Multiplexación de Canales

MULTIPLEXACIONES DE CANALES ( TDMA, FDMA, CDMA)
Humm, y que es eso de multiplexar canales; pues nada complicado... simplemente es como envio de varios
canales por un mismo medio fisico. Los tipos de multiplexación son 3:
• TDMA ( Time Division Multiplex Access )
Como su traducción dice, es multiplexación por tiempo; esto es, si queremos enviar 3 canales por un mismo
medio físico haciendo uso de TDMA, simplemente le asignaremos una duración temporal a cada canal, y se
les cederá el medio físico a cada canal durante ese espacio de tiempo determinado. Muy usado en
transmisiones digitales por cable, como en redes de computadores. Requiere métodos de sincronismo eficaces.
• FDMA ( Frequency Division Multiplex Access)
Multiplexación por división en frecuencia. Haciendo uso de modulaciones enviamos cada canal en una banda
de frecuencias distinta. Luego en cada receptor se debe demodular para devolver la transmisión a banda base,
o a su banda natural. Ampliamente usada en radiocomunicaciones... no os es familiar hablar del 107.4 de FM
(FM es el tipo de modulación).
• CDMA ( Code Division Multiplex Access)
Multiplexación por división en Código. Un tipo de multiplexación bastante compleja, basada en el uso de
distintas codificaciones para cada canal, que pueden ser transmitidos compartiendo tiempo y frecuencia
simultáneamente. Hacen uso de complejos algoritmos de codificación. Utilizado en medios digitales
complejos.
A continuación ampliaremos mas detalladamente cada uno de estos conceptos:
CDMA
CDMA significa − "Acceso Múltiple por División de Código. " −En los sistemas CDMA todos los usuarios
transmiten en el mismo ancho de banda simultáneamente, a los sistemas que utilizan este concepto se les
denomina "sistemas de espectro disperso". En esta técnica de transmisión, el espectro de frecuencias de una
señal de datos es esparcido usando un código no relacionado con dicha señal. Como resultado el ancho de
banda es mucho mayor. En vez de utilizar las ranuras de tiempo o frecuencias, como lo hacen las tecnologías
tradicionales, usa códigos matemáticos para transmitir y distinguir entre conversaciones inalámbricas
múltiples. Los códigos usados para el esparcimiento tienen valores pequeños de correlación y son únicos para
cada usuario. Esta es la razón por la que el receptor de un determinado transmisor, es capaz de seleccionar la
señal deseada.
Uno de los problemas más importantes en el diseño de un sistema de comunicaciones inalámbricas consiste en
proveer facilidades de comunicación a diferentes usuarios, de tal forma que el espectro de radiofrecuencias
sea aprovechado de una forma óptima y a un costo razonable. Teniendo en cuenta que el espectro de
frecuencias es un recurso limitado es necesario diseñar estrategias de acceso múltiple, de tal forma que se
puedan asignar, dentro de las debidas restricciones económicas de un ancho de banda previamente asignado.
Los códigos usados para el esparcimiento tienen valores pequeños de correlación y son únicos para cada
usuario. Esta es la razón por la que el receptor que tiene conocimiento del código de un determinado
transmisor, es capaz de seleccionar la señal deseada.
CDMA de sistemas proveen operadores y suscriptores con ventajas importantes sobre TDMA analógico y
convencional. Las ventajas principales de CDMA son como se indica a continuación:
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• Resiste la interferencia intencional y no intencional, una cualidad muy importante cuando se transmite
en áreas congestionadas.
• Tiene la habilidad de eliminar o atenuar el efecto de la propagación multicamino, la cual es un gran
obstáculo en las comunicaciones urbanas.
• Puede compartir la misma banda de frecuencia (como un traslapamiento) con otros usuarios, debido a
su similitud con una señal de ruido.
• Operación limitada de interferencia, en cualquier situación todo el ancho de banda es usado.
• Privacidad debido a los códigos aleatorios desconocidos, los códigos aplicados con − en principio −
desconocidos para un usuario no deseado.
• Posibilidad de acceso aleatorio, los usuarios pueden iniciar su transmisión a cualquier instante de
tiempo.
• Los sistemas basados en CDMA presentan una reducción de la potencia de transmisión
incrementando la vida de las baterías y reduciendo el tamaño de los transmisores y receptores.
FUNCIONAMIENTO
CDMA se basa en la separación del espectro, que en los medios de la transmisión digital es cuando la señal
ocupa una banda de frecuencia que sea considerablemente más amplia que el mínimo requerido para la
transmisión de datos por otras técnicas
Los usuarios comparten la misma banda de frecuencia y cada señal es identificada por un código especial, que
actúa como una clave reconocida por el transmisor y el receptor. La señal recibida es la suma de todas las
señales "combinadas", y cada receptor debe clasificar e identificar las señales que le corresponden de las
demás señales. Para hacer esto utiliza un código que corresponde con el código transmitido.
La primera operación implica encontrar del código correcto, y así sincronizar el código local con el código
entrante. Una vez ha ocurrido la sincronización, la correlación del código local y del código entrante permite a
la información apropiada ser extraída y las otras señales ser rechazadas.
También permite que dos señales idénticas que vienen de diversas fuentes, sean demoduladas y combinadas,
de modo tal que se mejore la calidad de la conexión, por lo que es también una ventaja el uso simultáneo de
varios satélites (diversidad). Igualmente, una de las principales características de la tecnología CDMA es que
hace prácticamente imposible que sea objeto de interferencias e interceptaciones, ofreciendo gran seguridad
en las comunicaciones.
TDMA
TDMA ("Time División Múltiple Access") es común en los sistemas de telefonía fija. Las últimas tecnologías
en los sistemas de radio son la codificación de la voz y la compresión de datos, que eliminan redundancia y
periodos de silencio y decrementan el tiempo necesario en representar un periodo de voz. Los usuarios
acceden a un canal de acuerdo con un esquema temporal. Aunque no hay ningún requerimiento técnico para
ello, los sistemas celulares, que emplean técnicas TDMA, siempre usan TDMA sobre una estructura FDMA.
Un sistema puro TDMA tendría sólo una frecuencia de operación, y no sería un sistema útil. TDMA es un
concepto bastante antiguo en los sistemas de radio.
En los sistemas modernos celulares y digitales, TDMA implica el uso de técnicas de compresión de voz
digitales, que permite a múltiples usuarios compartir un canal común utilizando un orden temporal. La
codificación de voz moderna, reduce mucho el tiempo que se lleva en transmitir mensajes de voz, eliminando
la mayoría de la redundancia y periodos de silencio en las comunicaciones de voz. Otros usuarios pueden
compartir el mismo canal durante los periodos en que éste no se utiliza. Los usuarios comparten un canal
físico en un sistema TDMA, donde están asignado unos slots de tiempo. A todos los usuarios que comparten
la misma frecuencia se les asigna un slot de tiempo, que se repite dentro de un grupo de slots que se llama
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trama. Un slot GSM es de 577 µs, y cada usuario tiene uso del canal (mediante su slot) cada 4.615 ms (577 µs
8 = 4.615 ms), ya que en GSM tenemos 8 slots de tiempo.
Componentes de un sistema Celular AMPS, TDMA D−AMPS
La tecnología de radio digital que usa el estándar de DECT es TDMA − Time Division Multiple Access. Pues
el nombre sugiere, el principio de base de TDMA es crear los canales múltiples del discurso dentro del mismo
portador de radio dividiéndolo en el dominio de tiempo. La tecnología de radio de TDMA es también la base
de los principales estándares celulares digitales del mundo − el GSM (y DCS1800), DAMPS y PDC.
En el estándar de DECT, de 20MHz de espectro de radio se maneja como sigue. Hay 10 carriers o portadores
(canales de radio), cada uno de 1.728MHz. que cada portador se divide en 12 timeslots a dos caras (24 en
total), para permitir 12 llamadas simultáneas. Solamente un solo transmisor−receptor es necesario para cada
portador. Con 10 portadores, la capacidad es 120 canales de radio.
Una característica importante de esta tecnología de división de tiempo, es que un teléfono individual es
solamente envia o de recibe para dos de los timeslots disponibles. Por el tiempo restante, puede hacer otras
cosas. Por ejemplo puede ser utilizada para llevar una señal de llamada en espera, y permite que el usuario
cambie entre dos llamadas.
FDMA
FDMA ("Frecuency Division Multiple Access") es la manera más común de acceso truncado. Con FDMA, se
asigna a los usuarios un canal de un conjunto limitado de canales ordenados en el dominio de la frecuencia.
Los canales de frecuencia son muy preciados, y son asignados a los sistemas por los cuerpos reguladores de
los gobiernos de acuerdo con las necesidades comunes de la sociedad. Cuando hay más usuarios que el
suministro de canales de frecuencia puede soportar, se bloquea el acceso de los usuarios al sistema. Cuantas
más frecuencias se disponen, hay más usuarios, y esto significa que tiene que pasar más señalización a través
del canal de control. Los sistemas muy grandes FDMA frecuentemente tienen más de un canal de control para
manejar todas las tareas de control de acceso. Una característica importante de los sistemas FDMA es que una
vez que se asigna una frecuencia a un usuario, ésta es usada exclusivamente por ese usuario hasta que éste no
necesite el recurso.
FDMA está parado para " el acceso múltiple de la división de la frecuencia " y, aunque podría ser utilizado
para los sistemas digitales, se utiliza exclusivamente en todos los sistemas celulares analogicos.
Esencialmente, FDMA parte el espectro afectado un aparato en muchos canales. En sistemas analogicos
actuales de la célula, cada canal es 30 kHz. Cuando un teléfono de la célula de FDMA establece una llamada,
reserva el canal de frecuencia para la duración entera de la llamada. Los datos de la voz se modulan en esta
banda de frecuencia de los canles (que usa la modulación de la frecuencia) y se envían concluído los airwaves.
En el receptor, se recupera la información usando un filtro band−pass. El teléfono utiliza un canal común del
control numérico para adquirir los canales. Los sistemas de FDMA son el menos sistema celular eficiente
puesto que cada canal analogico se puede utilizar solamente por un utilizador al mismo tiempo. Está no sólo la
compresión de voz digital moderna dada más en gran parte que necesaria de estos canales, sino que también
se pierden siempre que haya silencio durante la conversación de teléfono de la célula. Las señales analogicas
son también especialmente susceptibles al ruido? y no hay manera de filtrarla hacia fuera. Dado la naturaleza
de la señal, los teléfonos analogicos de la célula deben utilizar una potencia más alta (entre 1 y 3 vatios) de
conseguir calidad aceptable de la llamada. Dado estos defectos, es fácil ver porqué FDMA está siendo
substituido por más nuevas técnicas digitales.
El primer punto a considerar es que en CDMA todos los usuarios, mientras duran sus comunicaciones, ocupan
la totalidad del ancho de banda asignado a cada estación base, que puede ser de varios Mhz. Tanto en FDMA
como en TDMA hay una separación de las señales de cada usuario, bien en frecuencia o bien en tiempo,
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mientras que en CDMA todos los usuarios en comunicación se están interfiriendo mutuamente, como grupos
de parejas hablando en una recepción, en la que mientras todo el mundo está hablando a un determinado nivel
de volumen, cada persona se concentra en lo que dice su interlocutor, al menos que sobrevenga alguna
información excepcional.
Si cada pareja hablara y entendiera un único idioma, su capacidad de dialogar, con un alto nivel de
interferencia, sería mucho mayor, debido a la exclusividad del lenguaje. Este es el principio de supresión de
interferencias utilizado en CDMA, donde las comunicaciones de cada móvil con su estación base se producen
con una particular codificación semejante al uso de un solo idioma. Si además la codificación fuera ortogonal
y las comunicaciones sobre un canal ideal, los usuarios ignorarían totalmente cualquier interferencia
intercelular.
SPREAD SPECTRUM
Un sistema spread spectrum es aquel en el cual la señal
transmitida es propagada en una banda de frecuencia
amplia, mucho más de hecho, que el mínimo ancho de
banda requerido para transmitir la información que será
enviada. Las comunicaciones spread spectrum no puede
decirse que sean una manera eficiente de utilizar el
ancho de banda. Sin embargo, son de utilidad cuando se
combinan con los sistemas existentes que ocupan la
frecuencia. La señal spread spectrum que es propagada
en un ancho de banda grande puede coexistir con
señales de banda estrecha añadiendo únicamente un
ligero incremento en el ruido de fondo que los
receptores de banda estrecha pueden ver. El receptor
spread spectrum no ve las señales de banda estrecha
pues está escuchando en un ancho de banda mucho más
amplio con una secuencia de código ordenada que se
explicará más tarde.
Primero, explicaremos cinco tipos de técnicas spread
spectrum:
• Sistemas de Secuencia Directa − La secuencia
directa es, quizás, uno de los sistemas spread
spectrum más ampliamente conocidos y es
relativamente sencillo de implementar. Un
portador de banda estrecha es modulado por una
secuencia de código. La fase del portador de la
señal transmitida es cambiado de forma brusca
de acuerdo a esta secuencia de código, la cual es
generada por un generador pseudoaleatorio que
tiene una longitud fija. Después de un número
determinado de bits, el código se repite a sí
mismo de manera exacta. La velocidad de la
secuencia de código se llama radio de
"chipping", medido en chips por segundo (cps).
Para secuencia directa, la cantidad de
propagación depende de la proporción de chips
por bit de información. En el receptor, la
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información se recupera multiplicando la señal
con una réplica de la secuencia de código
generada localmente.
Figura 1. Comparación de una señal de banda estrecha
con una señal Spread Spectrum de Secuencia Directa.
La señal de banda estrecha es suprimida cuando se
transmite en spread spectrum.
Sistemas de Salto de Frecuencia − En estos sistemas, la frecuencia del portador del transmisor cambia
abruptamente (o salta) de acuerdo a una secuencia de código pseudoaleatoria. El orden de frecuencias
seleccionadas por el transmisor es dictado por la secuencia de código. El receptor sigue la pista a estos
cambios y produce una señal IF constante.
Figura 2. Un ejemplo de señal Spread Spectrum con Salto de Frecuencia.
Sistemas de Salto con Tiempo − Éste es un sistema en el cual el periodo y el ciclo de un portador de pulso
RF son variados de una forma pseudoaleatoria bajo el control de una secuencia codificada. Ver figura 3. El
tiempo de salto es usado a menudo con efectividad junto a la frecuencia de salto para formar un sistema
spread spectrum de múltiple acceso (TDMA) y un tiempo por división híbrido.
Figura 3. Salto con Tiempo Spread Spectrum. Cada ráfaga cosiste en k bits de datos y el tiempo exacto en que
cada ráfaga se transmite es determinada por una secuencia PN.
• Sistemas de Pulso FM (chirrido) − Éste es un sistema en el cual el portador RF es modulado con
una secuencia de periodo y ciclo fijos. Al principio de cada pulso transmitido, la frecuencia del
portador es modulada en frecuencia provocando una propagación adicional del portador. El modelo de
la frecuencia de modulación dependerá de la función de propagación escogida. En algunos sistemas,
la función de propagación es una extensión del chirrido FM lineal, extendiéndose tanto por arriba
como por abajo en frecuencia.
Sistemas Híbridos − Los sistemas híbridos usan una combinación de métodos spread spectrum con el fin de
usar la propiedades beneficiosas de los sistemas utilizados. Dos combinaciones comunes con secuencia directa
y salto de frecuencia. La ventaja de combinar los dos métodos es que se saca partido de características que no
están disponibles usando un único método.
¿Por qué usar Spread Spectrum?
Responder a la cuestión "¿por qué debería yo usar spread spectrum?" puede degenerar fácilmente en un
simple listado de ventajas e inconvenientes. Sin embargo, spread spectrum tiene diferentes propiedades únicas
que no pueden ser encontradas en cualquier otra técnica de modulación. Los radioaficionados pueden explotar
estas propiedades y buscar aplicaciones útiles. La siguiente lista muestra las ventajas e inconvenientes que se
pueden observar en los sistemas spread spectrum típicos. Hay que tener en cuenta que esto es así a causa de la
naturaleza de spread spectrum, no porque sean atributos directos.
• Ventajas:
• Resiste interferencias intencionadas y no intencionadas.
• Tiene la habilidad de eliminar o aliviar el efecto de interferencias de múltiples formas.
• Puede compartir la misma banda de frecuencia (overlay) con otros usuarios.
• Privacidad debido a la secuencia de código pseudoaleatoria (multiplexión por división de código)
• Inconvenientes:
• Ancho de banda ineficiente.
• La implementación es, de alguna forma, más compleja.
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Otras Propiedades.
Hay varias propiedades únicas que surgen como resultado de la secuencia de código pseudoaleatoria y la
amplia señal de ancho de banda que resulta de extender la propagación. Dos de ellas son direccionamiento
selectivo y la multiplexión por división de código. Mediante la asignación de un código dado a un único
receptor o a un grupo de receptores, pueden ser direccionados individualmente o por grupo por otros
receptores asignados con un código diferente. Los códigos pueden ser elegidos también para minimizar la
interferencia entre grupos de receptores eligiendo aquellos que tengan posibilidades de correlación de cruces
escasas. De esta forma, se puede transmitir más de una señal al mismo tiempo en la misma frecuencia. El
direccionamiento selectivo y el Acceso Múltiple de División de código (CDMA − Code Division Múltiple
Acces) se implementan mediante estas codificaciones. Un segundo conjunto de propiedades es su baja
probabilidad de interceptación (LPI − low probability of intercept) y antiinterferencias. Cuando la inteligencia
de la señal es extendida a varios megahercios del espectro, el espectro de energía resultante es también
extendido. Esto produce que la energía transmitida se extienda sobre una amplia frecuencia de ancho de banda
y hace que su detección en sentido normal (sin el código), muy difícil. Ya que LPI no es una aplicación típica
para radioaficionados, sería mejor renombrar esta propiedad como "reducción de interferencia". Así, spread
spectrum puede sobrevivir en un entorno adverso y coexistir con otros servicios en la banda. La propiedad de
antiinterferencia es resultado del amplio ancho de banda usado para transmitir la señal. Se recuerda el teorema
de la proporción de información de Shannon.
• C = W log (1 + S/N)
• C = capacidad en bits por segundo
W = ancho de banda
S = energía de la señal
N = energía del ruido
donde la capacidad de un canal es proporcional a su ancho de banda y la proporción de ruido en la señal sobre
el canal. Expandiendo el ancho de banda varios megahercios e incluso varios cientos de megahercios, hay más
que suficiente ancho de banda para transportar la proporción de datos requeridos y tener incluso más de sobra
para contrarrestar los efectos del ruido. Esta cualidad de antiinterferencia se expresa normalmente como
"procesando ganancia".
Para la radio amateur, las propiedades de multiplexión por división de código, la coexistencia en un entorno
adverso, y el procesamiento de ganancia, son excelentes razones para experimentar y encontrar aplicaciones
útiles para spread spectrum en el servicio de radioaficionados. Junto a estas razones, los amateurs pueden
disfrutar también de un incremento en la proporción de datos para datos digitales (packet radio) que no puede
ser obtenida con proporciones comerciales o amateur convencionales debido a restricciones físicas (p.ej filtros
de paso de banda) y de reglas. Por ejemplo, los sistemas de banda estrecha en la banda de 70 cm están
limitados a una proporción de datos máxima de 56kbps y un ancho de banda de 100 kHz. Estas restricciones
no existen en la banda de 33 cm y superiores.
Quizás una de las razones más importantes para usar spread spectrum es su habilidad de discriminar contra
interferencia multicanal. Una implementación de receptor RAKE para secuencia directa permite que los
canales de señal individual sean detectados por separado y coherentemente combinados con otros canales.
Esto no sólo tiende a prevenir perdidas graduales, sino que también proporciona un efecto de diversidad de
canales resultando unos enlaces muy robustos en comunicaciones móviles terrestres.
Bloques de Construcción.
Las señales spread spectrum son demoduladas en dos pasos: 1) la modulación en extensión del espectro es
eliminada, y 2) la señal es demodulada. El proceso de desampliar una señal es llamado correlación. La señal
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spread spectrum es desampliada cuando se consigue la apropiada sincronización del código ampliado entre el
transmisor y el receptor. La sincronización es el aspecto más difícil del receptor. Mucho más tiempo,
investigación, esfuerzo y dinero se ha empleado para desarrollar y mejorar las técnicas de sincronización que
en cualquier otra área de spread spectrum. El problema de la sincronización es descompuesto en dos partes:
adquisición inicial y seguimiento.
Hay varios métodos para resolver el problema de la sincronización. Muchos de ellos requieren una gran
cantidad de componentes para ser implementados. Pero quizás, el avance más importante ha sido el
Procesamiento Digital de la Señal (DSP − Digital Signal Processing) y los Circuitos Integrados de Aplicación
Específica (ASIC − Application Specific Integrated Circuits). DSP ha proporcionado funciones matemáticas
de alta velocidad que pueden dividir la señal spread spectrum en muchas pequeñas partes y analizarla para
sincronizarla y decorrelacionarla. Los chips ASIC reducen el coste usando tecnología VLSI y creando bloques
de construcción genéricos que pueden ser usados para cualquier tipo de aplicación que el diseñador desee.
LMDS
Tecnología de comunicación que viaja a través del aire
Definida como sistema de distribución local multipunto, LMDS es la tecnología que utiliza al aire como
medio de transmisión de una señal telefónica que le permitirá a los proveedores del servicio agilizar el
proceso de conexión.
De entrada pareciera que se trata del mecanismo por medio del cual trabajan redes celulares, pero en realidad
es diferente; la solución es fija y tiene requerimientos especiales como es la línea de vista entre la radio base y
el equipo del cliente.
Además, ofrece mayores velocidades de conexión y capacidades de superiores a las que actualmente son
manejadas por otro tipo de tecnologías.
Entre los servicios y aplicaciones que incluye se encuentra la transmisión de voz, datos y video, en donde el
ancho de banda está dedicado a darle prioridad al servicio en vivo, asignando dinámicamente soluciones de
datos (incluso video).
En cuanto a su capacidad, LMDS puede llegar hasta los 42 Mbps por kilómetro cuadrado en 28 GHz con 12
sectores por celda. Dicha cifra del número de canales utilizados, sectores por celda y modulación depende de
la potencia con la que se transmite la señal, así como por el grado de interferencia al momento de establecer la
comunicación.
¿Cómo funciona?
Debido a que esta tecnología utiliza como medio de transmisión el aire, la forma de operar es mediante cuatro
componentes. El primero de ellos es un módulo externo que se conforma por una antena y un amplificador de
bajo nivel de ruido, el cual recibe y envía la información digitalizada.
En segundo lugar se encuentra una unidad interna cuya función es procesar los datos por medio de interfaces.
La señal es recibida por el tercer componente, las radiobases, las cuales se instalan en lugares estratégicos
desde donde el proveedor se encargará de brindar el servicio de comunicación y de darle el soporte necesario
a las aplicaciones, estableciendo enlaces directos entre los distintos usuarios del mismo.
El punto que cierra el círculo es el sistema de gestión. Éste consta de una central de gestión y monitoreo que
administra y controla toda la infraestructura.
¿Qué se espera de la tecnología LMDS?
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Aunque por el momento todavía está en evaluación, se espera que luego de la liberación y desregulación de
los espectros de esta tecnología, los proveedores del servicio podrán ofrecer un nivel de calidad y velocidad
más rápido que los esquemas hasta ahora conocidos (telefonía tradicional y celular).
A decir por el gerente de Marketing Comunications (MarCom) en Caribe, Latinoamérica y México, Octavio
Rosado, en el momento que esto suceda los proveedores del servicio se podrán enfocar al segmento de la
pequeña y mediana empresa (PyME) y al SOHO (Small Office/Home Office) a través de propuestas más
accesibles en cuanto a tarifas y tiempo de implantación.
Pese a estos pronósticos, el representante de Marconi, Alejandro Soto, explica que todo va a depender de los
costos de los productos involucrados para hacer realidad la comunicación a través de esta tecnología.
Comenta que lo anterior puede ser posible, ya que los operadores del servicio se ahorrarían los gastos que
representa el abrir calles para instalar todo el cableado que un sistema tradicional requiere.
Por el momento, la Comisión Federal de Telecomunicaciones (Cofetel) sigue estudiando el proceso de subasta
de la frecuencia y cómo se va dividir.
Al respecto, Rosado considera que el ganador en el mercado de acceso inalámbrico de banda ancha será quien
presente la capacidad de ofrecer el mayor número de
bits por unidad de espectro, quien acomode más usuarios y al mismo tiempo garantice el retorno de inversión
y, sobretodo, aquel que demuestre la mayor facilidad de implantación.
En México se espera que la Cofetel subaste antes de fin de año tres concesiones entre 28 y 31 GHz (dos de
450 MHz y uno de 150 MHz).
La tecnología LMDS se presenta como la fórmula menos engorrosa de tender líneas propias y dejar de
depender del cableado de Telefónica. Se trata de traducir la señal telefónica que viaja por cable en ondas de
radio, captarlas mediante antenas instaladas en cada edificio y distribuirla a los abonados por cable. En
principio una opción limpia que no requiere abrir zanjas por toda la ciudad y que permita llevar a los usuarios
voz y datos de alta calidad con líneas propias. FIGURA 1
Figura 1: La telefonía inalámbrica LMDS es un servicio de banda ancha a través de ondas de radio que
permite llevar todo tipo de llamadas hasta los hogares
Los sistemas fijos de acceso radio punto a multipunto constituyen una forma rápida y flexible respecto a las
soluciones basadas en cable para proporcionar servicios digitales de banda ancha. Las nuevas licencias
concedidas recientemente por Fomento en las bandas de 3,4 a 3,6 GHz y 24,5 a 26,5 GHz permitirán acceder
a los usuarios a través del llamado bucle local inalámbrico (WLL, Wireless Local Loop). Entre las distintas
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soluciones de acceso inalámbrico destacan los sistemas FWA (Fixed Wireless Access) y LMDS/MVDS
(Local Multipoint Distribution Service / Microwave Video Distribution System). Los primeros están pensados
principalmente para proporcionar servicios tales como telefonía, acceso a Internet, videoconferencia o
interconexión de redes privadas y son objeto de las licencias de Fomento. En cambio, los segundos surgen
para facilitar el despliegue de las redes de los operadores de cable y permiten servicios digitales
bidireccionales de vídeo y datos en las bandas de 27,5 a 29,5 GHz ó 40,5 a 42,5 GHz. En todos ellos, la
arquitectura del sistema consiste en una serie de estaciones base interconectadas entre sí y con el centro de
control de red por medio de cable o radio enlaces, las cuales dan servicio a una serie de abonados fijos
distribuidos por el interior de celdas de radio variable.
A la hora de realizar la planificación y despliegue de un sistema inalámbrico punto a multipunto existen varios
factores que deben tenerse en cuenta: zona geográfica y orografía del terreno, densidad de abonados y
consumo de tráfico, calidad de servicio requerida, balance de potencias del enlace radio, tamaño y número de
celdas, emplazamiento de estaciones base, reutilización de frecuencias, coste del sistema, etc. A continuación
pasaremos a comentarlos más en detalle.
Figura 2: Curvas de BER para una modulación 64QAM y varios niveles de CIR.
Las prestaciones de un sistema de distribución de vídeo punto a multipunto se miden por medio del porcentaje
de abonados que poseen un nivel de señal adecuado para alcanzar una calidad de imagen excelente. En el caso
de una gran área metropolitana, el factor clave en la penetración del sistema lo constituye la vegetación
existente. Si el haz del radio enlace se obstruye por árboles o vegetación, el impacto sobre el nivel de señal es
significativo. A frecuencias milimétricas, como pueden ser los sistemas LMDS, la situación es más crítica. A
estas frecuencias tan elevadas no existe prácticamente difracción y cualquier pequeño obstáculo provoca la
reflexión del haz, por lo que estos sistemas necesitan diseñarse con visión directa entre las antenas (LoS, Line
of Sight). En general, los valores de atenuación causados por la vegetación oscilan en torno a los 10−20 dB.
Para aumentar el porcentaje de abonados que pueden ser cubiertos se emplean torres y edificios elevados
donde se sitúan las antenas, así como repetidores secundarios de baja potencia para alimentar zonas
inaccesibles.
Adicionalmente a los efectos de bloqueo del haz, el solapamiento entre celdas o la redundancia del sistema
también afectan a la calidad de servicio. El solapamiento entre celdas es un factor de diseño importante de tal
forma que se garantice que un abonado situado cerca del borde de la celda pueda recibir servicio de múltiples
direcciones. Un valor típico de solapamiento es el 15 %, el cual puede variar dependiendo de la densidad de
población y de la obstrucción causada por grandes edificios. Finalmente, para minimizar el tiempo de caída
del sistema en caso de fallo o degradación del equipamiento, pueden utilizarse transmisores, receptores y
antenas de reserva (redundancia de equipos). Cuando el sistema de gestión detecta un fallo en un determinado
equipo se conmuta al equipo de reserva en unos pocos microsegundos. Los transmisores y receptores digitales
de banda ancha poseen tarjetas de monitorización cuya función es medir parámetros tales como potencia de
salida, temperatura, frecuencia del oscilador local, etc. Todos estos valores analógicos se digitalizan y se
transmiten hacia el centro de control de red, el cual se encarga de comprobar los márgenes de funcionamiento
y conmutar al equipamiento redundante en caso de fallo.
La calidad de servicio o fiabilidad suele medirse por medio del porcentaje de tiempo que el sistema funciona
correctamente. Valores típicos oscilan entre el 99,9 % y el 99,999 %. Adicionalmente, para aumentar este
porcentaje pueden emplearse técnicas de diversidad. Las técnicas de diversidad pueden realizarse en el
dominio espacial, frecuencial o temporal y consisten en proporcionar rutas distintas para transmitir y recibir
información redundante. La idea se basa en que ahora es necesario que ocurra un desvanecimiento de la señal
simultáneamente en todas las posibles rutas para cortar el enlace. De este modo, suponiendo que disponemos
de dos rutas diferentes con una fiabilidad o calidad de servicio del 99,9 %, la calidad resultante empleando
diversidad llegaría hasta el 99,9999 %.
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El balance de potencias se utiliza para calcular la distancia máxima de la estación base a la que debe situarse
un usuario para mantener una determinada calidad de señal. En este cálculo intervienen todas las ganancias y
pérdidas del sistema, incluyendo transmisores, repetidores, antenas, propagación en espacio libre,
convertidores de frecuencia, amplificadores, desvanecimientos por lluvia o vegetación, etc. Los parámetros de
calidad que se utilizan en el balance de potencias son la relación portadora a ruido (CNR, Carrier to Noise
Ratio), los niveles de distorsión de tercer orden (CTB, Composite Triple Beat) y la relación portadora a
interferencia (CIR, Carrier to Interference Ratio).
La CNR global del sistema se relaciona directamente con la tasa de errores (BER, Bit Error Rate) en
recepción. Suponiendo la presencia de ruido blanco gaussiano y las figuras de ruido asociadas a cada
componente, el BER se calcula a partir de un modelo teórico basado en el esquema de modulación empleado
y el algoritmo utilizado para la corrección de errores. Generalmente se emplean técnicas de corrección de
errores en recepción (FEC, Forward Error Correction) basadas en códigos convolucionales y Reed Solomon.
Por otro lado, el nivel de distorsión acumulado a lo largo del sistema debe mantenerse en unos niveles
aceptables para realizar la demodulación en el receptor correctamente. Los productos de intermodulación
generados en transmisores, amplificadores y convertidores de frecuencia dependen de la potencia de
portadora, del número de canales y del punto de intercepción de tercer orden del dispositivo. Normalmente se
tienen valores de CTB (potencia de intermodulación de tercer orden respecto a potencia de portadora) de unos
−35 dBc.
Por último, un importante parámetro de diseño en sistemas inalámbricos punto a multipunto es la CIR, dado
que se trata de sistemas celulares sujetos a interferencias. Posteriormente se analizará en detalle la
planificación de frecuencias utilizada para minimizar las interferencias. En este momento, simplemente
indicaremos que la CIR produce una degradación de la CNR del sistema, conduciendo finalmente a un
aumento del BER. En la FIGURA 2 se representa el BER obtenido en recepción para una modulación
64QAM en función de Eb/N0 (energía de bit respecto a densidad espectral de ruido) para distintos niveles de
CIR, donde se puede observar el aumento que se produce en el valor de Eb/N0 requerido para una cierta
probabilidad de error conforme disminuye la CIR. El valor de Eb/N0 se encuentra directamente relacionado
con la CNR, por lo que un determinado valor de CIR conduce a una nueva CNR efectiva del sistema.
El tamaño máximo de celda se encuentra directamente relacionado con la calidad de servicio exigida y puede
calcularse por medio del balance de potencias. El tamaño de celda puede variar dentro de la zona de cobertura
debido al tipo de antena utilizado, a su altura, a las pérdidas por vegetación, al esquema de modulación
empleado y a otros efectos anteriormente comentados. En el caso de la banda de 26 GHz los radios típicos de
celda oscilan entre 2−4 km, mientras que la banda de 3,5 GHz proporciona alcances de 15−20 km. No
obstante, el tipo de área (urbana, suburbana o rural) condiciona enormemente el tamaño de celda por
cuestiones de tráfico. A pesar de que los distintos abonados pueden disponer de un nivel de señal suficiente, el
ancho de banda disponible es un recurso compartido. De este modo, en el caso de zonas con alta densidad de
usuarios o grandes consumos de ancho de banda (edificios de empresas), no se puede garantizar una cierta
calidad de servicio y es necesario reducir el radio de las celdas (en algunos casos hasta los 500 m).
El coste total del sistema depende de una serie de factores: balance de potencias, tamaño de celda,
solapamiento entre celdas, número de celdas, capacidad de tráfico, número de sectores por celda y coste por
celda. La sectorización de las celdas se realiza por cuestiones de tráfico, ya que permite la reutilización de las
frecuencias y por lo tanto del ancho de banda disponible. En general, el coste del sistema depende del número
de celdas necesarias para cubrir todo el área de cobertura. El coste de los equipos de radiofrecuencia
(transmisores, receptores y antenas) se ve reflejado en cada uno de los sectores de la celda, mientras que el
coste del equipamiento interno de la estación base depende de la capacidad de tráfico requerida. Durante el
diseño del sistema, los operadores de red suelen utilizar herramientas y software informático para optimizar
costes.
La utilización de antenas omnidireccionales en la estación base da lugar a múltiples interferencias en las
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celdas vecinas, las cuales pueden evitarse empleando frecuencias distintas. Pero dado que se desaprovecha
capacidad de tráfico, suelen emplearse técnicas de reutilización de frecuencia para volver a utilizar el espectro
en celdas suficientemente alejadas de forma similar a como se realiza en los sistemas de telefonía móvil
celular. Adicionalmente, en el interior de una misma celda también se emplea sectorización tanto para
aumentar la directividad de las antenas como para independizar el tráfico de un grupo de usuarios.
Las configuraciones habituales consisten en 4 sectores por celda utilizando antenas con un ancho de haz de 90
grados. El diagrama de radiación de una antena sectorial de 90 grados típica se muestra en la FIGURA 3
(curva de color rojo). Se puede observar que la radiación se mantiene prácticamente constante desde −45 hasta
45 grados con una caída bastante suave fuera de la región de trabajo. Precisamente esta caída no abrupta
(atenuación de tan sólo 10 dB para 75 grados) provoca interferencia en los sectores adyacentes. Un tipo
particular de interferencia es la causada por el lóbulo posterior de la antena (ángulo de 180 grados). La
relación entre la densidad de potencia radiada por la antena en la dirección útil y la que radia por el lóbulo
trasero se conoce como relación delante/detrás (forward/backward, F/B) y es un importante parámetro de
diseño de la antena en lo relativo a interferencias. El ángulo azimut hace referencia al plano horizontal de la
antena. Adicionalmente, la antena de la estación base también posee un diagrama de radiación vertical (ángulo
de elevación) que se diseña para concentrar el máximo de radiación para aquellos ángulos por debajo de la
horizontal que es donde se agrupan los abonados (téngase en cuenta que las antenas suelen instalarse en
posiciones elevadas).
Figura 3: Curvas de BER para una modulación 64QAM y varios niveles de CIR.
Por los motivos de interferencia anteriormente comentados, es necesario un aislamiento entre sectores
adyacentes que se realiza, bien empleando frecuencias distintas, o bien mediante polarizaciones distintas. De
este modo, se llegaría a un esquema de planificación celular como el mostrado en la FIGURA 4. En un
principio, hemos supuesto un sistema que emplea únicamente polarización vertical. En este tipo de sistemas se
escoge una geometría de las celdas cuadrada para cubrir una determinada área de cobertura, de donde se
desprende que existirá solapamiento entre las celdas vecinas si las antenas radian uniformemente en el interior
del ancho de haz. En la FIGURA 4se observa que existen celdas de dos tipos (A y B) uniformemente
distribuidas a lo largo de toda la zona de cobertura. Las celdas de tipo A trabajan a frecuencias F1 y F3,
mientras que las celdas de tipo B trabajan a frecuencias F2 y F4. Al lado de cada celda de tipo A existe una
celda de tipo B para evitar interferencias, y a su vez, la orientación de los sectores en las celdas de tipo A
situadas diagonalmente es distinta por idéntico motivo. En este esquema de planificación, no obstante, la
reutilización de frecuencias que se consigue es del 100%.
Canal adyacente
Primero
Segundo
Tercero
4QAM
10 dBc
20 dBc
30 dBc
16QAM
4 dBc
14 dBc
24 dBc
64QAM
−2 dBc
8 dBc
18 dBc
Tabla II. Selectividad de canal adyacente para diversas modulaciones digitales
A pesar de los esquemas de sectorización, reutilización de frecuencias y distintas polarizaciones que se
emplean en los sistemas inalámbricos punto a multipunto, todavía es necesario un análisis cuidadoso del
sistema para evitar en lo posible las interferencias cocanal y de canal adyacente. Como se ha visto en la
FIGURA2 , las interferencias degradan el BER, siendo necesario un aumento de la potencia de señal recibida
para compensar esta degradación. Existe pues un nivel mínimo de CIR que debe imponerse al sistema, el cual
depende del esquema de modulación empleado. Normalmente, el valor de CIR requerido es de 12 dB para una
modulación 4QAM/QPSK, 18 dB para 16QAM ó 24 dB para 64QAM.
Figura 4: planificacion celular con cuatro frecuencias, dos polarizaciones y sectores de 90/30 grados.
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Un factor importante en el cálculo de la interferencia lo constituye la selectivQidad que posee el receptor
frente a las modulaciones de los canales de frecuencia adyacentes. En la tabla II se presentan estos valores
para las modulaciones 4QAM, 16AM y 64QAM. Como ejemplo, el receptor puede atenuar 10 dB la potencia
de un canal adyacente con modulación 4QAM. Lógicamente, conforme los canales se encuentran más
alejados la selectividad es más elevada. El caso peor se tiene con la modulación 64QAM, donde el nivel de
interferencia sería 2 dB superior a la potencia de canal adyacente.
Por otro lado y en lo referente a la polarización, la antena tampoco es ideal y posee una atenuación finita
sobre la polarización cruzada. En la FIGURA 2 anterior se representa el diagrama de radiación de la antena
para la polarización cruzada (curva de color azul), donde se observa que existe una atenuación mínima de
unos 30 dB con respecto al nivel de señal útil. Estos valores deben considerarse en cualquier diseño. A
continuación realizaremos algunos ejemplos típicos de cálculo de interferencias que se realizan en el diseño
de este tipo de sistemas celulares.
Fijémonos en primer lugar en la celda de tipo A de la FIGURA 4. La primera interferencia que se observa es
la que produce el canal de frecuencia F1 sobre el canal de frecuencia F3 y misma polarización del sector
adyacente. De acuerdo con la tabla II se obtienen unos valores de selectividad de segundo canal adyacente de
20 dBc para 4QAM, 14 dBc para 16QAM y 8 dBc para 64QAM. Dado que los niveles de CIR requeridos son
de 12, 18 y 24 dB para 4QAM, 16QAM y 64QAM respectivamente, se necesita que el diagrama de radiación
de la antena se atenúe fuera del ancho de haz de 90 grados en 4 dB para 16QAM y en 16 dB para 64QAM
para que el sistema funcione correctamente. Las mismas conclusiones se obtendrían para los sectores a
frecuencias F2 y F4 con polarización horizontal.
Analicemos a continuación la interferencia entre sectores opuestos. En este caso, ambos sectores emplean la
misma combinación de frecuencia y polarización, por lo que la interferencia será cocanal (caso peor). Sin
embargo, el diagrama de radiación de la antena se encuentra por debajo de 30 dB para un margen de ángulos
entre −180 y −135 grados y entre 135 y 180 grados, por lo que cualquiera de las modulaciones cumplirá el
requerimiento de CIR que es inferior a los 30 dB.
La utilización de sectorización de 30 grados merece una mención especial. El sector central opera ahora a la
misma frecuencia pero distinta polarización que los sectores de 90 grados adyacentes, por lo que se asegura
una CIR superior a los 30 dB para todas las modulaciones y se minimizan los requerimientos sobre el
diagrama de radiación de las antenas de 90 grados. Ahora bien, la problemática se encuentra en el caso de los
sectores de 30 grados. En especial, el sector central produce una interferencia de canal adyacente a la misma
polarización (vertical) entre los canales de frecuencias F2 y F3. Esto significa que la selectividad obtenida en
el receptor para cada modulación es de 10 dBc, 4 dBc y −2 dBc para 4QAM, 16QAM y 64QAM
respectivamente. Luego tomando los requerimientos de CIR anteriores, se necesita asegurar una atenuación
del diagrama de radiación fuera del sector de 2 dB, 14 dB y 26 dB respectivamente. Aunque las antenas de
ancho de haz de 30 grados son más directivas, sólo sería posible en la práctica cumplir con los requerimientos
para las modulaciones 4QAM o 16QAM.
La situación alternativa de emplear en el sector central dos canales a frecuencia F1 y polarización vertical, y
frecuencia F2 y polarización horizontal sería incluso más problemática. En este caso se tendrían
interferencias copolares de segundo canal adyacente tanto para polarización vertical (F1 sobre F3) como para
polarización horizontal (F2 sobre F4), las cuales se tratarían de igual forma a como se ha comentado
anteriormente. Sin embargo, en este caso el requerimiento impuesto a los diagramas de radiación de las
antenas de 90 grados son más estrictos, dado que existen interferencias cocanales y copolares entre el sector
de 30 grados central y los sectores de 90 grados adyacentes. Las antenas de estos últimos deberían pues,
presentar una atenuación superior a 12 dB, 18 dB y 24 dB para las modulaciones 4QAM, 16QAM y 64QAM
respectivamente, para ángulos comprendidos entre 75 y 105 grados. En la FIGURA 2 se observa que este
requerimiento es difícil de cumplir, especialmente en el caso de las modulaciones 16QAM y 64QAM.
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Finalmente, las interferencias entre polarizaciones cruzadas no afectan debido a la atenuación mínima de 30
dB impuesta por el diagrama de radiación. No obstante, el aumento de la potencia interferente en 2 dBc en el
canal adyacente de la modulación 64QAM debe tenerse en cuenta en el diseño.
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