRITERIOS PARA EJECUTAR UN HANDOVER

– Mala calidad – Distribución de tráfico

– Medidas móvil • Tasa de error • Nivel de potencia recibido • Nivel de potencia de las estaciones base colindantes

– Medidas estación base • Tasa de error • Nivel de potencia recibido • Avance temporal MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

186

93

TIPOS DE HANDOVER

– Decidido por la red – Asistido por el móvil – Controlado por el móvil

– Hard handover – Soft handover


187

HARD Y SOFT HANDOVER HARD HO BS1

BS2

Móvil conectado a BS1

SOFT HO


BS1

BS2


Móvil conectado a BS1 y BS2



188

94

HANDOVER BASADO EN RSSI (I)

BS2

BS1

Path loss (Nivel teórico) Fading lento (lognormal) Fading Rápido (Rayleigh) Los desvanecimientos falsean el momento más oportuno para la realización del Handover

Señal recibida de BS2

Señal recibida de BS1

Distancia desde BS1 a BS2 MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

189

HANDOVER BASADO EN RSSI (II) •Los algoritmos de Handover basados en RSSI tratan de minimizar el retraso en su ejecución y el número de ellos para evitar sobrecargas de señalización •Se mide el valor medio de la RSSI de la base en uso y de las vecinas y se procede a un handover siempre que se verifique:

Ynew_cell(n)>Ycurrent_cell(n)+H •Yi(n) corresponde al RSSI medidos en dB en la Base i-ésima promediado durante un cierto tiempo con objeto de eliminar las fluctuaciones del fading rápido y quedarnos con la potencia media local. •H es un nivel de Histéresis necesario para evitar continuos Handovers en el intervalo de transición entre bases •La elección de H responde al compromiso entre evitar continuos handovers a la vez que evitar retrasar en exceso el handover. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

190

95

MARGEN DE HISTÉRESIS x(d)=Y1- Y0 +H

Puntos de Inicio de Handover

d

0 Se produciría Handover si no fuera por H.

-H

Y 1(n )> Y 0(n)+H

B0

Y 0(m )> Y 1( m ) + H

B1

B0

B1

La elección de H resulta de un compromiso Mayor sea el valor de H mayor será el retardo en el inicio del handover (no deseable ya que se puede perder la llamada) y menor el número de handovers intermedios (no deseables ya que producen una sobrecarga de señalización) MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

191

BÚSQUEDA DE MÓVILES (PAGING) (I) Cuando existe una llamada entrante hacia un terminal en un sistema celular es preciso iniciar un período de búsqueda (paging) de dicho terminal dentro del sistema. Normalmente, la posición de un terminal no se conoce a nivel de célula sino a nivel de un conjunto de células ( área de localización), de modo que: - Los pagings se envían en todas las células del área de localización - Cada vez que un móvil cambia de área debe notificarlo al sistema


192

96

BÚSQUEDA DE MÓVILES (PAGING) (II) Tamaño óptimo del área de localización: Áreas pequeñas: Pocos mensajes de paging. Muchos procedimientos de actualización Áreas grandes: Muchos mensajes de paging. Pocos procedimientos de actualización

Señalización

Total

Pagings

Loc. Update

Opt. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

Nº celdas / área 193

1.6.- Radioenlaces


194

97

CONTENIDO

• • • • • • •

Introducción Estructura general de un radioenlace Planes de frecuencias Propagación en radioenlaces Ecuación del enlace Interferencias Calidad en radioenlaces


195

INTRODUCCIÓN • Radioenlace digital del servicio fijo: Sistema de radiocomunicaciones entre puntos fijos que proporciona una capacidad de transmisión digital con elevadas características de disponibilidad y de calidad • Características básicas: – – – –

Frecuencias: 1-40 GHz Transmisión duplex sobre radiocanales de dos frecuencias Propagación troposférica con visibilidad directa Constituido por estaciones terminales y repetidores intermedios

• Ventajas en relación a sistemas por cable: – – – –

Constitución rápida de circuitos de telecomunicación Menor inversión Facilidad de reparación Superación de obstáculos del terreno MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

196

98

ESTRUCTURA DE UN RADIOENLACE (I) TA

RP2

RP1 Vano 1

TB

Vano 2

Vano 3

TA, TB: Estaciones terminales A y B RP1, RP2: Estaciones repetidoras Vano: Sección de un radioenlace entre dos estaciones. La longitud típica de un vano es de hasta 30-60 km, dependiendo de la frecuencia Es posible hacer uso de reflectores pasivos en ciertos vanos. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

197

ESTRUCTURA DE UN RADIOENLACE (II)

MUX

TX RX

Supervisión

TA

f 1 f 2

RX

TX

TX

RX

Supervisión

RP1

f 2 f 1

RX

TX

TX

RX

Supervisión

f 1 f 2

RX TX

MUX

Supervisión

RP2

TB

Las estaciones se ubican en lugares convenientes y suelen estar desatendidas, con funcionamiento automático, lo que requiere el uso de técnicas de supervisión, control y telemando que utilizan canales de servicio. Para conseguir elevada disponibilidad se usan equipos de reserva que entran en funcionamiento en caso de fallos. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

198

99

PLANES DE FRECUENCIA Establecen las bandas de frecuencia y las capacidades de un radioenlace, especificando: - El número de radiocanales - Las separaciones entre frecuencias adyacentes, frecuencias extremas y bordes de banda. - Bandas de guarda - Frecuencias portadoras - Frecuencia central de la banda - Polarización - Ancho de banda


199

PLAN A DOS FRECUENCIAS 3 F1

2

F2 4

A

1 F1

F1

F2

F2 B

C

D

Tipos de interferencia: 1.- Interferencia sobrealcance (solución: A y D sin visibilidad y no alineadas) 2.- Filtro receptor (solución: filtro más selectivo e incrementar la separación entre frecuencias) 60-70 dB F1 F2 3 y 4.- Radiación por lóbulos de las antenas.(solución:plan a 4 frecuencias) MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

200

100

PLAN A CUATRO FRECUENCIAS

F3

F1 F2

F1 F2

F4


201

PROPAGACIÓN EN RADIOENLACES

• Problemas de propagación (atmosfera, tierra) : – – – –

Refracción Atenuación Difracción Reflexión

Pérdidas totales: LTOT ( dB) = Lbf ( dB) + Ldi ( dB) + Lll ( dB) + Lg ( dB) + Lde ( dB) Pérdida de espacio libre

Difracción por obstáculos

Atenuación por lluvia

Atenuación por gases y vapores atmosféricos


Pérdida por desenfoque de las antenas

202

101

PÉRDIDAS EN ESPACIO LIBRE λ ⎞ P R = PT G T G R ⎛⎜ ⎟ ⎝ 4 π d ⎠

2

P GT G R

= T

L bf

A partir de la expresión de la potencia recibida en condiciones de espacio libre se obtiene que las pérdidas son: L bf ( d B ) = 9 2 .5 + 2 0 lo g d ( k m ) + 2 0 lo g f (G H z )


203

DIFRACCIÓN POR OBSTÁCULOS • Teoría de la difracción de Fresnel-Kirchoff • obstáculos de dimensiones >>longitud de onda • atenuación respecto de la condición de espacio libre atenuación respecto E.L.

h>0

h=-0.6r1

0

d1

6

d2

12 1/ 2

⎡ 2 ⎛ 1 1 ⎞⎤ v = h ⎢ ⎜ + ⎟⎥ ⎣ λ ⎝ d1 d 2 ⎠ ⎦

= 2

h r 1

r n =

d d n λ 1 2 d 1 + d 2

24 -2 -1

0

1

2

3

υ= 2

h r 1

Ldi ( dB) = 6.9 + 20log ⎛⎜ ( v − 0.1) + 1 + v − 0.1⎞⎟ 2

⎝

⎠

La atenuación es despreciable si h<-0.6r 1 (condición de clearance o despeje) MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

204

102

PROPAGACIÓN TROPOSFÉRICA: REFRACCIÓN •

n = c/v n > 1 (troposfera). Depende de: humedad, presión atmosférica, temperatura... 1

• Si dn/dh >0 el rayo se aleja de la Tierra

2

• Si dn/dh=0 propagación en línea recta 3

• Si dn/dh <0 el rayo se acerca a la Tierra

•

Modificar la curvatura de la Tierra para que la propagación sea en línea recta Trayectoria real −1 Trayectoria ficticia ⎛ dn 1 ⎞ R ≡ KRo = ⎜ + ⎟ ⎝ dh Ro ⎠ Curvatura real Tierra

con: |K | ≥0,6 Atmósfera estándar K=4/3

Curvatura Ficticia Tierra


205

ALTURA DE LAS ANTENAS • Objectivo: minimizar los efectos de la refracción y la difracción y

x T R=KRo

Ecuación curvatura de la Tierra

R

x 2 y ≅ − 2 R

• Condición de diseño: 0.6 r 1

h

Hobs

h ≥ 0.6r 1 + Δ f + H obs =

= 0.6 λ

Δf d1

K=0.6 peor condición propagación

d 1d 2 d 1d 2 + + H d 2 Ro K obs

d2 MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

206

103

ATENUACIÓN POR GASES Y VAPORES ATMÓSFERICOS (I) En trayectos troposféricos las moléculas de oxígeno y de agua absorben energía electromagenética, produciendo una atenuación que puede ser muy alta a ciertas frecuencias. La atenuación se calcula a partir de la atenuación específica del oxígeno γo y del vapor de agua γh :

Lg ( dB) = ( γ o + γ h ) ( dB / m)·d ( m) Sólo es relevante a frecuencias superiores a 10 GHz El oxígeno presenta un pico de atenuación para 57 GHz, mientras que el vapor de agua tiene tres picos para 22 GHz, 183.3 GHz y 325.4 GHz, de acuerdo con las frecuencias de resonancia molecular.


207

ATENUACIÓN POR GASES Y VAPORES ATMÓSFERICOS (II)

10 ) m K / B 1 d ( a c i f í c e p s 0,1 e . t A

Presión atm.=1013,6mb T=20ºC 3 7,5 g/m de vapor de agua H2O O2

0,01 3

10

100

Frecuencia (GHz)


208

104

ATENUACIÓN POR LLUVIA (I) La atenuación por lluvia depende básicamente de la frecuencia y de la intensidad de lluvia. Empieza a ser importante a frecuencias mayores que 10 GHz. Se calcula como el producto de la atenuación específica por la longitud efectiva:

Lll (dB ) = γ LLUVIA [dB / km] ⋅ lef ,LLUVIA [km] γ LLUVIA (dB / km) = K ⋅ Rα Siendo R la intensidad de lluvia en mm/h y K y α unas constantes que dependen de la frecuencia, la polarización y el ángulo de elevación. Pueden aproximarse por: Longitud efectiva del vano (km): lef =

d d 1+ d o

d o = 35 ⋅ e−0.015R0.01

R0,01 : Intensidad de lluvia para el 0.01% del tiempo MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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ATENUACIÓN POR LLUVIA (II) Valores de K y α según la frecuencia y la polarización:

Frec (GHz) 10

K H

K V

αH

αV

0.0101

0.00887

1.276

1.264

15

0.0367

0.0335

1.154

1.128

20

0.0751

0.0691

1.099

1.065

25

0.124

0.113

1.061

1.030


210

105

ATENUACIÓN POR LLUVIA (III)

Atenuación específica de la lluvia LLUVIA


211

ATENUACIÓN POR LLUVIA (IV) Valores de R (intensidad de lluvia en mm/h) La intensidad de lluvia se caracteriza de forma probabilística. El CCIR definió 14 zonas climáticas caracterizadas por una estadística de lluvia:

El objetivo del diseñador consiste en calcular la atenuación debida a la lluvia que se supera con una determinada probabilidad (o porcentaje de tiempo). Así podemos calcular el margen de protección (o sobre- dimensionamiento de potencia) necesario para combatir la lluvia. MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

212

106

DESVANECIMIENTOS Variaciones del nivel de señal recibida respecto de la potencia media. a) Variaciones aleatorias, poco profundas, con distribución gaussiana (centelleo). No suelen producir efectos apreciables. b) Desvanecimientos lentos (gran duración: minutos/horas) - Por efecto de difracción: compensados con la elección adecuada de las alturas de las antenas - Por lluvia: Importantes para f>15 GHz. Se combaten imponiendo un límite a la longitud del vano - Estadística gaussiana - Profundidad: 3-10 dB

c) Desvanecimientos multitrayecto (corta duración: milisegundos) - Interferencia entre ondas que alcanzan el receptor siguiendo trayectos diferentes (reflexiones en el suelo y en capas estratificadas) - Pueden ser muy intensos (20-30 dB) y tienen carácter selectivo. - Probabilidad de aparición proporcional a f·dn - Se compensan mediante técnicas de diversidad y ecualización - Estadística Rayleigh o Rice MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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ECUACIÓN DEL ENLACE • Ecuación de Transmisión :

P R (dBm) = PT ( dBm) + GT ( dB) + GR ( dB ) − LTOT ( dB ) 4π

Ganancia antena: G = 2 S ef λ

Antena parabólica: G ≅ 5 ( D / λ ) 2

• Ruido: P N = K (T a + T eq )B = FKTo B • Margen de fading :

PT

P R (nominal) MARGEN DE FADING (protección frente a desvanecimientos) P Rm in = SN R m in FK T o B SN R m in

P N = FK T o B


214

107

INTERFERENCIAS • Enlace de un solo salto

Interferencia Externa ϕ

Señal útil

Interferencia Interna

• Interferencias externas ⇒ Afectadas por discriminación angular Da [ϕ ] • Interferencias internas ⇒ Afectadas por discriminación por polarización que depende de los desvanecimientos según Dp(dB)= Dp0-[Af (dB)/2] G

GANANCIA ANTENAS (por polarización directa y cruzada)

D po

copolar

Da

crospolar 100º

ϕ


215

RELACIÓN SEÑAL A INTERFERENCIA Hay desvanecimientos solamente en el tramo útil (peor caso) • Nivel señal útil

• Nivel señal interferente externo

P R (dBm) = PT (dBm) + GT ( dB) + GR ( dB ) − LTOT ( dB) − Af ( dB)

P I (dBm) = PTI (dBm) + GTI ( dB) + GRI ( dB ) − Da (ϕ ) − LT ,I ( dB) 2

• S/I Interferencias externas

2

⎛d ⎞ 1 ⎛ d ⎞ D (ϕ ) S P G G = T ⋅ T ⋅ R ⋅ Da (ϕ ) ⋅ ⎜ I ⎟ ⋅ ≅ ⎜ I ⎟ ⋅ a I Externa PTI GTI G RI Af ⎝ d ⎠ Af ⎝ d ⎠ Si antenas y equipos son iguales

• S/I Interferencias internas

S P G G D = T ⋅ T ⋅ R ⋅ p 0 I Interna PTI GTI G RI A f

2

≅

Dp0 A f

Si antenas y equipos son iguales MODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móviles J ordi Pérez Romero, Universitat Politècnicade Catalunya (UPC)

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Comunicaciones Moviles

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