retos técnicos de las comunicaciones inalámbricas · un enlace de comunicación en particular y...

Retos técnicos de las comunicaciones inalámbricas

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Objetivo

Presentar una semblanza de la problemática que enfrentan los sistemas de comunicación móviles e inalámbricos relacionada por el medio de propagación de la señal de transmisión.

El alumno deberá reconocer aquellas características que afectan la comunicación y aprender las acciones necesarias para mitigar cada una de dichas dificultades encontradas.

Al finalizar esta unidad el alumno deberá poder analizar un enlace de comunicación en particular y obtener un diagnóstico preciso sobre el tipo de factores y el nivel de impacto de los mismos. Finalmente deberá ser capaz de proponer una lista de acciones para mitigar la problemática relacionada.

Retos técnicos

Descripción general● En esta unidad se describe, de manera general, los retos más significativos con los que se enfrenta la transmisión inalámbrica.

● Propagación en múltiples trayectorias.

● Reflexiones y Difracciones

● Limitaciones de Espectro

● Limitaciones de Energía

● Movilidad del usuario.

Retos técnicosComunicación Alámbrica

● La comunicación transcurre en un medio estable (cable o fibra).

● Las propiedades del medio están bien definidas e invariantes en el tiempo.

● Para incrementar la capacidad actual se puede cambiar la frecuencia empleada o se incrementa el número de cables en el tendido.

Comunicación Inalámbrica

● Debido a la movilidad del usuario y a la propagación de la señal en múltiples trayectorias, el medio de transmisión varía considerablemente.

● Ya que el espectro es limitado, la capacidad de transmisión debe incrementarse mediante el uso de técnicas más sofisticadas de transmisión o la reducción del alcance de sus células.


● El alcance de transmisión sin necesidad de estaciones repetidoras está determinado por la atenuación del propio medio (y del ruido). En el caso de la fibra óptica, la distorsión de los pulsos también afecta la velocidad de transmisión.

● No se existen la interferencia y la interferencia cruzada o en caso de existir, son constantes.


● El área de cobertura se limita por una parte, debido a las características del propio medio (atenuación, interferencia y distorsión) y por otra debido a las restricciones de uso del espectro (tamaño de la célula) .

● La Interferencia con otros usuarios son esperadas y debido a la movilidad de los usuarios son necesariamente variables.


● El retardo en la transmisión es constante, debido al lo largo del cable o fibra y al retardo de los repetidores.

● La taza de error de bits (BER) cae aprox. exponencialmente con el incremente de la razón señal a ruido (SNR). Lo anterior implica que aumentando en algo la potencia, se disminuye el error de manera significativa.


● El retardo en la transmisión se debe a la distancia entre el transmisor y el receptor, siendo esta variable en el tiempo.

● Para sistemas simples, la taza de error de bits disminuye sólo linealmente al incrementar la SNR. Incrementar la potencia de Tx no reduce significativamente la taza de error, pero si lo hace la incorporación de sistemas más sofisticados de codificación.


● La calidad en la transmisión por cable es mayor debido a la estabilidad del medio de transmisión.

● La Interferencia o intercepción de un canal dedicado es casi imposible sin el consentimiento del operador del servicio.


● La calidad de transmisión depende en buena parte de las contra-medidas para compensar la variabilidad del medio.

● La interferencia en un canal inalámbrico es muy común, en especial si no se toman medidas al respecto. La intercepción de la señal es muy posible por lo que la información debe ser encriptada.


● Los enlaces se establecen de una ubicación específica a otra, independientemente de la identidad de la persona a la que se le presta el servicio.

● La energía se provee a través del propio enlace (e.g. Línea telefónica) o por medio de la red de distribución de suministro eléctrico. En ninguno de los casos hay restricciones significativas al respecto.


● Las conexiones se establecen entre dispositivos móviles, por lo general asociados a un persona en específico, y no a un punto geográfico en particular.

● Las estaciones que prestan el servicio se alimentan mediante la red eléctrica mientras que los sistemas móviles dependen del uso de baterías. La eficiencia energética es una preocupación clave.

Frequency band name Frequency Wavelength

ELF - Extremely Low Frequency 3 – 30 Hz 100000 – 10000 km

SLF - Super Low Frequency 30 – 300 Hz 10000 – 1000 km

ULF - Ultra Low Frequency 300 – 3000 Hz 1000 – 100 km

VLF - Very Low Frequency 3 – 30 kHz 100 – 10 km

LF - Low Frequency 30 – 300 kHz 10 – 1 km

MF - Medium Frequency 300 – 3000 kHz 1000 – 100 m

HF - High Frequency 3 – 30 MHz 100 – 10 m

VHF - Very High Frequency 30 – 300 MHz 10 – 1 m

UHF - Ultra High Frequency 300 – 3000 MHz 1000 – 100 mm

SHF - Super High Frequency 3 – 30 GHz 100 – 10 mm

EHF - Extremely High Frequency 30 – 300 GHz 10 – 1 mm

Retos técnicos

Espectro radioeléctrico

Retos técnicos

Propagación de las señales● Las ondas de radio se propagan hacia el exterior desde una antena, a la velocidad de la luz. La naturaleza exacta de estas ondas se determina por el medio de transmisión. En el espacio libre, que viajan en línea recta, mientras que en la atmósfera, viajan en una trayectoria curva.

● Las ondas electromagnéticas en el espacio libre (TEM), consisten en campos eléctricos y magnéticos, cada uno en ángulos rectos entre sí y la dirección de propagación.

Retos técnicos

Propagación de las señales

● Las ondas de radio interactúan con los objetos en tres formas principales:

● Reflexión - Una onda de radio rebota en un objeto más grande que su longitud de onda.

● Difracción - Ondas curva alrededor de los objetos.

● Dispersión - Una onda de radio rebota en un objeto más pequeño que su longitud de onda.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera● Mientras que las ondas de radio que viajan en el espacio libre tienen poca influencia del exterior, las ondas de radio que viajan dentro de la atmósfera de la Tierra se ven afectados por las condiciones variables del entorno, principalmente debido a una falta de uniformidad dentro de la atmósfera.

● Las condiciones atmosféricas varían con los cambios en la altura, la ubicación geográfica, e incluso con los cambios estacionales y de tiempo (día, noche, temporada del año, etc.).

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera● La atmósfera de la Tierra se divide en tres regiones separadas, i.e. : La troposfera, la estratosfera, y la ionosfera.

● La Troposfera se extiende desde la superficie de la Tierra a una altura de aproximada de 6 km en lo Polos y 18 km en el ecuador. Prácticamente todos los fenómenos meteorológicos tienen lugar aquí. La temperatura disminuye rápidamente con la altitud, las nubes, y la turbulencia se forman debido a las variaciones en la temperatura, densidad y presión. Estas condiciones influyen en la propagación de ondas de radio.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera● La Estratosfera se encuentra entre la troposfera y la ionosfera. La temperatura a lo largo de esta región se considera que es casi constante y hay poca presencia de vapor de agua, por lo que relativamente se tiene poco efecto en las ondas de radio.

● La Ionosfera se extiende desde los 50 km hasta cerca de los 400 km. Contiene principalmente cuatro capas ionizadas, que permiten que ciertos espectros de radio se propaguen a grandes distancias alrededor de la Tierra. Lo que la convierte en la región más importante de la atmósfera relacionada con las comunicaciones de gran distancia punto a punto.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera● Hay dos formas principales en las que una señal de radio viaja desde una antena terrestre a otra. Una forma es mediante las ondas de tierra «Ground waves» y la otra es por ondas ionosféricas o celestes «Sky waves».

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Ground waves● Las ondas de tierra «Ground waves» son las ondas de radio que viajan cerca de la superficie de la Tierra, las mismas que se subdividen en 2 componentes: Ondas de Superficie y Ondas de linea de vista.

● Las Ondas de Superficie «surface waves» se desplazan a lo largo de la superficie de la Tierra.

● Las Ondas de Línea de Vista «space waves» son ondas que se propagan en la parte baja de la troposfera y que, generalmente viajan de un punto a otro.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Ground waves● Las Ondas de Superficie «surface waves» son utilizadas en AM, FM y algunas emisiones de TV.

● Las frecuencias por debajo de 3 MHz, viajan de manera eficiente como ondas terrestres. Esto es debido a que se difractan mejor alrededor de obstáculos debido a sus largas longitudes de onda, lo que les permite seguir la curvatura de la Tierra.

● Las ondas de superficie se polarizan verticalmente, con el campo magnético propagándose de manera horizontal y el eléctrico vertical.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Ground waves● El alcance de las Ondas de Superficie «surface waves» se ve aumentado debido al efecto de la Refracción, el cual aumenta el alcance sobre el horizonte óptico en aproximadamente 4/3. El alcance se calcula mediante:

h : Altura

● La conductividad del terreno afecta la propagación. En la tierra los frentes de onda tienden a "inclinarse" en la dirección de la propagación en un ángulo cada vez mayor, hasta que se disipa. Por el contrario, superficies con mayor conductividad (e.g. Lagos u océanos) generan una menor disipación y extienden el alcance.

d max ≈ √17 ht+ √17 hr km

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Ground waves● Las condiciones atmosféricas pueden tener un efecto dramático en la cantidad de refracción.

● Existen tres modos de propagación relacionados con la refracción, i.e.:

● Modos de Super-refracción, de refracción Normal y Sub-refracción.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Ground waves● En modo de super-refracción la onda se curva más de lo normal reduciendo el alcance. Este fenómeno ocurre cuando aumenta la temperatura pero la humedad disminuye con la altura.

● Paradójicamente, en algunos casos, la onda puede viajar sobre grandes distancias, ya que puede ser reflejada por la tierra, retransmitida o ser super- refractada nuevamente.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Ground waves● En modo de sub-refracción la onda se curva menos de lo normal aumentando el alcance. Este fenómeno ocurre cuando disminuye la temperatura pero aumenta la humedad con la altura.

● En algunos casos la señal puede ser reflejada hacia el espacio.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Ground waves● Las Ondas de Línea de Vista «space waves» pueden viajar en línea recta o llegar rebotando al reflejarse entre la superficie terrestre y la parte alta de la troposfera «Tropospherical propagación».

● Esta técnica de propagación permite la transmisión de señales de frecuencia muy altas (e.g.: Bandas VHF, UHF, etc), e incluye las siguientes restricciones:

● Las ondas se propagan siguiendo de la línea de visión, inclusive entre rebotes en la troposfera.

● Las ondas están acotadas por la curvatura de la tierra.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Sky waves● Las Ondas celestes o ionosféricas «sky waves» son ondas que se propagan ya sea por reflexión o refracción hacia la tierra desde la ionosfera, gracias a que esta contiene capas de partículas cargadas.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Sky waves● Las Ondas celestes o ionosféricas «sky waves» permiten establecer enlaces de comunicación de miles de km debido a múltiples reflexiones entre la tierra y la ionosfera (≤5). Las frecuencias empleadas para esta transmisión están principalmente en la banda HF.

● Capa D (60 a 90 km): Se produce durante el día y es el principal responsable de la atenuación de las señales de HF (particularmente las de 10MHz y menores).

● Capa E (100 a 125 km): refleja principalmente durante la noche las señales menores a 10MHz ( a veces ~50MHz).

● Capa F (200 / 400 Km): la capa F2 (sólo diurna) propaga la mayoría de las señales de HF (onda-corta).

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Space waves● Las Ondas de comunicación satelital se encuentran en el intervalo de frecuencias entre 80MHz y 40 GHz. Estas ondas no son reflejadas por la ionosfera ni siguen la curvatura de la tierra también.

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera

Retos técnicos

Propagación de la señal● En comunicaciones inalámbricas el medio de transmisión es el espacio entre el transmisor : Tx y el Receptor : Rx. La señal puede llegar desde Tx a través de un sinnúmero de trayectorias diferentes.

● En algunos casos es posible que exista una linea de vista «LOS: Line Of Sight» entre Tx y Rx.

● La señal puede también alcanzar Rx mediante reflexiones o difracciones desde variedad de objetos «IOs : Interacting Objects» ubicados en el entorno.

● El número de las distintas trayectorias de propagación puede ser muy alto.

Retos técnicos

Propagación de la señal● Como se puede ver, cada trayectoria atenúa su amplitud, retrasa la señal, y cambia la dirección de recepción. Aún más importante; cada una de ellas conlleva un corrimiento de fase propio.

Retos técnicos

Propagación de la señal● Un receptor sencillo no puede distinguir entre múltiples componentes de trayectoria «MPCs : Multi Path Components», simplemente añade cada componente y ve el resultado de la interferencia generada entre estos.

● La interferencia puede ser constructiva o destructiva dependiendo de la fase entre las distintas MPCs.

● El corrimiento de fase depende casi de manera exclusiva de la longitud de la trayectoria recorrida desde Tx hacia Rx y es por esto que, para el caso de dispositivos móviles, la interferencia y el consecuente cambio de amplitud de señal varían sustancialmente a lo largo del tiempo.

Retos técnicos

Propagación de la señalA: Atenuación en el espacio libreB: ReflexiónC: Difracción D: Dispersión

Reflección: El objecto es grande en comparación con la longitud de onda.

Dispersión: El objecto es pequeño relativo a la longitud de onda o su superficie es irregular.

C

A

D

BReceiverTransmitter

Retos técnicos

Propagación de la señal● Frecuencias de interés : UHF (0.3GHz – 3GHz) y SHF (3GHz – 30 GHz);

transm

rec

P

P10log10

distancelog10

Perdida por distancia.

Interferencia por sombreado

Interferencia por MPCs

Retos técnicos

Propagación de la señal

Rx

Tx

1. Desvanecimiento de gran magnitud (escala) : debido a la distancia

2. Desvanecimiento a mediana escala: por sombras y

obstáculos

3. Desvanecimiento a pequeña escala: múltiples

trayectorias (MPCs)

Retos técnicos

Propagación de la señal● Frecuencias de interés : UHF (0.3GHz – 3GHz) y SHF (3GHz – 30 GHz);

I. Desvanecimiento de potencia debido a la distancia.

II. Desvanecimiento o interferencia por bloqueo o distorsión, debido a obstáculos por edificios, arboles o muros. Es causada por absorción, reflexión, dispersión, …

III. Desvanecimiento o interferencia debido a las múltiples trayectorias (MPCs).

Retos técnicos

Pérdida de potencia por distancia en dB:

Para antenas isotropicas

2

4rec transmP Pd

c

F

1. Desvanecimiento de gran escala● Perdida de potencia debido a la distancia propagación de la señal en el espacio libre (FSPL).

Rx Tx

d

FSPL=10log10( PTx

PRx)=20log10(F (MHz))+20 log10(d(km ))+32.45

Retos técnicos

1. Desvanecimiento de gran escala● Free Space Path Lost (FSPL).

FSPL=10 log10( P trans

P rec)

FSPL = 10 log10((4 πd f )c )

2

= 20 log10((4 πd f )c )

Prec = ( λ4 πd )

2

P trans = ( c4 πdf )

2

P trans

FSPL = 20 log 10(f )+ 20 log10(d )+ 20 log10( 4 πc )

1. Desvanecimiento de gran escala● El principal factor de atenuación de la señal es la distancia:

Perdida de potencia debido a la propagación de la señal en el espacio libre « FSPL ».

A mayor frecuencia, mayor la pérdida de FSPL

http://www.cdt21.com/resources/siryo1.asp

FSPL=20 log10(F (MHz))+20 log 10(d (km))+32.45

Retos técnicos

Retos técnicos

2. Desvanecimiento a mediana escala● Perdida de potencia debido a la interferencia por sombras de edificios, dispersión en árboles y reflexiones en colinas, muros, etc.

TxRx

A

B

C

A

D

DCBA

Retos técnicos

2. Desvanecimiento a mediana escala● Perdida de potencia debido a la interferencia por sombras de edificios, dispersión en árboles y reflexiones en colinas, muros, etc.

Retos técnicos

2. Desvanecimiento a mediana escala● La atenuación por interferencia por sombras no sólo ocurre para enlaces «LOS» sino que también ocurre para cualquier MPC.

La pérdida de potencia en dB incluye un componete de aleatoriedad

Valor esperado

pp LEL

Valor aleatorio, con valor medio = 0 y de perfil gaussiano con:

σ ≈ 6 – 12 dB

Retos técnicos

2. Desvanecimiento a mediana escala● Perdida Promedio :

Exponente por pérdida de trayectoria

Distancia de referencia

• indoor 1-10m

• outdoor 10-100m

Perdida por Transmisión en espacio libre a la distancia de referencia

dB

Valores típicos del Exponente :

Espacio libre : 2

Zona Urbana : 2.7-3.5

Interiores (LOS) : 1.6-1.8

Interiores (NLOS) : 4-6

00

10log10}{ Ld

dLE p

0pE L L 10

20dB

10 0log ( / )d d

NLOS : Non Line-of-Sight

10010110210

Retos técnicos

3. Desvanecimiento a pequeña escala● 3.1 Desvanecimiento de potencia debido a la dispersión de la señal en el tiempo por la diferencia de longitud de MPCs.

Retos técnicos


time

Tx Rx

0t 1 2 30t

Retos técnicos


time

Tx Rx

0t 1 2 30t

0( ) ( )x t t t 0( ) ( ) ...k ky t h t t L

Retos técnicos

3. Desvanecimiento a pequeña escala● 3.1 Desvanecimiento de potencia por MPCs

Componente en fase

Componente en fase de cuadratura

Tx

Rx

Señal de recepción en forma vectorial: Resultado (= sumatoria) de los “ vectores de propagación de trayectorias”

Para el modelado de sistemas de banda ancha: Además de considerar las magnitudes y fases, se deben considerar los retrasos de tiempo inducidos por las diferentes trayaectorias.

Se desprecian los retrasos en tiempo por las trayectorias

Retos técnicos

3. Desvanecimiento a pequeña escala

● Ejemplo : Determinar el retraso entre 2 señales que representa una diferencia de trayectoria de 100m

Retos técnicos


● Ejemplo : Determinar el retraso entre 2 señales que representa una diferencia de trayectoria de 100m 2

138

100 10sec

3 10c

Retos técnicos


● Para una señal de frecuencia portadora de 2.4 GHz el cambio de posición del Rx en menos de 7 cm es suficiente para pasar de una interferencia constructiva a una interferencia destructiva.

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3. Desvanecimiento a pequeña escala● 3.1 Desvanecimiento de potencia debido a la dispersión de la señal en el tiempo. Valores típicos :

Medio0( ) ( )x t t t

0t

Rx

0t 1 2 3

Tx

● Interiores 10-50 ns

● Suburbano 0.2 a 2 μs

● Urbanos 1 a 3 μs

● Colinas 3 a 10 μs

0( ) ( ) ...k ky t h t t L

Retos técnicos

3. Desvanecimiento a pequeña escala● 3.2 Dispersión en frecuencia. Producido por desplazamientos entre Tx y Rx: Efecto Doppler

Frec.(Hz)

Corrimiento Doppler

Para cada trayectoria

2( ) cj F tTx t X e

v

2( ) cj F F tRy t Y e

Rx

time

time

Tx cF F cf

Retos técnicos

Desvanecimiento total● Las distintas contribuciones se suman y se obtiene una señal neta en el receptor.

time

v

)(tx)(ty

Rx

Tx

Retos técnicos

Desvanecimiento total● Los desvanecimientos de cualquier magnitud (i.e. escala pequeña mediana o grande) se traslapan de manera que una señal podría verse como:

Retos técnicos

Desvanecimiento total● Las distintas contribuciones se suman y se obtiene una señal neta en el receptor.

Cada trayectoria se resume en:

Re{.}LPF LPF

channel)(tw

( )y t

tFj Ce 2

)(tgR)(th

tFj Ce 2

( )x t

)(tgT

… corrimiento en tiempo …

… corrimiento en frecuencia …

… atenuación…

Trayectorias

2 ( )( )( )( ) Re ( ) cj F tFy t x t ea t ll

ll l

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Intersymbol Interference «ISI»● Como se mencionó anteriormente los tiempos de retraso de los distintos MPCs pueden mover la fase e interferir las señales de sistemas de comunicación de banda estrecha «narrow band».

● Sin embargo en sistemas con mayor ancho de banda y con buena resolución temporal la mayor preocupación es la dispersión de señal. En sistemas digitales significa que un impulso δ se convierte en múltiples impulsos.

Retos técnicos

RxTx

1 2 3

Tx

Rx

Intersymbol Interference «ISI»● Cada impulso δ estará llegando con un retardo y una atenuación particular a la trayectoria MPC seguida por cada una. Esta dispersión conduce a la Interferencia entre símbolos (ISI) en las tramas de datos digitales.

Retos técnicos

RxTx Rx

Tx

1 2 3

Intersymbol Interference «ISI»● Cada impulso δ estará llegando con un retardo y una atenuación particular a la trayectoria MPC seguida por cada una. Esta dispersión conduce a la Interferencia entre símbolos (ISI) en las tramas de datos digitales.

Retos técnicos

RxTx Rx

Tx

1 2 3

Intersymbol Interference «ISI»● Si no se implementa alguna medida contra la interferencia ISI, los errores no desaparecerán incluso si se incrementa la potencia de Tx. Por esos se les conoce como Errores Irreductibles.

Retos técnicos

Intersymbol Interference «ISI»● Si no se implementa alguna medida contra la interferencia ISI, los errores no desaparecerán incluso si se incrementa la potencia de Tx. Por esos se les conoce como Errores Irreductibles.

301

2

301

2

Trayectoria corta

Trayectoria larga

Señal resultante

Retos técnicos

Intersymbol Interference «ISI»● La «ISI» se determinada por la taza entre la duración de la señal y la duración de la respuesta impulsiva del canal.

● Es crucial conocerla en sistemas con altos bitrates y en sistemas de acceso múltiple (e.g. TDMA, CDMA, etc. )

● Aún cuando la respuesta del sistema al impulso sea más corta que la duración de un bit de transmisión, la «ISI» aún puede influir en la generación de errores.

Retos técnicos

Limitaciones del espectro● El espectro disponible para comunicaciones inalámbricas es limitado y regulado por acuerdos internacionales. Por lo anterior debe de usarse de manera óptima.

● Las 2 principales maneras de optimizarlo es mediante:

● El uso de espectro regulado por parte de un sólo operador.

● Uso de espectro libre por múltiples usuarios.

Retos técnicos

Limitaciones del espectro: Intervalos ● Por debajo de 100MHz : Usado por banda civil, pagers y teléfonos analógicos inalámbricos.

● 100 – 800 MHz : Principalmente usadas para la radio-difusión y televisión abierta.

● 400 – 500 MHz : Servicios de comunicación con gran alcance y número de usuarios limitado.

● 800 – 1000 MHz : Sistemas celulares (1G y 2G) usan esta banda así como operadores de servicios de emergencias.

Retos técnicos

Limitaciones del espectro: Intervalos● 1.8 – 2.1 GHz : Banda principal de comunicación de telefonía celular (3G y algunos 2G) así como algunos teléfonos inalámbricos digitales.

● 2.4 – 2.5 GHz : Operación de la Banda Industrial Científica y Médica «ISM», teléfonos inalámbricos, WLAN y PANs inalámbricas y diversos dispositivos.

● 3.3 – 3.8 MHz : Reservada para sistemas fijos de acceso inalámbrico.

Retos técnicos

Limitaciones del espectro: Intervalos● 4.8 – 5.8 GHz : Mayormente usada por las WLANs y sistemas de comunicación entre vehículos. También usada, entre 5.7 y 5.8 GHz, como complemento de los sistemas fijos de acceso inalámbrico de 3GHz.

● 11 – 15 GHz : La mayoría de los sistemas satelitales de televisión

● 14.0 – 14.5 GHz para subir la señal y

● 11.7 – 12.2 GHZ como canal de bajada.

Retos técnicos

Re-uso del espectro: Modo regulado● Si hablamos de un servicio con múltiples usuarios (e.g. Celular) podemos utilizar una banda alrededor de una cierta frecuencia portadora, El espectro disponible podrá dividirse en N canales los cuales pueden dar servicio a sólo N usuarios al mismo tiempo.

● En caso de existir un mayor número de usuarios entonces se emplea el esquema de célula para subdividir el área de cobertura reutilizando el espectro asignado.

Retos técnicos

Re-uso del espectro: Modo regulado● Ya que este esquema permite colocar célula tras célula usando el mismo espectro de frecuencias, es necesario minimizar las posibles interferencias.

● Lo ideal sería colocar aquellas células que comparten canales de frecuencia en ubicaciones distantes, o al menos separadas por otras células de frecuencias distintas, sin embargo debido a la alta densidad de usuarios (e.g. en ciudades) es necesario reutilizar las frecuencias aún entre células adyacentes.

Retos técnicos

Re-uso del espectro: Modo regulado

Retos técnicos

Re-uso del espectro: Modo regulado● Esta re-utilización de frecuencias entre células adyacentes provoca ciertas interferencias en los canales con la mismas frecuencias, a esto se le conoce como: «Inter-cell o co-channel interferences».

● La interferencia entre celdas es el factor dominante que limita la calidad de transmisión que se puede alcanzar

Retos técnicos

Re-uso del espectro: Modo regulado● Por su parte la eficiencia espectral describe la eficiencia de re-uso del espectro por unidad de área. Sus unidades son :

● Erland/(Hz m²) para canales de voz

● Bits / (s Hz m²) para enlaces de datos

● Ya que el área de cobertura y el BW asignado para el servicio son fijos, la única opción para elevar el número de usuarios con acceso al servicio es mediante el incremento de la eficiencia espectral.

Retos técnicos

Re-uso del espectro: Modo No regulado● Existen diferentes banda espectrales designadas para uso general. En estas bandas variedad de servicios pueden coexistir, permitiendo a cualquiera operar, siempre que se respeten ciertas restricciones como:

● Limitar su potencia de Transmisión

● Seguir ciertas reglas de forma de onda y ancho de banda «BW»

● Ser usada para los fines previstos (aprox.)

Retos técnicos

Re-uso del espectro: Modo No regulado● En consecuencia, cualquiera de los servicios aquí ofrecidos deberá hacer frente a variedad de interferencias. Ya sean de sistemas similares o de otros sistemas que ocupen la banda.

● Lo anterior obliga a los sistemas a implementar mecanismos para manejar dichas distorsiones en la señal.

● Selección de bandas desocupadas

● Uso de técnicas de dispersión de espectro, etc.

Retos técnicos

Re-uso del espectro: Modo No regulado● En algunos casos el uso de cierta sección del espectro es asignado a un propósito específico pero no a un proveedor específico, permitiendo a varios competidores a operar en dicha banda.

● En estos casos la fuente y tipo de interferencia es conocida por adelantado y pueden plantearse esquemas de mitigación aún cuando la intensidad de la perturbación sea muy fuerte.

● Uso de técnicas de asignación dinámica de bandas.

Retos técnicos

Energía limitada● Debido a la naturaleza móvil de las aplicaciones, los requerimientos en uso de energía son bastante elevados.

● Es muy común el uso de amplificadores de potencia con eficiencias energéticas arriba del 50% (Clase C o F), los cuales tienden a presentar comportamientos no lineales. Es por esto que en aplicaciones inalámbricas se prefieren esquemas de modulación insensibles a distorsiones no lineales (e.g. señales de envolvente constante).

Retos técnicos

Energía limitada● El procesamiento de señales debe ser realizado en dispositivos de bajo consumo de energía (CMOS) y con arquitecturas de procesamiento dinámicas que permitan entrar y salir de estados de bajo consumo de energía de manera eficiente

● El receptor (generalmente en el sist. Móvil) debe ofrecer una alta sensibilidad, e.g.: la especificación de GSM requiere que con señales de incluso -100 dBm se deba mantener una nivel aceptable de comunicación.

Retos técnicos

Energía limitada● El procesamiento de señales debe ser realizado en dispositivos de bajo consumo de energía (CMOS) y con arquitecturas de procesamiento dinámicas que permitan entrar y salir de estados de bajo consumo de energía de manera eficiente

● El receptor (generalmente en el sist. Móvil) debe ofrecer una alta sensibilidad, e.g.: la especificación de GSM requiere que con señales de incluso -100 dBm se deba mantener una nivel aceptable de comunicación.

Pwatt =10(P dBm/10 )

1000watt

Retos técnicos

Energía limitada● Si en su lugar la especificación de GSM hubiera definido -80 dBm (100 veces mayor) entonces la potencia de transmisión, para obtener la misma área de cobertura, debería haber sido 100 veces mayor y en consecuencia la carga de la batería debería incrementarse proporcionalmente ( pasaría de 200 g a 20 kg).

● Las restricciones de potencia exigen un cuidadoso diseño electrónico así como esquemas sofisticados de modulación y procesamiento de señales.

Retos técnicos

Energía limitada● La máxima potencia de transmisión debe ser empleada sólo en las ocasiones que sea absolutamente necesario. En otras palabras la potencia de transmisión debe adaptarse a las condiciones actuales del medio y hacer esto de manera sistemática y recurrente.

● El ajuste no sólo depende de la distancia entre emisor y receptor sino también en las condiciones de uso. E.g.: En un canal de voz se transmite sólo cuando el usuario está hablando (DTX).

Retos técnicos

Movilidad del Usuario● En particular para los servicios de telefonía celular pero en algunos casos en redes de sensores, el sistema debe poder ubicar la ruta de enlace del usuario. En el caso de llamadas entrantes en una red celular, la red debe conocer cual es la célula con la cual puede brindarle el servicio al usuario, de lo contrario no podrá conectar a tiempo la llamada.

● Para localizar al dispositivo, éste debe emitir a la radio-base señales en intervalos regulares, indicando su disponibilidad a la red.

Retos técnicos

Movilidad del Usuario

Retos técnicos

Movilidad del Usuario● En las bases de datos del proveedor del servico (e.g.: HLR y VLR) se registra tanto su ubicación original (donde contrató el servicio) como su ubicación actual, de manera que si se le hace una llamada la red pueda canalizarla a la radio-base correspondiente, sea como visitante o como local.

● Si un usuario se mueve de una radio base a otra, la nueva radio-base asumirá el servicio y registrará al aparato como parte de aquellos que quedan dentro de su área de cobertura.

Retos técnicos

Movilidad del Usuario● En el caso de que el cambio o «hangover» de radio-base se haga dentro del curso de una llamada, la transferencia se deberá realizar sin interrumpirla o sin que el usuario note el cambio. Para esto se requiere una señalización avanzada entre el dispositivo móvil y las radio-bases.

● El uso de CDMA permite un cambio suave entre radio-bases vs el uso de FDMA, pero dicho cambio exigen un mayor número de recursos al tener que establecer un enlace con 2 transmisores a la vez.

Retos técnicos

Movilidad del Usuario

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Los sistemas inalámbricos requieren proveer una mínima calidad en el servicio para que este sea aceptable.

● De ahí que haya límites en la cantidad de ruido permisible en el receptor (Rx).

● E.g.: En un sistema celular conforme se aleja el celular de la radio-base, la potencia de la señal decrece en proporción al cuadrado de la distancia y disminuya a un punto donde el ruido no permite entender de manera clara el mensaje.

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Alcance:

+

+

=

=

Transmisión de corto alcance (low path loss)

Transmisión de largo alcance (high path loss)

Signal to Noise Ratio(SNR)

Alta

Baja

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Los sistemas se ven afectados por el ruido aleatorio o «Random noise»:

● Externo

● Atmosférico

● Ínter-estelar

● Interno en el receptor

● Térmico

● «Flicker noise» (baja frecuencia)

● «Shot noise» o ruido impulsivo

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Ruido Atmosférico: Diferentes tipos de ruidos o pérdidas pueden afectar la transmisión de ondas de radio.

● Absorción atmosférica

● Atenuación atmosférica;

● Turbulencias ionosféricas (temporales)

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Ruido Atmosférico:

● Absorción de energía por los gases atmosféricos, la cual varía de acuerdo a la frecuencia de las ondas.

● Dos principales picos de absorción se pueden contabilizar:

● 22.3 GHz relacionado con el vapor de agua (H

2O)

● 60 GHz relacionado por la absorción del oxígeno (O

2)

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Ruido Atmosférico: La lluvia es el principal causante de atenuación atmosférica. Sin embargo el granizo, el hielo y la nieve tienen un mucho menor impacto debido a su bajo contenido en agua.

● La fórmula de atenuación por lluvia: A = L [dB], incluye a [dB/km] que representa la atenuación específica de la lluvia (disponible en tablas); y a L [km] que corresponde a la longitud de la trayectoria recorrida por la señal. Note que esta trayectoria es diferente a la trayectoria geométrica debido a las fluctuaciones de la densidad de la lluvia

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido

Ruido atmosférico o celeste

Retos técnicos

Sistemas limitados por RuidoSatellite systems at 4-6 GHz

elevation of the satellite5° 10° 20° 30° 40° 50°

Attenuation of the signal in %

10

20

30

40

50

rain absorption

fog absorption

atmospheric absorption

Retos técnicos


Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Señales Polarizadas: El uso de polarización ortogonal como medio diferenciador en caso de emplear esquemas de re-uso de frecuencias, suele sufrir de interferencias cuando algunos fenómenos atmosféricos provocan su cambio de polarización.

● La medida usada para cuantificar los efectos de la interferencia es la llamada Discriminación de Polarización Cruzada o «XPD, Cross-Polarisation

Discrimination»: XPD = 20 log (E11/E12)

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Señales Polarizadas.

● En ocasiones, para estimar la des-polarización, se emplean detectores de polarización circular.

● Como alternativa, también pueden instalarse en las antenas equipos de medición de polaridad.

Retos técnicos


Efectos refractivos (tropospheric scintillation) produce atenuaciones en la señal

Los efectos de absorción de los componentes de la atmósfera incrementan el nivel de ruido de la señal

La ionosfera puede generar que el vector eléctrico de las señales comience a rotar lo que provoca el cambio de polarización.

El sol es una fuente muy

importante de microondas y

ondas milimétricas

contribuye con ruido que

puede afectar las etapas de recepción de

señal

La ionosfera tiene su principal impacto en señales < 10 GHz mientras que los otros efectos afectan de manera principal señales > a los 10 GHz.

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● La potencia en el receptor se puede describir como:

siendo GRx

y GTx

las ganancias de las respectivas

antenas, PTx

la potencia del transmisor, mientras

que λ representa la longitud de la señal transmitida.

PRx = PTx G Rx GTx(λ

4 πd)

2

watts

Retos técnicos


I. Ruido Térmico. La densidad de potencia espectral está directamente relacionada con la temperatura del entorno de la antena Te.

● Te puede asumir la temperatura de la tierra que es de ~300°K, o la temperatura del cielo, que puede llegar ser tan baja como los 4°K.

● La densidad de potencia espectral se define como:

donde kB es la constante de Boltzmann = 1.38(10)-23 joules/°K

N0 = k BT e

Retos técnicos


I. Ruido Térmico

● Expresando la ecuación anterior en dBm (10log10

(P/1mW)):

● La potencia del ruido se define a su vez como:

y en dBm:

Pn = N 0 BW

N0 =−174 dBm / Hz

BW = ancho de banda de Rx

Pn =−174 + 10 log10(BW )dBm

Retos técnicos


II. Ruido hecho por el Hombre.

Podemos distinguir 2 tipos de este ruido:

A) Emisiones ilícitas o fuera de banda. Son emisiones generadas por muchos aparatos electrodomésticos los cuales emiten radiaciones en una amplia gama de frecuencias (e.g.: Sist. de ignición de vehículos, soldadores de arco, etc.)

En contraste con el ruido térmico, el impulsivo decrece conforme se incrementa la frecuencia.

Retos técnicos


II. Ruido hecho por el Hombre.

B) Emisiones lícitas o intencionales. Son emisiones principalmente generadas por equipos que operan en bandas libres o sin licencia (e.g.: 2.4 GHz, ISM). Las regulaciones limitan la potencia y características de ancho de banda que se pueden emplear por cualquiera que emplee este espectro.

Retos técnicos


III. Ruido del receptor.

● Los amplificadores y mezcladores «Mixers» del receptor son elementos más propensos al ruido e incrementan la cantidad total de ruido en la señal.

● Ruido aleatorio en resistencias y transistores

● Ruido añadido por el mezclador y el OPAMP

● Ruido por acoplamiento cruzado

● Ruido de la fuente de alimentación

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● El Factor Ruido «Noise Factor» según la propia IEEE : está definido como la razón o taza de I) La energía total del ruido, a una frecuencia específica, por unidad de ancho de banda presente en el puerto de salida cuando la temperatura iguala los 290 K; sobre II) la porción de ese ruido que fue generada por la propia fuente u origen de la señal.

F=available−output−noise−power

available−output−noise−due−to−source

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● El Factor Ruido «Noise Factor» (continuación) es una medida sobre la degradación de la relación señal a ruido SNR debido al ruido añadido

● Factor de Ruido «Spot»:

F=SNR i

SNR o

≥1

F=1+N a

kT

Lo que implica que la señal empeora al ser procesada

Retos técnicos


F=(N i G ( f )+N a )S i

N i S o

=S i

N i

N o

S o

=1+N a

G ( f )N i

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● El Valor de Ruido «Noise Figure» es una medida cuantitativa del desempeño con respecto al ruido para un ancho o banda de frecuencia definida:

«Noise figure»

Generalmente entre 8-10 db para receptores modernos

● Sistema multi-etapa (en cascada):

NF=10 log10( F )

F=F 1+F 2−1

G 1+

F 3−1G 1G 2

+. ..+F n−1

G 1G 2⋯G n−1

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Relación señal a Ruido: Medida con la cual se determina que tan ruidoso es un sistema. Esta relación es dependiente de la frecuencia.

SNR=S ( f )

N ( f )=

promedio de la energía de la señalpromedio de la energía del ruido

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Intervalo Dinámico o «Dynamic Range»: Es la capacidad de detectar señales débiles en presencia de señales de gran amplitud.

● Está definido como la razón entre el valor más pequeño de señal detectable y el valor de potencia equivalente a la sensibilidad o «noise floor» del sistema:

DR=( P I

N f )2 /3

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Distorsión por Intermodulación: Se genera en sistemas de modulación en amplitud que presentan no-linealidades cuando las señal contiene dos o más frecuencias diferentes pero cercanas.

La intermodulación producirá señales adicionales: I) Armónicas (múltiplos enteros de las frecuencias originales).

II) Señales no-armónicas (producto de la suma y diferencia de estas frecuencias) y sus correspondientes armónicos. Emisiones espurias

(extra side bands)

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Distorsión armónica: Genera sobre-tonos con múltiplos enteros de las frecuencias originales. Se producen por no linealidades de los sistemas y afectan el desempeño del sistema. La distorsión armónica se puede expresar en términos de la amplitud relativa de cada componentes individual, en decibelios, o mediante la raíz cuadrática media «Root Mean Square» en porcentaje de todos los componentes armónicos ( THD : distorsión armónica total ).

Retos técnicos

Sensibilidad● Se define como el nivel mínimo de una señal de entrada para un valor dado de Relación Señal a Ruido (SNR). En ocasiones a la sensibilidad se le denomina como Piso de Ruido o «noise floor».

● El ruido que afecta la señal puede provenir de diversas fuentes como el entorno, interferencias de otros transmisores o el propio receptor.

● Desde el punto de vista de diseño, el amplificador de entrada de RF es el principal elemento a optimizar.

Análisis del Balance de Enlace

«Wireless Link Budgeting»


Sistema de comunicaciones● Un análisis de Balance o Presupuesto de Enlace determina si hay suficiente energía en el receptor para recuperar la información

Transmisor

Datos Modulador Amplificador Filtro

Datos Demodulador Pre-amplificador Filtro

Pérdidas

ReceptorPropagación de RF

Ganancia

Ganancia


Cálculo de componentes del TransmisorTransmisor● Iniciar con el Amplificador de alta potencia «HPA»

● Restar las pérdidas (dB) debido a los componentes pasivos entre la antena y el amplificador (e.g.: filtro, cables, conectores, etc.)

● Sumar la ganancia por la antena (dBi)

⇨ Potencia radiada isotrópica efectiva EIRP

Transmisor


Tx


Ejemplo de cálculo del EIRP

dBi12Ganancia de la Antena

dB(1.5)150 ft. at 1dB/100 footPérdidas en cable p/ antena

dB(1)Pérdidas en acoplamientos

dB(0.3)Pérdidas en el Filtro

dBm4425 WattsAmplificador de alta potencia

UnidadValorComponentes

dBm53.2Total


Modelado de las Pérdidas de Propagación● La disipación de potencia es resultado de varios factores, entre ellos de manera preponderante, la distancia entre Tx y Rx; pero también contribuyen las características particulares del propio trayecto.

● Actualmente existen varios modelos que se utilizan para estimar dichas pérdidas, e.g. : modelos de Espacio libre, Hata, Lee, etc.

● Cada modelo tiene sus propios requisitos los cuales se deben cumplir para ser utilizados correctamente.


Pérdidas en Espacio Libre «FSPL»● La pérdida en Espacio Libre «FSPL» sirve de referencia para el resto de los modelos debido a su simplicidad. Se utiliza por lo regular para predecir las pérdidas de enlaces «Point-to-Point», aunque tiende a subestimar las pérdidas por propagación.

FSPL=10log10 ( PTx

PRx)=20log10(F (Hz ))+20 log10(d (mts))−147.56

FSPL=10log10 ( PTx

PRx)=20log10(F (MHz))+20 log10(d(km ))+32.45


Pérdidas según el modelo «HATA»

Modelo empírico ampliamente usado en enlaces celulares, derivado del modelo «Okumura».

● Proporciona una mejor estimación en comparación con el modelo de Espacio Libre «FSPL». Se diseño principalmente para modelar las zonas urbanas, pero hay variaciones para suburbios y zonas rurales. El modelo es únicamente válido bajo las siguientes condiciones:

● Alcance de entre 1-20km

● Altura de la radiobase: 30-200m. Altura del Celular: 1-10m

● 150-1500 MHz ( ! : algunas bandas móviles están en 1,9GHz)


Pérdidas según el modelo «HATA»● Fórmula para áreas urbanas:

hb : Altura (en metros) de la antena de la radiobase. hm : Altura (en metros) de la antena del celular R : Distancia desde la radiobase al celular en km. Fc : Frecuencia de transmisión en MHz. a(hm) : Factor de ajuste de acuerdo al entorno y a la altura del

celular a(hm) = 0, para entorno urbano y altura del celular de 1.5m

LH=69.55+26.16 log10(F c)−13.82 log10(hb)−a(hm)+ (44.9−6.55log10(hb) log10 R)


Pérdidas por obstáculos: Morfologías● Por su parte, el modelado de las pérdidas debido a obstáculos emplea a la Morfología para describir la fisonomía del entorno en cuanto a los obstáculos y de como la señal se propagará a través de ellos.

● Los principales modelos Morfológicos son:

● Entorno Urbano de Alta densidad

● Entorno Urbano

● Entorno Suburbano

● Entorno Rural


Morfología: componente de Difracción● Produce el cambio de dirección de propagación de la onda, originado por diferentes condiciones:

I. El paso de la señal a través de una ranura estrecha.

II. Paso de la señal por un borde deflector.

III. Al reflejarse en dos superficies con separación entre ellas de (aprox.) una longitud de onda.

● El factor K utilizado en los cálculos de propagación «LOS» es un ejemplo de difracción de ondas de RF.


Intensidad de la señal recibida● El propósito de la transmisión es crear una señal lo suficientemente fuerte (en dBm) para el receptor «RSS : Received Signal Strength»

● El RSS puede medirse o modelarse con base en:

+ Potencia de transmisión

- La pérdida del Filtro de línea

+ La ganancia de la antena de transmisión

- Pérdida de trayecto (varios modelos)


Componentes del ReceptorReceptor● El receptor incluye varias ganancias y pérdidas

● Pérdidas específicas debido al entorno

a) Pérdida de penetración por el Vehículo / edificio

b) Receptor de ganancia de la antena

c) Pérdida en la línea de conexión y en el filtro


Receptor

Ganancia

Rx


Componentes del ReceptorReceptor● Estas ganancias / pérdidas se añaden a la intensidad de señal recibida

● El balance o resultado total debe entregar un valor mayor al de la sensibilidad del receptor


Receptor

Ganancia

Rx


Sensibilidad del ReceptorReceptor● La Sensibilidad describe el nivel de potencia de la señal más débil que el receptor es capaz de detectar y decodificar. Se determina por la relación más baja de Relación Señal a Ruido (SNR) que se puede recuperar.

● Diferentes esquemas de modulación y codificación tienen diferentes relaciones SNR mínimos

● El valor oscila entre: <0 dB hasta 60 dB

● La Sensibilidad se determina sumando el SNR requerido para el ruido presente en el receptor.


Ganancia de la antena● La ganancia de la antena es un factor primordial en cualquier comunicación radial. La ganancia de la antena At, establece la relación que existe entre la potencia radiada por una antena isotrópica, a una distancia y la densidad de potencia que radiaría la misma antena pero en una sola dirección, a igual cantidad de potencia

At = η(π Dfc )

2


Ganancia de la antena

At = Ganancia de la antena (dB)

η = Eficiencia de la antena (adimensional)

D = Diámetro de la antena (metros)

f = Frecuencia de transmisión (Hz)

c = Velocidad de la luz (3X108 m/s )

At = η(π Dfc )

2

At (dB) = 10 log(η(π Dfc )

2

)


Ganancia At : Ancho del Haz● La otra manera de calcular la ganancia de la antena es a través del ancho del haz. Representado por el ángulo donde la potencia del lóbulo principal disminuye a la mitad del máximo en la dirección deseada ( ángulo a 3dB ).

Ancho efectivo del lóbulo radiado por la antena

θ3dB(grados) = 75 λD


Ganancia At : Ancho del Haz● La ecuación muestra como se obtiene la ganancia de la antena en función del ancho del haz.

At = Ganancia de la antena (dB)

D = Diámetro de la antena (metros)

θ3dB

= Ancho del haz

A t (dB ) =30000

( θ3dB )2


Atenuación por propagación● Podemos calcular la atenuación antes de que la señal sea muy débil:

● Más allá de ese punto:

PRx (d) = P Rx(dbreak )( ddbreak

)−n

para d>dbreak

PRx = PTx GRx GTx(λ

4π d)2

watts

con: n=1.5, ... , 2.5 (LOS )n=3.5, ... , 4.5 (NLOS)


Ruido Térmico● Es un parámetro el cual describe le ruido eléctrico producido por todos los objetos cuya temperatura esté por encima del cero absoluto. Conocido también como ruido de Jonson, permite calcular una temperatura equivalente a partir de la temperatura ambiente T, así como el factor de ruido F.

T e = T (F−1)

F=SNR in

SNR outPs = SNRmin+Pn


Ruido Térmico


Calidad del enlace● La calidad en la transmisión puede ser evaluada mediante la tasa de error de bits «BER» para así obtener la relación Señal a Ruido mínima «SNR

min».


Margen de desvanecimiento ● Para compensar los cambios del entorno de transmisión de la señal, comúnmente se añade en los cálculos de potencia un margen de atenuación o desvanecimiento «fading margin»; lo que asegura que la señal esté disponible la mayor parte del tiempo (e.g. 90%).

Ejemplo de Balance de Enlace

«Wireless Link Budgeting»


Desarrollo de Balance de Enlace● A continuación se presentan los cálculos necesarios para un enlace genérico inalámbrico e.g. red celular (PAN, enlace satelital)

Transmisor



Pérdidas

ReceptorPropagación de RF

Ganancia

Ganancia


Desarrollo de Balance de Enlace

Ejemplo 1: Downlink de GSM a una frecuencia de 950MHz y sensibilidad de Rx = -102 dBm.

● Potencia de Tx = 30 W.

● Ganancia de la antena de transmisión = 10 dB

● Atenuaciones combinadas de cables, filtros y conectores = 5dB.


Tx


Desarrollo de Balance de Enlace● Margen de desvanecimiento = 12 dB

● Distancia de rompimiento del enlace = 100 m

● Transmisor:

● Potencia de Tx 30 W → 44.77 dBm

● Antena GTx

: 10 dB

● Pérdidas Lf : -5 dB

EIRP = 49.77 dBmEquivalent Isotropically Radiated Power


Desarrollo de Balance de Enlace● Receptor:

● Sensibilidad de Rx Pmin

- 102 dBm

● Margen de desvanecimiento 12 dB

Potencia de Rx Minima = - 90 dBm

● Atenuación admisible de señal :

EIRP – min RX = 49.77 dBm - (-90 dbm)

= 139.77 dBm


Desarrollo de Balance de Enlace● Partiendo de la atenuación admisible de la señal :

EIRP – min RX = 139.77 dB

● Consideramos ahora la atenuación por distancia:

I. Atenuación por distancia base dbreak

= 100 m

- 71.99 dB[(3 (10 )8 /950 (10 )6)/ (4 π100) ]2=

Lp = [ λ(4 πd ) ]

2

λ


Desarrollo de Balance de Enlace● El valor anterior se resta al EIRP para dejar la potencia restante del enlace

(EIRP – min RX) – dbreak

= 139.77 – 71.99 = 67.78 dB

II. El resto de la potencia se disipará más allá del punto d

break :

(d)-n para d > d

break

d cov = 100⋅(10 )67.7810n con: n=1.5, ... ,2.5(LOS )

n=3.5, ... ,4.5( NLOS)

e.g. : con n = 3.5 → alcance : d ≃ 8641m



Ejemplo 2: Enlace de 900 MHz con ancho de banda BW=25 kHz.

● Sensible sólo a ruído térmico ( Te = 300°K )

● Ganancia de antenas Tx = 8 dB y Rx = -2 dB.

● «Noise Figure» de Rx: F = 7 dB

● El ancho de banda a 3dB es de 25 kHz

● La relación señal a ruido «SNR» requerida es de 18 dB



Ejemplo 2 : (cont.)

● El radio de cobertura deseado es de 2 km.

● La distancia de rompimiento dbreak

= 10 m

● Más allá de ese punto el factor de disipación n= 3.8

● Finalmente el margen de desvanecimiento = 10 dB

Determinar la potencia mínima de Tx



El proceso de resolución se hace más fácil si comenzamos desde el Receptor.

● Densidad espectral del Ruido kbTe : - 174 dBm/Hz

● Ancho de banda: (25 kHz) 43.98 dBHz

Potencia de Ruido en Rx = - 130 dBm

● Exceso de ruido en Rx «Noise Figure» : 7 dB

● Relación «SNR» requerida : 18 dB

Potencia de Rx requerida = - 105 dBm


Desarrollo de Balance de Enlace● Con la Potencia de Rx requerida : - 105 dBm

● Calculamos la atenuación a 10 m y 2 km :

I. Atenuación por distancia base dbreak

= 10 m

51.52 dB

II. Atenuación más allá del punto dbreak

: (d)-n

(200)3.8 = 554515874.52 → 87.44 dB

= 33.96 dB

[(3 (10 )8 /900 (10 )6)/ (4 π10 )]2=

Lp = [ λ(4 πd ) ]

2



Potencia requerida de Tx = 33.96 dB

● Ganancia de la antena Rx : - (- 2 dB)

● Margen de Desvanecimiento : 10 dB

● Equivalent Isotropically Radiated Power : ≃ 46 dB

● Ganancia de la antena de Tx : - 8 dB

● Pérdida en cables y conectores (Lf) 2 dB

Potencia de transmisión requerida = 40 dBm Potencia de transmisión requerida = 40 dBm



Potencia de Tx requerida = 40 dBm Potencia de Tx requerida = 40 dBm

Comentarios

Notas sobre el Balance de Enlace● Ganancia en antenas.

● Para pequeñas antenas Ominidireccionales :

● Para antenas grandes, e.g. Dipolares :

Gain =Pout

P in

Gain = ( Pout

Psphere)(efficiency)

Directivity

Notas sobre el Balance de Enlace● Pérdidas en antenas

● Coeficiente de Reflexión «Γ» :

● Pérdidas

Γ =Z L−Z 0

Z L+Z 0

75Ω ← 50Ω=Z0

Γ =75−5075+50

=25

125=

15

Tx

Z0 = Impedancia

característica

PLoss = (1−∣Γ∣2 ) Pout = P in (1−∣Γ∣2)

Comentarios


Z0

Pin =∣Vo +∣

2

2Z0

Rg1

~Vg1

Pin

®1

l1

PA1 = P in ( e−(α1 l1) )2

PA1

PL1 = PA1 (1−∣ΓL∣2)

PL1 ' = GA1 PL1

DairPB2

PB2'

PB2 = λ

( 4 π Dair )2

PB2' = PB2(1−∣Γbody∣2)

PL1

Tx

PL1'

Comentarios


Z0

Rg1

~Vg1

Pin

®body

PA1DAir

PB2

PB2'

PL2' = PL2 GA2

PL1

Tx

PL1' ®1

l1

Dbody

PL2

PL2 = PB2' (e−(αbody Dbody) )

2

Rx

PL2'

PA2PA2 = PL2' (1−∣ΓA2∣2 )

®2

l2

PRx = PA2 (e−(α2 l2))2

Comentarios

Atenuación en Materiales

Material Ejemplo Interferencia

Madera Tabiques Baja

Vidrio Ventanas Baja

Amianto Techo Baja

Yeso Paredes int Baja

Ladrillo Paredes int/ext Media

Hojas Arboles Media

Agua Lluvia/niebla Alta

Ceramica Tejas Alta

Papel Royo de papel Alta

Vidrio ->plomo Ventanas Alta

Metal Vigas/Armarios Muy Alta

Comentarios

Sistemas limitados por Interferencia

Existen casos donde la interferencia es tan fuerte que permite despreciar la influencia del ruido y obliga sólo a concentrarse en los efectos de la interferencia.

● E.g.: Un transmisor cubre un área circular de radio R. A una distancia D se encuentra una segunda estación trasmitiendo en la misma banda y con la misma potencia del primer transmisión interfiriendo la señal de este. ¿Que tan grande debe ser D para garantizar la calidad de transmisión Q = 90% en un receptor ubicado justo en la intersección de cobertura de ambos transmisores?

Comentarios


Para resolver el problema debemos elaborar un Balance de Enlace (anteriormente descrito) pero,

I. En primera instancia, consideramos la interferencia como una perturbación con perfil Gaussiano. Lo anterior permite considerar a la interferencia como si se tratara de una fuente de ruido (SIR

min = SNR

min ).

Una gran diferencia entre las interferencias y el ruido, es que el primero sufre de atenuaciones «fading» y dispersiones, mientras que el segundo presenta un comportamiento (generalmente) constante.

Comentarios


II. Para calcular el desvanecimiento o «fading» provocado por la interferencia debemos considerar:

● Que la señal de interés será un 50% del tiempo más débil que su nivel promedio.

● Que por su parte, la señal de interferencia será más fuerte que el nivel promedio de la señal de interés durante igualmente un 50% del tiempo.

● Matemáticamente hablando, la función distribución resultante de la relación Señal-Interferencia «SIR» resulta en una nueva distribución probabilística.

Comentarios

Sistemas limitados por Interferencia● Dicha distribución puede representarse como un nuevo margen de desvanecimiento «fading margin» que necesita añadirse (aumento en la potencia de la señal) para asegurarse que el nivel de la señal deseada exceda un cierto porcentaje x% en lugar del original al 50%.

● Esta aproximación produce una sobre-estimación del verdadero margen de desvanecimiento, asegurando que el cálculo resultante produzca los niveles deseados de confiabilidad de la señal deseada.

Comentarios


Valores medios de las señales

Decremento al 90% de la señal deseada

Incremento del 10% de la señal de interferencia

Comentarios

Retos técnicos

PRx (d) = PRx(dbreak )( ddbreak

)−n

para d>dbreak

Retos técnicos


F=(N i G ( f )+N a )S i

N i S o

=S i

N i

N o

S o

=1+N a

G ( f )N i

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● El Valor de Ruido «Noise Figure» es una medida cuantitativa del desempeño con respecto al ruido para un ancho o banda de frecuencia definida:

«Noise figure»

Generalmente entre 8-10 db para receptores modernos

● Sistema multi-etapa (en cascada):

NF=10 log10( F )

F=F 1+F 2−1

G 1+

F 3−1G 1G 2

+. ..+F n−1

G 1G 2⋯G n−1

Retos técnicos

Sistemas limitados por Ruido● Intervalo Dinámico o «Dynamic Range»: con Es la capacidad de detectar señales débiles en presencia de señales de gran amplitud.

● Está definido como la razón entre el valor más pequeño de señal detectable y el valor de potencia equivalente a la sensibilidad o «noise floor» del sistema:

DR=( P I

N f )2 /3


Fuentes de ruido en el ReceptorReceptor● Ruido térmico

– Pn = N

0 BW = k

b T

e BW (Watts)

• kb = 1.3803 x 10-23 J/K

• Te = Temperatura en Kelvin

• BW = Ancho de banda del receptor– Densidad de Potencia Espectral: N(dBm)=10log10(kb

TeBW)+30

– El ruido térmico es por lo general muy pequeño para anchos de banda medianos

● Ruido introducido por el pre-amplificador de Rx– Noise Factor = SNRin / SNRout (valor positivo ya que

los amplificadores siempre generan ruido)

Receiver Sensitivity CalculationThe smaller the sensitivity, the better the receiver

Sensitivity (W) = kTB * NF(linear) * minimum SNR required (linear)

Sensitivity (dBm) =10log10(kTB*1000) + NF(dB) + minimum SNR required (dB)10log10(kTB) + 30 + NF(dB) + minimum SNR required (dB)

Sensitivity ExampleExample parameters

– Signal with 200KHz bandwidth at 290K– NF for amplifier is 1.2dB or 1.318 (linear)– Modulation scheme requires SNR of 15dB or 31.62 (linear)

Sensitivity = Thermal Noise + NF + Required SNR– Thermal Noise = kTB =

(1.3803 x 10-23 J/K) (290K)(200KHz) = 8.006 x 10-16 W = -151dBW or -121dBm

– Sensitivity (W) = (8.006 x 10-16 W )(1.318)(31.62) = 3.33 x 10-14 W– Sensitivity (dBm) = -121dBm + 1.2dB + 15dB = -104.8dBm

Sensitivity decreases when:– Bandwidth increases– Temperature increases– Amplifier introduces more noise

RSS and Receiver SensitivityTransmit/propagate chain produces a received signal has some RSS (Received Signal Strength)

– EIRP - path loss– For example 50dBm EIRP – 130 dBm = -80dBm

Receiver chain adds/subtracts to this– For example, +5dBi antenna gain, 3dB feedline/filter loss

-78dBm signal into LNA of receiver

This must be greater than the sensitivity of the receiver– If the receiver has sensitivity of -78dBm or lower, the signal

is successfully received.

Link BudgetingBy modeling the full transmit/receive system we know:

– Given a transmit power and mobile distance, what the power of the signal going into the receiver’s LNA will be (RSS+receiver gains/losses)

– How much power is required at the receiver’s LNA (Sensitivity)

Link budgeting for a cellular system is the process of achieving balance of these

– At the boundaries of the cell, received power should equal receiver sensitivity

• Usually, a fading margin is added

When we care about link budgetsFor simple systems, we don’t care

– Transmit at maximum legal power– No coverage Receiver moves

For cell-based systems, we have to:– Provide continuous coverage over the entire region – Ensure transmitters in one cell don’t interfere with those in

the closest cell that uses the same frequency– Consider reducing cell size in order to have more capacity

through a larger number of cells

What we can changeTo achieve a balanced link budget within a given cell size we can:

– Adjust transmit power– Adjust transmit tower height– Adjust transmit antenna gain– Modify the receivers

For planning a system we can use a link budget to:– Determine the cell size– Determine the frequency reuse ratio

Forward and Reverse PathsFor two-way radio systems, there are two link budgets

– Base to mobile (Forward)– Mobile to base (Reverse)

The system link budget is limited by the smaller of these two (usually reverse)

– Otherwise, mobiles on the margin would have only one-way capability

The power of the more powerful direction (usually forward) is reduced so there is no surplus

– Saves power and reduces interference with neighbors

Forward/Reverse Link Budget ExampleForward (Base to Mobile)

– Amplifier power 45dBm– Filter loss (2dB)– Feedline loss (3dB)– TX Antenna gain 10dBi– Path loss X– Fade Margin (5dB)– Vehicle Penetration (12dB)– RX Antenna gain 3dBi– Feedline loss (3dB)

Signal into mobile’s LNA has strength 33dBm – path lossIf Mobile Sensitivity is -100dBm

– Maximum Path loss = 133dB

• Reverse (Mobile to Base)• Amplifier power 28dBm• Filter loss (1dB)• Feedline loss (3dB)• TX Antenna gain 3dBi• Fade Margin (5dB)• Vehicle Penetration (12dB)• Path Loss X• RX Antenna gain 10dBi• Feedline loss (3dB)

• Signal into base’s LNA has strength 17dBm – path loss

• If Base Sensitivity is -105dBm• Maximum Path loss = 122dB

Unbalanced – Forward path can tolerate 11dB more loss (distance) than reverse

Link Budget

“Quick and dirty” way of estimating RF link performance

Prx,Ptx – received and transmitted power (dB)Grx,Gtx – antenna gain (dBi)L – path lossAmisc – miscellaneous attenuation

miscrxtxtxrx A - L- G G P P

Link Budget (cont.)

Path loss (Friis formula):

– L = 40 dB + 20log(d) @ 2.4 GHz– L = 48 dB + 20log(d) @ 5.7 GHz

Transmit power:– 15 – 20 dBm (30 – 100 mW)

Antenna gain: given in decibels over an isotropic antenna (dBi)– 0dBi (isotropic), 8 dBi (biquad), 15 dBi (helix), 24 dBi (parabolic)

20log(d)20log(F) 92.45 L(dB)

Link Budget (cont.)

Received power (sensitivity)

OrinoccoOrinocco Aironet Aironet 350350 SNRSNR

11Mbps11Mbps -82 dBm-82 dBm -85 dBm-85 dBm 16 dB 16 dB

5.5 Mbps5.5 Mbps -87 dBm-87 dBm -89 dBm-89 dBm 11 dB 11 dB

2 Mbps2 Mbps -91 dBm-91 dBm -91 dBm-91 dBm 7 dB 7 dB

1 Mbps1 Mbps -94 dBm-94 dBm -94 dBm-94 dBm 4 dB 4 dB

Link Budget (cont.)

Amisc:– Cables (@ 2.4 GHz)

• RG 174: 2 [dB/m] • RG 58: 1 [dB/m]• RG 213: 0.6 [dB/m]

• IEEE 802.3: 0.3 [dB/m] • LMR-400: 0.22 [dB/m]

– Connectors (BNC, N, SMA)• 0.1 – 1 dB loss

Retos técnicos

Efectos de la atmósfera: Ground waves● Las Ondas de Línea de Vista «space waves» se propagan muy cerca de la superficie de la tierra siguiendo su curvatura.

●

Introducción

retos técnicos de las comunicaciones inalámbricas · un enlace de comunicación en particular y...

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