Uni fiee scm sesion 03 interfaz radio
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Sistemas de Comunicaciones Móviles
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Ingeniería de Telecomunicaciones
Sesión: 3Fundamentos de la Interfaz radio
Prof. Ing. José C. Benítez P.
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Sesión. Fundamentos de la interfaz radio
1. Concepto.
2. Enlaces.
3. Duplexación.
4. Acceso múltiple.
5. Modelo energético.
6. Cobertura radioeléctrica
7. Modelo de red.
8. Modelo de sistema de transmisión.
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1. La interfaz radio
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1. La interfaz radio
• Es la interfaz móvil-base.
• Proporciona la movilidad: es imprescindible.
• Limita las prestaciones del sistema, debido a:
• Características de la transmisión por radio:
• inestabilidad de la señal,
• distorsión,
• interferencia.
• Limitación de ancho de banda (por regulación).
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2. Enlaces
• Enlace Descendente (Down Link)
• Enlace Ascendente (Up Link)
(Requiere Técnicas de multiacceso)
• Alcance de la estación Base (Talk Out)
• RetroAlcance (Talk back) de la
estación móvil)
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2. Enlaces
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3. Duplexación
• Permiten la comunicación full-duplex entre MS y BTS.
• Hay dos técnicas:
• FDD (Frequency Division Duplex - Duplexado por
división de frecuencia).
• TDD (Time Division Duplex - Duplexado por
división de tiempo).
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3. Duplexación
FDD: Duplexado por división de frecuencia
• Cada móvil se comunica a través de
un radiocanal.
• Un radiocanal se compone de dos
frecuencias (fi, fi’).
• Una comunicación requiere dos
frecuencias.
• Frecuencias separadas para Tx y Rx.
• UL: menor potencia de transmisión
en el móvil (menor atenuación a
menor frecuencia).
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3. Duplexación
TDD: Duplexado por división de tiempo
• UL y DL operan en la misma banda de frecuencias, utilizando
diferentes slots de tiempo.
• Intervalos de tiempo separados para Tx y Rx, utilizando la misma
frecuencia en los dos sentidos.
• Los intervalos de tiempo son suficientemente cortos, para que la
transmisión en los dos sentidos sea aparentemente simultánea.
• Se utiliza una sola frecuencia para la comunicación.
Permite asimetría, lo que se presta para
comunicación de datos.
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3. Duplexación
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4. Acceso múltiple
Dimensiones de un proceso de
radiocomunicación
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4. Acceso múltiple
• FDMA (separación en frecuencia)
� (+) Sencillez.
� (−) Número de equipos en la base; poca flexibilidad en la tasa binaria;
dificultad para incluir señalización asociada.
• TDMA (separación en el tiempo)
� (+) Menos equipos; no duplexor; flexibilidad para canales de distinta
tasa binaria; facilidad para señalización asociada.
� (−) (Sólo modulaciones digitales); sincronización estricta; interferencia
en equipos (p. ej. de audio).
• CDMA (separación en el “código”).
� (+) Flexibilidad (como TDMA); más capacidad (discutible).
� (−) (Sólo digital); control de potencia muy estricto; tecnología compleja
• SDMA (separación en ubicación o dirección espacial).
� (+) Eficiencia en el uso de los recursos.
� (−) Más equipos (células o sectores); complejidad (antenas inteligentes).
• Otras técnicas:
� Aloha ranurado (S-Aloha): para acceso inicial.
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4. Acceso múltiple
• Los sistemas móviles siempre incluyen una componente FDMA.
De acuerdo con esto, existen
� Sistemas FDMA. Ej.: AMPS.
� Sistemas FDMA/TDMA. Ej.: GSM.
� Sistemas FDMA/CDMA. Ej.: UMTS.
� ···
• Se llama radiocanal a la unidad mínima de FDMA.
� Ej.: en GSM un radiocanal (portadora) ocupa unos 200 kHz;
y se divide en 8 intervalos de tiempo, según una estructura
TDMA.
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4. Acceso múltiple
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4. Acceso múltiple
Distribuciones de frecuencias
en el canal móvil
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5. Modelo energético
Entidades y parámetros de la interfaz radio
PRAD: Potencia radiada aparente del Tx deseado.
PSD: Potencia Señal deseada.
ED: Campo eléctrico del Tx deseado en la antena Rx.
EI: Campo eléctrico interferente total.
Perturbaciones:
Pnext: Potencia Ruido externo.
Pnint: Potencia Ruido Interno.
Pst: Potencia Total Señales
interferentes en el receptor
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5. Modelo energético
D D
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5. Modelo energético
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5. Modelo energético
En el lado de Tx:
• Transmisor (TX), encargado de la
generación de la señal modulada.
• Circuitos de acoplo de antena, entre
los que se encuentran aquellos
elementos (alimentadores,
multiplexores, circuladores) que
permiten adaptar la antena al
transmisor.
• El circuito de antena lo constituyen
los elementos disipativos de la
antena.
• Por último, se dispone de una antena
ideal. El conjunto formado por el
circuito de antena y la antena ideal
constituye la antena real.
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5. Modelo energético
En el lado de Rx:
• Antena ideal.
• El circuito de antena representa a los
elementos disipativos de la antena
receptora. Este circuito junto con la
antena ideal forman la antena
receptora real.
• Los circuitos de acoplo del receptor,
constituidos por duplexores, filtros,
línea de alimentación, …, es decir, por
los elementos de adaptación entre la
antena y el receptor.
• El receptor (RX), encargado de extraer
de la señal modulada la información
transmitida.
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5. Modelo energético
Las potencias en el modelo energético:
• En el lado de la transmisión (dBm).
� Potencia entregada por el transmisor
(Pet).
� Potencia entregada a la antena real
(Pt’).
� Potencia ficticia entregada a la
antena ideal, sin pérdidas,
equivalente a la antena real, o
potencia radiada (Pt).
� Potencia isótropa radiada
equivalente en dirección al receptor
(PIRE).
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5. Modelo energético
Las potencias en el modelo energético:
• En el lado de la recepción (dBm).
� Potencia ficticia disponible en una
antena receptora isótropa (Pi).
� Potencia ficticia disponible en los
terminales de la antena receptora
ideal, equivalente a la antena
receptora real, (Pr).
� Potencia disponible a la entrada de
los circuitos de acoplo del receptor
(Pr’).
� Potencia disponible a la entrada del
receptor (Pdr).
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5. Modelo energético
Las pérdidas (dB):
• Pérdidas en los circuitos terminales del transmisor: Ltt.
• Pérdidas en la antena de transmisión, dadas por la expresión Lat=10.log(100/ecdt), donde ecdt es la
eficiencia de radiación de la antena TX.
• Pérdidas en los circuitos terminales del receptor: Ltr.
• Pérdidas en la antena de recepción, dadas por la expresión Lar=10.log(100/ecdr), donde ecdr es la
eficiencia de radiación de la antena RX.
• Pérdida básica de propagación, entre antenas isótropas, Lb, que es función de la frecuencia, la
distancia, el modo y el medio de propagación.
• Pérdida de transmisión entre antenas ideales, Lt.
• Pérdida del sistema, definida entre los interfaces de las antenas reales, Ls.
• Pérdida global, Lg, definida entre la salida del TX y la entrada al RX.
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5. Modelo energético
Las ganancias (dB), se considerarán como pérdidas negativas, y son las siguientes:
• Ganancia de potencia de la antena transmisora, Gt’.
• Directividad de la antena transmisora, Dt.
• Ganancia de potencia de la antena receptora, Gr’.
• Ganancia directiva de la antena receptora, Dr.
Se interpreta la ganancia de potencia de una antena como el producto de la directividad
por la eficiencia de radiación (ITU-R.- Rec. V.573-4: Radiocommunication vocabulary.-
Internacional Telecommunication Union, Switzerland, 2000. p.14.).
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5. Modelo energético
0
antant
T
Tf =
• Dipolo (antena): “fuente de ruido”
Tant
0cuadcuad )1( TfT −=
• Cuadripolo: “añade ruido”
Tcuad
g
Para un cuadripolo pasivo a T0: fcuad = l = 1/g
• Sistema
Ttotal
0
entrada la a totalsis
T
Tf =
10
cuadcuad +=
T
Tf
• Factor de ruido f =SNRi
SNRo
Definiciones de factor de ruido
• Factor de ruido equivalente en cascada (Formula de Friis):
La magnitud del ruido generado por un dispositivo
electrónico, por ejemplo un amplificador, se puede
expresar mediante el denominado factor de ruido (f).
La razón de señal a ruido (SNR ó S/N) es la razón de
potencia entre una señal (información valiosa) y el ruido
de fondo. (P es la potencia y A la amplitud rms)
Pn = fKTB
Pn es la potencia del ruido de entrada en watts (W)
f es el factor de ruido.
K es la constante de Boltzmann (1.38 X 10-23 J/°K)
B es el ancho de banda en Hertz (Hz)
T es la temperatura en grados Kelvin (To=290oK=17oC)
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5. Modelo energético
Ruido en el receptor
dtrar
pa
r
trar
pa
d
trar
pa
ar
trarasis
lll
g
f
ll
g
l
ll
f
l
llff
11
1
1
1
11
−+
−+
−
+−
++−=
WfTkN sis0= N: potencia de ruido
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5. Modelo energético
Calidad en Comunicaciones Digitales
WfTkN sis0=
RfkT
S
RN
S
N
S
R
W
N
EB
sis000
===
N: potencia de ruido
S: potencia de señal
R: tasa binaria
Eb/N0=SNR/(eficiencia espectral)
S/N: SNR
R/W: eficiencia espectral (bps/Hz)
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5. Modelo energético
Modulaciones Digitales
• Modulaciones utilizadas en Comunicaciones Móviles
– BPSK
– QPSK
– GMSK (equivalente a BPSK con conformación de pulsos)
– En los últimos años se han introducido 8-PSK, 16-QAM.
• Receptor:
– Para símbolos independientes: Filtro adaptado (óptimo)
– En presencia de ISI: Filtro adaptado y algoritmo de Viterbi
(óptimo) o ecualizador (subóptimo).
• Conformación de pulsos:
– Reducción de lóbulos laterales.
– Posible ISI.
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5. Modelo energético
Modulaciones Digitales
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5. Modelo energético
Conformación de pulsos
4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3
x 106
-40
-30
-20
-10
0
dB
4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3
x 106
-40
-30
-20
-10
0
dB
-50 0 50 100 150 200 250 300 3500
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-50 0 50 100 150 200 250 300 3500
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Tiempo Frecuencia
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5. Modelo energético
Conformación de pulsos
Ejemplo: espectro de señal GSM
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5. Modelo energético
Codificación del canal
Tipos de códigos:
• Detección de errores / corrección de errores.
• Bloque / convolucional / turbo.
Formas de decodificación:
• Soft / hard.
Utilización en Comunicaciones Móviles:
• Código externo: detector (bloque)
• Código interno: corrector (convolucional o
turbo; a veces bloque)
• Entrelazado.
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5. Modelo energético
Codificación del canal
Código
externoEntrelazado
Canal (propagación)
Código
internoModulador
Desentrel. Demod.
···
···
Decod. int.Decod. ext.
Detector
Bloque
Corrector (FEC)
Convolucional / Turbo / Bloque
Soft / Hard
Bits de fuente
···
Bloque: correcto o erróneo. Si erróneo: eliminación o retransmisión (ARQ).
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5. Modelo energético
Código corrector (FEC – Forward error correction)
Hay que distinguir EB/N0 de fuente y de canal. Normalmente se utiliza
la de fuente (es decir, considerando la tasa binaria de fuente).
Efectos de la codificación de canal:
(1)(–) Reducción de EB/N0 de canal, para una EB/N0 de fuente dada
• Debido al aumento de la tasa binaria tras codificar
(2) (+) Capacidad correctora.
(3) (–) Aumento de la tasa binaria.
� (1) y (2) afectan a la BER final. El código es útil cuando (2) supera a
(1).
� Aumento de tasa binaria afecta al ancho de banda, salvo en
sistemas de espectro ensanchado.
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5. Modelo energéticoCódigo corrector (FEC – Forward error correction)
Ejemplo: código BCH (n=127,k=36)
(a) BER sin código
(b) BER de canal con código
(c) BER de fuente con código
4 5 6 7 810-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
Eb/N0 (dB) de fuente
(b)
(a)
(c) Ganancia de codificación:
reducción de EB/N0 para una
calidad objetivo
Zona útil: ganancia positiva
Ganancia de codificación
BE
R
k: bits antes de codificar
n: bits tras codificar
k/Tbloque: R antes de codificar
k/Tbloque: R tras codificar
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5. Modelo energético
Tasa de codificación
• La tasa de codificación indica la proporción entre bits de fuente y de
canal. Es menor o igual que 1.
• Para códigos convolucionales o turbo son habituales los valores 1/2, 1/3.
• La tasa de codificación de un código corrector puede ajustarse de forma
fina por medio de:
� Repetición:
� Se repiten algunos bits de canal
� Sus posiciones son conocidas en el receptor
� Esos bits se reciben con más fiabilidad.
� Eliminación (puncturing):
� Se eliminan algunos bits de canal
� Sus posiciones son conocidas en el receptor
� El algoritmo de decodificación tiene en cuenta que para esos
bits no se dispone de información.
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5. Modelo energético
Entrelazado
• En un canal de propagación
multitrayecto los errores se
suelen producir en ráfagas,
correspondientes a periodos de
desvanecimiento.
• El objetivo del entrelazado es
dispersar los errores, de modo
que ya no aparezcan en ráfagas.
• De esta forma el código
corrector puede corregir mejor
los errores.
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5. Modelo energético
Código detector: ARQ
• La detección de errores logra una tasa de bloques erróneos (BLER)
arbitrariamente pequeña (idealmente 0) por el procedimiento de
retransmitir los bloques recibidos incorrectamente (ARQ).
• En comunicaciones móviles, el nivel recibido o EB/N0 instantánea tiene
variaciones grandes (debidas a multitrayecto). Los errores tienden a
producirse cuando el nivel recibido es bajo.
• En un sistema sin ARQ, conseguir una BLER muy pequeña requiere un
planteamiento conservador: exigir niveles medios de EB/N0 muy
grandes, para que aún cuando el nivel instantáneo baje no se produzcan
errores.
• El uso de ARQ permite detectar (a posteriori) qué bloques han tenido
errores, y tomar las medidas necesarias sólo para esos bloques.
(+) Menor EB/N0 media necesaria
(–) Retardo variable para cada bloque
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5. Modelo energético
Código detector: ARQ
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6. Cobertura radioeléctrica
Zona de cobertura
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6. Cobertura radioeléctrica
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6. Cobertura radioeléctrica
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6. Cobertura radioeléctrica
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7. Modelo de red
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7. Modelo de red
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8. Modelo de transmisión
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8. Modelo de transmisión
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Bibliografía
1. Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant:
"An Introduction to GSM", Artech House, March 1995, ISBN
978-0-89006-785-7
2. Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant:
"GSM and Personal Communications Handbook", Artech
House, May 1998, ISBN 978-0-89006-957-8
3. M. Boulmalf, S. Akhtar. Performance Evaluation of
Operational GSM's Air-Interface (Um). UAE University.
4. http://www.gsma.com/latinamerica/
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Um_interface
6. http://www.3gpp.org/
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S3. Interfaz radio
Blog del curso:
http://uniscm.blogspot.com