Diapositiva 1 - Universidad del Cauca
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13/09/2013 Sistemas cableados Vs Inalámbricos Comunicaciones Inalámbricas Capitulo 1: Fundamentos Víctor Manuel Quintero Flórez Claudia Milena Hernández Bonilla Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones II-2013 Sistemas cableados Vs Inalámbricos • En áreas con alta densidad de población los sistemas cableados son económicamente preferibles. (Sistemas banda estrecha y sistemas banda ancha). – Par trenzado. • 10 kHz @ 2-3 dB/km. • 10 MHz @ 7 dB por 100 metros. – Cable coaxial • Altas frecuencias (TV, datos de alta velocidad). • 1 GHz @ 2dB por 100 metros. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Sistemas cableados Vs Inalámbricos – Fibra óptica. • • • • Mayor costo. 850 nm @ ≅ 2.3 dB/km. 1300 nm @ ≅ 0.25 dB/km. 1550 nm @ ≅ 0.25 dB/km. • Sistemas inalámbricos menor pérdida de potencia – mayor distancia, para áreas donde la población se encuentra dispersa. • La potencia radiada por unidad de área decrece con el inverso del cuadrado de la distancia entre transmisor y receptor. – Duplicando distancia factor de pérdida ≈ 4 (6 dB) Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Espectro de Radiofrecuencia Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Espectro Electromagnético Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca 1 13/09/2013 Espectro Electromagnético Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Espectro Electromagnético Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Espectro Electromagnético Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Espectro Electromagnético Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Espectro Electromagnético Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Espectro Electromagnético Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca 2 13/09/2013 Historia Historia • Historia Michael Faraday James Clerk Maxwell Heinrich Rudolf Hertz Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Sistema de Comunicaciones Inalámbrico Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Sistema de Comunicaciones Inalámbrico • Transmisor Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Alexander Stepanovich Popov Nikola Tesla Guglielmo Marconi Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Sistema de Comunicaciones Inalámbrico Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Sistema de Comunicaciones Inalámbrico • Receptor Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca 3 13/09/2013 Sistema de Comunicaciones Inalámbrico Sistema de Comunicaciones Inalámbrico • Interfaz Radio – Sistema de telecomunicaciones: Red de acceso y red de transporte. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Sistema de Comunicaciones Inalámbrico • Interfaz radio – Utilización del espectro radioeléctrico implica un uso compartido y coordinado de asignaciones de las variables (f, t y s). Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Multiplexación • La capacidad del medio de transmisión usualmente excede la capacidad requerida para la transmisión de una única señal • Multiplexación – Transportar múltiples señales sobre un único medio – Mayor eficiencia en el uso del medio de transmisión. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Multiplexación Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Multiplexación (3) • Técnicas de Multiplexación – FDM (Frequency-division multiplexing) • Toma ventaja del hecho que el ancho de banda útil del medio excede el ancho de banda requerido para una señal dada. – TDM (Time-division multiplexing) • Toma ventaja del hecho que la tasa de datos alcanzable en el medio excede la tasa de datos requerida por una señal digital. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca 4 13/09/2013 Multiplexación Multiplexación • Multiplexación por División de Frecuencia Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca • Multiplexación por División de Tiempo Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Duplexación Duplexación • Transmitir y recibir simultaneamente • Frequency Division Duplexing (FDD). – Dos distintas frecuencias simultaneamente en las dos direcciones. – La separación de frecuencias es coordinada por tecnología RF. – Una frecuencia para cada usuario. MAC (Control de Acceso al Medio). ¿Cuando transmitir? – Acceso múltiple y duplexación. • Acceso múltiple: múltiples usuarios. • Duplexación: Simultaneamente transmitir y recibir. – Acceso planeado o programado (Scheduled). • Comunicaciones estructuradas. • No ocurren colisiones. • Considerable información de control para controlar la transferencia de información del usuario (High overhead). • Coordinación de los transmisores. – Acceso aleatorio (basado en contención) • Comunicaciones no estructuradas. • Suceden colisiones. • Baja información de control (Low overhead) para controlar la transferencia de información de usuario. • No coordinación de los transmisores. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca • Time Division Duplexing (TDD) – Dos distintos conjuntos de intervalos de tiempo sobre la misma frecuencia en las dos direcciones. – Latencia en el tiempo debido a que es cuasi-duplex – No necesita Duplexor de RF Acceso Múltiple: aleatorio • ALOHA – Transmitir sin escuchar primero. • Acceso múltiple detección de portadora (CSMA) – Escucha antes de transmistir. – Detección de colisión (CSMA/CD) • El nodo debe ser capaz de transmitir y recibir simultaneamente. • Redes alambradas Ethernet 802.3. – Evasión de colisión (CSMA/CA) • No requiere transmisión y recepción simultanea. • Reserva canales para transmisión posterior de un numero considerable de paquetes de datos. • Utilizado en muchas redes inalámbricas. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca 5 13/09/2013 Técnicas de Acceso • Frequency Division Multiple Access (FDMA) • FDMA Técnicas de Acceso – Asigna una banda de frecuencia diferente a cada usuario. – Banda de frecuencia (“canal”) asignado bajo demanda. – El espectro disponible “banda ancha” dividido en un número de canales de “banda estrecha” . – Transmisión continua. No implica tramas ni bits de sincronización. – Requiere filtrado de RF para minimizar la interferencia de canales adyacentes y radiación espurea. – Usualmente combinado con FDD para la duplexación. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca • FDMA Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso Técnicas de Acceso • Time Division Multiple Access (TDMA) – Usuarios múltiples comparten la misma banda de frecuencia repitiendo cíclicamente “intervalos de tiempo”. – “canal” = Un intervalo de tiempo particular reocurrente cada trama de N intervalos. – Necesario ecualización adaptativa por altas velocidades de transmisión de datos y multitrayectoria. – Bits de sincronización, bits de guarda. – Bits de guarda para las variaciones de retardo en la propagación. – Usualmente combinado con TDD o FDD. – TDMA/TDD: Mitad de los intervalos en una trama son utilizados para enlace de subida (uplink), mitad para el enlace de bajada (downlink). – TDMA/FDD: Tramas idénticas, sobre dos frecuencias. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso • TDMA Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso • TDMA Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca UNIVERSIDAD DEL CAUCA - Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones 6 13/09/2013 Técnicas de Acceso Técnicas de Acceso • FDMA/TDMA Hibrido • FDMA/TDMA Hibrido – – – – TDMA “puro”. Una sola banda de frecuencia es no deseable. Múltiples portadoras con múltiples canales por portadora. canal == (banda de frecuencia, intervalo de tiempo). Puede hacer saltos de frecuencia para combatir el desvanecimiento por multitrayectoria (TDFH, Time Division Frequency Hopping). – Incrementa la capacidad del sistema. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca UNIVERSIDAD DEL CAUCA - Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones Técnicas de Acceso Técnicas de Acceso (10) • Code Division Multiple Access (CDMA) • CDMA – Comunicaciones que coinciden en frecuencia y tiempo. – Las comunicaciones se codifican con códigos que presentan muy baja correlación cruzada. – El receptor recupera una transmisión especifica con su correspondiente código. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca • CDMA Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso Técnicas de Acceso • CDMA • Spread Spectrum Modulation. – El Tx multiplica la señal con un código especial y entonces la señal es transmitida. La señal se expande (ensancha) varias veces el BW original. El receptor correlaciona las señales recibidas con el código especial para recuperar la señal de información original (desensanchamiento). – Otras señales creadas con otros códigos solo aparecen en el receptor como ruido aleatorio Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca 7 13/09/2013 Técnicas de Acceso • CDMA. SSM. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso • CDMA. SSM. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso (19) Técnicas de Acceso • CDMA. SSM. • CDMA. SSM . Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso • Tipos de SSM Técnicas de Acceso • DSSS – Secuencia Directa (DS, Direct Sequence) • Multiplicando la señal de usuario por una señal de alta velocidad (código PN). • 1.228 Mcps en IS-95, 3.84 Mcps en WCDMA. • La energía de la señal se dispersa sobre un amplio rango de frecuencias (e.g. 1.25MHz in IS-95, 5MHz en WCDMA) – Saltos de Frecuencia (FH, Frequency Hopping) • Aletoriamente cambia la frecuencia del canal con el tiempo, siguiendo el código PN Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca 8 13/09/2013 Técnicas de Acceso • FHSS Técnicas de Acceso • FHSS Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso • Space Division Multiple Access (SDMA) Técnicas de Acceso • SDMA – Control de la energía radiada para cada usuario en el espacio. – Antenas sectorizadas. – Áreas diferentes servidas por diferentes antenas o lóbulos – Antenas adaptativas (antenas inteligentes). Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso • OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – OFDM. Técnica de transmisión. Multiplexación por división de frecuencia. Técnica de modulación multiportadora digital. – Divide un canal de alta velocidad en canales múltiples, paralelos, de baja velocidad. Técnicas de Acceso • OFDM – Sistemas celulares de cuarta generación, televisión y radio digital. – Utilizado en IEEE 802.11a,g (WLANs). – Compensa efectos del canal sin complejos ecualizadores. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca 9 13/09/2013 Técnicas de Acceso • OFDM (3) Técnicas de Acceso • OFDM – La ortogonalidad requiere que el espaciamiento entre sub-portadoras Δf = k/(TU) Hertz, donde TU segundos es la duración del simbolo, y K es un entero positivo, tipicamente igual a 1. – Con N sub-portadoras, el ancho de banda total sera B ≈ N·Δf (Hz). Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Técnicas de Acceso • OFDM Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ Conclusión • Cada técnica de acceso tiene sus propios retos – control de potencia en CDMA, temporización en TDMA, y generación/filtrado de frecuencia en FDMA. Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca Maestría en Electrónica y Telecomunicaciones – Universidad del Cauca 10
