Propagación de Ondas y Antenas Prof. Ing. Edwin Vergara, MDS 1Q.2016 Módulo No. 1 “El Canal de Comunicación Inalámbrico”

Objetivos del Tema Conocer el canal inalámbrico Definir y describir los diferentes bloques que componen un sistema inalámbrico Clasificar, analizar y administrar el espectro electromagnético y sus aplicaciones Identificar diferentes tipos de sistema inalámbricos Conocer los objetivos de una red celular. Diferenciar entre una red inalámbrica de uso móvil y una con movilidad restringida Construir diagramas de redes punto a punto y redes punto a multipunto

1. INTRODUCCIÓN El descubrimiento de las ondas de radio eliminó la necesidad de tener un medio físico entre el transmisor y el receptor. La información viaja por el aire o por el vacío comunicando a los interlocutores o los diferentes sistemas de comunicaciones Así se puede llegar a lugares remotos Existe la inquietud de si las ondas afectan al ser humano. Siglo XXI: El Siglo de las comunicaciones móviles. Teoría de J. C. Maxwell (1864): – deberían existir ondas intermedias entre las que se oyen y las que se ven. H. Hertz (1888) – lo comprueba: las genera y las mide. Ondas electromagnéticas o hertzianas.

4 La radiocomunicación es un sistema de telecomunicación por medio de las ondas radioeléctricas. ITU define ondas radioeléctricas como: “Ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio sin guía artificial (f<3000GHz)”. Consiste en la superposición de la información que se desea transmitir en una onda electromagnética denominada portadora mediante modulación, dando lugar a una onda modulada. Radiación: flujo saliente de energía de una fuente cualquiera en forma de ondas Emisión: radiación producida por una estación radioeléctrica 1. INTRODUCCIÓN (Cont.)

Emisiones parásitas: un sistema de radiocomunicación puede generar y enviar ondas no deseadas Estación transmisora: conjunto de equipos para el tratamiento de la información (moduladores, filtros, antena). También se denomina transmisor. Estación receptora: conjunto de equipos para el tratamiento de señal recibida (antena, amplificadores, filtros, demoduladores, etc.) Antena: dispositivo de acoplamiento de la onda modulada al medio de propagación Equipos de transmisión y recepción: los órganos o elementos de transmisión/recepción y antenas contribuyen de manera positiva en la comunicación

Medio de transmisión: introduce pérdidas y diversos tipos de perturbaciones como distorsión, ruido e interferencias. Propagación: debido a las características de propagación de las ondas radioeléctricas es frecuente que en el receptor existan otras señales emitidas para otros destinos -> señal interferente Perturbación: puede ser de origen natural o artificial. Es una distorsión generada por anomalías en la propagación. Es un fenómeno del multitrayecto (se compensa con ecualización y diversidad) Umbral de calidad: relación mínima entre la potencia útil de señal y la potencia equivalente del ruido o interferencia

2. Concepto de una canal inalámbrico.

Características de las ondas electromagnéticas: Producto de la radiación electromagnética Radiación: emisión y propagación de energía a partir de una fuente. – Ejemplo: radiación luminosa (luz), radiación acústica (sonido), radiación térmica (calor). Ondas electromagnéticas: las causa una perturbación eléctrica cuando una corriente alterna de frecuencia alta (> decenas de kilociclos/segundo) llega a una antena. Se propagan aproximadamente a la velocidad de la luz ( Km/seg) 3. Espectro Electromagnético (EM)

3. Espectro Electromagnético EM (cont.) Si la velocidad de la onda electromagnética es de km./seg., entonces: La longitud de onda en Kms : λ = / f f es la frecuencia en ciclos/seg. λ es la longitud de onda Si la f de las ondas electromagnéticas esta entre 10 4 y Hz, entonces: λ esta entre Km y millonésimas de metro Frecuencia y Longitud de Onda: f. = c

Espectro: es el conjunto de elementos ordenado por algún concepto. Espectro electromagnético se define como el conjunto diferenciado de las distintas radiaciones EM, agrupadas según su frecuencia o según su longitud de onda. 3. Espectro Electromagnético EM (cont.)

Atribución de las Bandas de Frecuencias 3. Espectro Electromagnético EM (cont.)

Radiofrecuencias: – frecuencias menores a la frecuencia de la luz (10 14 Hz) Se emplean en telecomunicaciones y se usan para radiotelegrafía, radiofonía, enlaces de microondas terrestres y satélites, telefonía celular, redes de comunicación personal y otros como controles remotos, busca personas (bippers), teléfonos inalámbricos, etc. G. Marconi (1895): radiotelegrafía (telegrafía inalámbrica). Primera comunicación transatlántica primera reunión de la UIT para discutir la administración de las ondas electromagnéticas 1906 radiodifusión en Estados Unidos 1927 : se creó el CCIR Comité Consultativo Internacional de Radiocomunicación. Hoy día la UIT tiene la UIT-T y la UIT-R. 3. Espectro Electromagnético (cont.)

4. TIPOS DE SISTEMAS INALMÁMBRICOS Tecnología BLUE TOOTH Propuesta por Ericsson (1994), pero hoy muchos fabricantes la trabajan Para áreas reducidas en banda de 2.4Ghz Capacidades de 720 Kbps No requiere línea de vista ni licencia Facilita conexión en oficina, hogar, etc. Traspasan muros: interferencias, seguridad Encriptamiento y tecnología FH-SS Punto a punto Punto a Multipunto

Familia de estantares definidos en IEEE Inicialmente con spread spectrum hasta 2Mbps IEEE a en banda de 5MHz, hasta 54Mbps IEEE b en banda de 2.4MHz, hasta 11Mbps IEEE g en banda de 2.4MHZ,hasta 54 MHz Wireless Fidelity, Wi-Fi, se refiere a IEEE X “Wi-Fi Certified” compatibilidad por Wi-Fi Alliance Redes Inalámbricas (WLAN) 4. TIPOS DE SISTEMAS INALMÁMBRICOS (Cont.)

Usos de los SATELITES Principales usos de los satélites artificiales: – Estudio de fenómenos atmosféricos – Determinación de zonas geológicas – Identificación de cosechas – Inteligencia militar – Telecomunicaciones – Posicionamiento Geográfico 4. TIPOS DE SISTEMAS INALMÁMBRICOS (Cont.)

Sistema VSAT Sistemas VSAT A y B compartiendo el hub A B 4. TIPOS DE SISTEMAS INALMÁMBRICOS (Cont.)

Sistema Trunking Usado inicialmente en telefonía fija para compartir líneas. Compartir un numero limitado de canales por un grupo numeroso de usuarios Se usa para comunicar un grupo cerrado de personas. No se necesita marcar un número, solo se presiona un botón donde todos escuchan. También hay canales individuales Ejemplos :policía, redes de emergencia, empresas Las antenas tienen mayor cobertura que celular. Es posible hacer llamadas a fijos Banda de 861 a 866 MHz. 4. TIPOS DE SISTEMAS INALMÁMBRICOS (Cont.)

Sistema de Telefonía C T Cordless Telephony Híbrido entre telefonía fija y móvil. Se instalan antenas de poco alcance para teléfonos que estén o lleguen a la zona de alcance de la antena. La antena esta conectada al sistema telefónico fijo. Inicialmente era solo para llamar y era análoga. 4. TIPOS DE SISTEMAS INALMÁMBRICOS (Cont.)

Wireless Local Loop : WLL Como central local se instala la “Unidad de conmutación local” que atiende hasta abonados. Esta central se conecta por enlaces E-1 con la red telefónica fija. En cada area de suscriptores se instala una “radio base”, conformándose una microcelda de 50 a 100 abonados. Puede haber hasta 20 radio bases. Las radio bases se conectan con la unidad de conmutación local por medio de 3 pares telefónicos, de no más de 4 km. La radio base tiene una cobertura de hasta 5 Km, preferiblemente con línea de vista 4. TIPOS DE SISTEMAS INALMÁMBRICOS (Cont.)

Wireless Local Loop : WLL Red Telefónica Conmutada Unidad de conmutación local Radio Base E1 3 Pares Radio Base 4. TIPOS DE SISTEMAS INALMÁMBRICOS (Cont.)

LMDS: Es un sistema inalámbrico de alta capacidad, en banda de 25 a 40 GHz (Banda Ancha), para distribuir información a muchos puntos. MMDS: Es un sistema inalámbrico en banda más baja 2-3Ghz. También para distribuir información generalmente en áreas rurales. 4. TIPOS DE SISTEMAS INALMÁMBRICOS (Cont.)

5. Objetivos de un sistema celular. Uno de los objetivos de un sistema celular es el de mantener a un usuario en contacto incluso si este se mueve a través del sistema. Cuando un usuario se mueve del área de cobertura definida de una célula a otra, el sistema debe proveer la capacidad de mantener al usuario en contacto aunque se rompa la conexión establecida con una radio base y se establezca otra conexión con otra radio base. Este tipo de conexión se conoce como handoff o handover. Células más pequeña significa tener más handoff lo que implica mayor cantidad de recursos del sistema para soporte y coordinación.

6. Redes Celulares Sistema de gran crecimiento Es un sistema telefónico completo en el cual el acceso al abonado es inalámbrico Llamado también telefonía móvil Celular porque la división de las áreas de servicio son células o celdas que conforma una especie de panal C B B A C C B B A C B C

Cada celda tiene asignadas unas frecuencias, que son reutilizadas en celdas no contiguas Antes, por cada frecuencia, una llamada. Ahora, en digital, varias llamadas. El diámetro de las celdas: de centenares de metros a varios kilómetros, dependiendo del tráfico esperado y la topología del terreno Hand-off : Paso del control de un celular de una celda a otra. Tiene prelación a nuevas llamadas para evitar la desconexión del usuario Roaming : Cuando es necesario pasar el control a otro operador para continuar la comunicación, se hace el hand- off y registro para efectos contables 6. Redes Celulares (cont.)

MTSO Central larga distancia MTSO: Mobil Telephone Switching Office Backhaul de Fibra óptica o inalámbrica 03 / Redes Celulares (cont.) RBS

Multiplexación: Proceso a partir del cual un número de señales independientes se combinan formando una señal apropiada para la transmisión sobre un canal común. – División de Frecuencia: FDM: Asignación de sub-bandas de frecuencia – División de Tiempo: TDM: Asignaciones de time-slots (ranuras de tiempo) – División de Código: CDM: Asignación de código digital para acceso al canal 7. Esquemas de múltiple acceso.

En el proceso de multiplexación, el usuario tiene una asignación fija del recurso que se está multiplexando. La clave está en que todas las señales compartan el recurso de comunicación sin producir interferencia mutua entre los diferentes canales. El ancho de banda útil del medio supera el ancho de banda requerido del canal. Cada señal se modula con una frecuencia portadora diferente. – Ejemplo: la radio convencional. – Asignación de canal, incluso si no hay datos. 7. Esquemas de múltiple acceso.

FDM – Multiplexación por división de Frecuencias Se asume que los mensajes entrantes son pasabajos. La señal entrante ingresa a través de un filtro pasabajos para remover las componentes de alta frecuencia que no contribuyen significativamente en la representación de la señal pero podrían producir superposición entre canales adyacentes cuando comparten el mismo medio. La señal filtrada se aplica a diferentes moduladores que desplazan los rangos de frecuencia ocupando intervalos mutuamente excluyentes. Las diferentes portadoras son obtenidas de una fuente de portadora 7. Esquemas de múltiple acceso.

FDM – Multiplexación por división de Frecuencias 7. Esquemas de múltiple acceso.

FDM – Multiplexación por división de Frecuencias 7. Esquemas de múltiple acceso.

FDM – Multiplexación por división de Frecuencias El método más ampliamente utilizado para la obtención de la señal desplazada en frecuencia es banda lateral única (SSB) Los filtros pasabanda que siguen a los moduladores son utilizados para restringir la banda lateral a un rango predeterminado La salida de los filtros pasabanda se combina en paralelo de forma que se obtiene una señal única de un ancho de banda determinado 7. Esquemas de múltiple acceso.

FDM – Multiplexación por división de Frecuencias A la entrada del receptor, se ubica un banco de filtros pasabanda iguales a los de salida del transmisor conectados en paralelo, se utilizan para separar, las señales correspondientes a cada una de las bandas. Las señales mensaje originales son demoduladas de acuerdo a la portadora en correspondencia con el filtro de entrada. El modulador funciona en una única dirección. Para que transmita en ambas direcciones, es necesario duplicar el bloque y conectarlo en orden inverso 7. Esquemas de múltiple acceso.

FDM - Implementación Sistema de modulación con portadora analógica diseñado por AT&T como jerarquía de esquema FDM El primer multiplexor combina 12 entradas de voz en un Grupo Básico con portadoras ubicadas en f c = nKHz, n = 1,2,…12, ocupando una banda de frecuencias ubicadas entre 60 kHz y 108 kHz. La siguiente jerarquía agrupa 5 grupos de los anteriores formando un Supergrupo, modulando cada uno de los grupos en f c = nKHz, n = 1, 2,..5 ocupando la banda de 312 kHz a 552 kHz. En un supergrupo se logran acomodar 60 canales de voz independientes, transmitiendo en forma simultánea. 7. Esquemas de múltiple acceso.

FDM - Implementación Grupo: – 12 canales de voz (con 4 kHz cada uno) = 48 kHz – Espectro: 60 kHz hasta 108 kHz Supergrupo: – 60 canales de voz. – FDM de 5 señales de grupo con portadoras de entre 420 kHz y 612 kHz Grupo maestro: – 10 supergrupos. 7. Esquemas de múltiple acceso.

TDM – Multiplexación por División de Tiempo La velocidad de transmisión por el medio excede la velocidad de las señales digitales a transmitir. Mezcla temporal de varias señales digitales. El proceso de mezcla puede ser a nivel de bits o en bloques de octetos. Las ranuras temporales se preasignan y fijan a las distintas fuentes. Las ranuras temporales se asignan, incluso, si no hay datos. Las ranuras temporales no se tienen que distribuir de manera igualitaria entre las fuentes. 7. Esquemas de múltiple acceso.

TDM – Multiplexación por División de Tiempo TDM: Habilita la utilización conjunta por una pluralidad de fuentes de mensaje independientes de un canal de comunicación común sin interferencia mutua. Cada uno de los mensajes es restringido en ancho de banda por un filtro pasabajos antialiasing para remover las frecuencias que no son esenciales para una representación adecuada de la señal. Las señales filtradas ingresan a un conmutador, (circuitería electrónica de conmutación) 7. Esquemas de múltiple acceso.

TDM – Multiplexación por División de Tiempo 7. Esquemas de múltiple acceso.

TDM – Multiplexación por División de Tiempo El conmutador tiene dos funciones: – Tomar una muestra delgada de cada uno de los N mensajes de entrada a una tasa f s, que es un poco mayor que 2BW, con BW= Ancho de banda del filtro antialiasing. – Intercalar secuencialmente las N muestras dentro del intervalo T s. Esta es la esencia de la operación de multiplexación TDM. La señal multiplexada es aplicada a un modulador de pulsos, el propósito es transformar la señal multiplexada en una forma adecuada para la transmisión sobre un canal común. Se introduce un factor de expansión de ancho de banda de factor N, porque el esquema acomoda N señales derivadas de N fuentes de señal diferentes en ranuras de tiempo igual a un intervalo de muestreo 7. Esquemas de múltiple acceso.

TDM – Multiplexación por División de Tiempo 7. Esquemas de múltiple acceso.

TDM – Multiplexación por División de Tiempo En el receptor la señal recibida, es aplicada a un demodulador de pulsos, que realiza la operación inversa al modulador. Las delgadas muestras obtenidas del demodulador son distribuidas a los filtros de reconstrucción pasabajos correspondientes por un deconmutador, que opera en sincronismo con el conmutador del transmisor. La sincronización es esencial para una operación satisfactoria del sistema. La forma que esta sincronización tiene lugar, depende del método de modulación de los pulsos utilizados para transmitir la secuencia de muestras multiplexadas. 7. Esquemas de múltiple acceso.

Sincronización Un procedimiento posible para sincronizar los tiempos de Tx y Rx es setear un código ó pulso al final de una trama (palabra código extraída de uno de las fuentes de señal independientes) y transmitir dicho pulso sobre todas las tramas El Rx incluirá un circuito que buscará el arreglo de 0s y 1s a la mitad de la velocidad de trama y establecerá la sincronización entre el transmisor y el receptor. Cuando la comunicación entre Tx y Rx se interrumpe, es muy posible que los clocks de ambos continúen indicando el mismo tiempo por largo tiempo. La puesta en marcha del proceso de sincronismo consiste en observar los códigos, uno por uno hasta que encuentra el pulso de sincronización. 7. Esquemas de múltiple acceso.

Control de enlace en TDM 7. Esquemas de múltiple acceso.

Sincronización – Delimitación de tramas No se especifican los indicadores o caracteres SYNC para delimitar las tramas TDM. Es necesario un método para asegurar la sincronización de las tramas. Delimitación por dígitos añadidos: – Un bit de control en cada trama TDM: Se parece a otro canal tal como el “canal de control”. – Se usa una combinación predefinida de bits a modo de canal de control. – Ejemplo: bits alternantes …,que resultan poco probable en un canal de datos. – El receptor compara los bits de entrada en una determinada posición con el patrón sync. 7. Esquemas de múltiple acceso.

Sincronización – Inserción de bits Problema:sincronización de las fuentes de datos. Variación en los relojes de las fuentes. Velocidades de datos no relacionadas por un número racional simple. Solución: Inserción de bits. – La velocidad de salida del multiplexor (excluyendo los bits de delimitación) es mayor que la suma de las velocidades de entrada. – Inclusión de pulsos o bits adicionales en cada señal de entrada hasta que se ajuste al reloj local. – Inclusión de pulsos en posiciones fijas dentro de la trama y eliminados en el multiplexador. 7. Esquemas de múltiple acceso.

TDM para fuentes AAG y DIG 7. Esquemas de múltiple acceso.

Sincronización La puesta en marcha del proceso de sincronismo consiste en observar los códigos, uno por uno hasta que encuentra el pulso de sincronización. 7. Esquemas de múltiple acceso.

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