Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE Y
ALGORITMOS DE DETECCIÓN DE
MÚLTIPLES USUARIOS EN TELEFONÍA
CELULAR: ANÁLISIS COMPARATIVO
Por:
Felix Amado
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Abril del 2008
TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE Y
ALGORITMOS DE DETECCIÓN DE
MÚLTIPLES USUARIOS EN TELEFONÍA
CELULAR: ANÁLISIS COMPARATIVO
Por:
Felix Amado
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Diego Castro
Profesor Guía
______________________________
Ing. Lucía Acuña
Profesor lector
______________________________
Ing. Víctor Chacón
Profesor lector
- ii -
Índice General
Nomenclatura.................................................................................................................. vii
Resumen ........................................................................................................................ viii
CAPÍTULO I .................................................................................................................... 1
Introducción.............................................................................................................................................1
Objetivos..................................................................................................................................................4
Objetivo general:.................................................................................................................................4
Objetivos específicos: .........................................................................................................................4
Metodología.............................................................................................................................................5
CAPÍTULO 1 ................................................................................................................... 6
1 Comunicaciones ........................................................................................................................................6
1.1 Espectro radioeléctrico ......................................................................................................................6
1.2 Telefonía vía radio.............................................................................................................................7
1.3 Sistemas de comunicaciones móviles ................................................................................................8
1.4 Sistemas celulares..............................................................................................................................9
CAPÍTULO 2 ................................................................................................................. 11
2 Fundamentos de la radiocomunicación ...................................................................................................11
2.1 Balance de potencia .........................................................................................................................11
2.2 Ruido ...............................................................................................................................................11
2.3 Interferencia.....................................................................................................................................13
2.4 Propagación .....................................................................................................................................13
2.6 Acceso múltiple ...............................................................................................................................16
2.6.1 Multiacceso aleatorio ...............................................................................................................16
2.7 Modulación......................................................................................................................................18
- iii -
2.7.1 Modulaciones Analógicas .................................................... 19¡Error! Marcador no definido.
2.7.2 Modulaciones digitales ............................................................................................................21
2.7.3 Demodulación ..........................................................................................................................23
2.8 Tráfico .............................................................................................................................................24
CAPÍTULO 3 ................................................................................................................. 25
3 Técnicas de acceso múltiple ........................................................................................ 25
3.1 Acceso múltiple por división de frecuencia (Freguency Division Multiple Access - FDMA) .........25
3.2 Acceso múltiple por división de tiempo (Time Division Multiple Access - TDMA) ........................28
3.3 Acceso múltiple por división de código (Code Division Multiple Access - CDMA) .......................32
3.3.1 Espectro expandido..................................................................................................................33
CAPÍTULO 4 ................................................................................................................. 36
4 Detección de múltiples usuarios .................................................................................. 36
4.1 Mínimo error cuadrático medio............................................................................ 37
4.2 Cancelación Sucesiva y Paralela .......................................................................... 40
4.3
Máxima Verosimilitud (MLS)........................................................................ 41
5
Conclusiones........................................................................................................... 43
6
Bibliografía............................................................................................................. 46
- iv -
Índice de tablas
CAPÍTULO 1
Tabla 1.1: Bandas reservadas para servicios móviles.[2] .................................................. 7
Tabla 1.2: Características importantes de diversos estándares empleados para
comunicaciones móviles.[2]............................................................................................... 8
CAPÍTULO 2
Tabla 2.1: Pérdidas en función de la distancia para diferentes frecuecias. [6] ................ 12
Tabla 2.2: Aplicaciones de las distintas técnicas de modulación. .................................. 23
-v-
Índice de figuras
CAPÍTULO 1
Figura 1.1: Red celular hexagonal.[9] ................................................................................ 9
CAPÍTULO 2
Figura 2.1: Pérdidas en función de la distancia para diferentes frecuecias. [6] ............... 12
Figura 2.2: Modulación AM.[10] ..................................................................................... 19
Figura 2.3: Modulación PM.[11] ...................................................................................... 20
Figura 2.4: Modulación de fase (FM).[12] ....................................................................... 20
Figura 2.5: Modulación ASK en el dominio del tiempo. [13] ........................................... 22
Figura 2.6: Modulación FSK en el dominio del tiempo. [14] ........................................... 22
Figura 2.7: Modulación PSK en el tiempo. [15] ............................................................... 23
CAPÍTULO 3
Figura 3.1: División de las frecuencias en FDMA.[16].................................................... 26
Figura 3.2: Caso ideal (izquierda) y caso real (derecha) de la distribución de las
frecuencias en FDMA. [6]................................................................................................ 27
Figura 3.3: Multiplexación de división de tiempo.......................................................... 28
Figura 3.4: Combinación de FDMA y TDMA.[16] ......................................................... 30
CAPÍTULO 4
Figura 4.1: Detector MMSE lineal para el canal sincrónico. ......................................... 38
Figura 4.2: Modelo de cancelación sucesiva.[18] ............................................................ 40
Figura 4.3: Modelo de cancelación paralela.[18] ............................................................. 41
- vi -
Nomenclatura
AM
Amplitude modulation: Modulación de amplitud
ASK
Amplitude-shift keying: Modulación por desplazamiento de amplitud
CDMA Code division multiple access: Acceso múltiple por división de códigos
FCC
Federal Communications Commission: Comisión federal de las comunicaciones
FDMA Frequency division multiple access: Acceso múltiple por división de frecuencia
FM
Frequency modulation: Modulación de frecuencia
FSK
Frequency-shift keying: Modulación por desplazamiento de frecuencia
GDMA Geographical division multiple access: Acceso múltiple por división geográfica
GMSK Gaussian minimum shift keying : Modulación por desplazamiento del mínimo
gaussiano
GSM
Global
System
for
Mobile
communications:
Sistema
global
para
comunicaciones móviles.
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers : Instituto de ingenieros
eléctricos y elelctrónicos
ISO
Organisation internationale de normalisation: Organización internacional de la
estandarización
ML
Máxima verosimilitud
MMSE Minimum mean-square error: Mínimo error cuadrático medio
OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing: Multiplexación por división de
frecuencia ortogonal
PIC
Parallel interference cancelation: Cancelación paralela del error
PM
Phase modulation: Modulación de fase
PSK
Phase-shift keying: Modulación por desplazamiento de fase
QPSK
Quadrature phase-shift keying: Es un caso especial del PSK
SIC
Sucesive interference cancelation: Cancelación sucesiva del error
TDMA Time division multiple access: Acceso múltiple por división de tiempo
UIT
Unión internacional de las telecomunicaciones
BER
Bit error rate: Tasa de error de bits.
- vii -
Resumen
En el presente informe se discuten los fundamentos de las comunicaciones
móviles, analizando los principales componentes de todo sistema de comunicación:
transmisor, receptor y canal (el cual en el caso de las redes de telefonía celular es el
aire).
Los conceptos básicos de los sistemas de comunicación móvil son los
principales factores a considerar a la hora de diseñar una red de telefonía celular,
algunos de estos son propagación de las señales, forma de las celdas, interferencia y
ruido. Es muy importante tener en cuenta las formas de interferencia y otros factores
que afectan negativamente las comunicaciones como la forma del terreno, las
condiciones atmosféricas, entre otras. Además de todas estas consideraciones, se debe
tener presente que el aire es un recurso limitado y por lo tanto para hacer un uso más
eficiente del mismo se comparte entre todos los usuarios, esto se logra gracias al uso de
técnicas de acceso múltiple.
Entre las principales técnicas de múltiple acceso se cuentan: FDMA, TDMA y
CDMA. La técnica de FDMA como lo dice su nombre (acceso múltiple por división de
frecuencia) toma el espectro de frecuencias y lo divide asignando a cada usuario una
banda de igual ancho de banda y con su respectiva frecuencia central, para realizar
transmisiones durante todo el tiempo que requiera hacer uso del canal, sin embargo se
presenta mucha interferencia en canales contiguos y por sí sola ha quedado obsoleta. En
TDMA (acceso múltiple por división de tiempo) el principio es similar, pero en este
caso se divide el tiempo y se asigna el canal cíclicamente por una porción de tiempo a
cada usuario, el cual puede transmitir a cualquier frecuencia, de forma que cuando el
último usuario termina de transmitir alguna parte de su mensaje, se concede el canal al
primer usuario y así de manera cíclica a una velocidad tal que el usuario sienta que tiene
uso pleno del canal, el principal problema que presenta esta técnica es la dificultad de
ampliar las redes pues para asegurar la calidad del servicio las tramas se pueden reducir
hasta cierto punto, además de que se debe mantener una estricta sincronía entre todos
los usuarios de la red, actualmente TDMA es utilizada en conjunto con FDMA en
tecnologías como la GSM. El CDMA (acceso múltiple por división de código) toma
señales ortogonales y las suma, los usuarios pueden transmitir a cualquier frecuencia y
durante todo el tiempo que requieran el canal pues la señales no interfieren las unas con
las otras, en este tipo de acceso múltiple a cada usuario se le asigna un código (esto de
- viii -
forma que las señales sean ortogonales y no interfieran), CDMA es la técnica utilizada
en las tecnologías emergentes pues es la que ofrece mayores anchos de banda y reúne
más aplicaciones.
Estas técnicas pueden ser utilizadas por si solas o pueden ser combinadas con el
fin de hacer un uso aún más eficiente del canal. La combinación de las técnicas de
acceso múltiple es la tendencia en las tecnologías emergentes, pues el crecimiento a
gran escala ha obligado a buscar la manera de optimizar todos los recursos.
Una vez que el mensaje ha sido transmitido, se presenta la necesidad de que este
alcance su destinatario, es aquí donde entran en juego las diferentes técnicas de
detección de múltiple usuario, las cuales son fundamentales a la hora de decodificar la
señal transmitida. Algunas de las más importantes son el mínimo error cuadrático
(MMSE) el cual se basa en el principio de los mínimos cuadrados, la cancelación
sucesiva y paralela (SIC/PIC) que toma un bit, determina si se trata de un error, y en
caso que lo sea cancela toda la transmisión en forma sucesiva o paralela, y finalmente
la técnica de máxima verosimilitud (ML), que toma la señal más probable a ser
transmitida.
- ix -
CAPÍTULO I
Introducción
Al hablar de técnicas de acceso múltiple y algoritmos de detección de múltiples
usuarios para telefonía celular es crucial comenzar por explicar qué es y cómo
funcionan las comunicaciones móviles.
Las telecomunicaciones o comunicaciones a distancia no hicieron debut en los
últimos años. Claro que en un inicio no tenían las mismas capacidades, ni mucho menos
la eficiencia ni la rapidez que los sistemas modernos; no obstante, los sistemas de
telecomunicación datan de la época de los griegos. Narra Pilobio, que en las
expediciones del rey Macedonio se utilizaba una codificación basada en señales de
antorchas y recipientes con agua como codificadores.
Más adelante los romanos implementaron un sistema basado en torres con
señales de luz; cuyo uso, junto con el de las señales de humo, se extendió durante gran
parte de la Edad Media. Posteriormente se introdujo el telégrafo óptico, el cual aún hoy
es utilizado en aplicaciones de la Marina. La primera red para la transmisión de este tipo
de mensajes fue construida poco tiempo después de que Claude Chappe fuera nombrado
en Francia ingeniero telegrafista en el año 1793. Entretanto, hacia el año 1795,
Francisco Salvá plantea un radiotelégrafo (sin cables) como una alternativa al telégrafo
óptico.
Cuando en 1820 Oersted descubrió el electromagnetismo, no pasó mucho tiempo
antes de que Schiling realizara una serie de pruebas que más tarde ayudarían a Morse a
iniciar el funcionamiento del telégrafo eléctrico a finales de los 1830s.
En 1876, accidentalmente se descubrió la telefonía eléctrica, un hecho que se le
atribuye a Alexander Gram Bell. Sin embargo, no fue sino hasta finales de la década
siguiente que ésta empezó a ser tomada en serio con el desarrollo de la conmutación
manual.
Basándose en las teorías de Maxwell, las cuales habían sido confirmadas por
Hertz anticipadamente, Marconi logró desarrollar hacia el año 1896 la telegrafía sin
alambres más de cien años después de que fuera planteada por primera vez.
-1-
Alrededor de sesenta años después de que el primer mensaje inalámbrico fuera
transmitido: en 1901 se transmitió una letra “s” en morse una distancia de 3500 km, la
compañía Bell Laboratories desarrolló el concepto de celular junto con la creación de
dispositivos de radiofrecuencia de estado sólido altamente confiables y pequeños. Con
el inicio de la década de 1980 se comenzaron a utilizar tecnologías FM de modulación
analógica diseñadas para llevar servicios de voz a partir de circuitos con un estrecho
ancho de banda, en esto constituía la tecnología de primera generación. La segunda
generación fue introducida a inicios de los años noventa con modulación digital que
ofrecía eficiencia espectral optimizada y calidad de voz, esta aún hoy es utilizada para
servicios de datos y de voz con ancho de banda limitado.
La tercera generación tecnológica, que aún se encuentra en la etapa de
desarrollo, ofrece mayores velocidades de transmisión de información. Esto permite la
integración de voz, datos y funciones multimedia a los dispositivos móviles
manteniendo los más estrictos cánones de calidad y disponibilidad. La cuarta generación
ya se vislumbra con velocidades de transmisión de hasta 1Gb/s.
En un mercado que crece a pasos agigantados, donde cada vez el consumidor se
vuelve más exigente en cuanto a calidad y rapidez, ha sido necesario buscar nuevas
formas con las cuales utilizando los mismos medios se logren mejores resultados, el
propósito de este proyecto es explicar cómo funcionan estas diferentes tecnologías
comparándolas y analizando sus principios de operación.
A diferencia de otras temáticas, en el área tecnológica es posible sentir los
cambios e incluso vivir transiciones en la manera en que se hacen las cosas. Es normal
que al recordar los dispositivos que se utilizaban hace escasos 2 ó 3 años para
comunicarse se encuentre que eran del doble del tamaño y la mitad de la capacidad, y es
difícil concebir como se existía en un mundo así. El continuo desarrollo de estas
tecnologías es posible gracias al arduo trabajo investigativo para su optimización, que
responde a la necesidad de comunicarnos de manera más rápida y eficiente.
En los últimos años ha sido especialmente perceptible el auge que han tenido las
tecnologías de comunicaciones móviles, la transición entre las diferentes generaciones
tecnológicas y la implementación de nuevas características. Todo esto facilitado por la
integración a gran escala y la miniaturización, que han convertido a la telefonía celular
en la más cómoda, económica, y funcional, y por ende, la más utilizada.
Al ser la telefonía celular la forma de telecomunicaciones más utilizada, surge
la necesidad de optimizar al máximo el uso de los recursos, los cuales por supuesto, son
-2-
limitados. La manera de lograr que la mayor cantidad de usuarios pueda acceder a un
canal es compartiendo el mismo, esto se coordina mediante técnicas de acceso múltiple.
Un acceso múltiple quiere decir que más de un usuario tiene acceso a un canal
de transmisión de datos (un cable, el aire, etc), para lograr esto se utilizan diferentes
técnicas que permiten que estos mensajes se puedan codificar y decodificar con la
menor interferencia entre ellos y con el ruido que se produce por las no idealidades que
se presenten a la hora de la transmisión. Al proceso de decodificación se le conoce
como algoritmos de detección, y este lo que hace es tomar los datos de interés de todos
los que se encuentran en un canal de acceso múltiple.
-3-
Objetivos
Objetivo general:
•
Realizar un análisis comparativo de las diferentes técnicas de acceso múltiple y
algoritmos de detección de múltiples usuarios en telefonía celular.
Objetivos específicos:
•
Estudiar los fundamentos de los sistemas de telefonía celular
•
Realizar una descripción detallada de las técnicas de acceso múltiple utilizadas
en la actualidad, tales como FDMA, TDMA, tiempo/frecuencia, acceso
aleatorio, CDMA.
•
Analizar las ventajas y desventajas de las técnicas de acceso múltiple descritas.
•
Realizar una descripción detallada de los algoritmos de detección de múltiples
usuarios utilizados en los receptores de sistemas de telefonía celular, tales como
Mínimo Error Cuadrático Medio (MMSE), Cancelación de Interferencia
Sucesiva (SIC), Cancelación de Interferencia Paralela (PIC) y detección de
Máxima Verosimilitud (ML)
•
Analizar las ventajas y desventajas de los algoritmos de detección de múltiples
usuarios descritos.
-4-
Metodología
El proyecto se define por medio de sus objetivos como un reporte descriptivo, el
cual tiene como fin discutir y comparar las técnicas de acceso múltiple y algoritmos de
detección de múltiples usuarios en las diferentes tecnologías celulares. Dada la
naturaleza del proyecto, el medio a través del cual se alcanzarán los objetivos
planteados será la investigación bibliográfica. Para esto se consultarán diferentes
fuentes tales como libros, artículos de revistas de la IEEE e Internet, y proyectos de
graduación anteriores que guarden relación con la temática. La información se
compilará y una vez compilada se procederá a elaborar un informe en el cual se
desarrollen los objetivos uno a uno. Al final se discutirán las conclusiones y se darán las
recomendaciones que se consideres pertinentes.
-5-
1 Comunicaciones
La historia de las comunicaciones se ha desarrollado de manera conjunta a la del
hombre, pues es algo tan intrínseco a las relaciones entre individuos que incluso en las
especies menores se presenta.
Para efectos de la investigación el enfoque se dará en las telecomunicaciones y
más específicamente en la radiocomunicación.
Las telecomunicaciones pueden ser definidas como la comunicación a distancia.
Dentro de estas, encontramos las radiocomunicaciones, las cuales son todas aquellas
que guardan relación con el espectro radioeléctrico, y más formalmente: son todo aquel
medio que transmite información de cualquier índole entre dos lugares alejados
físicamente haciendo uso de ondas electromagnéticas que se desplazan por el espacio.
Dentro de las radiocomunicaciones se encuentran las comunicaciones móviles, las
cuales son tema central del presente proyecto.
1.1 Espectro radioeléctrico
Para lograr un uso más eficiente de las frecuencias radioeléctricas se designa un
organismo que se encarga de distribuirlas de modo que se produzca la menor cantidad
de interferencia entre sistemas, este se conoce como regulador, algunos ejemplos son el
World Radio Conference, la Unión Internacional de las Telecomunicaciones (UIT), El
Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), la Comisión Federal de las
Comunicaciones (FCC) y la Organización Internacional de la Estandarización (ISO).
Para lograr el objetivo de minimizar las interferencias se reservan ciertas bandas para
aplicaciones específicas como servicios públicos, de emergencias, etc.
El espectro radioeléctrico son las frecuencias que pertenecen al espectro
utilizable para comunicaciones, estas se ven limitadas por interferencias y otros
factores. En general, su rango se encuentra entre los 9 kHz y los 50 GHz, llegando hasta
los 400 GHz en aplicaciones experimentales.
-6-
Tabla 1.1: Bandas reservadas para servicios móviles.[2]
Banda de
frecuencia
VHF baja
VHF alta
Banda III
Banda UHF
baja
Banda UHF
alta
Banda de 1 a 2
GHz
Frecuencia en
MHz
30
68
75,2
146
150,05
156,83
223
273
335,4
406,1
440
47
74,8
87,5
149,9
156,76
174
235
322
399,9
430
470
862
960
1429
1670
1700
1525
1990
2655
Aplicaciones
Sistemas de radiotelefonía privada (PMR)
Sistemas trunking (PMR)
Sistemas de telefonía inalámbrica y móvil
Nuevos sistemas móviles y PMR de corto
alcance como DCS, 1800, DECT y UMTS
Dentro de una zona geográfica solamente un servicio específico puede transmitir
o recibir información en un determinado rango de frecuencias. Para controlar esto cada
país debe designar un órgano encargado de la gestión, administración y control del
dominio público radioeléctrico.
1.2 Telefonía vía radio
Consiste en un acceso vía radio a los servicios telefónicos, puede ser de dos
tipos: telefonía celular (de gran cobertura) y los sistemas sin hilos (cordless, de
cobertura limitada). A pesar de que ambos utilizan los espectros de radio frecuencia
como principio de funcionamiento, sus usos varían, a continuación una tabla que
explica los estándares utilizados en comunicaciones móviles.
-7-
Tabla 1.2: Características importantes de diversos estándares empleados para comunicaciones móviles.[2]
CT-2
CT-3
DECT
DAMPS
GSM
PCN /
DCS1800
JDC
MODULACIÓN
GFSK
GMSK
GMSK
DQJPSK
GMSK
GMSK
DQPSK
FRECUENCIA
(MHz)
864-868
862-866
18801900
824-849
869-894
890-915
935-960
1710-1785
1805-1855
810-826
940-956
1429-1513
MÉTODO DE
ACCESO
CANALIZACIÓN
(kHz)
NÚMERO DE
FRECUENCIAS
CANALES POR
PORTADORA
FDMA/
TDD
TDMA/ TDMA/T TDMA/F
TDD
DD
DD
TDMA/
FDD
TDMA/ FDD
TDMA/
FDD
CODIFICACIÓN
VOZ (kbit/s)
ADPCM
32
RADIO DE LAS
CÉLULAS (km)
VELOCIDAD DE
TRANSMISIÓN
(kbit/s)
100
1000
1728
30
200
200
25
40
4
10
832
124
374
1600
1
8
12
3
8(16)
8(16)
3
ADPCM
ADPCM
VSELP 8 RPE-LPT 13 RPE-LPT 13
DE
32
16/32
VSELP 8
0-0,5
0-0,5
0-0,3
0,5-20
0,5-35
0,2-7
0,5-20
72
640
1152
48,6
22,8
22,8
42
1.3 Sistemas de comunicaciones móviles
La comunicación móvil consiste en la conexión de usuarios que no mantienen
ninguna conexión física entre sí. Existen dos tipos: la analógica (introducida en 1982) y
la digital. El término celular proviene del hecho de que el dimensionamiento es celular,
esto es a través de hexágonos regulares.
Los componentes de un sistema de comunicaciones móviles son:
•
Estaciones fijas: Como su nombre lo dice, se encuentran estáticas en un punto.
Algunos ejemplos son las estaciones de base, las repetidoras y las de control.
•
Estaciones móviles: son aquellas estaciones radioeléctricas que se prevén para
un uso en movimiento. Por ejemplo los dispositivos móviles (celulares) y todos
aquellos que se encuentran a bordo de vehículos.
•
Equipos de control: Son los que se encargan del tráfico y el manejo de las
llamadas, así como de llevar los mensajes al correcto destinatario.
-8-
Figura 1.1: Red celular hexagonal.[9]
Un sistema celular reutiliza las frecuencias con el fin de poder realizar más
llamadas que el número de frecuencias en uso. Qué tantas llamadas más se pueden
realizar depende de factores como la cantidad de celdas en que se haya dividido el
espacio geográfico. Esta estructura facilita el estudio de la reutilización de canales,
interferencia, asignación de canales y dimensionamiento de estaciones. Además si la
demanda crece, se puede seguir alimentando con la misma estación base y las mismas
antenas directivas por medio de una sectorización.
1.4 Sistemas celulares
Consisten en una división del territorio en células de servicio, en la cual una
estación de radio restringe su cobertura tomando en cuenta el alcance limitado de la
propagación de las ondas de radio frecuencias elevadas, para poder reutilizar el espectro
de frecuencias sin dejar a un lado las posibles interferencias entre células. Esto,
buscando eliminar las zonas de sombra, las cuales son los sectores que no poseen
cobertura por parte de ninguna célula. Se define la cobertura como el entorno de una
estación base en el cual se halla disponible una señal que supere el umbral mínimo para
el funcionamiento.
Los patrones de división en celdas se denominan caustros, y por medio de ellos
se logra incrementar la cantidad de usuarios pues no es necesario reservar una
frecuencia por usuario tal y como sucede en el canal de acceso múltiple.
La división hexagonal del terreno (que debido a las características de los mismos
difícilmente se presenta) se da debido a que de este modo, por las características
-9-
geométricas, se minimizan los handovers, esto es cuando una llamada se transfiere de
una celda a otro sin la interrupción del servicio. Además la potencia de las antenas se
considera óptima en la franja de 60°, por lo que se necesitan seis antenas por estación
para cubrir una célula.
- 10 -
2 Fundamentos de la radiocomunicación
Algunos conceptos que se deben tener claros a la hora de referirse a las
radiocomunicaciones son: balance de potencia, ruido, interferencia, propagación, acceso
múltiple, modulación y tráfico.
2.1 Balance de potencia
Lo que hace básicamente es tomar el factor de ganancia (la potencia de la señal
transmitida) y el de pérdida (la diferencia entre la potencia de la señal transmitida y la
de la recibida) de un enlace de cualquier tipo para determinar si cumple los
requerimientos mínimos de señal del receptor, es un índice de la calidad de la
comunicación que trata de medir la calidad. La cual, si bien depende de gran cantidad
de parámetros del sistema, se condiciona primeramente por la modulación que se utilice
y en segundo lugar por la relación entre la potencia deseada y la no deseada (ruido,
interferencias, distorsiones, entre otros).
2.2 Ruido
Desde el punto de vista de las comunicaciones, el ruido puede ser considerado
como cualquier perturbación a la cual la forma de onda de la señal original es sometida,
así como toda otra señal que se mezcle con la señal deseada, y que al encontrarse en la
misma banda de frecuencia, altera la recepción de forma palpable.
El ruido es un concepto al que hay que prestarle especial atención, teniendo en
cuenta que aparece de forma inevitable en todos los sistemas reales imponiendo
limitaciones.
Este determina una de dos magnitudes que deben ser tomadas en cuenta a la hora
de diseñar cualquier sistema de telecomunicaciones: la relación señal a ruido (que
guarda más relación con sistemas analógicos), y la relación señal a interferencia (la cual
es más tomada en cuenta para los sistemas más nuevos).
- 11 -
Tabla 2.1: Pérdidas en función de la distancia para diferentes frecuecias. [6]
f (MHz)
150
450 900
d (km)
1500 2400 3400 8000 15000 26000 38000
Pérdidas en el espacio libre (dB)
5,0
89,9
99,5
105,5
109,9
114,0
117,1
124,5
129,9
134,7
138,0
10,0
96,0
105,5
111,5
116,0
120,0
123,1
130,5
136,0
140,7
144,0
20,0
102,0
111,5
117,5
122,0
126,1
129,1
136,5
142,0
146,8
150,1
30,0
105,5
115,0
121,1
125,5
129,6
132,6
140,0
145,5
150,3
153,6
40,0
108,0
117,5
123,6
128,0
132,1
135,1
142,5
148,0
152,8
156,1
50,0
109,9
119,5
125,5
129,9
134,0
137,1
144,5
149,9
154,7
158,0
60,0
111,5
121,1
127,1
1314
135,6
138,6
146,1
151,5
156,3
159,6
70,0
112,9
122,4
128,4
132,9
136,9
140,0
147,4
152,9
157,6
160,9
80,0
114,0
123,6
129,6
134,0
138,1
141,1
148,6
154,0
158,8
162,1
90,0
115,0
124,6
130,6
135,0
139,1
142,2
149,6
155,0
159,8
163,1
100,0
116,0
125,5
131,5
136,0
140,0
143,1
150,5
156,0
160,7
164,0
Figura 2.1: Pérdidas en función de la distancia para diferentes frecuecias. [6]
Existen diferentes clasificaciones para el ruido dependiendo del tipo de
perturbación que se tenga. El ruido impulsivo se refiere a impulsos breves y aleatorios
de amplitud variable como por ejemplo cuando se enciende un motor o una bombilla. El
ruido de cuantificación se da en sistemas digitales al convertir una señal analógica a
tiempo discreto, esto debido a que la cantidad de valores disponibles que puede tomar la
señal es finita. Cuando los electrones de un conductor sufren una agitación térmica que
perturba el material se habla de ruido térmico, este esta presente en todo cuerpo cuya
temperatura sea superior a los 0 K de manera proporcional a la temperatura.
- 12 -
Algunas de las principales fuentes de ruido son la radiación producto de un rayo,
la radiación de una máquina eléctrica, equipo electrónico, líneas de transmisión y
sistemas de encendido. También las emisiones de hidrometeoros y gases atmosféricos,
el ruido de obstáculos en las ondas de las antenas y el ruido que se origina de las fuentes
radioeléctricas celestes.
2.3 Interferencia
Determina la relación señal a interferencia de un sistema, una característica que
cada vez es más importante en los dispositivos modernos. La interferencia
electromagnética se puede definir como la suma de las señales de radiofrecuencia
indeseadas que son recibidas por algún dispositivo del sistema degradando su
sensibilidad.
Existen dos tipos de interferencia: cocanal y de canal adyacente. La interferencia
cocanal es aquella que se da en el canal de interés, esta puede ser controlada por medio
del efecto captura, el cual se da cuando una señal de mayor potencia absorbe otra
impidiendo que la segunda sea recibida. El caso de la interferencia de canal adyacente o
fuera de banda se da cuando una señal con la suficiente potencia, pero que no pertenece
al canal de interés sino a uno cercano, genera una señal de ruido que interfiere con la
original. En el caso de las telecomunicaciones se presentan ambos tipos de
interferencias, y son un factor que hay que controlar recelosamente para asegurar que no
se excedan los máximos valores en la relación de señal a interferencia.
2.4 Propagación
El término de propagación dentro del contexto de la ingeniería de
comunicaciones se refiere a una señal que viaja de un punto a otro. Se dice que la señal
se propaga del transmisor al receptor, y es el principio de todos los sistemas de radio
además de ser uno de los limitantes para el tamaño de las celdas. Existen muchas formas
de propagación y por lo general estas se pueden complicar mucho. Sin embargo es
- 13 -
importante mencionar las siguientes debido a que en el entorno móvil entran en juego
de manera casi simultánea:
•
Difracción: se presenta cuando un obstáculo opaco de dimensiones bastante
mayores que la longitud de onda de la señal transmitida, aparece en el espacio
físico entre el transmisor y el receptor. Es debido a la difracción que aún si
ambas partes no se encuentran en contacto óptico, el mensaje pueda ser
entregado.
•
Scattering o esparcimiento: se trata de un caso especial de la difracción cuando
el objeto que obstaculiza posee dimensiones cercanas a las de la longitud de
onda incidente. En este caso, la difracción se da en más direcciones que en el
caso anterior.
•
Reflexión: se da cuando la señal choca contra un objeto con dimensiones mucho
más grandes a las de la longitud de onda transmitida. Esta al sumarse con la
original genera más de un trayecto para las señales, las cuales se superponen y se
suman teniendo en cuenta el ángulo de fase. Esto puede inestabilizar la señal, ya
que la misma puede tomar valores menores o mayores que los de la onda
original.
•
Transmisión: si se da el caso de que las ondas pueden penetrar en forma parcial
el material que obstaculiza, se está en presencia de un caso de transmisión. Por
ejemplo cuando se recibe una llamada de una fuente externa estando uno en el
interior de un edificio.
•
Refracción: al igual que todo medio, la atmósfera posee un índice de refracción.
Sin embargo, este no permanece constante debido a diferentes factores, como la
temperatura y composición variable de la misma. La luz, y cualquier otra onda
electromagnética no se propaga en línea recta, sino que sufre de los efectos de
este índice de refracción cambiante que la desvían de su trayectoria original.
En términos de propagación, todo sistema de comunicación móvil se diferencia del
resto de los sistemas de comunicación en tres aspectos fundamentales que son:
•
La cobertura en torno a la fuente de la señal: contrario al caso de la
comunicación punto a punto, en los sistemas móviles, se procura que las
comunicaciones se puedan dar en zonas concretas y extensas, y por lo tanto se
- 14 -
requieren predicciones de la señal recibida en cualquier punto para asegurar
cierta calidad de servicio.
•
El hecho que existan más de un trayecto entre el transmisor y el receptor debido
a la posibilidad de que se presenten obstáculos físicos que causen reflexión,
difracción o refracción con réplicas de la señas de origen.
•
Debido a cambios en las trayectorias que unen la estación transmisora con el
dispositivo móvil, la potencia recibida siempre es un valor cambiante.
Para determinar las situaciones a las que se pueden enfrentar los usuarios, se
realizan acciones como:
•
La parametrización y caracterización del canal móvil en banda estrecha, esto con
el fin de calcular el valor base de la pérdida de propagación entre el transmisor y
el receptor en la zona en cuestión. Las pérdidas se pueden clasificar en tres tipos
generalmente: por espacio libre, por presencia de obstáculos y por el terreno
circundante al receptor.
•
La parametrización y caracterización del canal móvil en banda ancha, la
necesidad surgió como respuesta a los siempre crecientes volúmenes y
velocidades de transmisión que demandan las nuevas tecnologías. Todo esto se
ve afectado por la propagación multitrayecto, que cobra importancia en paisajes
escarpados y en zonas urbanas cercanas al dispositivo móvil.
•
Diseño y preparación de modelos de simulación de los canales en estudio, algo
imprescindible a la hora de crear cualquier sistema real. Se deben realizar las
pruebas piloto para determinar las coberturas teóricas y las tasas de errores. Su
fin principal es evaluar las pérdidas por propagación y los efectos del
multitrayecto.
•
Recolección de medidas radioeléctricas de campo y potencia, tiene como fin la
validación de los modelos, se pretende comparar los valores prácticos con los
experimentales para lograr así hacer cada vez modelos más precisos.
- 15 -
2.6 Acceso múltiple
Una particularidad de los sistemas móviles es que pueden utilizar los recursos en
forma no exclusiva. La idea de permitir la transmisión de información por parte de
varios transmisores de forma simultánea data de 1873 cuando Edison creo el diplexor,
el cual permitía que dos menajes telegráficos fueran llevados por la misma línea: uno
codificado por cambios de polaridad y otro por cambios del valor absoluto.
2.6.1 Multiacceso aleatorio
Dentro de nuestro contexto, en las comunicaciones móviles (donde no se cuenta
con hilos), el canal de transmisión es el aire. El cual es dividido en canales físicos para
permitir el acceso de los usuarios, los cuales no son más que las fuentes de los mensajes
en un canal de acceso múltiple. Una vez establecidos los canales físicos se crean los
canales lógicos, los cuales son los accesos que se conceden a los usuarios para hacer uso
del recurso.
El multiacceso aleatorio es una de las formas de lograr compartir un canal de
forma dinámica. Cuando un usuario tiene un paquete para transmitir (mensaje) lo envía
como si nadie más usara el canal. Si es así, el mensaje es recibido exitosamente, sin
embargo los usuarios están descoordinados y existe la posibilidad de que el mensaje
interfiera en tiempo y frecuencia con otra transmisión. De ser así, el receptor no puede
demodular de forma confiable mensajes simultáneos, por lo tanto se notifica al
transmisor que ha ocurrido una colisión y el mensaje debe ser retransmitido.
Para evitar que la colisión se repita indefinidamente al retransmitirse el mensaje
se utilizan retardos, los cuales son definidos por distintos algoritmos que son la
característica distintiva de los diferentes sistemas de comunicación de acceso aleatorio.
El primero de estos sistemas era para un canal de radio y se llamó ALOHA, este
fue introducido en 1969. Más adelante en los años setentas y ochentas se logró un
mayor desarrollo con sistemas como Polling en el cual se evitan transmisiones
simultaneas al hacer que el receptor consulte con los transmisores si tienen algo que
enviar. En general, estos sistemas se ajustan mejor a redes no muy conglomeradas.
Las principales técnicas de acceso aleatorio son:
•
FDMA: Frequency Division Multiple Access, o acceso multiple por
division de frecuencia, funciona asignando diferentes anchos de banda en
- 16 -
el espectro de las frecuencias de manera que se transmite de forma
simultánea pero a diferentes frecuencias.
•
TDMA: Time Division Multiple Access, o acceso multiple por division de
tiempo, funciona de forma similar que el primer caso pero asigna
diferentes intervalos de tiempo en vez de los espectros de frecuencia, de
forma que los usuarios transmiten a la misma frecuencia pero en
instantes tiempos diferentes.
•
CDMA: Code division Multiple Access, o acceso múltiple por división de
código, funciona dando a cada usuario un código diferente que es
ortogonal respecto a los códigos de los demás usuarios. La transmisión se
realiza simultáneamente y con la misma frecuencia, pero cada quien con
una codificación específica.
•
GDMA: Geographical Division Multiple Access, o acceso múltiple por
separación geográfica, funciona separando los usuarios en espacios
geográficos de manera que la interferencia sea mínima y se pueda hacer
un uso máximo del canal. Es lo que se conoce como la planificación
celular.
Con el constante desarrollo de las comunicaciones, es probable que vayamos
viendo como aparecen nuevas técnicas, además de las ya usadas combinaciones entre
ellas, un ejemplo es el acceso aleatorio por modulación de impulsos de salto temporal
que será discutido brevemente en el próximo capítulo.
Una característica común en la comunicación multicanal es que el receptor
obtiene una señal ruidosa producto de la superposición de las ondas transmitidas. Este
efecto, por lo general no intencional, se debe a no idealidades de los sistemas, por
ejemplo el crosstalk en telefonía. Y se pueden dar dos casos: comunicación multipunto
a punto, en donde varios transmisores envían el mensaje a uno o varios receptores (por
ejemplo la comunicación celular); y la comunicación punto a multipunto, en donde un
mismo mensaje es llevado a muchos receptores (por ejemplo la televisión por cable).
- 17 -
2.7 Modulación
Tiene una vital importancia a la hora de hacer un uso eficiente del canal.
Básicamente toma una señal, denominada modulada, y afecta sus características de
acuerdo a otra, denominada señal moduladora, para que la segunda transporte la
información de interés. Entre los fines de la modulación se puede contar:
•
Reutilización del medio de transmisión, lo cual se logra por medio de las
técnicas de acceso múltiple en frecuencia y de código. Hace posible que más de
un usuario pueda transmitir de forma simultánea.
•
Adapta una señal al medio en el cual va a ser transmitida, dependiendo de las
características de frecuencia y alrededores, la señal variará.
•
Mayores velocidades de transmisión o mayor robustez de propagación como
producto de la creación de las nuevas formas de onda.
La modulación puede ser de dos tipos: digital y analógica, y puede modular
aspectos como amplitud (por ejemplo la modulación AM), frecuencia (FM) y fase
(PM). Algunos aspectos que diferencian los tipos de modulación son:
•
Facilidad de detección (demodulación), que tan fácil es para el receptor
del mensaje decodificar la señal obtenida para restituir el mensaje.
•
Robustez frente a ruidos e interferencias, esto se encuentra ampliamente
relacionado con los alcances en distancia y con la calidad del sistema.
•
Potencia requerida para la transmisión, es la suma de las potencias
consumidas por los equipos.
•
Ancho de banda ocupado, lo cual guarda una relación con la eficiencia
espectral de los sistemas.
Como en muchas otras aplicaciones para fortalecer un área del sistema se debe
sacrificar otra, es por esto que los sistemas de modulación se clasifican según sea el
caso como sistemas eficientes en ancho de banda (como los sistemas terrestres de
microondas), potencia (como los sistemas móviles) o coste (como en los sistemas
instalados en satélites).
- 18 -
2.7.1 Modulaciones Analógicas
El tipo de modulación que se utiliza guarda una estrecha relación con la técnica
de acceso múltiple en cuestión. En los sistemas FDMA se utilizan modulaciones
analógicas, mientras que en los sistemas TDMA y CDMA se utilizan las modulaciones
digitales. A continuación las principales técnicas de modulación de señales analógicas:
•
Modulación de amplitud (AM): Modifica la amplitud de la señal portadora de
acuerdo a otra denominada moduladora, la cual es la encargada de transportar la
información.
Figura 2.2: Modulación AM.[10]
•
Modulación de fase (PM): Varía la fase de la señal modulada de acuerdo a lo
pautado por la señal moduladora. Sin embargo debido a que su demodulación es
mucho más compleja que la de su contraparte, la modulación de fase (FM), no
es utilizada tan ampliamente. La figura 4 muestra como es que se lleva a cabo
esto, en donde la onda roja es la moduladora, la verde la portadora y la azul es la
señal modulada.
- 19 -
Figura 2.3: Modulación PM.[11]
•
Modulación de frecuencia: su funcionamiento se basa en variaciones de
frecuencia de la señal portadora según el comportamiento de la moduladora.
Figura 2.4: Modulación de fase (FM).[12]
- 20 -
2.7.2 Modulaciones digitales
Como se ha visto a lo largo del proyecto la tendencia de todos los sistemas es
hacia la digitalización. Como no tienen mucho sentido tomar una señal digital y
convertirla en analógica para su transmisión se desarrollaron técnicas para la
modulación de señales digitales. Para llegar tal punto es fundamental que se cumpla
con:
•
Una alta eficiencia espectral, o sea se debe poder transmitir una gran cantidad de
bits por segundo en el mínimo ancho de banda (Hz).
•
Una baja radiación en los canales adyacentes, se debe concentrar la energía en el
canal que se esta usando atenuando la señal de 60 a 80 dB en los canales
circundantes.
•
Buscar continuidad de fase, esto pues al no presentarse transiciones de fase
severas, los anchos de banda se mantienen no se elevan trayendo así mejor
eficiencia espectral.
•
Buscar una envolvente constante en la señal modulada, de esta forma se pueden
utilizar etapas amplificadoras de alto rendimiento, las cuales traerían productos
de intermodulación no deseados de trabajarse con una envolvente no constante.
•
Contar con una buena detección de los estados, los datos son binarios por lo
tanto es sumamente importante poder diferenciar a cualquier potencia a la que se
trabaje, todo 1 de todo 0.
•
Los circuitos moduladores y demoduladores deben ser sencillos, de esta forma
se reducen los costos de producción, y al llegar al mercado, los dispositivos
tendrán costos accesibles
Las principales técnicas que cumplen con estos aspectos es nombrarán a
continuación:
•
Modulación de amplitud (ASK Amplitud Shift Keying): al igual que en el caso
analógico, la modulación digital de amplitud varía una señal portadora en
amplitud de acuerdo al comportamiento de una señal moduladora.
- 21 -
Figura 2.5: Modulación ASK en el dominio del tiempo. [13]
•
Modulación de frecuencia (FSK o Frequency Shift Keying): es básicamente lo
mismo que su homóloga analógica, y fue utilizada ampliamente hasta tiempos
recientes como técnica de modulación para señales digitales. En la figura 7 se
puede observar su funcionamiento.
Figura 2.6: Modulación FSK en el dominio del tiempo. [14]
•
Modulación de fase (PSK o Phase Short Keying): funciona bajo el mismo
concepto que las modulaciones de fase de señales analógicas, la señal modulada
es transportada en fase con la señal moduladora.
- 22 -
Figura 2.7: Modulación PSK en el tiempo. [15]
Además de las técnicas de modulación digital mencionadas existen otras como
modulación MSK gaussiana (GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying), modulación
QPSK desplazada, modulacion QPSK diferencial, modulación de amplitud en
cuadratura, modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), que por
no ser tema del proyecto solamente serán mencionadas. Sin embargo, en la tabla 4 se
puede apreciar los distintos usos que tienen.
Tabla 2.2: Aplicaciones de las distintas técnicas de modulación.
Modulación
Aplicación
FSK.
MSK, GMSK
BPSK
QPSK, rr'4DQPSK
8 PSK
DECT, Sistemas de radiobúsqueda, AMPS, CT2, ERMES, Sistemas PMR
GSM
Telemetría de espacio profundo, módems de cable
Comunicaciones satélite. NADC, TETRA, PDC, Sistemas LMDS, DVB-S
(Digital Video Broadcasting-Satellite), cable módems, TFTS
Comunicaciones satélite, Sistemas de telemetría
Sistemas digitales de radioenlaces terrestre, DVB-C (Digital Video Broadcasting-Cable), DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial)
Sistemas digitales de radioenlaces terrestre, DVB-T
DVB-C, módems, set top boxes de difusión, Sistemas MMDS
Módems, DVB-C (Europa)
16QAM
32 QAM
64QAM
256 QAM
2.7.3 Demodulación
El fin de la comunicación es transmitir un mensaje de un emisor a un receptor,
es por esto que una vez modulado y enviado un mensaje, este debe ser demodulado para
poder ser interpretado por el receptor. Es aquí donde entran en juego las técnicas de
- 23 -
demodulación en conjunto con una serie de factores como la calidad de los datos (la
probabilidad de cometer errores).
2.8 Tráfico
Trata de lograr que la comunicación se de con la mejor calidad posible haciendo
uso de la mínima cantidad de recursos. Es especialmente importante dimensionar la
interfaz de radio, y en concreto, el número de canales físicos a invertir a la hora de dar
un servicio de una calidad específica a los usuarios de un sistema de comunicaciones
móviles.
- 24 -
3 Técnicas de acceso múltiple
3.1 Acceso múltiple por división de frecuencia (Freguency Division
Multiple Access - FDMA)
Desde inicios del siglo XX, la modulación de radio frecuencia permitió la
coexistencia sin interferencia de varias señales en un mismo canal (FM). Este principio
es el que se utiliza para asignar ciertas bandas del espectro a diferentes aplicaciones
como las transmisiones televisivas, las radiodifusiones, la telefonía móvil analógica, los
radioenlaces, etc. El mismo principio fue aplicado en telefonía de larga distancia con
FDMA (multiplexación o acceso múltiple por división de frecuencia por sus siglas en
inglés), la cual asignaba a cada usuario una frecuencia de transmisión de tal manera que
no se traslaparan. La demodulación se lograba mediante la aplicación de filtros pasa
banda.
En FDMA, el volumen espectral disponible o ancho de banda es dividido en un
grupo de canalizaciones de banda estrecha también conocidas como radiocanales o
portadoras (las cuales por lo general tienen un ancho de banda de alrededor de 25 kHz),
tal y como se muestra en la figura 9, cada una con una frecuencia central y separadas de
forma homogénea una de otra, éstas serán asignadas una por usuario. La técnica se
utiliza especialmente en modulaciones analógicas, sobre todo en FM, y su aplicación
continúa en la era de la digitalización pues se ha logrado combinar con el TDMA para
modulaciones digitales. La configuración del FDMA misma será diferente según nos
refiramos a los canales ascendente o descendente.
- 25 -
Figura 3.1: División de las frecuencias en FDMA.[16]
El enlace ascendente es aquel donde el usuario centra su información en un canal
concreto, el cual es asignado por el sistema a través de la selección en su transmisor de
la frecuencia correcta. En el enlace descendente por otro lado, la red distribuye una serie
de canales para que los receptores se sintonicen por medio de un filtro pasa banda la
frecuencia de interés.
Las principales características del FDMA son:
•
Los usuarios disponen de la totalidad del tiempo para establecer su
comunicación, lo cual supone un uso ineficiente del espectro, pues al tratarse de
un recurso limitado, de crecer mucho la demanda, se acabarían las frecuencias
asignables.
•
Es válido tanto para modulaciones digitales como para sus homólogas
analógicas.
•
En estado puro presenta limitaciones a modulaciones analógicas que le impiden
incorporar aplicaciones de distinta naturaleza.
•
Está limitada en la inclusión de señales e información para mejorar la calidad de
una llamada,
•
Una larga trayectoria de más de cien años que comprueba su tecnología.
•
Facilidad conceptual en la operación de los sistemas y en la fabricación de los
equipos.
•
Posee estructuras para la combinación de potencia complejas en las estaciones
base con el fin de aprovechar los sistemas radiantes.
- 26 -
•
Se presentan inconvenientes en los límites entre canales para que la información
no produzca interferencias.
•
Se puede intermodular en elementos no lineales con canales bastante vecinos. La
intermodulación se expresa en decibelios (dB) y se calcula midiendo la
distorsión del equipo a partir de dos ondas sinusoidales diferentes, además se
mide la diferencia entre ambas en dB.
Uno de los principales problemas que surgen con el uso de la técnica FDMA es
que el espectro no se divide de forma ideal como se muestra en la figura 10, sino que se
da una interferencia entre bandas continuas, la ilustrada en la figura 10 pertenece a un
sistema GSM.
Figura 3.2: Caso ideal (izquierda) y caso real (derecha) de la distribución de las frecuencias en FDMA. [6]
Otro problema que se presentó con las técnicas FDMA fue que en la estación
base cada canal requería de un amplificador de potencia individual antes de atravesar un
combinador de alta potencia muy caro que después transmitía por medio de una antena.
Sería posible combinar las señales antes de amplificarlas, si el dispositivo que hace esto
fuera altamente lineal, lastimosamente este tipo de amplificador sería extremadamente
caro, además se daría un uso muy ineficiente de la potencia, razones por las cuales los
costos no serían justificables en términos de los beneficios.
Actualmente las técnicas FDMA por sí solas han quedado obsoletas, su uso
prevalece gracias a que es utilizada en combinación con TDMA en sistemas como
TETRA, DECT y GSM, este último es el que se encuentra actualmente en vigencia en
nuestro país. Sistemas como PMR y los analógicos AMPS y TACS son algunos de los
ejemplos que usaron la técnica FDMA por sí sola.
- 27 -
3.2 Acceso múltiple por división de tiempo (Time Division Multiple Access
- TDMA)
En la multiplexación por división de tiempo, un periodo es fragmentado en
lapsos asignados a cada cadena digital entrante de forma rotativa (ver figura 9). La
demultiplexación se logra intercambiando la señal con la tasa adecuada (lo cual
predispone que se trabaje a una frecuencia constante), la forma de hacer esto es dando
acceso al usuario 1 por un tiempo determinado, tras lo cual el acceso es transferido al
usuario 2 y se repite cíclicamente hasta retornar al primer usuario. Este tipo de
multiplexación es utilizada por usuarios geográficamente distantes con la capacidad de
mantener sincronía temporal en la conocida TDMA (acceso múltiple por división de
tiempos), la cual se diferencia de FDMA precisamente en el hecho de que los usuarios
tienen que estar sincronizados en el tiempo.
Usuario 1 Usuario 2 Usuario 3 Usuario 1 Usuario 2 Usuario 3 Usuario 1
Figura 3.3: Multiplexación de división de tiempo.
El ancho de banda disponible para un usuario de una tecnología GSM con
técnicas de acceso aleatorio TDMA es de alrededor de 200 kHz, el numero de usuarios
simultáneos por canal es de 8, esto quiere decir que cada 4.6 ms el usuario podrá
transmitir por el canal durante un periodo de 577 ms.
Un usuario de TDMA tendrá la impresión de siempre tener disponible el recurso
del canal, sin embargo lo que en realidad sucede es que se da una alternación entre
varios usuarios a una velocidad tal que sea imperceptible para el usuario. Es aquí donde
surge la necesidad de memorias para lograr que los sistemas puedan almacenar la
comunicación de los usuarios hasta que se requiera para transmisión. De igual forma se
requiere un mecanismo de direccionamiento que permita distinguir a los usuarios, y al
mismo tiempo un sistema de sincronización para que cada terminal determine en qué
momento debe acceder al canal.
Esta técnica se asemeja mucho a la utilizada por los microprocesadores en las
computadoras para realizar múltiples tareas simultáneas sin que el usuario sufra los
efectos de la espera.
- 28 -
Las transmisiones se llevan a cabo en espacios de duración T1, los cuales vienen
en sucesiones de N intervalos asignados a la terminal. Entonces cada intervalo tiene una
duración de T=T1/N, lo cual corresponde al tiempo en que el terminal tiene acceso al
medio para transmitir la información que tiene almacenada para el envío, como un tren
de bits llamado ráfaga o burst. Este tiempo debe incluir las no idealidades del sistema,
las cuales en este caso se refieren al tiempo requerido por la circuitería para disponerse
al nivel de potencia adecuado, y de igual forma el tiempo para disminuir su potencia a
cero al final de la transmisión de modo que no se produzca una interferencia en la
próxima transmisión.
Algunos conceptos básicos e importantes de mencionar para TDMA son:
•
Trama: es un ciclo periódico de acceso de los N usuarios a los canales
disponibles para compartir. Su duración en intervalos de valor T, tiende a ser
menor que N*T.
•
Período de trama: es la duración de la trama.
•
Intervalo de tiempo o Time Slot: es el tiempo de duración de la ventana o l
atemporización de acceso individual.
•
Ráfaga o burst: es la secuencia de bits que se va a transmitir o recibir en un
periodo de un intervalo temporal.
•
Velocidades del sistema: existen dos y son la velocidad media de escritura, que
es el número de bits por usuario en la trama entre la duración de la trama. Y la
velocidad instantánea de lectura, que es con la que transmite la información real
en el periodo de tiempo en que se hace.
El mayor problema que presenta el TDMA es la dificultad de ampliar las redes. En
efecto, como T1 es un valor fijo, si se diera el caso de que la cantidad de usuarios se
viera incrementado grandemente, el tiempo asignado para la transmisión de los datos
sería demasiado corto y la velocidad instantánea para realizar la transmisión demasiado
alta, esto elevaría mucho el ancho de banda, pudiendo llegar al caso de que los tiempos
de subida y bajada de los transmisores no se pueda adecuar a la velocidad necesaria. Es
aquí donde aparece la idea de mezclar TDMA con FDMA, de esta forma se pueden
incorporar más estructuras iguales en otras frecuencias (FDM). Así se logra
comprometer el ancho de banda, el tiempo asignado a cada comunicación y el retardo
- 29 -
entre un intervalo temporal y el siguiente, con el fin de obtener una comunicación en
tiempo real.
Figura 3.4: Combinación de FDMA y TDMA.[16]
Algunas de las principales características de la técnica TDMA son:
•
El acceso debe ser sincronizado rigurosamente pues los usuarios deben estar
estrictamente sincronizados con el fin de evitar choques entre ráfagas.
•
Se deben crear mecanismos que permitan a las estaciones emitir y recibir sus
intervalos temporales de forma independiente a su ubicación en relación con los
transmisores/receptores.
•
La información se debe encontrar en forma digital.
•
Con el fin de aumentar la cantidad de usuarios se debe utilizar esta técnica en
conjunto con la FDMA.
•
Es sencillo transmitir señales por un canal común o asociado.
•
Se debe utilizar un espectro de banda ancha por tratarse de una modulación
digital, pues si no se limita la emisión de frecuencias se ocuparía más espectro
del asignado.
•
Las estaciones base cuentan con equipo mucho más sencillo pues solamente se
requieren un transmisor y un receptor para suplir a las estaciones móviles.
•
Hay que establecer limitaciones para la duración de las tramas para evitar
retrasos excesivos.
•
Se da un retardo en la comunicación como respuesta al almacenamiento
intermedio en el usuario móvil.
•
Se requieren medios de almacenamiento en estos dispositivos.
- 30 -
•
Es versátil, pues puede ser utilizada en combinación con otras técnicas.
•
Se da un ahorro espectral si se tiene en cuenta una comunicación duplex (con
dos tramas temporales) en vez de una de una sola frecuencia. Esto se logra
cuando se establece una trama ascendente en una frecuencia y una descendente
en otra diferente (FDM) o bien asignando los primeros valores de la trama a un
sentido y el resto al otro (TDD).
Tanto en TDMA como en FDMA conceptualmente los usuarios operan en
canales que no interfieren (mutuamente ortogonales). Las no idealidades se solventan
por medio de tiempos guarda (TDMA) y bandas espectrales guarda (FDMA) con el fin
de evitar interferencia en el canal.
Sería óptimo en términos de simplicidad y no interferencia simplemente asignar
a cada usuario un solo canal que fuera una división del principal. Sin embargo esto
implicaría un enorme desperdicio de recursos pues simultáneamente sólo una pequeña
cantidad de los usuarios utilizan el canal, por lo que de ser así, la mayoría de las
particiones de tiempo (TDMA) o de los espectros de frecuencia (FDMA) permanecerían
vacíos. Es por esto que se justifica el uso de técnicas de acceso múltiple. Una de ellas
consiste en habilitar un canal de reservaciones mediante el cual un usuario solicita
acceso para realizar una transmisión al receptor, el cual particiona el canal por medio de
FDMA o TDMA entre los usuarios activos. Esto predispone un canal de respuesta que
notifica al usuario por que medio transmitir.
- 31 -
3.3 Acceso múltiple por división de código (Code Division Multiple Access
- CDMA)
Al igual que muchos de los grandes desarrollos en la historia humana, la técnica
de acceso múltiple por división de código (CDMA) posee orígenes militares. En sus
inicios, como en toda comunicación militar, una de sus características primordiales era
la seguridad de la señal en términos de la dificultad para descifrarla por parte del
enemigo, para el cual la señal era una onda indistinguible en el espectro expandido muy
similar al ruido exterior. El CDMA se basa en el principio de ortogonalidad de las
señales, lo cual produce recepción libre de interferencia entre los canales. Esto es
posible lograrlo con señales que se traslapen tanto en el dominio del tiempo como en el
de la frecuencia. Se dice que dos formas de onda “x” y “y”son ortogonales si su
correlación cruzada Rxy(0) a lo largo de T es cero, esto es:
T
R xy (0 ) = ∫ x(t ) ⋅ y (t )dt
(1)
0
Y en el caso de las señales discretas:
I
R xy (0) = x T ⋅ y = ∑ xi ⋅ y i
(2)
i =1
En donde:
x T = [x1
x2
... x I ]
(3)
y = [ y1
T
y2
... x I ]
Además de la ortogonalidad se deben cumplir otros requerimientos: las señales
se transmiten como vectores cuyas entradas pueden tomar únicamente dos valores, los
cuales son 1 y -1, a esto se le conoce como modulación antipodal. La cantidad de 1s y 1s debe ser la misma, y el producto punto de cada vector por sí mismo escalado al orden
del código (longitud de la secuencia) debe ser igual a 1, esto quiere decir que se saca el
producto punto del vector transpuesto por si mismo y luego se divide por el orden del
vector.
I
R xx (0) = x T ⋅ x = ∑ xi ⋅ xi
i =1
- 32 -
(4)
La idea es sumar las señales, sin embargo esto produce ruido aditivo, el cual
puede ser filtrado con el fin de obtener las señales originales. Gracias a la ortogonalidad
de las señales el bit error rate sería el mismo que si se transmitiera por canales distintos.
Si se diera el caso de que dos señales dejaran de ser mutualmente ortogonales
por un retraso o por cualquier otro motivo se daría el fenómeno del crosstalk, lo que
sucede es que al no ser ortogonales las señales no pueden ser separadas una de la otra, lo
cual produce interferencia, esto nos obliga a introducir una condición más:
T −τ
∫ x(t ) ⋅ y(t + τ )dt = 0
0
(5)
T
∫τx(t ) ⋅ y(t + τ − T )dt = 0
T−
Estas dos ecuaciones deben cumplirse también o al menos acercarse bastante a
cero para cualquier valor de t en el sistema.
Además de la ortogonalidad, en CDMA se hace uso de las técnicas de espectro
expandido (spread spectrum) bajo el estándar IS-95. A cada usuario se le asigna un
código digital diferente (por ejemplo la forma de onda) y se le otorga la libertad de
transmitir en todo el espectro durante todo el tiempo disponible. Más tarde cada
transmisor modula su señal como un sistema de comunicación digital de un solo
usuario.
Un caso especial de CDMA en donde las ondas no se traslapan en el tiempo es el
TDMA digital, y en la frecuencia el FDMA digital.
3.3.1 Espectro expandido
El espectro expandido es una técnica que ha existido por más de medio siglo, en
un inicio con fines militares, y más recientemente para satisfacer la creciente demanda
por parte de los usuarios de las comunicaciones móviles. Se trata de “una forma de
transmisión en la cual la señal ocupa un ancho de banda en exceso del mínimo para
enviar la información; la extensión de banda se logra mediante un código que es
independiente de los datos. Una recepción sincronizada con el código en el receptor, se
usa para contraer la banda y posteriormente recuperar la información”. (Jímenez, 2003)
En este punto es esencial preguntarse ¿cómo lograr obtener diferentes señales
que sean mutualmente ortogonales con un período T y un ancho de banda B? Verdu
- 33 -
propone que a menos que el producto TB sea pequeño, la respuesta es 2TB[1]. Como
consecuencia, en un sistema CDMA ortogonal de K usuarios que utilice modulación
antipodal a una tasa de R bits por segundo, se necesitaría un ancho de banca cercano a:
B=
1
⋅R⋅K
2
(6)
Para lograr el mínimo ancho de banda, el producto de la duración y el ancho de
banda de cada forma de onda debe ser igual a K/2 para CDMA. Esta característica trae
beneficios tales como robustez contra distorsiones de canal desconocidas y capacidades
antijamming, lo cual se refiere a capacidad de evitar la interferencia. Estas señales son
conocidas como señales de espectro expandido y también pueden ser utilizadas en
TDMA y FDMA a costa de baja eficiencia espectral, lo cual es el agregado de la tasa de
datos por unidad de ancho de banda (bits por segundo por Hz).
Es importante también tener claro que la ortogonalidad no es obligatoria, basta
con mantener los niveles de co-interferencia en niveles suficientemente bajos para que
el error introducido se pueda eliminar. Con esto se logró que la tecnología CDMA pueda
manejar usuarios asíncronos, esto es que sus particiones en el tiempo no deben estar en
fase. Además la cantidad de usuarios no se limita al doble del producto de la duración y
el ancho de banda de la forma de onda. Finalmente el canal es inherentemente dinámico,
lo cual quiere decir que el ancho de banda disponible por usuario dependerá de la
cantidad de usuarios simultáneos en vez de la cantidad de usuarios potenciales.
En la tecnología CDMA, el número de usuarios simultáneos está limitado por
varios factores: la razón del ruido y la señal, la correlación cruzada de las formas de
onda, las redundancias de datos y el tipo de receptor. El ancho de banda dividido por la
tasa de datos que se van a trasmitir determinan la dimensión del espacio de en el cual la
señal viajará.
Se podría estimar la cantidad máxima de dispositivos que un sistema puede
soportar de la siguiente forma:
1. Se calcula la interferencia en el demodulador de un receptor genérico, pr es la
potencia recibida por un sistema de N equipos.
i = ( N − 1) ⋅ p r
(7)
2. Se define la densidad de interferencia como:
1
Véase Verdú, S. “Multiuser detection” EEUU Cambridge University Press 1998
- 34 -
io =
i ( N − 1) ⋅ p r
=
B
B
(8)
3. Se calcula la relación R, la cual determina la velocidad binaria neta de los
celulares, se mide en bits por segundo y está dada por la fórmula:
pr
eb
R
R=
=
io (N − 1) ⋅ p r
=
B
B
R ⋅ ( N − 1)
(9)
4. Con esto se puede encontrar el valor de N en función de la ganancia de
procesado (B/R):
N≈
B
e
R ⋅  b 
 io 
(10)
La ganancia de procesado puede tomar valores muy altos, como consecuencia, la
cantidad de usuarios en una red CDMA es muy alta, mucho más que en las técnicas
FDMA y CDMA, es por esto que ha sido escogida como la técnica de acceso múltiple
para las tecnologías de tercera generación.
Algunas características de las técnicas CDMA son:
•
Las entradas del sistema son señales estrictamente digitales.
•
Es necesaria una sincronización estricta para lograr el enganche con los
receptores.
•
La capacidad de tráfico es bastante grande, al igual que el ancho de banda
utilizado.
•
Como consecuencia del ancho de banda usado, los receptores tienen una gran
resolución temporal y poseen la capacidad de aprovechar las distintas señales
recibidas para sumar constructivamente la potencia recibida.
•
Es necesario que la tecnología permita un tráfico a gran velocidad.
•
El transmisor y el receptor deben poder operar en múltiples canales.
•
Una misma frecuencia puede utilizarse en celdas continuas si se asignan códigos
diferentes, lo cual es muy favorable a la hora de realizar la planificación de
frecuencias.
•
La técnica puede facilitar los hanovers (cuando la señal pasa de una celda a otra)
mientras que las frecuencias en todas las estaciones base permanece siendo la
misma.
- 35 -
4 Detección de múltiples usuarios
Una vez que el mensaje ha sido transmitido, mediante la codificación y
modulación de la señal, es necesario el proceso inverso con el fin de que el mensaje
llegue a su destino. Es necesario tomar la señal del canal (aire) y a partir de esta detectar
la información de interés para el usuario, sin embargo existirá más de un mensaje a la
vez por lo tanto es necesario el desarrollo de alguna técnica que permita extraer sólo la
información que se está buscando, estas se denominan algoritmos de detección de
múltiples usuarios. Algunas de estas técnicas son Mínimo Error Cuadrático Medio
(MMSE), Cancelación de Interferencia Sucesiva (SIC), Cancelación de Interferencia
Paralela (PIC) y detección de Máxima Verosimilitud (ML).
El modelo para la detección de múltiples usuarios parte de:
K
y(t ) = ∑ ck bk sk (t ) + σn(t )
0<t <T
k =1
(1)
En donde s(t) se refiere a la forma de onda característica de la señal, n(t) al ruido
Gaussiano a y y(t) a la señal recibida por el receptor.
La detección se da por medio de:
y k = ∫ y (t )s k (t )dt = c k bk + ∑ c j b j ρ kj (t ) + nk
T
0
(2)
j =k
En donde se supone que
ρ = ∫ s1 (t ) ⋅ s 2 (t ) ⋅ dt
T
(3)
0
Donde se tiene que ck es el código del usuario, bi es el símbolo del usuario i que
puede tomar los valores de +1 y -1, σ es el valor eficaz del ruido.
Luego se tiene que la matriz de correlación sincrónica viene dada por:
(4)
y=RAb+n
En un detector óptimo se cumple que:
Ω(b ) = 2b T Ay − b T Hb
(5)
En donde A son las amplitudes de cada usuario, por lo tanto H=ARA, en este
punto se debe encontrar una función mínima de costo.
- 36 -
4.1 Mínimo error cuadrático medio
Una experiencia común para cualquier usuario de una red celular, es el hecho de
que ocasionalmente la calidad de la señal se ve interrumpida, o desaparece por completo
durante cortos periodos de tiempo. Esto se debe a la aparición de errores que surgen por
la falta de calidad en las líneas. Los dispositivos celulares modernos poseen sistemas
avanzados para la detección y corrección de estos errores. Sin embargo, no será siempre
posible removerlos todos.
Dependiendo de la aplicación de que se esté hablando, va a variar la tasa de error
aceptable (BER, bit error rate), por ejemplo para la transmisión de datos de
computadora una tasa de 10-9 es considerada inaceptable, mientras que para la
transmisión de voz se espera una cercana a 10-6 para producir una calidad de voz
perfecta con efecto de cercanía.
Los errores se producen por múltiples factores, Webb en su libro Understanding
cellular radio (entendiendo redes celulares) los divide en tres grupos: atenuación
relacionada a la distancia, desvanecimiento lento y desvanecimiento rápido.
La atenuación relacionada a la distancia se fundamenta en el hecho de que la
intensidad de una onda es igual a la potencia de la misma dividida por el área a lo largo
de la cual esta se expande. En el caso de las comunicaciones, las señales que transportan
el mensaje a transmitir son ondas que se propagan de manera isotrópica, lo cual quiere
decir que en todos los puntos a una misma distancia del origen se tiene la misma
potencia. Esta característica, al ser traducida a la geometría, supone que la onda se
expande formando una esfera. Como es sabido, el área de esta figura es proporcional al
cuadrado de su radio, esto quiere decir que la potencia de la onda será inversamente
proporcional a la distancia a la cual se realiza la medición, hablando en términos
ideales. En la realidad, factores como las características del terreno, la vegetación y los
edificios pueden producir que el factor de atenuación en vez de al cuadrado sea de hasta
a la cuatro, o sea hasta 40 dB, lo cual es conocido como el desvanecimiento lento.
El desvanecimiento rápido se refiere a la interferencia destructiva que se da en
una onda cuando por ejemplo una señal llega por dos o más caminos a un móvil, y estos
se encuentran desfasados de modo que la adición de ambos es menor que la señal
original. Esto representará una dificultad para el dispositivo más adelante a la hora de
tomar esta señal y extraer sólo la parte que le interesa.
- 37 -
Figura 4.1: Detector MMSE lineal para el canal sincrónico.
El proceso a través del cual una onda recibida es convertida en una señal de un
solo usuario removiendo la interferencia de los demás usuarios por medio de una
transformación lineal se denomina decorrelación. Sin embargo, la detección no lineal de
usuarios puede ser implementada de forma descentralizada en donde solamente los
usuarios de interés sean demodulados. Cuando las amplitudes recibidas son
completamente desconocidas, el detector de decorrelación es una opción sensible. Por
otro lado, si se toman en cuenta las relaciones de señal a ruido en la transformación
lineal, un filtro de usuario simple funciona mejor que el decorrelator para señales con
relaciones suficientemente bajas (ver figura 4.1), esto mejora considerablemente el
desempeño.
La técnica del el mínimo error cuadrático medio, como su nombre lo dice trata
de minimizar al máximo el error cuadrático medio, el cual es una medida para estimar la
calidad. Verdu propone que dentro de la teoría de la estimación, una posible
aproximación al problema de calcular una variable W a partir de la observación Z es
)
elegir una función W (Z ) tal que minimice el error cuadrático medio (MSE):
[(
)]
)
2
E W − W (Z )
(1)
Bajo condiciones muy generales se puede observar que la solución viene dada
por el estimador de condición media:
)
W (Z ) = E [W | Z ]
(2)
Con el fin de simplificar el cómputo de la respuesta del estimador de condición
media se aplican una serie de transformaciones de Z con el fin de convertir el problema
de detección lineal de múltiples usuarios en un problema de estimación lineal. Esto se
logra condicionando de forma que el MMSE entre el bit bk del usuario k y la salida de la
k-ésima transformación vTk y sea minimizada. Si bien este proceso es óptimamente
sensible, en especial cuando el receptor de múltiple usuario en vez de demodular la
- 38 -
información provee una decisión poco firme para el controlador de decodificación de
errores, no conlleva a la minimización de la tasa de error de bits:
[
( )]
P bk ≠ sgn v kT y
(3)
El detector lineal para el k-ésimo usuario elegirá la forma de onda ck de duración
T que cumpla con:
[
min E (bk − c k , y
ck
)]
2
(4)
Y desplegará a la salida:
bˆk = sgn ( c k , y
)
(5)
La transformación lineal del mínimo error cuadrático medio (MMSE) maximiza
la relación de señal a interferencia a la salida de la trasformación:
[
1
min ck E (bk , c k
[
)]
= 1 + max
,y ) ]
E [( c , y − A b s ) ]
E ( c k , Ak bk s k
2
ck
2
2
k
k
k k
Tras realizar sus cálculos, Verdu propone que el mínimo error cuadrático medio
alcanzable con la transformación lineal es:
[(
E b1 − r T v ∗
) ]= 1 − A s
2
2 T
1 1
−1
K
 2

σ
I
+
Ak2 s k s kT  s1
∑

k =1


(6)
La principal ventaja que trae la aplicación de un detector MMSE es la facilidad
con la que puede ser adaptada para su implementación.
- 39 -
4.2 Cancelación Sucesiva y Paralela
Esta técnica se basa en un principio muy simple: si se determina que un bit de
una transmisión es de interferencia, se eliminarán todos los bits de la señal a la cual
pertenezca ese primero sustrayéndolos de la onda recibida. Si la decisión fue correcta
esto eliminará la señal interferente y el proceso se repetirá hasta haber demodulado
todas las señales menos una. En el caso paralelo la única diferencia es que la
eliminación de los términos interferentes sucede de manera simultánea.
Cuando se recibe una señal se detecta al usuario más fuerte, luego se toma su
interferencia y esta se le resta a la señal recibida para detectar al siguiente usuario. En
las siguientes figuras se ilustra el proceso de la cancelación sucesiva (figura 4.2) y
cancelación paralela (figura 4.3).
Figura 4.2: Modelo de cancelación sucesiva.[18]
- 40 -
Figura 4.3: Modelo de cancelación paralela.[18]
4.3 Máxima Verosimilitud (MLS)
Junto con la distribución de la campana de Gauss y el principio de los mínimos
cuadrados (base de la técnica de mínimo error cuadrático medio), la máxima
verosimilitud es uno de los fundamentos de la estadística.
Esta técnica utiliza un detector que establece cual es la secuencia más probable a
ser transmitida, el problema es que en un sistema MLS existen 2NK vectores posibles,
en donde N es el número de intervalos y K el número de usuarios. Este problema se
soluciona utilizando un filtro basado en el algoritmo de Viterbi, cuya complejidad va a
crecer exponencialmente con el número de usuarios.
Martínez propone la siguiente fórmula para minimizar la probabilidad de error
en la codificación, en donde se decodifica la combinación recibida y con la palabra de
código xm, con la mayor probabilidad condicional:
r
r
p y r  ≥ p y r  ∀ m ≠ m' m = 1,2,3,..., M = 2 K
 xm' 
 xm 
Además expresa la decodificación de máxima verosimilitud de la siguiente
manera:
- 41 -
r r
r r
D( y, x m ' ) ≥ p( y, x m ) ∀ m ≠ m' m = 1,2,3,..., M = 2 K
Otra desventaja que aparece con este tipo de detección es que se requieren
conocimientos de las amplitudes y las fases de las señales recibidas. Como estos valores
son desconocidos se deben estimar.
Debido a que en los sistemas reales la cantidad de usuarios es extensiva, la
complejidad de un sistema de detección de este tipo es muy alta, lo cual eleva los
costos.
- 42 -
5 Conclusiones
•
Los sistemas de telefonía celular hacen uso del aire como canal de transmisión,
para esto dividen el espectro de frecuencias en una serie de bandas. Además de
las bandas apartadas para las telecomunicaciones, algunas de estas bandas son
utilizadas para la transmisión de otra clase de señales como ondas de radio,
televisión, y usos específicos como las líneas de emergencia.
•
El dimensionamiento de los sistemas de comunicaciones móviles se realiza
dividiendo el área geográfica en celdas hexagonales, de aquí proviene el término
celular, a este patrón de división se le denomina caustro.
•
La división hexagonal del área de cobertura ofrece varias ventajas como una
mayor cobertura del terreno y una disminución de las áreas de sombra, las cuales
son las zonas en las cuales ninguna estación brinda cobertura.
•
El balance de potencia es la razón del factor de ganancia y el de pérdida de un
enlace, es un parámetro que mide la calidad de un sistema de comunicaciones.
•
El ruido es cualquier perturbación a la cual la forma de onda de la señal original
es sometida, así como toda otra señal que se mezcle con la señal deseada, y que
al encontrarse en la misma banda de frecuencia, altera la recepción de forma
palpable. El ruido determina la relación señal a ruido, la cual debe ser tan
pequeña como sea posible.
•
La interferencia electromagnética se refiere a la suma de las señales de
radiofrecuencia indeseadas que son recibidas por algún dispositivo del sistema
degradando su sensibilidad. Puede ser de dos tipos: cocanal y de canal
adyacente.
•
La propagación se da cuando una señal viaja del transmisor al receptor, es uno
de los principales factores a tomar en cuenta a la hora de diseñar un sistema pues
determina el tamaño de las celdas. Algunos de las principales formas de
propagación son: difracción, scattering o esparcimiento, reflexión, transmisión,
refracción.
•
La modulación toma una señal, denominada modulada, y afecta sus
características de acuerdo a otra, denominada señal moduladora, para que la
segunda transporte la información de interés. Puede ser analógica (como AM,
FM, PM) o digital (como ASK, PSK, FSK).
- 43 -
•
El tráfico trata de lograr que la comunicación se de con la mejor calidad posible
haciendo uso de la mínima cantidad de recursos.
•
En los sistemas de comunicaciones móviles se logra aprovechar de manera más
eficiente el espectro de frecuencias por medio del acceso múltiple, que se refiere
a que más de un usuario puede hacer uso del canal siempre y cuando no sea de
manera simultánea, para lograr que no hayan choques de la información se
crearon las técnicas de acceso múltiple, las más importantes son TDMA, FDMA
y CDMA.
•
La técnica TDMA divide el canal es espacios de tiempo, más tarde asigna a los
usuarios activos un periodo de tiempo en el cual puede transmitir, la transmisión
se hace de manera cíclica. En un sistema de tres usuarios por ejemplo se
dividiría el canal de forma que primero transmite el usuario 1, luego el usuario
2, el usuario 3 y nuevamente el usuario 1.
•
En FDMA el espectro de frecuencias es dividido y a cada usuario activo se le
asigna una banda en la cual puede transmitir.
•
CDMA se basa en la ortogonalidad de las señales, esto quiere decir que toma
señales que se pueden sumar de forma que no interfieran una con la otra.
•
En FDMA se tiene la ventaja de que el usuario puede transmitir su mensaje
haciendo uso del canal durante todo el tiempo que lo necesite, sin embargo sólo
puede hacerlo en una frecuencia, en TDMA por otro lado se tiene todo el
espectro de frecuencias por tramas de tiempo de cierta duración. En CDMA, los
usuarios pueden utilizar todo el espectro de frecuencias durante todo el tiempo
que lo requieran, pues cada uno transmite con el código que les es asignado, las
señales no interfieren unas con otras.
•
La técnica de FDMA es la más antigua (con más de cien años de estar siendo
aplicada) y su principio de funcionamiento es muy sencillo, sin embargo es una
técnica que ha quedado obsoleta, por otra parte la técnica CDMA es la utilizada
en las tecnologías emergentes a pesar de la gran complejidad de su puesta en
práctica.
•
En FDMA se presenta una interferencia en el límite entre canales, esto se da
debido a que la división del espectro no se da de forma ideal tal y como se
muestra en la figura 10. Entre tanto en TDMA se tiene que ser muy cuidadoso a
la hora de sincronizar los usuarios de forma que no se produzcan choques de
- 44 -
información. Por su parte CDMA ofrece la ventaja de que los usuarios no
interfieren unos con otros pues cada código es diferente y único por lo tanto en
celdas continuas se pueden dar transmisiones a una misma frecuencia.
•
En las tecnologías TDMA y CDMA la información transmitida es
exclusivamente digital, mientras que FDMA admite modulaciones tanto
digitales como analógicas.
•
Debido a la creciente demanda de los sistemas de comunicación, cada vez se
requieren sistemas que sean más eficientes. Una solución que se le ha dado a
este problema es la combinación de varias de estas técnicas, un ejemplo es la
utilización de una combinación de FDMA y TDMA que se da en las tecnologías
GSM.
•
Uno de los últimos pasos en la comunicación es la demodulación de la señal. En
el caso de las comunicaciones móviles, como se tienen múltiples usuarios
transmitiendo a la vez en el mismo canal (el aire), se crearon técnicas para que el
usuario reciba sólo la señal de interés, a estas se les denomina técnicas de
detección de múltiple usuario.
•
La técnica de mínimo error cuadrático se basa en el principio de mínimos
cuadrados y fundamentalmente lo que hace es reducirlo al máximo por medio de
una serie de algoritmos, en su libro Verdu propone un procedimiento de acuerdo
al cual este error es mínimo si se cumple que:
[(
E b1 − r v
•
T
)]
∗ 2
−1
K


= 1 − A s σ 2 I + ∑ Ak2 s k s kT  s1
k =1


2 T
1 1
La cancelación sucesiva y paralela toma los bits de una señal y si determina que
alguno de ellos es un error, elimina toda la señal. La diferencia se da en que la
cancelación sucesiva lo hace uno a uno y la paralela lo hace a la vez.
•
La máxima verosimilitud es una técnica que toma la secuencia más probable a
ser transmitida por medio de un detector filtrado con el algoritmo de Viterbi.
- 45 -
6 Bibliografía
Libros:
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edición. Nueva Jersey. Prentice Hall. 2002
2. Huidobro, J. Conesa, R. “Sistemas de Telefonía” Madrid. Editorial Paraninfo.
1999
3. Stüber, G. “Principles of mobile communication” Segunda edición. Atlanta.
2001
4. Verdú, S. “Multiuser detection” EEUU Cambridge University Press 1998
5. Sendín, A. “Fundamentos de los sistemas de comunicación móviles: Evolución
y tecnologías” Madrid. McGraw Hill 2004
6. Webb, W. “Understanding cellular radio” Norwood. Artech House Publishers.
1998.
Trabajos de graduación:
7. Jiménez, F. Solís, O. “Comparación de las tecnologías de comunicación
inalámbricas de tercera generación CDMA2000 y W-CDMA” Tésis para optar
por el grado de Licenciatura en Ingeniería Eléctrica. San José. 2003
Internet:
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- 47 -