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Comunicaciones Moviles
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MÓDULO 1: FUNDAMENTOS DE COMUNICACIONES MÓVILES
Jordi Pérez Romero ([email protected]), Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
BARCELONA 17-24 OCTUBRE 2007
MÓDULO 1.- FUNDAMENTOS DE COMUNICACIONES MÓVILES
Tema 1.- Introducción a las comunicaciones móviles
Tema 1: Introducción a las comunicaciones móviles
2Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
1.1.- Clasificación de sistemas móviles1.2.- Técnicas de Acceso Múltiple1.3.- Elementos de transmisión1.4.- Propagación y Coberturas1.5.- Sistemas celulares1.6.- Radioenlaces.
Tema 1.- INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES
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3Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
BIBLIOGRAFÍA
• Principios de comunicaciones móvilesO. Sallent, J. L. Valenzuela, R. AgustíEdicions UPC, 2003
• Comunicaciones MóvilesJ. M. HernandoCentro de Estudios Ramon Areces, 1997
• Mobile Communications Design FundamentalsW. C. Y. LeeJohn Wiley & Sons, 1993, 2ª edición
• Transmisión por RadioJ. M. HernandoCentro de Estudios Ramon Areces, 1993
4Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
1.1.- Clasificación de sistemas móviles
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5Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Radiocomunicaciones• Comunicaciones móviles
– Introducción– Agentes– Evolución de las comunicaciones móviles
• Sistemas de Comunicaciones Móviles– Celulares– Trunking– Inalámbricos– Radiomensajería
• Características de calidad de un sistema de comunicaciones móviles
CONTENIDO
6Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Radiocomunicación: Telecomunicación realizada por medio de las ondas radioeléctricas
• Ondas radioeléctricas (definición según ITU):Ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio sin guía artificial y cuyo límite superior de frecuencia se fija, convencionalmente, en 3000 GHz.
• Servicio de radiocomunicaciones:Servicio que implica la emisión y/o recepción de ondas radioeléctricas con fines de transmisión/recepción de información, para la cobertura de necesidades de telecomunicación o de tipo científico o industrial.
La técnica de la radiocomunicación consiste en superponer la información a transmitir sobre una onda electromagnética de soporte, denominada portadora, mediante el proceso denominado modulación.
RADIOCOMUNICACIÓN
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7Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES
Posicionamiento emisor/receptor
Fijos (radioenlaces)
Móviles
Empleo del segmento espacial
Terrenales
Vía satélite
Número de emisores/receptores
Punto a punto
Punto a multipunto
Se pueden clasificar en base a diferentes criterios
8Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Sistema de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones fijas o entre estaciones móviles.
• Emisor y/o receptor presentan movilidad– móvil terrestre, marítimo y aeronáutico
• Persiguen conseguir ubicuidad y movilidad en la comunicación• Permiten el intercambio de diferentes tipos de información:
– Voz– Mensajes cortos (SMS)– Mensajes multimedia– Datos (http, ftp, correo electrónico)– Video (Películas, videoconferencia, etc.)– Juegos interactivos– Televisión
INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES (I)
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9Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Mensajería
Servicio de Mensajes Cortos (SMS)Servicios de InformaciónComercio Electrónico Seguro
Acceso a Información
E-mail (con y sin attachments)WWW
Multimedia
Transferencia de imágenes estáticasVoz sobre IPVideoVideoconferencia
Aplicaciones verticales
Acceso a bases de datos corporativasSincronizaciónGestión de ficherosJuegos interactivos
Telemática
Gestión de flotasTelemetría
Servicios de radiodifusión
Guiado de rutasInformación de tráfico
INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES (II)
10Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Aspectos característicos:– Caracterización del canal radio:
• Introduce una mayor degradación que en el caso de la comunicación entre puntos fijos debido a una mayor variabilidad
– Compartición del medio de transmisión:• Estrategias de duplexado• Estrategias de acceso múltiple
– Concepto de sistema celular• Mecanismo para reutilizar recursos radioeléctricos e incrementar la
capacidad• Necesidad de mecanismos de handover o traspaso de llamada para
garantizar la continuidad de las comunicaciones• La información enviada puede ser de la siguiente naturaleza:
– Tráfico, información útil de las diferentes aplicaciones (plano de usuario)
– Señalización para establecimiento de las conexiones, búsqueda de terminales en llamadas entrantes (paging), protección de la información(plano de control)
INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES (III)
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11Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Usuarios• Operadores• Proveedores de servicios• Fabricantes• Foros de estandarización:
– A nivel mundial: ITU, 3GPP– A nivel europeo: ETSI
• Reguladores:– A nivel español: CMT: Comisión para el Mercado de
las Telecomunicaciones
AGENTES DE LAS COMUNICACIONES MÓVILES
12Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
HISTORIA DE LA TELEFONÍA MÓVIL (I)
1946.- Primer servicio de Radiotelefonía Móvil comercial en St. Louis Crecimiento espectacular (50 ciudades en menos 1 año). Sistema manual de gran área de cobertura.
1964.- Implantación IMPS (Improved Mobile Phone System) Encaminamiento automático, marcación directa, servicio full-duplex
1979.- Primer sistema celular en Chicago denominado AMPS (Advanced Mobile Phone System).
Sistema analógico, basado en el reuso de frecuencia. 1982.- CEPT crea el Groupe Special Mobile (GSM).
Sistema celular digital. Triplica la capacidad del sistema analógico. Especificaciones terminadas en 1990.Denominado después GSM (Global System for Mobile communications)
1992.- SISTEMA GSM OPERATIVO (FASE 1)
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13Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
HISTORIA DE LA TELEFONÍA MÓVIL (II)
1998.- Implantación de los primeros sistemas de transmisión por paquetes GPRS(General Packet Radio Service) como extensión de GSM
1990s.- Desarrollo de las tecnologías de tercera generación IMT-2000 (UMTS en Europa, CDMA2000 en USA)
1999.- Finalización de las especificaciones de la primera release de UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) (R99)
2002.- Implantación de UMTS
2002.- Release 5 de UMTS incorporando tecnología HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)
Actualidad:Tecnología HSUPA+HSDPA=HSPA (High Speed Packet Access)
Desarrollo de UMTS-LTE (Long Term Evolution) hacia la 4ªG.
14Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
GSMGSM9.6 kbps
4 G100 Mb/s
4 G4 G100 Mb/s
HSCSDHSCSD57,6 kpbs GPRSGPRS
100 kb/s UMTSUMTS2Mb/s
1993
•Descarga•E-mail•Fax
GSMDATOS
•Emergencia•Telebanca•Tickets•Gestión flotas•Inf. tráfico
SMARTMESSAGING
•Transferenciade ficheros•Videotelefonía•Acceso corporativo•Transmisión imágenes•Dinero electrónico•Telemedicina
•Internet•Intranet•On-line e-mail•On-line timemanagement•Juegos
MULTIMEDIAMÓVIL
HSPAHSPA10Mb/s
HISTORIA DE LA TELEFONÍA MÓVIL (III)
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15Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
La implantación en el mercado de las distintas tecnologías de lainformación se realiza cada vez de modo más rápido
1 10 20 Años
Móviles PC TV Color TV blanco y negro
Años después introducción en el mercado
No. deUsuarios
EVOLUCIÓN DEL MERCADO DE TELEFONÍA MÓVIL (I)
16Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
SOCIEDAD DE LA
INFORMACIÓN
Los dos sectores que han registrado un mayor crecimiento en el ámbito de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) en la última década son:
• Comunicaciones móviles• Internet
Industria de telecomunicaciones
Industria de ordenadores
Industria audiovisual
EVOLUCIÓN DEL MERCADO DE TELEFONÍA MÓVIL (II)
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17Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
50
100
150
200
250
300
350
1995 2000 2005 2010 2015
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
Mill
ones
Sub
scrip
tore
s
Servicio Multimedia
Sólo Voz
PEN
ETR
AC
IÓN
Años Fuente M. Guillaume UMTS’98
PenetraciónServicio Multimedia
EVOLUCIÓN DEL MERCADO DE TELEFONÍA MÓVIL (III)
18Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
EVOLUCIÓN DE TERMINALES (I)
Activados por vozPantalla táctilFormas ergonómicas
Display limitadoDificultad de entrada por tecladoGestión engorrosa
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19Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
EVOLUCIÓN DE TERMINALES (II)
20Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Sistemas celulares:– Proporcionan servicios de telecomunicación sobre zonas
geográficas extensas y con capacidad para mantener la continuidad de las comunicaciones mientras el usuario se va desplazando (cobertura global)
– Precisan del despliegue de una red según una cierta arquitectura– Estándares:
• 1ª Generación: TACS (Total Access Communicactions System)• 2ª Generación: GSM (Global System for Mobile communications) y
GPRS (General Packet Radio Service) para paquetes• 3ª Generación: UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (I)
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21Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Sistemas troncales (trunking) o de telefonía móvil privada PMR (Private Mobile Radio):– Ofrecen servicios de intercomunicación de voz/datos para grupos
cerrados de usuarios mediante redes independientes de las redespúblicas (p.ej. policía, gas, electricidad, agua, emergencias, ambulancias, bomberos, protección civil, flotas de vehículos, etc.)
– Cobertura nacional, regional o local– Llamadas frecuentes de corta duración con necesidad de crear
subgrupos de comunicación, prioridad de llamadas de emergencia, etc. – Posibilidad de llamadas de móvil a móvil, así como llamadas a grupos de
móviles o generales a todos los móviles– No necesariamente full-duplex (menor empleo de recursos, al no
ocuparse dos canales simultáneamente para transmisión y recepción)– Estándares:
• Análogicos: MPT13XX (Reino Unido)• Digitales: TETRA (Trans European Trunked Radio): estándar europeo de
ETSI
SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (II)
22Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Comunicaciones inalámbricas (Wireless)– Extensiones inalámbricas de la red fija:
• No requieren de una arquitectura de red propia sino que se sustentan en otras redes (p.ej. PSTN y extensiones de centralitas)
• Bajo alcance• Estándares:
– Analógico: » CT-1
– Digital: » DECT (Digital European Cordless Telecommunications)
– Wireless Local Loop:• Tecnología sin cable para completar la “última milla”• Conexión a redes públicas• Permiten rapidez en el despliegue de nuevas redes de acceso y en
incrementar la capacidad de las ya existentes• Permiten altas velocidades de transmisión (movilidad reducida)• Estándares:
– LMDS (Local Multipoint Distribution System)
SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (III)
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23Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Comunicaciones inalámbricas (Wireless)– Redes área local inalámbricas (WLAN):
• Alcance limitado a algunos centenares de metros• Mayor facilidad de instalación que las LAN cableadas, y además permiten
movilidad• Configuración flexible y escalable• Posibilidad de redes adhoc• Velocidades de hasta 54 Mb/s• Estándares:
– IEEE 802.11x (a,b,g,n)– HIPERLAN
– Redes de área Personal (PAN)• Sistemas de corto alcance• Inicialmente pensados para la interconexión de dispositivos• Redes adhoc (MANET: Mobile Adhoc Networks)• Estándares:
– Bluetooth
SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (IV)
24Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Sistemas de radiomensajería y radiobúsqueda.– Transmisión unidireccional de un mensaje desde el
origen hasta el terminal destino. – Tipos de mensajes:
• Tono o señal (el receptor pita al recibir un mensaje)• Mensajes alfanuméricos• Voz
– Estándares: • POCSAG (Post Office Code Standard Advisory Group): Estándar
mundial de facto• ERMES (European Radio Message System), desarrollado por ETSI
SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (V)
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25Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Personal Area Personal Area NetworkNetwork
Local Area Local Area NetworkNetwork
Wide Area Wide Area NetworkNetwork
Personal
Edificio
Pais/Global
LAN
GSM CDPDUMTS GPRSWiMAX TDMA
SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (VI)
26Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Bluetooth
2.4 GHz WLAN 5 GHz
WLAN
3G (UMTS)
Red de Área Personal
100 Mbps10 Mbps1 Mbps
Cobertura
Velocidad de transmisión
0.1 Mbps
10 m
10 Km
1 Km
100 m
2G (GSM/GPRS)
Redes de Área ExtensaRed de Área Local
SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (VII)
HSPA
4G / LTEWiMAX
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27Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CARACTERÍSTICAS DE CALIDAD DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES MÓVILES
• Cobertura– Extensión superficial (local, regional, nacional, global)– Porcentaje de ubicaciones
• Movilidad• Capacidad
– Número de usuarios soportado bajo ciertos requisitos de calidad
• Calidad de servicio (QoS)– Tasa de error, velocidad de transmisión, etc.
28Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Errortolerant
Errorintolerant
Conversational Interactive Streaming Background
Conversationalvoice and video Voice messaging Streaming audio
and video Fax
E-mail arrivalnotificationFTP, still image,
paging
E-commerce,WWW browsing,Telnet,
interactive games
Se deben proveer múltiples servicios con diferentes requerimientos de calidad para cada uno.
CALIDAD DE SERVICIO (QoS) (I)
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29Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Traffic class Conversational class Streaming class Interactive class Background classMaximum bitrate X X X XDelivery order X X X XMaximum SDU size X X X XSDU formatinformation
X X
SDU error ratio X X X XResidual bit error ratio X X X XDelivery of erroneousSDUs
X X X X
Transfer delay X XGuaranteed bit rate X XTraffic handling priority XAllocation/ Retentionpriority
X X X X
Source statisticsdescriptor
X X
Ejemplo: parámetros definidos por el 3GPP para UMTS
CALIDAD DE SERVICIO (QoS) (II)
30Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
1.2.- Técnicas de Acceso Múltiple
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31Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Gestión del espectro radioeléctrico• Técnicas de acceso múltiple
– FDMA– TDMA
• Sincronización y avance temporal– CDMA– OFDMA
• Técnicas de duplexado– FDD– TDD– Interferencias en FDD y TDD
CONTENIDO
32Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (I)
• El espectro radioeléctrico es un recurso escaso de la naturaleza, por lo que debe optimizarse su uso de modo que lo puedan utilizar el mayor número posible de estaciones, con un mínimo de perturbaciones mútuas.
• La gestión del espectro debe tener un carácter internacional, regulado principalmente por la ITU-R (International Telecommunications Union) y coordinado entre los diferentes países.
• El espectro se subdivide en bandas de frecuencias, las cuales se atribuyen a los diferentes servicios radioeléctricos de acuerdo con las Conferencias Administrativas Mundiales de Radiocomunicaciones (WARC)
• El Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF) refleja la atribución de las diferentes bandas de frecuencias a los distintos servicios de radiocomunicaciones, especifica su uso y realiza previsiones de espectro sobre futuros usos potenciales. Se publica en el BOE.
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33Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Se definen un total de 9 bandas:
Decimilimétricas300 a 3000 GHzWHD12
Milimétricas30 a 300 GHzEHF11
Centimétricas3 a 30 GHzSHF10
Decimétricas300 a 3000 MHzUHF9
Métricas30 a 300 MHzVHF8
Decamétricas3 a 30 MHzHF7
Hectométricas300 a 3000 KHzMF6
Kilométricas30 a 300 KHzLF5
Miriamétricas3 a 30 KHzVLF4DesignaciónFrecuenciasSímbolosBanda (N)
En general, la banda N se extiende de 0.3·10N Hz hasta 3·10N Hz
GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (II)
34Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Ejemplos de atribuciones de bandas a servicios:
Móvil (UMTS)1710 a 2170 MHzMóvil (GSM)890 a 960 MHzRadiodifusión (FM)87.5 a 108 MHzRadiolocalización1625 a 1635 KHzRadionavegación aeronáutica325 a 405 KHzServicioFrecuencias
GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (III)
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35Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Una vez se ha definido la banda del espectro a la que un sistema va a trabajar quedan dos aspectos por resolver:
– ¿Cómo regular el acceso compartido de los múltiples usuarios a la banda de frecuencias asignada?
» TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE
– ¿Cómo diferenciar las transmisiones móvil a base (ascendente) y base a móvil (descendente) ?
» TÉCNICAS DE DUPLEXADO
GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (IV)
36Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Permiten compartir una porción de espectro radioeléctrico entre varios usuarios.
Son procedimientos de asignación de canales físicos.
Se basan en la capacidad de separar las señales de diferentes usuarios en el receptor. Dicha separabilidad se puede conseguir en tanto que las señales sean ortogonales:
TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE (I)
( ) ( ) ( ) ( ) 0** == ∫∫ dffWfVdttwtv
A partir de esta relación se deduce que si las señales son disjuntas en tiempo o en frecuencia serán separables.
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37Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Las técnicas más utilizadas en comunicaciones móviles son:
FDMA: Acceso Múltiple por División en FrecuenciaTDMA: Acceso Múltiple por División en TiempoCDMA: Acceso Múltiple por División en CódigoOFDMA: Acceso Múltiple por División en Frecuencia Ortogonal
La elección de una u otra técnica depende del tipo de modulación utilizada y de la naturaleza (analógica ó digital) de la información a transmitir.
TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE (II)
38Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Frecuencia
TiempoUsuario 1Usuario 2Usuario 3Usuario 4
f1
f2
f3
f4
t10 t2 t3 t4
SE BASA EN LA SEGMENTACIÓN EN RADIOCANALES DE LA BANDA DISPONIBLE.
A cada usuario se le asigna un radiocanal
Se divide el ancho de banda total asignado BT en M canales. Cada usuario transmite durante todo el tiempo ocupando su canal.
1 2 3 M4
BTf
Bg Bc Filtro separador
ACCESO MÚLTIPLE FDMA (I)
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39Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CARACTERÍSTICAS
Compatibilidad con modulaciones y señales analógicas y digitales.Sencillez de implementación. Tecnología muy experimentada.Rigidez en la gestión de recursos (no apta para flujo de tráficovariable)Poco adecuada a conmutación de paquetes (pensada para conmutación de circuitos)Sobrevive como técnica mixta FDMA/TDMA
Ancho de Banda Total Ocupado : )( gcTFDMA BBMBB +≅=
Bg.puede suponer un 10% del totalBc depende de la modulación: Ej: FM banda estrecha 25 kHz (TACS)
ACCESO MÚLTIPLE FDMA (II)
40Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
A cada usuario se le asigna un intervalo temporal
Los usuarios comparten la misma frecuencia en diferentes instantes de tiempo que se repiten periódicamente.
Tx Rx
Memoria
Memoria
Memoria
Usuario 1N bits
Rb bit/s (codificados)
Memoria
Memoria
MemoriaRc bit/s
Sincronismo
ACCESO MÚLTIPLE TDMA (I)
t10 t2 t3 t4
Frecuencia
TiempoUsu
ario
1
f1
f2
f3
f4
Usu
ario
2
Usu
ario
3
Usu
ario
4
Usuario 2
Usuario M
Usuario 1
Usuario 2
Usuario M
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41Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ESTRUCTURA DE UNA RAFAGA
1 2 MBurst o ráfaga
Slot o ranura
Trama TT
Tiempos de guarda entre ráfagas
Sec.sincronismo bity estimación h(t)
Canales lógicos de control,señalización c.potencia, etc. Datos codificados
Tu
Cada cierto tiempo la base transmite una ráfaga de control. La velocidad total resultante en el canal dependerá del número de slots de la
trama y de la velocidad de cada uno de los usuarios.La eficiencia del sistema depende de la cantidad de bits de control que se
adjuntan.( )sbc RRMR +≥
ACCESO MÚLTIPLE TDMA (II)
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42Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CARACTERÍSTICAS
Se utiliza con modulaciones digitales. Requiere digitalizar la información y almacenarla hasta el instante de transmisión.Simplicidad de las estaciones base multicanales. Un solo equipo transceptor.Muy versátiles. Permiten acomodar flujos de tráfico variables asignando varios slots a un usuario.Adecuada a conmutación de paquetes.Inserta canales de señalización modo simple.Requiere una estricta sincronización temporal y mecanismos de avance temporal para evitar colisiones entre ráfagas de distintos usuarios
ACCESO MÚLTIPLE TDMA (III)
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43Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Entrada
-2 -1 +1 +2
SECUENCIA IDEAL:SECUENCIA IDEAL:•En el origen el valor de salida es igual a la longitud de la secuencia local
•Para otros desplazamientos valor de salida nulo
•• La detección del pico de correlación marca referencias de tiempLa detección del pico de correlación marca referencias de tiempo a nivel de o a nivel de slotslot y tramay trama
SECUENCIA LOCAL
SalidaX
X Umbral
Umbral
SINCRONIZACIÓN EN TDMA
Periódicamente la base envía una secuencia de sincronización conocida detectada en el terminal móvil mediante un correlador.
44Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
AVANCE TEMPORAL (I)
Para poder transmitir en un slot el móvil debe conocer cuánto debe anticipar la transmisión respecto de la estructura de trama que está observando mediante la secuencia de sincronismo para compensar el retardo de propagación y evitar solaparse con los slots adyacentes.
Slot 0 Slot 1
Ráfaga
Ráfaga
2Tp
Ráfaga llega 2Tp tarde !!
Base
MóvilTp=d/c
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45Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
AVANCE TEMPORAL (II)
Solución: El móvil debe transmitir 2Tp antes (Avance Temporal). Para ello, la red mide el retardo 2Tp en una ráfaga más corta (durante el establecimiento de la comunicación) y lo comunica en el mensaje de asignación de canal. A lo largo de la conexión dicho tiempo se va corrigiendo de acuerdo con la posición del móvil.
Slot 0 Slot 1
Ráfaga
Ráfaga
2Tp
Ráfaga llega a tiempo !!
Base
Móvil
46Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Los usuarios comparten la misma frecuencia y tiempo. Se distinguen entre ellos asignándoles un código digital ortogonal..
A cada usuario se le asigna un código distinto
CARACTERÍSTICAS
La información a transmitir debe estar digitalizada. Se utiliza asociada a modulaciones digitales.Realiza una expansión del espectro.Requiere una estricta sincronización temporal y control de potencia (sistema limitado por interferencias)Mejor comportamiento frente interferencias cocanal y distorsión debida a la propagación radioeléctrica.
t10 t2 t3 t4
Frecuencia
Tiempo
Usuario 4Usuario 3
Usuario 2Usuario 1
f1
f2
fn
CÓDIGO ORTOGONAL 1
ACCESO MÚLTIPLE CDMA
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47Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Basadas en una modulación OFDM (orthogonal frequency division multiplex)
OFDMA=FDMA+TDMAUn usuario tiene asignado un número de subportadoras (FDMA)Las asignaciones de subportadoras usuarios cambian en el tiempo (TDMA) Las señales moduladas resultantes en cada subportadora son ortogonales entre síSincronismo de tiempo y frecuencia necesario en el enlace ascendente para
distintos usuarios
ConversorS/P
Modulador en f0
Modulador en f1
Modulador en fN-1
FPB
FPB
FPB
S0 S1 S2….SN-1 SN
S(n)=a(n)+jb(n)
S(n) es un simbolo QAM de usuario de duración T
MODULADOR OFDM
S0
S1
SN-1
… …
Δf=1/T NΔf=W (Espectro Disponible)
f0 f1 fN-1
ACCESO MÚLTIPLE OFDMA (I)
48Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
La modulación se consigue mediante una IDFT, asociando cada símbolo a la amplitud de una de las sub-portadoras de la transformada discreta de Fourier:
ACCESO MÚLTIPLE OFDMA (II)
IDFT
S0
S1S2
SN-1
S0
S1S2
SN-1
f0 f1 f2 fN-1
La idea es generar la señal en el dominio espectral y mediante la IDFT convertirlaa la señal temporal que se va a enviar.
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49Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Ejemplo OFDMA
Ventajas:Robustas a la propagación multicamino y ráfagas de erroresAdecuadas para transmisión de fuentes variables de datosAdecuadas para velocidades altas de transmisión de datos
Inconvenientes:Amplificadores lineales de potencia
TX#4TX#3
TX#2
TX#6
TX#5
TX#1
Time
Freq
uenc
y bi
n
24681012141618202224262830
00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TX#i corresponden a distintos usuarios
ACCESO MÚLTIPLE OFDMA (III)
50Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Modos de explotación en comunicaciones móviles:Simplex:
Transmisión y recepción en una misma frecuencia. No se puede transmitir y recibir simultáneamente
Half-duplex:Transmisión y recepción en dos frecuencias diferentesEstación base actúa como repetidor entre móviles y puede transmitir
y recibir simultáneamente empleando un duplexor en la antena.Terminales móviles no pueden transmitir y recibir simultáneamente.
Duplex:Tanto base como móviles pueden transmitir y recibir
simultáneamente. Las técnicas de duplexado permiten la comunicación Duplex (transmisión y recepción simultanea) del sistema necesaria en la gran mayoría de sistemas de comunicaciones móviles. Técnicas utilizadas:
• TDD: Duplexado por División en Tiempo.• FDD: Duplexado por División de Frecuencia.
TÉCNICAS DE DUPLEXADO
26
51Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DUPLEXADO POR DIVISIÓN EN FRECUENCIA (FDD)
• El enlace ascendente y el enlace descendente operan en bandas defrecuencia distintas
• Para simplificar la separación de ambas bandas por filtrado se fija una mínima diferencia de frecuencia entre ambas bandas. Por ejemplo: 45 MHzpara sistema GSM900 y 90 MHZ para el sistema DCS1800.
Usuario i: fDL,i=fUL,i+45 MHz
• Si la técnica de acceso múltiple es TDMA, aun disponiendo de una única antena, no es necesario incluir el Filtro de Duplexado. Basta con desplazar algunos slots el origen de la trama de enlace ascendente con respecto a la trama descendente . ⇒ Instantes de tiempo de transmisión y recepción separados (p.ej. en GSM se emplea un decalaje de tres slots entre las tramas de subida y de bajada)
Guarda de Duplexado
FrecuenciaEnlace Ascendente Enlace Descendente
T=0
Enlace Descendente
Enlace Ascendente
52Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• El enlace ascendente y el enlace descendente operan en la misma banda de frecuencia, utilizando diferentes slots
• Permite asignar recursos de forma asimétrica, haciendo un uso más eficaz del espectro disponible. Por ejemplo en aplicaciones tipo INTERNET (WEB,FTP, etc...)
• Esta técnica se puede utilizar en tecnologías de acceso basadas en TDMA y CDMA.
• Puesto que el enlace ascendente y descendente utilizan la misma frecuencia, la respuesta del canal en ambos es similar. Esto permite:
•Utilizar un control de potencia en lazo abierto (determinar la potencia a transmitir en el UL a partir de las pérdidas de propagación medidas en el DL)•Implementar en el emisor de la Estación Base técnicas de predistorsión de la señalque compensen los efectos degradantes del canal móvil, disminuyendo la complejidad del terminal móvil y abaratando su coste
Enlace DescendenteEnlace
Ascendente
Trama
Permite la configuración variable del número de slots asignados a cada enlace
DUPLEXADO POR DIVISIÓN EN TIEMPO (TDD)
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53Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
INTERFERENCIAS EN FDD
Interferencia DL
En FDD las transmisiones UL y DL de todas las bases se efectúa simultáneamente. Se tienen interferencias cruzadas móvil-base.
Interferencia UL: Proviene de móviles conectados a otras bases que estén transmitiendo a la misma frecuencia (co-canal).
Generada por el móvil y medida en la base.
Interferencia DL: Proviene de otras bases que estén transmitiendo a la misma frecuencia (co-canal)
Generada por la base y medida en el móvil
f1f1
f2
f2
Interferencia UL
54Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
INTERFERENCIAS EN TDD
UP DOWN
BS1ΔΤ
Puntos de conmutación BS1 downBS2 up
Interferencia BS a BS
InterferenciaMS a MS
1 trama
MS2 up MS1 down
t
UP DOWN
BS2
t
Región conflictiva
En TDD, si las estructuras de trama de las bases son distintas se pueden tener en ciertos instantes interferencias móvil a móvil y base a base.
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55Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
1.3.- Elementos de Transmisión
56Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Transmisor y receptor• Ruido en receptores
– Sensibilidad de un receptor• Interferencias• No linealidades en comunicaciones
– Compresión de señal– Desensibilización– Intermodulación
• Ingeniería de estaciones base
CONTENIDO
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57Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
MODULADOR AMPLIFICADORDE POTENCIA
OSCILADOR
FUENTE DEALIMENTACION
SEÑALIZACIONY BLOQUEO
TRANSMISORTRANSMISOR
INFORMACIÓN
x(t)
TRANSMISOR
Transmisor:
Conjunto de equipos para el tratamiento de la información de modo que pueda ser enviada a través del canal radio mediante una portadora.
58Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Frecuencia de emisiónEstabilidad en frecuencia: variación de la frecuencia real de
emisión en relación al valor nominal deseado.
medida típicamente en partes por millón (ppm) Tipo de modulaciónAncho de banda: dependiente del tipo de modulación empleado y
del ancho de banda de la señal de información transmitida.Potencia de emisión: Calculado en función de la distancia a la que
se espera que se encuentre el receptor y en base a las pérdidas de propagación.
Polarización de la onda transmitida
ε =Δ f
f n o m in a l
CARACTERÍSTICAS DEL TRANSMISOR (I)
30
59Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Emisiones indeseadas:Ruido de los osciladores: en forma de bandas laterales alrededor de la frecuencia de emisiónArmónicos:Emisiones a frecuencia múltiplo de la portadora debido a no-linealidades de los diferentes elementos del emisor
CARACTERÍSTICAS DEL TRANSMISOR (II)
TRANSMISOR
f0 2f0 3f0
60Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
MEDIO DE TRANSMISIÓN
TRANSMISOR RECEPTORCANAL
Constituye el medio radioeléctrico a través del cual la señal transmitida se propaga hasta llegar al receptor.Caracterizado por:- Atenuación de la señal transmitida, dependiente de la distancia al receptor y de la frecuencia empleada.- Distorsión de la señal, debida a la respuesta impulsional del canal, que puede ser variante con el tiempo- Aparición de señales indeseadas:
-Ruido de origen natural o artificial-Interferencias: Otras señales emitidas por otros transmisores que comparten el mismo medio físico
31
61Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
FUENTE DEALIMENTACION
RECEPTORRECEPTOR
CABEZAL DE RADIOFRECUENCIA (RF) DEMODULADOR
fs
RECEPTOR
Receptor:
Conjunto de equipos para el tratamiento de la señal recibida, demodo que pueda ser extraída la información enviada bajo unos ciertos requerimientos de calidad.
InformaciónSeñal útil, ruido e interferencias
62Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
RECEPTOR SUPERHETERODINO
El cabezal de radiofrecuencia traslada la señal recibida a una frecuencia fija, denominada frecuencia intermedia, sobre la que se efectúa la demodulación.
SINTONÍA
OSCILADORLOCAL
MEZCLA-DOR
AMPLIFIC.RF.
AMPLIFIC.FI.
DEMODU-LADOR
FUENTE DEALIMENTACION
RECEPTORRECEPTOR
fs fFI
fo
f F I f s f C t e= − =0 .Ventajas:
- receptor más estable
- permite una elevada selectividad
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63Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CARACTERÍSTICAS DEL RECEPTOR
- Sensibilidad:
Mínimo nivel de potencia de señal necesario a la entrada para garantizar a la salida del demodulador una determinada calidad en términos de (S/N) o de (Eb/No).Relacionada con el nivel de ruido externo e interno (generado por el propio receptor)
- Selectividad: Capacidad del receptor para atenuar el nivel de las señales interferentes próximas en frecuenciaRelacionada con el nivel de filtrado del receptor
- Fidelidad:Capacidad del receptor para eliminar la distorsión en la señal recibida y extraer una información idéntica a la que se envió.Relacionada con la distorsión de la señal recibida y la introducida por el propio receptor.
64Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
RUIDO INTERNO DEL RECEPTOR
Temperatura equivalente de ruido del cabezal de RF:Incremento en la temperatura de ruido que debería existir a la entrada del cabezal, supuesto no ruidoso, para que a su salida se midiera la misma potencia de ruido que si con el cabezal real.
RECEPTORRECEPTOR
CABEZAL DE RADIOFRECUENCIA (RF) DEMODULADORfs
Ganancia: G
Temperatura de ruido: Te
Temperatura de antena: Ta
Ancho de banda: B
Ruido a la entrada: Pni=KTaB
Ruido a la salida: Pno=GK(Ta+Te)BCte. de Boltzmann
K=1.38·10-23 J/K
Pn,i Pn,o
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65Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
FACTOR DE RUIDO DE UN RECEPTOR
Se define el FACTOR de RUIDO como:
o
e
TTF +=1 To=290 K
Etapa RFFRF, GRF
Mezclador FMX,GMX
Etapa FIFFI, GFI
1 1MX FIRF
RF RF MX
F FF FG G G
− −= + +
Factor de ruido resultante en función de los factores de ruido yganancias de cada uno de los elementos del receptor:
66Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
RELACIÓN SEÑAL A RUIDO Y SENSIBILIDAD DEL RECEPTOR
Para un cierto requerimiento de (S/N) mínimo a la entrada del demodulador, la SENSIBILIDAD vendrá dada por:
Relación señal a ruido a la salida del cabezal (entrada del demodulador):
( ) ( )( )1S S S
o a e Na o
GP P PSN GK T T B PK T T F B
⎛ ⎞ = = =⎜ ⎟ + + −⎝ ⎠
( )( )BFTTKNSP oaS 1
min
−+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
En sistemas de radiocomunicaciones móviles terrenos es habitual suponer Ta=To, de modo que:
FBKTNSP oS
min⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
min
( ) ( ) 10 log( ) ( ) 10 log ( )S oSP dBm dB KT F dB B HzN
⎛ ⎞= + + +⎜ ⎟⎝ ⎠
10log 174 /oKT dBm Hz= −
N oP KT FB=
( ) ( ) 30S SP dBm P dBW= +
Nota recordatorio:
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67Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ECUACIÓN DE TRANSMISIÓN
Tx útil Rx útilPT GT GR PR
L
PR(dBm)=PT(dBm)+GT(dB)+ GR(dB)-L(dB) ≥ PS(dBm)
PIRE (dBm):
Potencia Isotrópica Radiada Equivalente
GT, GR son las ganancias de las antenas transmisora y receptora en la dirección Tx-Rx. Dependen del diagrama de radiación y son mayores cuanto más directivas sean las antenas.
68Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
INTERFERENCIAS
Tx útil Rx útil
Tx interferente
PT GT GR PSL
PIGI
LIGR,I
PR,I
C/I (dB)=PT(dBm)-PI(dBm)+GT(dB)+GR(dB)-GI(dB)-GR,I(dB)-L(dB)+LI(dB)
,
T T R
I I R I
I
P G GC L
P G GIL
=Relación señal a interferente:
En caso de múltiples interferentes se sumaría la potencia recibida de cada uno de ellos en el denominador.
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69Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
NO LINEALIDADES EN COMUNICACIONES MÓVILES
En comunicaciones móviles, a diferencia de otros sistemas de comunicaciones punto a punto, pueden existir en el receptor de modo simultáneo señales de elevado y reducido nivel.
En consecuencia aparecen fenómenos de:
- Compresión de Señal- Desensibilización o Bloqueo del receptor- Intermodulación- Distorsión de la modulación cruzada
La Ingeniería radio permite disminuir los efectos negativos de todos estos fenómenos.
70Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
)()()( 331 txatxaty −=
( ) cos ( )ox t A tω=
2 331 3
1
3 1( ) 1 cos( ) cos(3 )4 4o o
ay t a A A t a A ta
ω ω⎡ ⎤
= − −⎢ ⎥⎣ ⎦
Un receptor que introduce distorsión cúbica viene caracterizado por la relación entrada salida:
Observar que mientras el fundamental crece linealmente con la amplitud de la señal de entrada (A), el tercer armónico crece con A3
Si la amplitud A es grande se pone de manifiesto la compresión de ganancia
COMPRESIÓN DE SEÑAL (I)
Para:
Se obtiene:
Receptorx(t) y(t)
36
71Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Definición: Potencia de entrada para la cual la potencia de salida del fundamental está 1 dB por debajo del nivel ideal (lineal).
( )05.0
3
11 101
34)( −−=
aaVN dB
Sustituyendo y operando resulta:
Pi(dBm)
Po(dBm) Pf (dBm) en el caso lineal
Pf (dBm) con distorsión cúbica1 dB
Efecto de compresión de ganancia
N1dB
** Nivel de CompresiónNivel de Compresión
COMPRESIÓN DE SEÑAL (II)
72Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
( ) terminosotroscos23
431)( 2
1
32
1
31 +⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡−−= tI
aaA
aaAaty uω
( ) ( )x t A t I tu i( ) c o s c o s= +ω ω
útil interferencia
Se entiende por DESENSIBILIZACIÓN, la pérdida de sensibilidad en un receptor no lineal ocasionada por una señal interferente
Sea la señal de entrada:
A la salida del receptor no lineal se tiene:
Compresiónde la Ganancia
DESENSIBILIZACIÓN
Existe un nivel de señal interferente para el que se cancela la señal a la salida del receptor. A dicho nivel se le denomina NIVEL DE BLOQUEO del receptor.
0)(32
3
1 =⇒=u
tyaa
I BLOQUEO ω
DESENSIBILIZACIÓN
Receptorx(t) y(t)
37
73Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
f1
f2
f n f m f= ±1 2
PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓNOrden de la distorsión : n+m
{ }n m, , , , . . .∈ 0 1 2 3
• Productos de intermodulación: señales ocasionadas por la combinación (batido) de dos o más frecuencias en un elemento no lineal del receptor.
• Cuando el orden de los productos de intermodulación crece su amplitud tiende a disminuir
Los productos de intermodulación más nocivos son los de tercer orden:
PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN (I)
Receptorx(t) y(t)
( )[ ]33)(1)( txatxaty −=
( ) ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛⎟
⎠⎞⎜
⎝⎛ += tItItx 2cos21cos1 ωω
Productos de Intermodulación
{ } { }[ ]
{ } { }[ ]ttIIa
ttIIa
)122(cos)122(cos2214
33
)212(cos)212(cos22
1433
ωωωω
ωωωω
−++
−++
Entrada:
74Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
f0: canal sintonizadof1= f0+Δff2= f0+2Δf
PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN (II)
Receptorx(t) y(t)
2f1-f2=f0
f1 f2f0 f1 f2f0
Ejemplo: Intermodulación de tercer orden ocasionada por los canales adyacentes en un sistema con acceso múltiple FDMA.
Es conveniente que en una estación base con varias frecuencias en una técnica FDMA, éstas se encuentren suficientemente separadas para poder ser filtradas sin problema.
38
75Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
** Punto de Intercepción: Punto de Intercepción: Nivel de potencia de entrada para el que a la salida la potencia del fundamental es igual a la del producto de intermodulación.
PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN (III)
Se mide considerando la misma potencia para las dos señales que dan lugar al producto de intermodulación.
Pi(dBm)
m=3
P0(dBm)
m=1
Punto Intercepción (IP)Productos de Intermodulación
IPi
76Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
** Rechazo a la salida: Rechazo a la salida: Diferencia de potencia a la salida entre la señal útil y el producto de intermodulación para un cierto nivel de potencia a la entrada.
RECHAZO A LA INTERMODULACIÓN (I)
Receptor
fofI
UR
( )( ) ( 1) ( ) ( )R i iU dB m IP dBm P dBm= − −
fo f1 f2
Pi
m=3 para intermodulación de tercer orden
39
77Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
* Para mejorar el rechazo es preciso que los canales adyacentes estén suficientemente atenuados, lo que se consigue mediante un filtrado adecuado.
RECHAZO A LA INTERMODULACIÓN (II)
Receptor
fofI
UR+m Δ
fo f1 f2
Pi
Filtro a fo
fo f1 f2
Pi
Pi-ΔSelectividad del filtro
78Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CIR DE CANAL ADYACENTE
Receptor
fo f1
Pu
Filtro a fo
fo f1
PuPI-Δ
PI
Relación señal a interferente en el canal adyacente:
CIRady(dB)=Pu(dBm)-PI(dBm)+Δ (dB)
Gracias a la selectividad de los filtros, es posible trabajar con PI>Pu.
40
79Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Objetivo general:
- Compartir el sistema radiante por varios transmisores y receptores, reduciendo las interacciones entre equipos.
Elementos empleados:
- Combinadores- Duplexores
INGENIERÍA DE ESTACIONES BASE
80Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
F1 F2mf1+nf2: Señal indeseada emitida con Pi=P1-Ac-Ai
AcP1
AGRUPACIÓN DE TRANSMISORES EN UNA MISMA ANTENA
Intermodulación entre los transmisores:
Pérdidas de Acoplamiento(Ac): Relación entre la potencia radiada por un transmisor y el nivel de potencia de esta radiación a la salida de otro transmisor
Pérdidas de Conversión (Ai): Relación entre el nivel de potencia a frecuencia f1 a la salida de un transmisor interferido, que emite a f2, y el producto de intermodulación generado a mf1+nf2
La profusión de Antenas y Transmisores en una estación de Base plantea dos tipos de problemas:
-Intermodulación entre Transmisores-Falta de espacio para las antenas
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81Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
•Las pérdidas de Acoplo conseguidas por la separación física de las antenas es insuficiente en muchos casos para evitar la generación de productos de intermodulación.
•Por otro lado, no suele haber en muchas aplicaciones espacio físico para ubicar todas las antenas en una misma torre, en particular con sistemas FDMA que requieren una antena por frecuencia.
COMBINADORES
COMBINADORES
Un Combinador permite conectar varios transmisores a una misma antena con unas pérdidas de acoplamiento mucho mayores que las que hay entre dos antenas próximas.
82Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
COMBINADORES DE CAVIDADES PASO BANDA (I)
•Una cavidad resonante presenta un circuito equivalente similar al de un filtro sintonizado paso banda de alto factor de calidad Q. Se pueden sintonizar via soft con control remoto.
A la AntenaF1
F2
F3
C1
C2
C3
AmpPotencia
C4 F4
Acoplo igual a la respuesta de C1 a F2
Receptor
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83Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
COMBINADORES DE CAVIDADES PASO BANDA (II)
- La utilización de cavidades requiere que los transmisores funcionen a frecuencias bastante separadas. Típicamente:0.5- 1 MHz en VHF2 MHz en UHF (banda de 400 MHz)5 MHz en UHF (banda de 900 MHz)
- El uso de una cavidad tanto en emisión como recepción (Duplexor) permite disminuir la cuantía de ruido del transmisor que llega al receptor y anular la desensibilización del receptor por efecto de la potencia elevada de los emisores cercanos
- Una opción habitual para aumentar la selectividad a costa de tener unas pérdidas de inserción un poco mayores consiste en colocar dos o más cavidades en cascada.
84Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CAVIDADES BANDA ELIMINADA
•Estas cavidades se comportan como una trampa de ondas. Se conectan en derivación presentando una elevada atenuación a las frecuencias que desean evitarse en el circuito principal
•C1 es una cavidadsintonizada para eliminar F2
•C2 es una cavidad sintonizada para eliminar F1
C1 C2
T1 T2F1 F2
F2 F1
R1 R2
•Las cavidades banda eliminada tienen las mismas pérdidas que las cavidades paso banda pero una mayor selectividad •El número de cavidades a usar aumenta rápidamente al hacerlo el número de transmisores a combinar.
43
85Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
COMBINADORES HÍBRIDOS (I)
Los combinadores híbridos utilizan aisladores de ferritas y uniones híbridas.
AISLADORESFormado por Circuladores de ferrita
1
2
1
2
Carga deAdaptación
Camino directo: 0.5 dBCamino inverso: 30 dB
Garantizan que la transmisión de la señal es unidireccional (de 1 a 2, pero no de 2 a 1).
86Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
COMBINADORES HÍBRIDOS (II)
UNIÓN HIBRIDAFormada por una línea de transmisión impresa
A la Antena
Emisor 1 Emisor 2
Carga deAdaptación
Acoplamiento entre puertas:40 dBPérdidas de inserción : 3.5 dB(0.5 dB en el camino directo y 3 dBen la carga de adaptación)40 dB
3.5 dB
44
87Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
COMBINADORES HÍBRIDOS (III)
A LA ANTENA
Emisor 1 Emisor 2
0.5+3.5 dB
Ac=40+30=70 dB
Aislador
Unión híbrida
Carga adaptada
Aislador
Pérdidas de inserción totales son la suma de las pérdidas de aislador (0.5 dB) y unión híbrida (3.5 dB).
Acoplamiento total es la suma de acoplamiento del aislador (30 dB) y de la unión híbrida (40 dB).
88Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
COMBINADORES HÍBRIDOS (IV)
VENTAJAS:
•Los combinadores híbridos permiten trabajar con canales adyacentes, ya que la discriminación entre emisores no se hace por filtrado.•El tamaño es reducido
INCONVENIENTES:
•Elevadas pérdidas de inserción•Unilateralidad. Solamente son válidos para conectar transmisores, pero no receptores simultáneamente.•Coste elevado
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89Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DUPLEXORES
Un Duplexor permite la conexión de un emisor y de un receptor a una misma antena. Usualmente está formado por un filtro transmisor y otro receptor
Emisor Receptor
FPB FPB
VENTAJAS:•La antena presenta el mismo diagrama de radiación en emisión que en recepción.•Se ahorra espacio al tener sólo una antena•Se reduce la desensibilización del receptor•Reducen el ruido del transmisor
INCONVENIENTES:•Insuficiente aislamiento de la potencia emitida a la entrada del receptor. Es habitual usar además antenas de emisión y recepción separadas para mejorar el aislamiento.•Requieren de una cierta separación frecuencialentre la banda del enlace ascendente y del descendente
90Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CONCEPTO DE TRX
Emisor Receptor
FPB FPB
Se suele denominar Transceptor o TRX al conjunto formado por un transmisor y un receptor en una misma estación de base.
Cada TRX está asociado con una frecuencia de emisión y una de recepción.
46
91Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
1.4.- Propagación y Coberturas
92Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Propagación en entornos móviles• Modelos de propagación
– Modelo de tierra plana– Modelo de Egli– Difracción por aristas– Modelo de Okumura-Hata– Modelo COST-231– Modelos para micro y picoceldas
• Desvanecimientos lentos• Desvanecimientos rápidos• Caracterización estadística del canal radio
– Canales dispersivos y no dispersivos• Técnicas de ingeniería:
– Codificación de canal– Entrelazado– Técnicas de diversidad
CONTENIDO
47
93Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
PROPAGACIÓN EN ENTORNOS MÓVILES
Pérdidas de Propagación (Path Loss)
Desvanecimiento lento
Desvanecimientos rápidos
• Zona de cobertura determinada por:– ley de disminución de potencia (path loss) función de la distancia– desvanecimientos lentos superpuestos (estadística lognormal), independientes de la distancia
• Calidad del enlace (Probabilidad de error) determinada por:– desvanecimientos rápidos (estadística Rayleigh/Rice), independientes de la distancia,
causados por la propagación multicamino
Relación entre la potencia recibida y la distancia en un entorno móvil
94Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
MODELOS DE PROPAGACIÓN
Empíricos
Semiemp.
Electromagn.
BullingtonCCIR Egli
Langley-Rice
perfilesWilkerson
Epstein&Peterson
GTD/UTD
Okumura HataLee
IkegamiWalfish
COST231
Curvas Fórmulas Curvas FórmulasRURAL URBANO
Atenuación depende de múltiples factores:atmósfera (refracción) suelo (reflexión)obstáculos (difracción) edificios/vegetación (clutter)conductividad (suelo) polarización ondafrecuencia,....
48
95Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CARACTERIZACIÓN GENÉRICA DE UN MODELO DE PROPAGACIÓN
( ) ( )( ) ( ) ( )R T T RP dBm P dBm G dB G dB L dB= + + −
( ), ,T T R T T R
Rm B
P G G P G GPL k h h f dα= =
hm
hb
d
Ganancia de las antenas Tx y Rx
según diagrama de radiación
Potencia transmitida
PT
PR
GTGR
Coeficiente de atenuación con
la distanciaCoeficiente según
frecuencia y alturas de antenas
( )( ) 10 log , , 10 logm bL dB k h h f dα= +Expresión genérica para la atenuación o PathLoss:
96Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Espacio libre
MODELO DE TIERRA PLANA (I)
2
4 ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=dRGTGTPRP
πλ
h1,h2 << dρ = −1φ pequeño
• Tierra Plana
( ) ( )2 2
2 22 2 1 2 1 2 1 21 2 1 2 1 2
21 11 ······ 12 2
h h h h h hl l l h h d h h d dd d d
⎡ ⎤+ −⎛ ⎞ ⎛ ⎞Δ = + − = + + − − + = + + − − ≈⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
dhhE
dhhsenE
eeeEeEE
oo
jjj
o
j
oT
2121
22
22
222
22)2(2
1
λπ
λπ
ρ λπ
λπ
λπ
λπ
≈
=−=+=Δ−ΔΔ−Δ−
h2d1 d2
ll1 l2
h1
d
24L dπλ
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
= α=2
49
97Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
h2d1 d2
ll1 l2
h1
d
( )21 2
4R T T R
h hP P G G
d=
MODELO DE TIERRA PLANA (II)
* doblar la altura de la antena representa 6 dB de incremento en la potencia recibida.
* atenuación proporcional a d4
* no depende de f
22 21 2
2
444R T T R
h hP P G Gd d
λ ππ λ
⎛ ⎞⎛ ⎞= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
( )
4
21 2
dLh h
= α=4
98Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Limitaciones observadas sobre medidas en el modelo de tierra plana:– la potencia disminuye según f1-2
– doblar la altura de la base incrementa 3 dB la potencia– atenuación crece con coeficiente depende del entorno.
• El modelo de Egli introduce una corrección sobre el modelo de tierra plana para tener en cuenta la dependencia con la frecuencia
221 2
2
4 0( )R T T R
h hP P G Gd f M H z
⎛ ⎞⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
MODELO DE EGLI (I)
50
99Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Ejemplo:PT = 40 dBm, GT = GR = 3 dB, h1,h2 100 y 2 m, d = 50 km.
Espacio libretierra plana
Eglicobertura (-110dBm)
f=400 MHz-72.5 dBm-96 dBm-116 dBm
35 km
f=150 MHz-64 dBm-96 dBm
-107.8 dBm50 km
MODELO DE EGLI (II)
La consideración o no de la frecuencia puede dar lugar a significativas diferencias en la cobertura planificada.
100Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Utilización de bases de datos del terreno (perfiles con ordenador)– Promediar la altura del terreno cada 100-200m definiendo la altura media del
tierra y las alturas equivalentes de antenas (si una antena queda por debajo, utilizar la altura real)
• Tener en cuenta la difracción por obstáculos como unas pérdidas adicionales en la propagación
OTRAS CORRECCIONES AL MODELO DE TIERRA PLANA
51
101Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Teoría de la difracción de Fresnel-Kirchoff• obstáculos de dimensiones >> longitud de onda• atenuación respecto de la condición de espacio libre
d1 d2
h>0
-2 -1 0 1 2 31rh2=υ
0
6
12
24
h=-0.6r1
atenuación respecto E.L.
1/ 2
1 2
2 1 1v hd dλ
⎡ ⎤⎛ ⎞= +⎢ ⎥⎜ ⎟
⎝ ⎠⎣ ⎦
( )( )2( ) 6.9 20log 0.1 1 0.1 ( )DL v v v dB= + − + + −
OBSTRUCCIÓN POR OBSTÁCULOS
102Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DIFRACCIÓN POR MÚLTIPLES ARISTAS
• modelos : Millington, Deygout, Epstein & Peterson.– Se utiliza Epstein&Peterson (pesimista)
• modelo Epstein & Peterson– línea T-O2, atenuación O1 con altura efectiva– línea O1-O3 atenuación O2 con altura efectiva– línea O2-R atenuación O3 con altura efectiva– atenuación total = suma de atenuaciones (en dB).
d1 d2 d3 d4R
O3O2
O1T
52
103Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Basados en campañas de medidas.• Métodos más utilizados:
– UIT-R 370 (rural)– Okumura-Hata (urbano)– Lee (urbano)– Walfish-Ikegami (urbano)
• Proporcionan un error cuadrático medio respecto de las pérdidas reales de unos 10 dB.
MODELOS EMPÍRICOS
104Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Medio urbano, diferentes alturas efectivas de antena, 150-450-900 MHz y PRA 1kW. Altura del receptor 1.5 m
• Curvas de intensidad de campo.• Define factores de corrección para incluir la ondulación del
terreno (Δh), pendiente del terreno, obstáculos, heterogeneidad del terreno (tierra/mar), altura del receptor, PRA y orientación de calles y densidad de edificación en zonas urbanas.
• Modelo más utilizado en Europa para predecir las coberturas de los sistemas de comunicaciones móviles.
MODELO DE OKUMURA-HATA (I)
53
105Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
MODELO DE OKUMURA-HATA (II)
Potencias recibidas para
diferentes alturas de
antena transmisora.
106Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Hata obtuvo fórmulas empíricas para calcular la pérdida básica de propagación Lb, para diferentes entornos
f en MHz 150 ≤ f ≤ 1500 MHzht altura efectiva antena transmisor en m 30 ≤ ht ≤ 200 mhm altura sobre el suelo de la antena receptor en m 1 ≤ hm ≤ 10 md distancia en km 1 ≤ d ≤ 20 km• a(hm) corrección por altura del móvil (0 si hm=1.5 m)
dBdlog)hlog55.69.44()h(ahlog82.13flog16.2655.69L tmtb ⋅−+−−+=
2
2
(1.1log 0.7) (1..56log 0.8) ciudad media-pequeña( ) 8.29(log1.54 ) 1.1 ciudad grande 200
3.2(log11.75 ) 4.97 ciudad grande 400
m
m m
m
f h fa h h f MHz
h f MHz
− − −⎧⎪= − ≤⎨⎪ − ≥⎩
MODELO DE OKUMURA-HATA (III)
54
107Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Fórmula anterior es válida para un entorno urbano.• Corrección para entornos suburbanos (edificios de 3-4 plantas y calles
anchas)
• Corrección para entorno rural (abierto, sin obstrucciones)
[ ] 4.5)28/flog(2LL 2bbs −−=
[ ] 94.40flog33.18flog78.4LL 2bbr −+−=
MODELO DE OKUMURA-HATA (IV)
108Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Incluyen difracción:Multipantalla (edificios entre estación base y móvil).Difracción final en el edificio más próximo al móvil.
• Incluyen reflexiones en edificios próximos a MT y BS
• Consideran el ángulo entre la calle y la dirección de llegada de los rayos (eje base-móvil)
• Aplicables a zonas urbanas y suburbanas homogéneas, con edificios de alturas similares
• Ejemplo: Modelo COST-231
MODELOS URBANOS SEMIEMPÍRICOS
55
109Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
MODELO COST 231 (I)
hB
hR
ΔhB
w
b
d
hm
ΔhR
ϕ
- Altura base: 4≤ hB ≤ 50 m
- Altura móvil: 1≤ hm ≤ 3 m
- Distancia: 0.002 ≤ d ≤ 3 km
- Frecuencia: 800 ≤ f ≤ 2000 MHz
- Separación entre edificios: 20≤ b ≤ 50 m- Anchura calles: w (típicamente b/2)- Altura edificios: hR
- Angulo calle-rayo: 0 ≤ ϕ ≤ 90º
Parámetros del modelo y gama de validez (aproximada)
110Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Pérdida o atenuación básica:• Atenuación en espacio libre
• Difracción último edificiodepende del ángulo rayo-calle
• Difracción multiobstáculo
msdrtsbfb LLLL ++=
)km(dlog20)MHz(flog2045,32Lbf ++=
oriRrts Lhlog20flog10wlog109.16L +Δ++−−=
⎪⎩
⎪⎨
⎧
<ϕ<−ϕ−<ϕ<−ϕ+
<ϕ<ϕ+−=
º90º55)º55(114.04º55º35)º35(075.05.2
º35º03571.010Lori
blog9flogkdlogkkLL fdabshmsd −⋅+⋅++=
⎩⎨⎧
Δ+−<Δ
=resto)h1log(18
0h0L
B
Bbsh
⎪⎩
⎪⎨
⎧
<<Δ⋅Δ−≥<ΔΔ−
≥Δ=
5.0d,0h5.0/dh8.0545.0d,0hh8.054
0h54k
BB
BB
B
a
⎩⎨⎧
<ΔΔ−≥Δ
=0hh/h15180h18
kBRB
Bd
⎩⎨⎧
−+−−+−
=)1925/f(5.14)1925/f(7.04
kfciudad de tamaño mediozona metropolitana
MODELO COST 231 (II)
w: anchura de la calle
ΔhR=hR-hm (alt. edificio – alt. móvil)
ΔhB=hB-hR (alt. base – alt. edificio)
56
111Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
MICROCELULAS (metropolitanas)– Cobertura: < 1 km (baja pot.)– usualmente en LOS (Line of Sight)– BS a baja altura.– Propagación guiada
PICOCELULAS (indoor)– fuerte obstaculización– estaciones base en cada planta– cobertura del unos 100 m (baja pot.)
base stationmobil unit
LOS
mobil unitNLOS
thick wall thin wall
base
MICROCELDAS Y PICOCELDAS
112Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Path loss en dB
Lbf : P. espacio libre Lbf = 32,5 + 20 log f (GHz) + 20 log d (m)Lc : Pérdida constantekwi : Número de paredes atravesadas de tipo iLwi : Pérdida de una pared de tipo in : Número de techos/suelos atravesados (entre 3-4)b : Parámetro empírico (0.46)Lf : Pérdida entre pisos adyacentes
∑ −+++++=i
fbnn
wiwicbfb LnLkLLL ])1/()2[(
MODELO DE PICOCELDAS (I)
57
113Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Descripción Parámetro Valor (dB)
Estructuras de suelos de cementoarmado con espesor < 30 m. típicas deoficinas Lf 18,3
Mamparas (pladur) o paredes ligerasenventanadas Lw1 3,4
Tabiques interiores de ladrillo Lw2 6,9
MODELO DE PICOCELDAS (II)
114Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DESVANECIMIENTOS LENTOS (I)
Los modelos de propagación permiten determinar el valor esperado de la potencia a una distancia d.
En las distintas posiciones en un radio a distancia d de la antena, el valor medio de la potencia recibida dependerá del entorno y de la ondulación del terreno en cada posición, originando variaciones de potencia entorno al valor predicho por el modelo de propagación.
DESVANECIMIENTOS LENTOS
d
φ
58
115Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DESVANECIMIENTOS LENTOS (II)
-95
-90
-85
-80
-75
-70
0 50 100 150 200 250 300
t (s)
Pr (d
Bm
)
Potencia media real
Potencia según modelo de propagación a distancia d
Desvanecimientos lentos (shadowing) ocasionados por:
- Zonas de sombra debidas a la ondulación del terreno
- Presencia de objetos entre las antenas
- Vegetación y características del terreno
Sombra Buena visibilidad
116Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (I)
• La potencia recibida a una cierta distancia teniendo en cuenta los desvanecimientos lentos sigue una estadística de tipo lognormal.
( )2
2
2
21)( σ
σπ
PP
rP
r
rePf
−−
=
Potencia (dBm)= 10 log P(mW) Distribución gaussiana (normal)
Potencia (mW) Distribución lognormal
(dBm): Valor medio en calculado según modelo de propagaciónPσ(dB): Desviación estándar de los desvanecimientos lentos:
- Depende del tipo de entorno
- Valores entre 6 y 12 dB
P
pdf (Pr) σ
59
117Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (II)
• Debido a la aleatoriedad introducida por los desvanecimientos lentos la cobertura a una cierta distancia únicamente puede ser evaluada de forma estadística.
• Para una sensibilidad del receptor de valor PS (dBm) la probabilidad de tener cobertura a una distancia d viene dada por:
( )( )
∫∞
−−
=≥S
r
P r
PP
Sr dPePPP 2
2
2
21 σ
σπ
PS(dBm)
Area =probabilidad de cobertura
pdf (Precibida)
P
118Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• La función error viene definida por:
( ) ∫∫ −
−
− ==x yx
x
y dyedyexerf0
22 21ππ
( ) ( ) ∫∞ −=−=x
y dyexerfxerfc221
π
-x x
( )( )2
221 1 1 12 2 22 2 2
r
S
P P
S Sr S rP
P P P PP P P e dP erf erfcσ
πσ σ σ
−−∞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− −
≥ = = + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
∫
• Y la función error complementario:
EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (III)
60
119Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (IV)
Ejemplo:• Potencia del transmisor: PT=43 dBm• Pérdidas totales de acuerdo al modelo de propagación:
L(dB)=128.1 + 37.6 log (d(km))• A una distancia d=1 km
L(dB)=128.1 dBPotencia media recibida:
( ) 93.010·29.14
21
21
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=≥ erfPPP Sr
( ) ( ) dBmdBLdBmPP T 1.85−=−=
Para una sensibilidad PS=-100 dBm la probabilidad de cobertura, suponiendo un desvanecimiento lognormal con σ=10 dB:
Un 93% de los emplazamientos a distancia 1 km se encuentran dentro de la zona de cobertura
120Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
MARGEN DE DESVANECIMIENTOS (I)
MFPLLGGPP SapMBSTBSR +≥−−++=
PTBS: Potencia transmitida por la base
GBS, GM: Ganancias de la base y del móvil (típicamente GM=0 dB)
LP: Path loss (pérdidas de propagación según la distancia y de acuerdo al modelo de propagación considerado).
La: Pérdidas adicionales (conectores, atenuación debida al cuerpo humano, edificios, carrocería del coche,...)
MF: Margen del desvanecimiento lognormal
PS: Sensibilidad del terminal, de acuerdo a su factor de ruido y la SNR necesaria ( ) ))(log(10)( 0 dBWBFKTdBSNRdBWP MS +=
En la práctica, dentro del proceso de planificación de un sistema de comunicaciones móviles se suele dejar un cierto margen para compensar los desvanecimientos lognormales:
61
121Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
MARGEN DE DESVANECIMIENTOS (II)
• El margen de desvanecimiento se determina a partir del porcentaje de cobertura (típicamente 95 ó 98%)
PS(dBm)
MF
Area =0.95 ó 0.98
pdf (Precibida)
( )( )
95.022
121
21 2
2
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+==≥ ∫
∞−−
−
σσπσ MFerfdpePPP
S
S
P
MFPp
Sr
16.461013.1689.87 6
MF (dB)σ (dB)
Ejemplo para 95%
122Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CORRELACIÓN ESPACIAL
• El valor del desvanecimiento lento se puede considerar constante para una cierta ubicación. Sin embargo, a medida que el terminal móvil se desplaza a una cierta velocidad, el desvanecimiento cambia en función de las ubicaciones recorridas.
• Los desvanecimientos lentos están correlados espacialmente de acuerdo a una función exponencial:
( ) ( ) ( )[ ] cdx
exSxxSExRΔ
−
≈Δ+=Δ 2σ
Donde dc es la distancia de decorrelación, que significa que ubicaciones separadas más de dc presentarán valores de shadowing incorrelados. Depende del tipo de entorno considerado (valor típico: 20 m)
Estas variaciones se pueden contemplar también temporalmente, en función de la velocidad del terminal:
( ) ( ) ( )[ ]τ
σττ cdv
etStSER−
≈+= 2
62
123Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Provocados por la propagación multicamino• Sobre el terminal móvil inciden rayos con diferente retardo, amplitud y
fase
DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS
40λ
ECOS LEJANOS:Canal Dispersivo: ISI
ECOS PRÓXIMOSCanal no dispersivo: Desvanecimientos rápidos
124Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• La señal recibida es la suma de todas las trayectorias provocadas por las reflexiones del frente de onda en los objetos cercanos en dirección a la antena receptora
• Si los objetos están próximos entre sí, la diferencia de retardo es mucho menor que los símbolos transmitidos. Sin embargo, el efecto de las diferentes fases puede ocasionar variaciones en la señal recibida:
DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS: ECOS PRÓXIMOS (I)
τ1
τ2
( ) ( )( )
( ) ( )( )∑
∑−−−+
+−−−=
ksk
ksk
tkTthd
tkTthdtr
202
101
cos
cos)(
τωτ
τωτ
Ejemplo para dos rayos:
Si τ1, τ2<<TS : ( ) ( )( ) ( )( )[ ]∑ −+−−−≈k
sk ttkTthdtr 20101 coscos)( τωτωτ
ECOS PRÓXIMOS: NO HAY DISTORSIÓN
63
125Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS: ECOS PRÓXIMOS (II)
donde:
( ) ( ) ( )[ ]∑ −+−−−≈k
sk ttkTthdtr 20101 coscos)( θωθωτ
( ) ( ) ( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +−−+=−+−
2coscos22coscos 21
0212010θθωθθθωθω ttt
( ) ( )∑ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
−−+−−≈k
sk tkTthdtr2
coscos22)( 2102101
ττωττωτ
00.20.4
0.60.8
11.21.4
1.61.8
2
0 1.57 3.14 4.71 6.28
( )tr
( )210 ττω −
-15
-13
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
0 1.57 3.14 4.71 6.28
( )trlog10
( )210 ττω −
ECOS PRÓXIMOS: HAY DESVANECIMIENTOS
126Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS: ECOS PRÓXIMOS (III)
En general el número de contribuciones existentes será múltiple, de modo que el equivalente paso bajo de la señal recibida se expresará como:
( ) ( ) ( ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡= ∑∑ −
i
tjji
i
tji etseetsttr i 000 ReRe)( ωτωω ρα
Donde s(t) es la señal transmitida y ρi depende del coeficiente de reflexión de la trayectoria i-ésima y τi es su retardo de propagación (τi<<TS).
ρi, τi varían con el tiempo en función del movimiento del terminal y de los objetos cercanos.
El resultado es que el módulo |r(t)| puede presentar atenuaciones de hasta 40 dB respecto del valor medio de señal.
ECOS PRÓXIMOS: HAY DESVANECIMIENTOS
64
127Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
AUSENCIA DE VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RAYLEIGH (I)
En canales sin visibilidad directa (NLOS) entre emisor y receptor, se puede asumir que el número de reflexiones es muy grande y que no hay ninguna que predomine especialmente sobre las demás.
La señal recibida se puede expresar a partir de su envolvente como:
( ) ( ) ( )( )tttvetsetri
tjji
i φωρ ωτω +=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡= ∑ −
0cosRe)( 00
( ) ( ) ( )tqtitv 22 += ( ) ( )( )titqarctgt =φ
Aplicando el teorema central del límite, las componentes en fase y cuadratura i(t), q(t) se pueden aproximar por procesos gaussianos independientes de media nula y varianza igual al nivel de potencia media recibida Pr
( )[ ] ( )[ ]2
22 tvEtrEPr ==
128Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
AUSENCIA DE VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RAYLEIGH (II)
La estadística de la envolvente v(t) en canales sin visibilidad directa es de tipo Rayleigh:
O equivalentemente, en términos de la potencia de la señal recibida, se obtiene una estadística de tipo exponencial:
( ) 0 2
2
≥=−
vePvvf rP
v
rV
( ) 0 1≥=
−
peP
pf rPp
rP
65
129Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
umbral
tRáfagas de errores
C.GaussianoCanal Rayleigh
Eb/No
Pb
( )r t
AUSENCIA DE VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RAYLEIGH (III)
Evolución temporal de la envolvente:
Para asegurar una cierta tasa de error un canal Rayleighrequerirá mucha más Eb/No que un canal gaussiano!!!
130Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RICE
En canales con visibilidad directa, existen rayos que presentan un nivel predominante respecto al resto. En consecuencia, la componente en fase o la de cuadratura presentan un nivel de continua A diferente de 0, dando lugar a una estadística de la envolvente de tipo Nakagami-Rice:
Donde se suele definir el cociente entre la potencia del rayo principal respecto de la potencia media local debida a las reflexiones cercanas:
( )( )
0 02
2
≥⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
+−
vPvAIe
Pvvf
r
PAv
rV
r
rPAk2
2
=
Siendo la potencia media: ( )kPPAP rrm +=+= 12
2
( ) ( ) ( ) ( ) 0 1210
212
≥⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ++=
+−−
vP
kkvIeP
kvvfm
Pkvk
mV
m
Io: función de Bessel modificada de orden 0
66
131Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
COMPARATIVA RAYLEIGH-RICE
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4v
RayleighNakagami-Rice, k=10
Comparativa para potencia media recibida igual a 1 en ambos casos. Observar que con Rayleigh es más probable tener valores pequeños de la envolvente.
Para k=0 ambas estadísticas coinciden.
132Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
τ1
τ2 τ3
))(()())(()())(()(),( 332211 ttAttAttAth ττδττδττδτ −+−+−=
)()()( 321 ττττττ −≠−≠− ddd
∑ −=k
kk ttAth ))(()(),( ττδτ
Si suponemos que τi, τ j son suficientemente grandes, por estar asociados a reflexiones o ecosen objetos lejanos, τ i, τ << T (Duración de un símbolo), entonces
De forma general la respuesta impulsional de una canal con propagación multicamino puede caracterizarse por:
DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS CON DISTORSIÓN:ECOS LEJANOS
La variación de la amplitud compleja con el tiempo está asociada a la propia dinámica del móvil
CANAL DISPERSIVO (Introduce Distorsión)
τ2 τ3 τ
h(τ,t)
τ1
( ) ( ) exp( ( ))k k kA t R t j tφ=
67
133Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (I)
τ1
τ2τ3
τ3,3
τ3,2τ3,1
τ1,1
τ1,2
τ2,1
τ2,2
τ1
τ2τ3
τ3,3
τ3,2τ3,1
τ1,1
τ1,2
τ2,1
τ2,2
Ecos Lejanos:τ1 τ2 τ3 Ecos Próximos:τ1,1 τ2,1 τ3,1
Asociado a cada rayo lejano i-ésimo se generarán múltiples rayos próximos con retardos τi,j (j=1,2,..), que modelan básicamente )(tAk
es una v.a. Rayleigh en amplitud y uniforme en fase, caracterizada por sus variaciones rápidas debidas básicamente a los ecos próximos
τ2,1
τ2,2 τ2,3
τ2,4τ2,5
τ2 τ3
h(τ)
τ ττ
τ
τ1
( ) ( ) exp( ( ))k k kA t R t j tφ=
134Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Respuesta impulsiva del canal (Paso Bajo equivalente)
con Ak(t) un proceso estocástico complejo que juntamente con τk caracterizan un canal móvil.
τ (Retardo)
(Realizaciones)
t
Señal recibidaTransmisión
t
τ NOTA: Un canal dispersivo se caracteriza porque el módulo de su función de transferencia no es constante y su fase no es lineal
( , ) ( ) ( ( ))k kk
h t A t tτ δ τ τ= −∑
CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (II)
68
135Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
∫∫∫ =⇒=⇒=ττ
ττττd)(PDP
1K1d)(PK1d)(Pn
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧=
2
t )t,(h~E)(P ττ
delay (ns)
(dB)0
-10-20
-30
200 800
P(τ)
El PDP normalizado es Pn(t)
( )nD P dτ τ τ= ∫El Retardo medio es: y el Delay Spread es
• PERFIL DE RETARDO DE POTENCIA (Power Delay Profile)Caracteriza la potencia media de los diferentes caminos de propagación
la desviación típica del retardo del PDP
CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (III)
( ) ( )( )
2
s
D p dD
p d
τ τ τ
τ τ
+∞
−∞+∞
−∞
−= ∫
∫
136Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Función de coherenciaP(f)=F[p(τ)]
• Ancho de banda de coherencia: Máximo ancho de banda de transmisión sin distorsión, es decir, sin desvanecimientos selectivos en frecuencia. Es la banda B a la que P(B) = P(0) /
{ }sfDj
tpFfPπ21
1)()(+
==
sc D
Bπ21
≅/1( ) ( )sD
s
p e uD
ττ τ−=
Ejemplo.- PDP exponencial
Se puede demostrar que
2
CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (IV)
( ) ( ) ( ){ }* , ,P E H f t H f tΔ = + Δ
69
137Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Ts(t)
Tr(t)
DISTORSIÓN + ISI
Canal no dispersivo: (BANDA ESTRECHA)– vel. de transmisión baja
– (BW señal << BW coherencia) (T >> Delay Spread)
Canal dispersivo (BANDA ANCHA)– vel. de transmisión grande
– (BW señal << BW coherencia) (T<< Delay Spread)
T
s(t)
T
r(t)
TRANSMISIÓN DE BANDA ANCHA Y BANDA ESTRECHA
138Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CARACTERIZACIÓN DE LAS VARIACIONES TEMPORALES (I)
( ){ }
1 / 222 ( )01 022( )
1 / 222 ( )01 022
f ff f f mf fm mG f F R ts
f ff f f mf fm m
σπ
σπ
−⎧ ⎡ ⎤−⎪ ⎢ ⎥− − ≤⎪ ⎢ ⎥⎪ ⎢ ⎥⎪ ⎣ ⎦= Δ = ⎨ −⎪ ⎡ ⎤+⎪ ⎢ ⎥− + ≥⎪ ⎢ ⎥⎪ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎩
0 f0+fmf0
Gs(f)
frecuencia
Espectro de banda estrecha (fm << fo)Frecuencia Doppler máxima fm=v/λ ( 1 GHz y 90 km/h ⇒ fm 83 Hz).
El espectro se concentra alrededor de los máximos desplazamientos de las variaciones temporales Doppler fm(Dirección de llegada de los frentes de onda uniformemente distribuida).
donde R(τ) es la función de autocorrelación de la señal recibida: { }( ) *( ) ( )n nR t E A t A t tΔ = + Δ
Espectro Doppler:
70
139Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Indica el ritmo de variación de la envovente de An (t): r(t). En el terminal tenemos:
• Interpretación dominio espacial:Si ε/λ>=0.5 ⇒ la correlación es pequeña DIVERSIDAD EN ESPACIO efectiva en el móvilpor separación entre antenas (17 cm a 900 MHz)
• Interpretación dominio temporal:TIEMPO DE COHERENCIA ⇒ tiempo necesario para que el canal móvil cambiesustancialmente, es decir: Rr(Δt)|τc ≅ Rr(0)/2
mc f13.4
1≅τ
( ) /mvf t t ε λλΔ = Δ =
0.1
0.5
0.5
1/4.13
Sin continua y normalizando
A 900 MHz y 90 km el tiempo de coherencia es de 3.2 mseg
distancia recorrida
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ += )2(2
0411
2
2)( ε
λππσε JrR
CARACTERIZACIÓN DE LAS VARIACIONES TEMPORALES (II)
Autocorrelación de la envolvente:
140Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
RESUMEN DE PARÁMETROS DEL CANAL RADIO
( ),h tτ
Respuesta impulsional (variante con el tiempo)
PDP: P(τ)
Delay Spread Ds
Banda de coherencia BC ∝ 1/Ds
Determina si hay o no distorsión
Asociado a las diferencias de propagación de los diferentes ecos (velocidad de la luz)
Espectro doppler
fm=v/λ
Tiempo de coherencia
τC∝1/fmDetermina la variabilidad del canal
Asociado a la velocidad del móvil
dimensión t (sistema variante)
dimensión τ (duración de la respuesta impulsional)
71
141Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
TIPOS DE ENTORNOS
30 ms(baja velocidad:
<3 km/h)
10-100 ns (reflexiones muy próximas)<100mInteriores (indoor)
1 ms(alta velocidad: 120
km/h)
5 μs(reflexiones lejanas)
< 10 kmRural montañoso
1 ms(alta velocidad: 120
km/h)
0.1 μs(pocas reflexiones)
< 10 kmRural plano
3 ms(velocidad moderada
< 50 km/h)
1-2.5 μs(reflexiones en
edificios)< 500mUrbano y suburbano
Tiempo de coherenciaDelay SpreadDistancia Tx-RxENTORNO
142Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
La presencia de desvanecimientos rápidos (desvanecimientos Rayleigh) en el canal móvil ocasiona la aparición de ráfagas de errores que degradan la calidad del enlace.
FIABILIDAD DE UN CANAL RAYLEIGH (I)
SNR (dB)
Tasa
de
Erro
r
Canal Gaussiano
Canal Rayleigh
SE REQUIERE UNA ELEVADA RELACIÓN SEÑAL-RUIDO PARA TENER TASAS DE ERROR PEQUEÑAS
Envolvente señal recibida Rayleigh Relación señal a ruido estadística exponencial
(γo es el valor medio) ( )oo
f γγγ
γγ /exp1)( −=
oo
dfbPobP
γγ
γγγγγ
21
21
1121
)()()(
≅+
−=
∫ ==
⎪⎪
⎭
⎪⎪
⎬
⎫
⎪⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
( )2/21)( γγ erfcbP =
QPSK
Canal Gaussiano
Canal Rayleigh
72
143Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
FIABILIDAD DE UN CANAL RAYLEIGH (II)
( )
( )
( )
000
00
00
00
0
21
)1(21
21
21/41
11214/
21
221
/2111
212/
21
41
/1111
21
21
1
NEeDPSK
NEerfcDQPSK
NEerfcQPSK
NEerfcBPSK
PP
b
b
o
b
o
b
o
bb
=+
=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
+−
=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
+−
=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
+−
>>
− γγγ
γγγ
γ
γγγ
γ
γγγ
γ
γγ
γ
144Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
TECNICAS DE CODIFICACIÓN DE CANAL
OBJETIVO: Añadir redundancia a la información transmitida, de modo que en recepción se pueda utilizar para detectar y corregir errores de la señal recibida.
Gc
Sin codificación
Con codificación
Pb
Eb/No
Gracias a la codificación de canal se puede conseguir una cierta tasa de error con una Eb/No más baja !!!
Bits útiles: k bits
Bits totales enviados: n bits (redundancia de n-k bits)
Tasa del código: r=k/n
Cuanto menor sea r más potente es el código, pero necesitamos mayor velocidad de transmisión (más ancho de banda)
Velocidad de transmisión: R=Rb/n (Rb: velocidad sin codificar)
73
145Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
- Códigos bloque: Utilizan un mapeo fijo entre palabras de k bits y palabras resultantes de n bits Ejemplos: Códigos FIRE, BCH, Reed Solomon
- Códigos convolucionales: Generan los bits codificados a través de procesar los bits útiles mediante un registro de desplazamiento con una cierta memoria.
- Turbocódigos: Combinan dos códigos convolucionales y un proceso intermedio de entrelazado. Son códigos muy potentes, que consiguen reducir enormemente la tasa de error.
TIPOS DE CÓDIGOS DE CANAL
Existen diferentes tipos según cómo se genere la redundancia a partir de los bits útiles.
146Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Objetivo: Romper influencia de ráfagas de errores.• Metodología: Reordenar la información antes de enviarla.
• Se escribe por filas (según orden de llegada)• Se lee por columnas (para enviar al canal)
0,M,2M,....N-1, 1, ...... Ráfagas de errores afectan a pocos bits de la palabra código• En el receptor se vuelve a reordenar (matriz)• Retardo introducido: 2MNTb < máximo retardo tolerado• Los bits erróneos corresponden a palabras diferentes (descodificador puede corregir los errores)
ENTRELAZADO
0 1 2 3 ...... M-1M ........... 2M-12M ....................(N-1)M ...... NM-1
M columnasN filas
Nº filas. NTb ≥τcBits sucesivos de una palabra código separadosal menos el tiempo de coherencia del canal
74
147Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ENTRELAZADO Y CODIFICACIÓN
CODIFICADOR DE CANAL ENTRELAZADO
DECODIFICADOR DE CANAL DESENTRELAZADO
CANAL
Transmisor
Receptor
148Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
TIPOS DIVERSIDAD:EspacioPolarizaciónAngularFrecuenciaTiempo
MÉTODOS DE COMBINACIÓN (según complejidad y prestaciones):Combinación por ConmutaciónCombinación por SelecciónCombinación MRC (Maximal Ratio Combining)
TECNICAS DE DIVERSIDAD
OBJETIVO: Proteger al sistema frente a los desvanecimientos multicamino(Rayleigh) consiguiendo dos o más caminos incorrelados y de potencia media similar.
75
149Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DISPOSICIÓN DE ANTENAS EN LA BASE (I)
En Comunicaciones Móviles Celulares es usual la separación de antenas en emisión y recepción.
Configuraciones TípicasConfiguraciones Típicas
Antemnas Omnidireccionales: (Tipo colineal )
Recepción Recepción
Emisión
Diversidad enRecepción
150Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DISPOSICIÓN DE ANTENAS EN LA BASE (II)
Antenas Directivas:Antenas Sectoriales tipo panel con diversidad en espacio.Sectores de 120 grados
Recepción Recepción
Emisión
76
151Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Utiliza un solo receptor.• Conmutación entre antenas cuando la señal se halla por debajo de un
umbral predeterminado.• Origina transitorios de amplitud y fase (errores en detección)• Incertidumbre al conmutar
COMBINACIÓN POR CONMUTACIÓN
Rx
Comparador
CAG Desm.
umbral
152Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• El número de receptores es igual al orden de la diversidad.• Se monitoriza continuamente la SNR de cada receptor• Se elige la antena con mejor SNR • Origina transitorios de amplitud y fase (errores en detección)
COMBINACIÓN POR SELECCIÓN
Comparador
Rx2
Rx1
CAG1
CAG2Circuito
de Decisión.
77
153Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Se suman de forma ponderada y en fase las señales recibidas.• El coeficiente de ponderación depende de la SNR en cada rama para dar más peso a la rama que presenta mejores condiciones de SNR.• No hay transitorios.
COMBINACIÓN MRC
Rx2
Rx1
Circuito de DecisiónSum..
a1(t) exp(-jφ1 (t))
a2 (t) exp(-jφ2 (t))
r1(t)exp(jφ1(t)) d(t)
r2(t)exp(jφ2(t)) d(t)
a1(t) proporcional a r1(t)
a2(t) proporcional a r2(t)
154Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Probabilidad de error con diversidad de Orden M : Mo
b1P
γ∝
M=3
M=4
M=2
CanalGaussiano
M=1
Selección
Combinación
• La combinación MRC es teóricamente entre 1 y 1.5 dBmejor que la diversidad por selección (los errores debidos a los transitorios de la conmutación no se han tenido en cuenta). No obstante la complejidad de implementación es considerablemente mayor
• A medida que el orden de diversidad aumenta la evolución de la tasa de error tiende asintóticamente a comportarse como la obtenida en canal gausiano
• Habitualmente el orden de la diversidad es M=2
SNR (dB)
Tas
a de
Err
or
PROBABILIDAD DE ERROR CON DIVERSIDAD
78
155Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Transceptor (TRX) cambia de frecuencia (en emisión y recepción) cada cierto tiempo según una secuencia predeterminada:
FREQUENCY HOPPING
f1
f2
f3
f4
f5
t
f
TRX 1 TRX 2
Permite conseguir diversidad frecuencial y robustez frente a posibles interferencias.Es necesario establecer secuencias de salto adecuadas para evitar coincidencias entre diferentes TRX en ciertos instantes.
Emisión: f2 f1 f4 f5 f3Recepción: f2’ f1’ f4’ f5’ f3’
Emisión: f1 f2 f3 f4 f5Recepción: f1’ f2’ f3’ f4’ f5’
156Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
1.5.- Sistemas Celulares
79
157Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Sistemas precelulares• Sistemas celulares:
– Eficiencia de un sistema celular– Reuso de frecuencias– Tamaño del cluster– Sectorización
• Tipos de células• Planificación de sistemas celulares
– Balance de potencias– Cálculo de la distancia de ruso– Asignación de frecuencias
• Procedimientos asociados a los sistemas celulares– Handover– Búsqueda de móvil (paging)
CONTENIDO
158Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Gran zona de cobertura : potencias elevadasReinicio de llamadas al cambiar de célulaLimitación en el número de usuarios activos.
– Baja capacidad– Elevada Prob. de bloqueo– Pobre eficiencia espectral
Características )/(1/1 2HzkmchBS
BBBS
NT
RT
T==η
SISTEMAS PRECELULARES
N: Número de canales
BT: Banda total del sistema
BR: Banda de un canal
S: Superficie
F2
F1
llamada reiniciada
80
159Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
A
BG
F
ED
CA
F
E
cluster de 7 celdas
celdas con las mismas letras utilizan las mismas frecuencias
distancia media de reuso
Sistemas basados en la reutilización de frecuencias en celdas suficientemente alejadas para no interferirse
Cobertura dividida en células (baja potencia)Hexágonos (permiten teselación con área similar al círculo)
– Tamaño de la célula depende del tráfico– Estaciones base interconectadas– Agrupacion de células en clusters
SISTEMAS CELULARES
160Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
En un cluster se utilizan todos los radiocanales.Usuarios de distintos clusters usan simultáneamente el mismo radiocanal (aumenta eficiencia )La estructura se diseña para reducir la interferencia cocanal.
EFICIENCIA DE SISTEMAS CELULARES
NC número de celdas en la superficie SK es el factor de reuso (num. células por cluster)
)/(1// 2Hzkmch
KN
KN
BSN
BNSKN cc
TTcc ηη =
⋅==
La eficiencia se incrementa respecto al caso no celular:Cuanto mayor sea Nc (más celdas y más pequeñas)Cuanto menor sea K (clusters más pequeños)
81
161Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
d
·
··
··
··
··
··
·
·
d
u1d
·
v1d
D
Distancia de reuso:
211
221
221
2
211
221
221
2 120cos2
dvudvduD
dvudvduD
++=
−+=
La distancia de reusoadecuada vendrá dada por la relación señal a interferente necesaria.
Células cocanales (se interfieren mutuamente) ·
INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (I)
d: distancia entre centros de celdas adyacentes
120º
162Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
···
··
··
··
·
···
··
··
··
·
···
··
··
··
·
···
··
··
··
·
···
··
··
··
·
···
··
··
··
····
··
··
··
·
···
··
··
··
·
···
··
··
··
·
·
D/2
El número de celdas del cluster será:
( )( )
2
2
2
232232
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛===
dD
d
D
SSK
c
H
H: hexágono que tiene la misma área que el cluster
H 1121
21 vuvuK ++=
·
En el ejemplo u1=2, v1=2 y K=12
INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (II)
82
163Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
1121
21 vuvuK ++=
u1, v1 determinan el número de celdas por cluster y el patrón de reuso, definiendo las celdas que emplean igual frecuencia que la celda considerada
No todos los tamaños de cluster son válidos. Únicamente aquellosresultantes de:
K=3, u1=1, v1=1
··
·
··
·
··
···
···
···
·
K=7, u1=1, v1=2
···
···
··
··
···
·
···
···
·
···
···
·
···
···
·
···
···
·
K=2 no es válido!
INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (III)
···
···
·
··
·
con u1, v1 enteros ≥ 0
164Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
RRD: D: distanciadistancia de de reusoreuso
PuntoPunto con con laslas peorespeorescondicionescondiciones de CIRde CIR
α
α
α⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
−β
β== 1
RD
)RD(1
R1
PPCIR
I
u
α
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −== 1
RD
61
PPCIR
I
u
αα factor de factor de atenuaciatenuacióónncon la con la distanciadistancia (2(2--5)5)
INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (IV)
Para una célula cocanal:
En la primera corona de interferentes hay 6 células cocanales:
Suponiendo celdas omnidireccionales
83
165Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
( )αα
−=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −= 1K3
611
RD
61CIR
( )2/1)CIR6(131K α+=
RR
d/2d/2
2330cos
2RRd
== Rd 3= KdD
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
2
KRD 3=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (V)
Relación entre K y CIR:
Cuanto mayor sea el requerimiento de CIR, mayor deberá ser el tamaño del cluster.
166Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
SECTORIZACIÓN (I)
• Mediante el empleo de antenas direccionales es posible subdividir una celda en sectores y reducir la interferencia, incrementando la eficiencia (el cluster puede ser más pequeño)
·
Sector 1
Sector 2
Sector 3
Célula trisectorial
·Sector 1
Sector 2
Célula bisectorial
Las células trisectoriales se emplean habitualmente en zonas urbanas, mientras que las omnidireccionales se emplean en zonas rurales.
84
167Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
SECTORIZACIÓN (II)
Al emplear sectorización la relación señal a interferente mejora al existir menos número de interferentes:
Antenas trisectoriales 120º
n=2 interferentes
Antenas bisectoriales 180º
n=3 interferentes
168Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Antenas de 6 sectores 60º
n=1 interferente
α⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −== 11
RD
nPPCIR
I
u
( )2/1)nCIR(131K α+=
2Trisectorial16 sectores
3Bisectorial6OmnidireccionalnTipo de antena
Si n es menor el cluster puede ser más pequeño !!
SECTORIZACIÓN (III)
n: Número de interferentes
85
169Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CELULA MULTICAPA
2+ Mb/s
In buildingpico-cell
0.01 - 0.1 km
1 - 2 Mb/s
Metropolitan
micro-cell
0.1 - 0.5 km
300 kb/s
City-Urban-Ruralmacro-cell
0.5 - 100 km
Global cell by Mobile Satellite
Macrocell
Microcell
Picocell
MACRO-CÉLULASMICRO-CÉLULASPICO-CÉLULAS
TIPOS DE CÉLULAS
170Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• La planificación es aquel proceso mediante el cual el operador dimensiona la red celular determinando el número de celdas necesario, el reparto de los radiocanales disponibles entre las mismas y los parámetros de transmisión de cada una.
• Proceso:– Balance de potencias para el cálculo de cobertura y potencia
transmitida– Determinación de la distancia de reuso y del tamaño del cluster– Cálculo del número de radiocanales necesario– Asignación de radiocanales
PLANIFICACIÓN CELULAR
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171Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
BALANCE DE POTENCIAS (I)
• Objetivo: calcular la zona de cobertura de una celda y la potencia transmitida por la estación de base
• Enlace de bajada (DL): RDL TBS BS M p a SMP P G G L L P MF= + + − − ≥ +
PTBS: Potencia transmitida por la base
GBS, GM: Ganancias de la base y del móvil (típicamente GM=0 dB)
LP: Path loss (pérdidas de propagación según la distancia y de acuerdo al modelo de propagación considerado).
La: Pérdidas adicionales (conectores, atenuación debida al cuerpo humano, edificios, carrocería del coche,...)
MF: Margen del desvanecimiento lognormal
PSM: Sensibilidad del terminal, de acuerdo a su factor de ruido y la SNR necesaria ( ) ))(log(10)( 0 dBWBFKTdBSNRdBWP MSM +=
,maxTBS BS M a SM p DLP G G L P MF L+ + − − − =Máximo Path Loss en DL:
172Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
BALANCE DE POTENCIAS (II)
• Enlace de subida:RUL TM BS M p a div SBP P G G L L G P MF= + + − − + ≥ +
PTM: Potencia máxima transmitida por el móvil
Gdiv: Ganancia de diversidad (si se utiliza en el enlace ascendente)
PSB: Sensibilidad de la base, de acuerdo al factor de ruido y a la SNR necesaria
( ) ( ) ( )dBWBFKTdBSNRdBWP BSSB )log(10 0+=
El resto de parámetros son igual que en el DL.
,maxTM BS M a div SB p ULP G G L G P MF L+ + − + − − =Máximo Path Loss en UL:
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173Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
BALANCE DE POTENCIAS (III)
,max ,maxp UL p DLL L=
TM BS M a div SB TBS BS M a SMP G G L G P MF P G G L P MF+ + − + − − = + + − − −
TBS TM div SM SBP P G P P= + + −
Consideraciones para garantizar cobertura UL y DL:
1) DL: El operador puede ajustar la potencia de la base (dentro de unos límites) para conseguir la cobertura deseada
UL: La potencia del móvil es fija, de modo que es un DATO en el estudio.
2) Las herramientas de planificación (e.g. ATOLL) únicamente permiten evaluar coberturas DL ya que se basan en ubicar un transmisor y comprobar la potencia recibida en los diferentes puntos del terreno, mientras que la cobertura UL requeriría ubicar múltiples transmisores.
Para garantizar cobertura en UL y DL basta efectuar un estudio de cobertura DL suponiendo como potencia de la base el valor PTBS obtenido y comprobando que la potencia recibida en cualquier punto de la zona de estudio está por encima de la sensibilidad del móvil más el margen de fading.
Solución: BALANCEAR EL ENLACE
174Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
PROCESO ITERATIVO DE CÁLCULO DE COBERTURA
1) Calcular la potencia transmitida por la base:TBS TM div SM SBP P G P P= + + −
4) Evaluar la potencia recibida DL en cada píxel del terreno y comprobar si está por encima de la sensibilidad:
TBS BS M p a SMP G G L L P MF+ + − − ≥ + Condición DL
Nota: Gracias a tener el enlace balanceado, esta condición es equivalente a la del UL:
TM div SM SB BS M p a SMP G P P G G L L P MF+ + − + + − − ≥ +
2) Calcular el máximo path loss: ,maxp TM BS M a div SBL P G G L G P MF= + + − + − −
A partir del modelo de propagación se podría asociar Lpmax con un cierto radio de celda máximo (Rmax)
Nota: Depende de la potencia del móvil
3) Distribuir las celdas por el territorio a cubrir y configurar parámetros (altura antenas, azimut, etc.)
TM BS M p a div SBP G G L L G P MF+ + − − + ≥ + Condición UL
5) Si la Condición DL no se cumple volver al paso 3 y modificar la configuración. Aspectos que se pueden modificar serían: cambiar la altura de las antenas, variar la inclinación (downtilt), modificar el azimut, cambiar la posición de las estaciones base, etc.
Sin embargo NO MODIFICAR EL VALOR DE LA POTENCIA PTBS calculada, ya que incrementar su valor mejoraría la cobertura DL pero NO LA COBERTURA UL.
TBSP
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175Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
El tamaño del cluster viene fijado por la CIR, mientras que el balance del enlace viene fijado por la SNR.
Las prestaciones totales para el cálculo de la tasa de error resultante en el receptor deben tener en cuenta ambos conceptos.
Así, asumiendo la hipótesis gaussiana para el modelado de las interferencias:
RELACIÓN ENTRE CIR, SNR Y CALIDAD
Rtotal
PSNIRN I
=+
11 1totalSNIR
SNR CIR
=+
Signal to Noise and Interference Ratio
( )e totalP f SNIR=1
2etotal
PSNIR
=P.ej. Canal RayleighQPSK sin codificación:
La tasa de error final vendrá dada por SNIRtotal, por la modulación empleada y por la utilización de técnicas de codificación de canal.
Para una cierta tasa de error se puede determinar el valor de SNIRtotal, pero existe un cierto grado de libertad al trasladar este requerimiento a requerimientos concretos de CIR y SNR.
176Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CÁLCULO DEL NÚMERO DE RADIOCANALES (I)
En sistemas FDMA, TDMA o FDMA/TDMA puede aparecer bloqueo por falta de recursos disponibles.
El número de recursos (portadoras en FDMA, slots en TDMA o conjuntoportadoras/slots en FDMA/TDMA) viene dado por el ancho de banda del sistema (BT), el ancho de banda por radiocanal (Bc) y el umbral de calidad de CIR establecido (que determina el cluster K con el que debe operarse):
( ./ )BTm ch célulaB KC
=Sistema FDMA puro:
Sistema FDMA/TDMA: ( ./ )slots
BTm N ch célulaB KC=
En cualquier caso, el valor de m debe ser entero.
89
177Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
CÁLCULO DEL NÚMERO DE RADIOCANALES (II)
Normalmente se fija un GoS (Grado de Servicio) determinado en términos de la máxima probabilidad de bloqueo tolerada (e.g. 2%). Se hace uso de las tablas de Erlang-B
∑=
=
m
0k
k1
m1
B!k/m
!m/)m(P
mm11
mm
Erlang/célulaErlang/célula o o ErlangErlang/sector /sector sisi hay hay sectorizaciónsectorizaciónCh/Ch/célulacélula o ch/sector o ch/sector sisi hay hay sectorizaciónsectorización
m1: Tráfico soportado por célula o sector (Erlangs)
178Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
A partir de aquí pueden definirse una serie de parámetros derivados, teniendo en cuenta la duración media de una llamada Ts (s) y la tasa de llamadas por usuario en la hora cargada Q (llamadas/h/usuario):
CÁLCULO DEL NÚMERO DE RADIOCANALES (III)
( )
( )
1
1
Erlangs/sector (llamadas/s/sector) ( )3600
3600usuarios/sector
s u s
us
Qm T s N T
mNQ T
λ= =
⋅=
⋅
2
2( / ) u
s
NC usuarios kmR
nπ
=⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
Así, la capacidad del sistema en número máximo de usuarios por km2 soportado, suponiendo celdas de radio R y ns sectores, es:
Si la capacidad resultante no es suficiente, es posible incrementarla reduciendo el radio de la celda R, a costa de poner más emplazamientos.
Ejemplo de valores típicos: Ts=180 s, Q=0.4 llamadas/hora, lo que resulta en 0.02 Erlangs por usuario.
90
179Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Una vez dimensionado el sistema en cuanto a tamaño del cluster y número de canales necesarios es preciso asignar las frecuencias en las diferentes células y sectores de entre la banda de que dispone el operador.
El objetivo de la asignación es satisfacer las relaciones de protección cocanal y de canal adyacente entre las diferentes células.
Protección cocanal: está asegurada mediante el tamaño del cluster de acuerdo con la máxima interferencia soportada
Protección de canal adyacente: se plantean las siguientes normas de separación mínima entre radiocanales:
- Para canales dentro del mismo sector la separación deberá ser superior o igual a 3 canales- Para sectores de una misma célula la separación deberá ser superior o igual a 2 canales- Para células colindantes deberá ser por lo menos de un canal
ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS (I)
180Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS (II)
Métodos de asignación:
- Asignación fija: La realiza el operador durante la planificación y dimensionado de la red
La asignación es invariable a lo largo del tiempo
De acuerdo a los requerimientos establecidos en términos de separación entre radiocanales existen algoritmos heurísticos que determinan la asignación óptima en función del grado de acoplamiento (interferencia mutua) existente entre celdas.
- Asignación dinámica:Además de asignar a cada célula un conjunto de radiocanales existe la posibilidad de “pedir prestados” canales a otras células en función de las necesidades de tráfico puntuales de cada una.
91
181Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
RESUMEN PROCESO PLANIFICACIÓN
β (Usuarios/km2)
2( / )3600
sQTA Erlangs km β=
Q: llamadas/h/usuario
Ts: Duración llamada (s)
Tablas Erlang B
PB
m1 (Erlangs/sector)
Canales disponibles
M=(BT/BC)nslots
CIR requerida
Tipo de celda
(ns: num. de sectores)
( )( )21/1 1 ( )3 sK n n CIR α= +
M/ (ns K)
(canales /sector)
Tamaño cluster
2
1s
RA mn
π=
1 sm nRAπ
=Radio de la célula
(si el resultado es superior a Rmax, se tomará este último valor)
Modelo de propagación (α)
Balance del enlace
- Potencia transmitida
- Radio máximo (Rmax)
SNR requerida
182Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
LIMITACIONES PRÁCTICAS DEL PROCESO
En una situación real existirán las siguientes limitaciones en el anterior proceso:
-La cobertura de las celdas no es ni circular ni hexagonal, sino que es irregular y depende de las condiciones del terreno y de la configuración de las celdas
-La relación entre K y CIR no se puede expresar en general de forma analítica.
-El área de una celda y, en consecuencia, la cantidad de usuarios que debe soportar, dependerá de las condiciones de propagación y del terreno.
-La posición de las celdas no sigue en la práctica un despliegue hexagonal ya que la posibilidad de ubicar emplazamientos viene limitada por la disponibilidad de edificios, permisos, puntos altos, etc.
Teniendo esto en cuenta, el anterior proceso únicamente servirá como una primera estimación del radio de la celda, que deberá emplearse como entrada en una herramienta de planificación automatizada (e.g. ATOLL).
92
183Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
PROCESO DE PLANIFICACIÓN ITERATIVO
TBS TM div SM SBP P G P P= + + −
Calcular el área de cobertura de cada celda (a partir de los píxeles del terreno en que la potencia recibida
está por encima de la sensibilidad)
Distribuir las celdas por el territorio a cubrir y configurar parámetros (altura antenas, azimut, etc.)
Estimación teórica de capacidad
Radio R Balance del enlace
Cobertura satisfactoria
Modificar parámetros:
- alturas
- azimut
- downtilt
- emplazamientos
etc.
Añadir más bases (reducir radio)
Determinar el número de canales necesarios por celda (según su cobertura y la densidad de tráfico de cada píxel)
Asignación de frecuencias
Mapa de tráfico (erlangs/km2)
Prob. bloqueo
CIR requerida
M canales disponibles
Cálculo de la CIR en cada punto (cocanal y de canal adyacente)
CIR satisfactoria
NO
SI
SI
NO
Proceso completado
SNR requerida
184Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
HANDOVER : es el procedimiento que permite mantener la continuidad de una llamada al efectuar un cambio de célula, cambiando el canal utilizado
Es un procedimiento automático, sin intervencion del usuarioSupone un requerimiento adicional de señalizaciónConsume un cierto tiempo, lo que implica que debe existir un
cierto solapamiento en la cobertura de las celdas vecinas para evitar que la llamada caiga durante el proceso.
–Cuanto más pequeñas sean las células más procesos de handoverhabrá, lo que implica más señalización:
–Compromiso entre eficiencia y señalización–La sectorización también incrementa el número de handovers
HANDOVER O TRASPASO DE LLAMADA (I)
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185Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
•El mecanismo de HANDOVER permite a los sistemas celulares garantizar la comunicación cuando un móvil se desplaza a lo largo de su zona de cobertura.
•Cuando la calidad del enlace con la base de la célula en curso se hace insuficiente, se transfiere la comunicación del móvil a la base de una nueva célula (intercell Handover) o a otro canal de la misma base (intracell Handover)
•Calidad del enlace:RSSI (Radio Signal Strength Indicator)BERRelación Señal-Interferencia (C/I)DistanciaTráfico
HANDOVER O TRASPASO DE LLAMADA (II)
186Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Medidas– Medidas móvil
• Tasa de error• Nivel de potencia recibido• Nivel de potencia de las
estaciones base colindantes– Medidas estación base
• Tasa de error• Nivel de potencia recibido• Avance temporal
Motivación– Mala calidad– Distribución de tráfico
CRITERIOS PARA EJECUTAR UN HANDOVER
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187Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
En función de quién lo decide:– Decidido por la red– Asistido por el móvil– Controlado por el móvil
En función de la ocupación de los canales durante el handover– Hard handover– Soft handover
TIPOS DE HANDOVER
188Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
HARD Y SOFT HANDOVER
BS1BS2
Móvil conectado
a BS1
Móvil conectado
a BS2
BS1BS2
Móvil conectado
a BS1
Móvil conectado
a BS2
Móvil conectado a BS1 y
BS2
HARD HO
SOFT HO
95
189Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Distancia desde BS1 a BS2
HANDOVER BASADO EN RSSI (I)
Fading lento (lognormal)Fading Rápido (Rayleigh)
BS1 BS2
Path loss (Nivel teórico)
Señal recibida de BS1 Señal recibida de BS2
Los desvanecimientos falsean el momento más oportuno para la realización del Handover
190Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
•Se mide el valor medio de la RSSI de la base en uso y de las vecinas y se procede a un handover siempre que se verifique:
•Yi(n) corresponde al RSSI medidos en dB en la Base i-ésima promediado durante un cierto tiempo con objeto de eliminar las fluctuaciones del fading rápido y quedarnos con la potencia media local.
•H es un nivel de Histéresis necesario para evitar continuos Handovers en el intervalo de transición entre bases
•La elección de H responde al compromiso entre evitar continuos handovers a la vez que evitar retrasar en exceso el handover.
•Los algoritmos de Handover basados en RSSI tratan de minimizar el retraso en su ejecución y el número de ellos para evitar sobrecargas de señalización
HANDOVER BASADO EN RSSI (II)
Ynew_cell(n)>Ycurrent_cell(n)+H
96
191Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
0
+H
-HY 1 ( n ) > Y 0 ( n ) + H
Y 0 ( m ) > Y 1 ( m ) + H
B0 B1 B0 B1
x(d)=Y1- Y0
dSe produciríaHandover si nofuera por H.
Puntos de Inicio de Handover
Mayor sea el valor de H mayor será el retardo en el inicio del handover (no deseable ya que se puede perder la llamada) y menor el número de handovers intermedios (no deseables ya que producen una sobrecarga de señalización)
La elección de H resulta de un compromiso
MARGEN DE HISTÉRESIS
192Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
BÚSQUEDA DE MÓVILES (PAGING) (I)
Cuando existe una llamada entrante hacia un terminal en un sistema celular es preciso iniciar un período de búsqueda (paging) de dicho terminal dentro del sistema.
Normalmente, la posición de un terminal no se conoce a nivel de célula sino a nivel de un conjunto de células (área de localización), de modo que:
- Los pagings se envían en todas las células del área de localización
- Cada vez que un móvil cambia de área debe notificarlo al sistema
97
193Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Tamaño óptimo del área de localización: Áreas pequeñas:
Pocos mensajes de paging.Muchos procedimientos de actualización
Áreas grandes: Muchos mensajes de paging.Pocos procedimientos de actualización
Nº celdas / área
Señalización
Pagings
Loc. Update
Total
Opt.
BÚSQUEDA DE MÓVILES (PAGING) (II)
194Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
1.6.- Radioenlaces
98
195Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Introducción• Estructura general de un radioenlace• Planes de frecuencias• Propagación en radioenlaces• Ecuación del enlace• Interferencias• Calidad en radioenlaces
CONTENIDO
196Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
INTRODUCCIÓN
• Radioenlace digital del servicio fijo:Sistema de radiocomunicaciones entre puntos fijos que proporciona una capacidad de transmisión digital con elevadascaracterísticas de disponibilidad y de calidad
• Características básicas:– Frecuencias: 1-40 GHz– Transmisión duplex sobre radiocanales de dos frecuencias– Propagación troposférica con visibilidad directa– Constituido por estaciones terminales y repetidores intermedios
• Ventajas en relación a sistemas por cable:– Constitución rápida de circuitos de telecomunicación– Menor inversión– Facilidad de reparación– Superación de obstáculos del terreno
99
197Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ESTRUCTURA DE UN RADIOENLACE (I)
TATBRP1
RP2
Vano 1 Vano 2 Vano 3
TA, TB: Estaciones terminales A y B
RP1, RP2: Estaciones repetidoras
Vano: Sección de un radioenlace entre dos estaciones. La longitud típica de un vano es de hasta30-60 km, dependiendo de la frecuencia
Es posible hacer uso de reflectores pasivos en ciertos vanos.
198Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ESTRUCTURA DE UN RADIOENLACE (II)
TA TBRP1 RP2
MUXTX
RX
TX
RXTX
RX TX
RXTX
RX
TX
RXMUX
Supervisión Supervisión Supervisión Supervisión
f1
f1
f1
f2
f2
f2
Las estaciones se ubican en lugares convenientes y suelen estar desatendidas, con funcionamiento automático, lo que requiere el uso de técnicas de supervisión, control y telemando que utilizan canales de servicio.
Para conseguir elevada disponibilidad se usan equipos de reservaque entran en funcionamiento en caso de fallos.
100
199Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
PLANES DE FRECUENCIA
Establecen las bandas de frecuencia y las capacidades de un radioenlace, especificando:
- El número de radiocanales
- Las separaciones entre frecuencias adyacentes, frecuencias extremas y bordes de banda.
- Bandas de guarda
- Frecuencias portadoras
- Frecuencia central de la banda
- Polarización
- Ancho de banda
200Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
PLAN A DOS FRECUENCIAS
Tipos de interferencia:1.- Interferencia sobrealcance (solución: A y D sin visibilidad y no alineadas)2.- Filtro receptor (solución: filtro más selectivo e incrementar la separación
entre frecuencias)
3 y 4.- Radiación por lóbulos de las antenas.(solución:plan a 4 frecuencias)
F1 F1
F2 F2
F1
F2
1
2
3
4A B C D
F1 F2
60-70 dB
101
201Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
PLAN A CUATRO FRECUENCIAS
F1 F3
F2 F4
F1
F2
202Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )TOT bf di ll g deL dB L dB L dB L dB L dB L dB= + + + +
PROPAGACIÓN EN RADIOENLACES
• Problemas de propagación (atmosfera, tierra) :– Refracción– Atenuación– Difracción– Reflexión
Pérdidas totales:
Pérdida de espacio libre
Difracción por obstáculos
Atenuación por lluvia
Atenuación por gases y vapores
atmosféricos
Pérdida por desenfoque de
las antenas
102
203Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
PÉRDIDAS EN ESPACIO LIBRE
2
4 b fL
P G GT T RP P G GR T T R dλπ
⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠
=
( ) 9 2 .5 2 0 lo g ( ) 2 0 lo g ( )b f d BL d km f G H z= + +
A partir de la expresión de la potencia recibida en condiciones de espacio libre se obtiene que las pérdidas son:
204Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Teoría de la difracción de Fresnel-Kirchoff• obstáculos de dimensiones >> longitud de onda• atenuación respecto de la condición de espacio libre
d1 d2
h>0
-2 -1 0 1 2 31rh2=υ
0
6
12
24
h=-0.6r1
atenuación respecto E.L.
1/ 2
1 2 1
2 1 1 2 hv hd d rλ
⎡ ⎤⎛ ⎞= + =⎢ ⎥⎜ ⎟
⎝ ⎠⎣ ⎦
( )2( ) 6.9 20 log 0.1 1 0.1diL dB v v⎛ ⎞= + − + + −⎜ ⎟⎝ ⎠
DIFRACCIÓN POR OBSTÁCULOS
La atenuación es despreciable si h<-0.6r1 (condición de clearance o despeje)
21
21
ddddnrn +
= λ
103
205Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Índice de refracción: n = c/v n > 1 (troposfera).Depende de: humedad, presión atmosférica, temperatura...
PROPAGACIÓN TROPOSFÉRICA: REFRACCIÓN
• Si dn/dh >0 el rayo se aleja de la Tierra
• Si dn/dh=0 propagación en línea recta
• Si dn/dh <0 el rayo se acerca a la Tierra
12
3
• Tierra fictícia: Modificar la curvatura de la Tierra para que la propagación sea en línea recta
R KRodndh Ro
≡ = +⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
−1 1
con: |K| ≥0,6Atmósfera estándar K=4/3
Trayectoria real
Curvatura real Tierra
Curvatura Ficticia Tierra
Trayectoria ficticia
206Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ALTURA DE LAS ANTENAS
• Objectivo: minimizar los efectos de la refracción y la difraccióny
x
T RR=KRo
Rxy2
2
−≅
0.6 r1
• Condición de diseño:
h
Ecuación curvatura de la Tierra
K=0.6 peor condiciónpropagación
obso
obs
HKR
ddddd
Hfrh
++=
=+Δ+≥
26.0
6.0
2121
1
λHobs
Δf
d1 d2
104
207Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ATENUACIÓN POR GASES Y VAPORES ATMÓSFERICOS (I)
En trayectos troposféricos las moléculas de oxígeno y de agua absorben energía electromagenética, produciendo una atenuación que puede ser muy alta a ciertas frecuencias.
La atenuación se calcula a partir de la atenuación específica del oxígeno γo y del vapor de agua γh :
( )( ) ( / )· ( )g o hL dB dB m d mγ γ= +
Sólo es relevante a frecuencias superiores a 10 GHz
El oxígeno presenta un pico de atenuación para 57 GHz, mientras que el vapor de agua tiene tres picos para 22 GHz, 183.3 GHz y 325.4 GHz, de acuerdo con las frecuencias de resonancia molecular.
208Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ATENUACIÓN POR GASES Y VAPORES ATMÓSFERICOS (II)
3 10 100
0,01
0,1
1
10
Presión atm.= 1013,6mbT= 20ºC
7,5 g/m3 de vapor de agua H2O O2
At. e
spec
ífica
(dB/
Km)
Frecuencia (GHz)
105
209Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ATENUACIÓN POR LLUVIA (I)
La atenuación por lluvia depende básicamente de la frecuencia y de la intensidad de lluvia. Empieza a ser importante a frecuencias mayores que 10 GHz. Se calcula como el producto de la atenuación específica por la longitud efectiva:
,( ) [ / ] [ ]ll LLUVIA ef LLUVIAL dB dB km l kmγ= ⋅
αγ RKkmdBLLUVIA ⋅=)/(
Siendo R la intensidad de lluvia en mm/h y K y α unas constantes que dependen de la frecuencia, la polarización y el ángulo de elevación. Pueden aproximarse por:
Longitud efectiva del vano (km):
1ef
o
dl dd
=+
0.010.01535 Rod e−= ⋅
R0,01: Intensidad de lluvia para el 0.01% del tiempo
210Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ATENUACIÓN POR LLUVIA (II)
Valores de K y α según la frecuencia y la polarización:
1.0301.0610.1130.12425
1.0651.0990.06910.075120
1.1281.1540.03350.036715
1.2641.2760.008870.010110
αVαHKVKHFrec(GHz)
106
211Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ATENUACIÓN POR LLUVIA (III)
Atenuación específica de la lluvia
γLLUVIA
212Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
ATENUACIÓN POR LLUVIA (IV)
La intensidad de lluvia se caracteriza de forma probabilística. El CCIR definió 14 zonas climáticas caracterizadas por una estadística de lluvia:
El objetivo del diseñador consiste en calcular la atenuación debida a la lluvia que se supera con una determinada probabilidad (o porcentaje de tiempo). Así podemos calcular el margen de protección (o sobre- dimensionamiento de potencia) necesario para combatir la lluvia.
Valores de R (intensidad de lluvia en mm/h)
107
213Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
DESVANECIMIENTOS
Variaciones del nivel de señal recibida respecto de la potencia media.a) Variaciones aleatorias, poco profundas, con distribución gaussiana (centelleo). No suelen producir efectos apreciables.b) Desvanecimientos lentos (gran duración: minutos/horas)
- Por efecto de difracción: compensados con la elección adecuada de las alturas de las antenas- Por lluvia: Importantes para f>15 GHz. Se combaten imponiendo un límite a la longitud del vano- Estadística gaussiana- Profundidad: 3-10 dB
c) Desvanecimientos multitrayecto (corta duración: milisegundos)- Interferencia entre ondas que alcanzan el receptor siguiendo trayectos diferentes (reflexiones en el suelo y en capas estratificadas)- Pueden ser muy intensos (20-30 dB) y tienen carácter selectivo.- Probabilidad de aparición proporcional a f·dn
- Se compensan mediante técnicas de diversidad y ecualización- Estadística Rayleigh o Rice
214Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Ecuación de Transmisión :
PN K Ta Teq B FKToB= + =( )• Ruido:
G Sef= 42π
λGanancia antena: ( ) 2/5 λDG ≅Antena parabólica:
• Margen de fading :
PN FK To B=
PRmin SNR min FKTo B=
SN R m in
PT
MARGEN DE FADING(protección frente a desvanecimientos)
ECUACIÓN DEL ENLACE
( ) ( )( ) ( ) ( )R T T R TOTP dBm P dBm G dB G dB L dB= + + −
PR (nominal)
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215Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Interferencias externas ⇒ Afectadas por discriminación angular Da [ϕ]
• Interferencias internas ⇒ Afectadas por discriminación por polarizaciónque depende de los desvanecimientos según Dp(dB)= Dp0-[Af (dB)/2]
Dpocopolar
crospolar
ϕ100º
Da
G
GANANCIA ANTENAS(por polarización directa y cruzada)
Interferencia Interna
InterferenciaExterna
Señal útil
• Enlace de un solo salto
ϕ
INTERFERENCIAS
216Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
Hay desvanecimientos solamente en el tramo útil (peor caso)
RELACIÓN SEÑAL A INTERFERENCIA
• Nivel señal útil
• Nivel señalinterferente externo
• S/I ( ) ( )2 21 aT T R I I
aExterna TI TI RI f f
DP G G d dS DI P G G d A d A
ϕϕ
⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ≅ ⋅⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
Si antenas y equipos son iguales
• S/I2
0 0p pT T R
Interna TI TI RI f f
D DP G GSI P G G A A
= ⋅ ⋅ ⋅ ≅
Si antenas y equipos son iguales
Interferencias externas
Interferencias internas
( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )R T T R TOT fP dBm P dBm G dB G dB L dB A dB= + + − −
( ) ( ) ( ),( ) ( ) ( )I TI TI RI a T IP dBm P dBm G dB G dB D L dBϕ= + + − −
109
217Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
• Señal interferente ruido gaussiano de potencia igual ala potencia interferente (hip. pesimista)
• En general S/NT y S/NI dependen del desvanecimiento Af
• Prob. de error se ha de garantizar por debajo de un valor (calidad) en presencia de interferencias.
• Por ejemplo QPSK
• Para conseguir una cierta Pb es preciso que la relación señal a ruido más interferencia esté por encima de un cierto umbral: γo
Pb erfc o= 12
12
γ
( ) ( )( ) ( )
2 21 11
1 12 2 2
( ) ( ) 1 / // /( ) ( ) ( )
o o TTT I
s t s t S N S IS N S In t n t n t
γ γ − −−− −= = = → = +
++
CALIDAD DEL RADIOENLACE
218Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles
MARGEN BRUTO Y NETO
Con objeto de hacer frente a la presencia de desvanecimientos el radioenlace se diseña para trabajar con una relación señal a ruido nominal superior al mínimo necesario γo.
MARGEN BRUTO (MB): Máxima atenuación tolerable por el radioenlace si no hubiera interferencias:
/ fo
T
S AN
γ =S: Señal recibida en valor nominal (sin desvanecimiento)
NT: Ruido térmico.
MARGEN NETO (MN): Máxima atenuación tolerable por el radioenlace en presencia de interferencias:
/ fo
T
S AN I
γ =+
( )1 1
( ) 10logf oT
S SA MN dB dBN I
γ− −⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥= = − + −⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦
( ) ( )( )f oT
SA MB dB dB dBN
γ⎛ ⎞
= = −⎜ ⎟⎝ ⎠
I: Potencia interferente.
Siempre se cumplirá: MB ≥ MN(Si MB>>MN significa que el radioenlace está limitado por interferencias, mientras que si MB≈MN el radioenlace presenta pocas interferencias)