Comunicaciones Digitales Avanzadas EL7041 UNIDAD No. 4 EL7041 Comunicaciones Digitales Avanzadas César Azurdia Meza, Ph.D

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación ELECTROMAGNETIC RADIATION SPECTRUM

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación RADIO FREQUENCY SPECTRUM

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación M ULTIPLEXACIÓN (1)  Intenta enviar información de distintas fuentes hacia varios destinos por el mismo medio. Existen tres categorías básicas para multiplexación:  FDM (Frequency Division Multiplexing).  TDM (Time Division Multiplexing).  CDMA (Code Division Multiple Access)  WDM (Wavelength Division Multiplexing).

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación M ULTIPLEXACIÓN (2)

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación M ULTIPLEXACIÓN (2)

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación M ULTIPLEXACIÓN (3)  FDM (Frequency Divisison Multiplexing).  El espectro de frecuencia del canal es dividido en bandas de frecuencia.  Cada usuario se le es asignada una de ellas.  Ejemplos:  Transmisión de Radio y TV

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación M ULTIPLEXACIÓN (3)  TDM (Time Division Multiplexing).  Cada usuario utiliza un espacio de tiempo determinado para transmitir.  Toma el ancho completo del canal por un período de tiempo corto.  Sólo puede ser usada para datos digitales.  Ejemplos:  Telefonía celular, telefonía fija (PCM).

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación M ULTIPLEXACIÓN (3)  CDMA (Code Division Multiple Access).  Todos los usuarios utilizan el mismo ancho de banda físico.  Todos los usuarios pueden transmitir simultáneamente.  Cada usuario tiene una un secuencia numérica o pseudo-ruido que lo distingue de los demás.  Ejemplos:  Redes wireless, y telefonía celular IS-95.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación M ULTIPLEXACIÓN (3)  Wavelenght Division Multeplexing (WDM)  Sistema de multiplexación empleado principalmente en sistemas ópticos.  Todos los usuarios pueden transmitir simultáneamente.  Cada usuario tiene asignado una longitud de onda de uso exclusivo.  Señales son transmitidas mediante una fibra óptica por medio de un láser o un LED.  Ejemplos:  Redes de fibra óptica.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación E VOLUTION OF C ELLULAR W IRELESS T ECHNOLOGIES

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación EVOLUTION OF 1G, 2G, 3G, AND 4G WIRELESS NETWORKS

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación C ATEGORIES OF WIRELESS NETWORKS

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación OFDM  ¿Cómo se logró migrar de 3G a 4G?  Discrete Fourier Transform (DFT) – Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) Tecnología existente en forma teórica desde la década de los 50-60s Desarrollo de circuitos integrados capaces de implementar la DFT/IDFT hacen posible la implementación de OFDM.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Frequency-Division Multiple Access (FDMA) R EPASO FDMA | f 1 | f 2 | f 3 | f 4 | f 5 | f 6 | f 7 | f 8 | f 9 | f 10 Si tuviéramos un ancho de banda de W disponible, podemos dividirlo en X sub-bandas y proveer una conexión dedicada a X usuarios simultánea- mente, cada usuario tendría un ancho de banda de ~W/X (en general un poco menos, se deja un pequeño espacio entre las sub-bandas). W

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Frequency-Division Multiple Access (FDMA) R EPASO FDMA | f 1 | f 2 | f 3 | f 4 | f 5 | f 6 | f 7 | f 8 | f 9 | f 10 Por muchos años a sido un método muy efectivo de multiplexión en el dominio de la frecuencia, pero la pregunta que nos tenemos que hacer es: ¿Podemos abastecer a más usuarios con el mismo ancho de banda? La respuesta está en la técnica QAM (analógico). Repasemos… W

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación OFDM  OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing.  Se divide un canal de frecuencia en N bandas equiespaciadas.  En cada banda se transmite una sub-portadora.  OFDM se basa en multiplexión en frecuencia, sin embargo se diferencia de la anterior en el hecho de que cada sub-portadora es ortogonal al resto.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Orthogonal Frequency-Division Multipling (OFDM) R EPASO OFDM | f 1 | f 2 Si podemos separar dos señales que ocupan exactamente la misma frecuencia, entonces separar dos señales que tienen una frecuencia ligeramente diferente debería ser sencillo, siempre y cuando exista ortogonalidad.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación OFDM  Lo anterior permite que el espectro de cada una estén traslapadas sin causar interferencia.  Lo anterior por supuesto aumenta la eficiencia del uso del espectro debido a que no se utilizan bandas de separación entre sub-portadoras.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación OFDM

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación OFDM

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación OFDM

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación D ESVENTAJAS DE OFDM  Delay spread produces intersymbol interference (ISI)  Frequency offset produces inter carrier interference (ICI)  OFDM suffers from high PAPR

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación OFDM: H IGH PAPR

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación OFDM: H IGH PAPR

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Orthogonal Frequency-Division Multipling (OFDM) R EPASO OFDM | f 1 | f 2 | f 3 | f 4 | f 5 | f 6 | f 7 | f 8 | f 9 | f 10 Esto quiere decir que podemos compactar mucho más las señales ocupadas por los usuarios, por lo que usando el mismo ancho de banda W que FDMA, podemos proveer conectividad a muchos más usuarios. W

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación T ECNOLOGÍAS E MPLEADAS EN 4G U NIDAD 1 Introducción a Tecnologías de Redes 1.1. Arquitectura de Redes 1.2. Introducción al Modelo de Capas 1.3. Modelo Jerárquico de Redes 1.4. Ejemplos de Redes Modernas 1.5. Capa física 1.6. Capa de Enlace Downlink OFDMA Uplink SC-FDMA

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación O FDM / OFDMA

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Orthogonal Frequency-Division Multiple Access OFDMA La diferencia más importante entre OFDM y OFDMA es que en OFDM, cada usuario tiene una sub-banda reservada, en OFDMA el usuario puede cambiar de sub-banda entre intérvalos o “slots”, e incluso puede tener más de una sub-banda para un mismo tiempo.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Orthogonal Frequency-Division Multiple Access OFDMA El factor principal para la asignación de “slots” en esta matriz de tiempo-frecuencia es la condición del canal del punto de vista de cada usuario tratando de optimizar los recursos. Por la naturaleza móvil del sistema las condiciones cambiarán con el tiempo.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  ¿Qué tecnología ocupa OFDMA? Una tecnología muy famosa que ocupa esta técnica para multiplexar información es LTE y LTE-A (LTE Advanced).  Solo lo ocupa en la dirección de bajada o downlink, en la dirección de subida o uplink ocupa SC-FDMA. OFDMA

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Single Carrier FDMA  Es una modificación a OFDMA donde su principal ventaja es reducir el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR).  Reducir el PAPR implica que el transmisor requiere menos energía para enviar un mensaje.  Por este motivo se usa en el uplink, ya que las consideraciones de energía en los dispositivos móviles (e.g. celulares) son mucho más críticas que la energía de las estaciones base. SC-FDMA

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Single Carrier FDMA, ¿cómo funciona? SC-FDMA | f 1 | f 2 | f 3 | f 4 | f 5 | f 6 | f 7 | f 8 | f 9 | f 10 Tomemos una rebanada de tiempo, y estudiemos el comportamiento netamente del punto de vista de frecuencia. Pongamos el caso que tenemos tres usuarios usando OFDMA, como muestra el ejemplo.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Single Carrier FDMA, ¿cómo funciona? SC-FDMA | f 1 | f 2 | f 3 | f 4 | f 5 | f 6 | f 7 | f 8 | f 9 | f 10 Si la estación base estuviera enviando estas señales, la información (aún cuando están destinadas al mismo receptor) es enviada a través de canals individuales.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Single Carrier FDMA, ¿cómo funciona? SC-FDMA | f 1 | f 2 | f 3 | f 4 | f 5 | f 6 | f 7 | f 8 | f 9 | f 10 Lo que ocurre en SC-FDMA es que el dispositivo móvil agrega/combina digitalmente (software) las señales correspondientes a las bandas que le fueron asignadas. Pero físicamente (hardware) envía una sola señal.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  Single Carrier FDMA, ¿cómo funciona? SC-FDMA | f 1 | f 2 | f 3 | f 4 | f 5 | f 6 | f 7 | f 8 | f 9 | f 10 El gráfico muestra el espectro de las señales que se envían por el canal usando SC-FDMA.

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación SC-FDMA/OFDMA

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EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  OFDMA y SC-FDMA son usados en la tecnología celular de LTE y LTE-A  En Chile el rango de frecuencias implemetado es: 2500 – 2570 MHz (uplink) y (downlink) LTE EN CHILE

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  En Chile se han dividido estos rangos en 3 bloques de 20 MHz para el uplink, y las licitaciones fueron obtenidas por las siguientes empresas: LTE EN CHILE BloqueFrecuenciasBWEmpresa A MHz20 MHzCLARO B MHz20 MHzENTEL C MHz20 MHzMOVISTAR

EL4107 Tecnologías de Información y Comunicación  En Chile se han dividido estos rangos en 3 bloques de 20 MHz para el downlink, y las licitaciones fueron obtenidas por las siguientes empresas: LTE EN CHILE BloqueFrecuenciasBWEmpresa A MHz20 MHzCLARO B MHz20 MHzENTEL C MHz20 MHzMOVISTAR