Comunicaciones Moviles

1

MÓDULO 1: FUNDAMENTOS DE COMUNICACIONES MÓVILES

Jordi Pérez Romero ([email protected]), Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)

BARCELONA 17-24 OCTUBRE 2007

MÓDULO 1.- FUNDAMENTOS DE COMUNICACIONES MÓVILES

Tema 1.- Introducción a las comunicaciones móviles

Tema 1: Introducción a las comunicaciones móviles

2Jordi Pérez Romero, Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)TEMA 1: Introducción a las comunicaciones móvilesMODULO1: Fundamentos de Comunicaciones Móviles

1.1.- Clasificación de sistemas móviles1.2.- Técnicas de Acceso Múltiple1.3.- Elementos de transmisión1.4.- Propagación y Coberturas1.5.- Sistemas celulares1.6.- Radioenlaces.

Tema 1.- INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES

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BIBLIOGRAFÍA

• Principios de comunicaciones móvilesO. Sallent, J. L. Valenzuela, R. AgustíEdicions UPC, 2003

• Comunicaciones MóvilesJ. M. HernandoCentro de Estudios Ramon Areces, 1997

• Mobile Communications Design FundamentalsW. C. Y. LeeJohn Wiley & Sons, 1993, 2ª edición

• Transmisión por RadioJ. M. HernandoCentro de Estudios Ramon Areces, 1993


1.1.- Clasificación de sistemas móviles

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• Radiocomunicaciones• Comunicaciones móviles

– Introducción– Agentes– Evolución de las comunicaciones móviles

• Sistemas de Comunicaciones Móviles– Celulares– Trunking– Inalámbricos– Radiomensajería

• Características de calidad de un sistema de comunicaciones móviles

CONTENIDO


• Radiocomunicación: Telecomunicación realizada por medio de las ondas radioeléctricas

• Ondas radioeléctricas (definición según ITU):Ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio sin guía artificial y cuyo límite superior de frecuencia se fija, convencionalmente, en 3000 GHz.

• Servicio de radiocomunicaciones:Servicio que implica la emisión y/o recepción de ondas radioeléctricas con fines de transmisión/recepción de información, para la cobertura de necesidades de telecomunicación o de tipo científico o industrial.

La técnica de la radiocomunicación consiste en superponer la información a transmitir sobre una onda electromagnética de soporte, denominada portadora, mediante el proceso denominado modulación.

RADIOCOMUNICACIÓN

4


CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES

Posicionamiento emisor/receptor

Fijos (radioenlaces)

Móviles

Empleo del segmento espacial

Terrenales

Vía satélite

Número de emisores/receptores

Punto a punto

Punto a multipunto

Se pueden clasificar en base a diferentes criterios


• Sistema de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones fijas o entre estaciones móviles.

• Emisor y/o receptor presentan movilidad– móvil terrestre, marítimo y aeronáutico

• Persiguen conseguir ubicuidad y movilidad en la comunicación• Permiten el intercambio de diferentes tipos de información:

– Voz– Mensajes cortos (SMS)– Mensajes multimedia– Datos (http, ftp, correo electrónico)– Video (Películas, videoconferencia, etc.)– Juegos interactivos– Televisión

INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES (I)

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Mensajería

Servicio de Mensajes Cortos (SMS)Servicios de InformaciónComercio Electrónico Seguro

Acceso a Información

E-mail (con y sin attachments)WWW

Multimedia

Transferencia de imágenes estáticasVoz sobre IPVideoVideoconferencia

Aplicaciones verticales

Acceso a bases de datos corporativasSincronizaciónGestión de ficherosJuegos interactivos

Telemática

Gestión de flotasTelemetría

Servicios de radiodifusión

Guiado de rutasInformación de tráfico

INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES (II)


• Aspectos característicos:– Caracterización del canal radio:

• Introduce una mayor degradación que en el caso de la comunicación entre puntos fijos debido a una mayor variabilidad

– Compartición del medio de transmisión:• Estrategias de duplexado• Estrategias de acceso múltiple

– Concepto de sistema celular• Mecanismo para reutilizar recursos radioeléctricos e incrementar la

capacidad• Necesidad de mecanismos de handover o traspaso de llamada para

garantizar la continuidad de las comunicaciones• La información enviada puede ser de la siguiente naturaleza:

– Tráfico, información útil de las diferentes aplicaciones (plano de usuario)

– Señalización para establecimiento de las conexiones, búsqueda de terminales en llamadas entrantes (paging), protección de la información(plano de control)

INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES (III)

6


• Usuarios• Operadores• Proveedores de servicios• Fabricantes• Foros de estandarización:

– A nivel mundial: ITU, 3GPP– A nivel europeo: ETSI

• Reguladores:– A nivel español: CMT: Comisión para el Mercado de

las Telecomunicaciones

AGENTES DE LAS COMUNICACIONES MÓVILES


HISTORIA DE LA TELEFONÍA MÓVIL (I)

1946.- Primer servicio de Radiotelefonía Móvil comercial en St. Louis Crecimiento espectacular (50 ciudades en menos 1 año). Sistema manual de gran área de cobertura.

1964.- Implantación IMPS (Improved Mobile Phone System) Encaminamiento automático, marcación directa, servicio full-duplex

1979.- Primer sistema celular en Chicago denominado AMPS (Advanced Mobile Phone System).

Sistema analógico, basado en el reuso de frecuencia. 1982.- CEPT crea el Groupe Special Mobile (GSM).

Sistema celular digital. Triplica la capacidad del sistema analógico. Especificaciones terminadas en 1990.Denominado después GSM (Global System for Mobile communications)

1992.- SISTEMA GSM OPERATIVO (FASE 1)

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HISTORIA DE LA TELEFONÍA MÓVIL (II)

1998.- Implantación de los primeros sistemas de transmisión por paquetes GPRS(General Packet Radio Service) como extensión de GSM

1990s.- Desarrollo de las tecnologías de tercera generación IMT-2000 (UMTS en Europa, CDMA2000 en USA)

1999.- Finalización de las especificaciones de la primera release de UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) (R99)

2002.- Implantación de UMTS

2002.- Release 5 de UMTS incorporando tecnología HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)

Actualidad:Tecnología HSUPA+HSDPA=HSPA (High Speed Packet Access)

Desarrollo de UMTS-LTE (Long Term Evolution) hacia la 4ªG.


GSMGSM9.6 kbps

4 G100 Mb/s

4 G4 G100 Mb/s

HSCSDHSCSD57,6 kpbs GPRSGPRS

100 kb/s UMTSUMTS2Mb/s

1993

•Descarga•E-mail•Fax

GSMDATOS

•Emergencia•Telebanca•Tickets•Gestión flotas•Inf. tráfico

SMARTMESSAGING

•Transferenciade ficheros•Videotelefonía•Acceso corporativo•Transmisión imágenes•Dinero electrónico•Telemedicina

•Internet•Intranet•On-line e-mail•On-line timemanagement•Juegos

MULTIMEDIAMÓVIL

HSPAHSPA10Mb/s

HISTORIA DE LA TELEFONÍA MÓVIL (III)

8


La implantación en el mercado de las distintas tecnologías de lainformación se realiza cada vez de modo más rápido

1 10 20 Años

Móviles PC TV Color TV blanco y negro

Años después introducción en el mercado

No. deUsuarios

EVOLUCIÓN DEL MERCADO DE TELEFONÍA MÓVIL (I)


SOCIEDAD DE LA

INFORMACIÓN

Los dos sectores que han registrado un mayor crecimiento en el ámbito de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) en la última década son:

• Comunicaciones móviles• Internet

Industria de telecomunicaciones

Industria de ordenadores

Industria audiovisual

EVOLUCIÓN DEL MERCADO DE TELEFONÍA MÓVIL (II)

9


50

100

150

200

250

300

350

1995 2000 2005 2010 2015

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Mill

ones

Sub

scrip

tore

s

Servicio Multimedia

Sólo Voz

PEN

ETR

AC

IÓN

Años Fuente M. Guillaume UMTS’98

PenetraciónServicio Multimedia

EVOLUCIÓN DEL MERCADO DE TELEFONÍA MÓVIL (III)


EVOLUCIÓN DE TERMINALES (I)

Activados por vozPantalla táctilFormas ergonómicas

Display limitadoDificultad de entrada por tecladoGestión engorrosa

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EVOLUCIÓN DE TERMINALES (II)


• Sistemas celulares:– Proporcionan servicios de telecomunicación sobre zonas

geográficas extensas y con capacidad para mantener la continuidad de las comunicaciones mientras el usuario se va desplazando (cobertura global)

– Precisan del despliegue de una red según una cierta arquitectura– Estándares:

• 1ª Generación: TACS (Total Access Communicactions System)• 2ª Generación: GSM (Global System for Mobile communications) y

GPRS (General Packet Radio Service) para paquetes• 3ª Generación: UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (I)

11


• Sistemas troncales (trunking) o de telefonía móvil privada PMR (Private Mobile Radio):– Ofrecen servicios de intercomunicación de voz/datos para grupos

cerrados de usuarios mediante redes independientes de las redespúblicas (p.ej. policía, gas, electricidad, agua, emergencias, ambulancias, bomberos, protección civil, flotas de vehículos, etc.)

– Cobertura nacional, regional o local– Llamadas frecuentes de corta duración con necesidad de crear

subgrupos de comunicación, prioridad de llamadas de emergencia, etc. – Posibilidad de llamadas de móvil a móvil, así como llamadas a grupos de

móviles o generales a todos los móviles– No necesariamente full-duplex (menor empleo de recursos, al no

ocuparse dos canales simultáneamente para transmisión y recepción)– Estándares:

• Análogicos: MPT13XX (Reino Unido)• Digitales: TETRA (Trans European Trunked Radio): estándar europeo de

ETSI

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (II)


• Comunicaciones inalámbricas (Wireless)– Extensiones inalámbricas de la red fija:

• No requieren de una arquitectura de red propia sino que se sustentan en otras redes (p.ej. PSTN y extensiones de centralitas)

• Bajo alcance• Estándares:

– Analógico: » CT-1

– Digital: » DECT (Digital European Cordless Telecommunications)

– Wireless Local Loop:• Tecnología sin cable para completar la “última milla”• Conexión a redes públicas• Permiten rapidez en el despliegue de nuevas redes de acceso y en

incrementar la capacidad de las ya existentes• Permiten altas velocidades de transmisión (movilidad reducida)• Estándares:

– LMDS (Local Multipoint Distribution System)

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (III)

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• Comunicaciones inalámbricas (Wireless)– Redes área local inalámbricas (WLAN):

• Alcance limitado a algunos centenares de metros• Mayor facilidad de instalación que las LAN cableadas, y además permiten

movilidad• Configuración flexible y escalable• Posibilidad de redes adhoc• Velocidades de hasta 54 Mb/s• Estándares:

– IEEE 802.11x (a,b,g,n)– HIPERLAN

– Redes de área Personal (PAN)• Sistemas de corto alcance• Inicialmente pensados para la interconexión de dispositivos• Redes adhoc (MANET: Mobile Adhoc Networks)• Estándares:

– Bluetooth

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (IV)


• Sistemas de radiomensajería y radiobúsqueda.– Transmisión unidireccional de un mensaje desde el

origen hasta el terminal destino. – Tipos de mensajes:

• Tono o señal (el receptor pita al recibir un mensaje)• Mensajes alfanuméricos• Voz

– Estándares: • POCSAG (Post Office Code Standard Advisory Group): Estándar

mundial de facto• ERMES (European Radio Message System), desarrollado por ETSI

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (V)

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Personal Area Personal Area NetworkNetwork

Local Area Local Area NetworkNetwork

Wide Area Wide Area NetworkNetwork

Personal

Edificio

Pais/Global

LAN

GSM CDPDUMTS GPRSWiMAX TDMA

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (VI)


Bluetooth

2.4 GHz WLAN 5 GHz

WLAN

3G (UMTS)

Red de Área Personal

100 Mbps10 Mbps1 Mbps

Cobertura

Velocidad de transmisión

0.1 Mbps

10 m

10 Km

1 Km

100 m

2G (GSM/GPRS)

Redes de Área ExtensaRed de Área Local

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (VII)

HSPA

4G / LTEWiMAX

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CARACTERÍSTICAS DE CALIDAD DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES MÓVILES

• Cobertura– Extensión superficial (local, regional, nacional, global)– Porcentaje de ubicaciones

• Movilidad• Capacidad

– Número de usuarios soportado bajo ciertos requisitos de calidad

• Calidad de servicio (QoS)– Tasa de error, velocidad de transmisión, etc.


Errortolerant

Errorintolerant

Conversational Interactive Streaming Background

Conversationalvoice and video Voice messaging Streaming audio

and video Fax

E-mail arrivalnotificationFTP, still image,

paging

E-commerce,WWW browsing,Telnet,

interactive games

Se deben proveer múltiples servicios con diferentes requerimientos de calidad para cada uno.

CALIDAD DE SERVICIO (QoS) (I)

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Traffic class Conversational class Streaming class Interactive class Background classMaximum bitrate X X X XDelivery order X X X XMaximum SDU size X X X XSDU formatinformation

X X

SDU error ratio X X X XResidual bit error ratio X X X XDelivery of erroneousSDUs

X X X X

Transfer delay X XGuaranteed bit rate X XTraffic handling priority XAllocation/ Retentionpriority

X X X X

Source statisticsdescriptor

X X

Ejemplo: parámetros definidos por el 3GPP para UMTS

CALIDAD DE SERVICIO (QoS) (II)


1.2.- Técnicas de Acceso Múltiple

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• Gestión del espectro radioeléctrico• Técnicas de acceso múltiple

– FDMA– TDMA

• Sincronización y avance temporal– CDMA– OFDMA

• Técnicas de duplexado– FDD– TDD– Interferencias en FDD y TDD

CONTENIDO


GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (I)

• El espectro radioeléctrico es un recurso escaso de la naturaleza, por lo que debe optimizarse su uso de modo que lo puedan utilizar el mayor número posible de estaciones, con un mínimo de perturbaciones mútuas.

• La gestión del espectro debe tener un carácter internacional, regulado principalmente por la ITU-R (International Telecommunications Union) y coordinado entre los diferentes países.

• El espectro se subdivide en bandas de frecuencias, las cuales se atribuyen a los diferentes servicios radioeléctricos de acuerdo con las Conferencias Administrativas Mundiales de Radiocomunicaciones (WARC)

• El Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF) refleja la atribución de las diferentes bandas de frecuencias a los distintos servicios de radiocomunicaciones, especifica su uso y realiza previsiones de espectro sobre futuros usos potenciales. Se publica en el BOE.

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Se definen un total de 9 bandas:

Decimilimétricas300 a 3000 GHzWHD12

Milimétricas30 a 300 GHzEHF11

Centimétricas3 a 30 GHzSHF10

Decimétricas300 a 3000 MHzUHF9

Métricas30 a 300 MHzVHF8

Decamétricas3 a 30 MHzHF7

Hectométricas300 a 3000 KHzMF6

Kilométricas30 a 300 KHzLF5

Miriamétricas3 a 30 KHzVLF4DesignaciónFrecuenciasSímbolosBanda (N)

En general, la banda N se extiende de 0.3·10N Hz hasta 3·10N Hz

GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (II)


Ejemplos de atribuciones de bandas a servicios:

Móvil (UMTS)1710 a 2170 MHzMóvil (GSM)890 a 960 MHzRadiodifusión (FM)87.5 a 108 MHzRadiolocalización1625 a 1635 KHzRadionavegación aeronáutica325 a 405 KHzServicioFrecuencias

GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (III)

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• Una vez se ha definido la banda del espectro a la que un sistema va a trabajar quedan dos aspectos por resolver:

– ¿Cómo regular el acceso compartido de los múltiples usuarios a la banda de frecuencias asignada?

» TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE

– ¿Cómo diferenciar las transmisiones móvil a base (ascendente) y base a móvil (descendente) ?

» TÉCNICAS DE DUPLEXADO

GESTIÓN DEL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO (IV)


Permiten compartir una porción de espectro radioeléctrico entre varios usuarios.

Son procedimientos de asignación de canales físicos.

Se basan en la capacidad de separar las señales de diferentes usuarios en el receptor. Dicha separabilidad se puede conseguir en tanto que las señales sean ortogonales:

TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE (I)

( ) ( ) ( ) ( ) 0** == ∫∫ dffWfVdttwtv

A partir de esta relación se deduce que si las señales son disjuntas en tiempo o en frecuencia serán separables.

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Las técnicas más utilizadas en comunicaciones móviles son:

FDMA: Acceso Múltiple por División en FrecuenciaTDMA: Acceso Múltiple por División en TiempoCDMA: Acceso Múltiple por División en CódigoOFDMA: Acceso Múltiple por División en Frecuencia Ortogonal

La elección de una u otra técnica depende del tipo de modulación utilizada y de la naturaleza (analógica ó digital) de la información a transmitir.

TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE (II)


Frecuencia

TiempoUsuario 1Usuario 2Usuario 3Usuario 4

f1

f2

f3

f4

t10 t2 t3 t4

SE BASA EN LA SEGMENTACIÓN EN RADIOCANALES DE LA BANDA DISPONIBLE.

A cada usuario se le asigna un radiocanal

Se divide el ancho de banda total asignado BT en M canales. Cada usuario transmite durante todo el tiempo ocupando su canal.

1 2 3 M4

BTf

Bg Bc Filtro separador

ACCESO MÚLTIPLE FDMA (I)

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CARACTERÍSTICAS

Compatibilidad con modulaciones y señales analógicas y digitales.Sencillez de implementación. Tecnología muy experimentada.Rigidez en la gestión de recursos (no apta para flujo de tráficovariable)Poco adecuada a conmutación de paquetes (pensada para conmutación de circuitos)Sobrevive como técnica mixta FDMA/TDMA

Ancho de Banda Total Ocupado : )( gcTFDMA BBMBB +≅=

Bg.puede suponer un 10% del totalBc depende de la modulación: Ej: FM banda estrecha 25 kHz (TACS)

ACCESO MÚLTIPLE FDMA (II)


A cada usuario se le asigna un intervalo temporal

Los usuarios comparten la misma frecuencia en diferentes instantes de tiempo que se repiten periódicamente.

Tx Rx

Memoria

Memoria

Memoria

Usuario 1N bits

Rb bit/s (codificados)

Memoria

Memoria

MemoriaRc bit/s

Sincronismo

ACCESO MÚLTIPLE TDMA (I)

t10 t2 t3 t4

Frecuencia

TiempoUsu

ario

1

f1

f2

f3

f4

Usu

ario

2

Usu

ario

3

Usu

ario

4

Usuario 2

Usuario M

Usuario 1

Usuario 2

Usuario M

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ESTRUCTURA DE UNA RAFAGA

1 2 MBurst o ráfaga

Slot o ranura

Trama TT

Tiempos de guarda entre ráfagas

Sec.sincronismo bity estimación h(t)

Canales lógicos de control,señalización c.potencia, etc. Datos codificados

Tu

Cada cierto tiempo la base transmite una ráfaga de control. La velocidad total resultante en el canal dependerá del número de slots de la

trama y de la velocidad de cada uno de los usuarios.La eficiencia del sistema depende de la cantidad de bits de control que se

adjuntan.( )sbc RRMR +≥

ACCESO MÚLTIPLE TDMA (II)

3


CARACTERÍSTICAS

Se utiliza con modulaciones digitales. Requiere digitalizar la información y almacenarla hasta el instante de transmisión.Simplicidad de las estaciones base multicanales. Un solo equipo transceptor.Muy versátiles. Permiten acomodar flujos de tráfico variables asignando varios slots a un usuario.Adecuada a conmutación de paquetes.Inserta canales de señalización modo simple.Requiere una estricta sincronización temporal y mecanismos de avance temporal para evitar colisiones entre ráfagas de distintos usuarios

ACCESO MÚLTIPLE TDMA (III)

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Entrada

-2 -1 +1 +2

SECUENCIA IDEAL:SECUENCIA IDEAL:•En el origen el valor de salida es igual a la longitud de la secuencia local

•Para otros desplazamientos valor de salida nulo

•• La detección del pico de correlación marca referencias de tiempLa detección del pico de correlación marca referencias de tiempo a nivel de o a nivel de slotslot y tramay trama

SECUENCIA LOCAL

SalidaX

X Umbral

Umbral

SINCRONIZACIÓN EN TDMA

Periódicamente la base envía una secuencia de sincronización conocida detectada en el terminal móvil mediante un correlador.


AVANCE TEMPORAL (I)

Para poder transmitir en un slot el móvil debe conocer cuánto debe anticipar la transmisión respecto de la estructura de trama que está observando mediante la secuencia de sincronismo para compensar el retardo de propagación y evitar solaparse con los slots adyacentes.

Slot 0 Slot 1

Ráfaga

Ráfaga

2Tp

Ráfaga llega 2Tp tarde !!

Base

MóvilTp=d/c

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AVANCE TEMPORAL (II)

Solución: El móvil debe transmitir 2Tp antes (Avance Temporal). Para ello, la red mide el retardo 2Tp en una ráfaga más corta (durante el establecimiento de la comunicación) y lo comunica en el mensaje de asignación de canal. A lo largo de la conexión dicho tiempo se va corrigiendo de acuerdo con la posición del móvil.

Slot 0 Slot 1

Ráfaga

Ráfaga

2Tp

Ráfaga llega a tiempo !!

Base

Móvil


Los usuarios comparten la misma frecuencia y tiempo. Se distinguen entre ellos asignándoles un código digital ortogonal..

A cada usuario se le asigna un código distinto

CARACTERÍSTICAS

La información a transmitir debe estar digitalizada. Se utiliza asociada a modulaciones digitales.Realiza una expansión del espectro.Requiere una estricta sincronización temporal y control de potencia (sistema limitado por interferencias)Mejor comportamiento frente interferencias cocanal y distorsión debida a la propagación radioeléctrica.

t10 t2 t3 t4

Frecuencia

Tiempo

Usuario 4Usuario 3

Usuario 2Usuario 1

f1

f2

fn

CÓDIGO ORTOGONAL 1

ACCESO MÚLTIPLE CDMA

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Basadas en una modulación OFDM (orthogonal frequency division multiplex)

OFDMA=FDMA+TDMAUn usuario tiene asignado un número de subportadoras (FDMA)Las asignaciones de subportadoras usuarios cambian en el tiempo (TDMA) Las señales moduladas resultantes en cada subportadora son ortogonales entre síSincronismo de tiempo y frecuencia necesario en el enlace ascendente para

distintos usuarios

ConversorS/P

Modulador en f0

Modulador en f1

Modulador en fN-1

FPB

FPB

FPB

S0 S1 S2….SN-1 SN

S(n)=a(n)+jb(n)

S(n) es un simbolo QAM de usuario de duración T

MODULADOR OFDM

S0

S1

SN-1

… …

Δf=1/T NΔf=W (Espectro Disponible)

f0 f1 fN-1

ACCESO MÚLTIPLE OFDMA (I)


La modulación se consigue mediante una IDFT, asociando cada símbolo a la amplitud de una de las sub-portadoras de la transformada discreta de Fourier:

ACCESO MÚLTIPLE OFDMA (II)

IDFT

S0

S1S2

SN-1

S0

S1S2

SN-1

f0 f1 f2 fN-1

La idea es generar la señal en el dominio espectral y mediante la IDFT convertirlaa la señal temporal que se va a enviar.

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Ejemplo OFDMA

Ventajas:Robustas a la propagación multicamino y ráfagas de erroresAdecuadas para transmisión de fuentes variables de datosAdecuadas para velocidades altas de transmisión de datos

Inconvenientes:Amplificadores lineales de potencia

TX#4TX#3

TX#2

TX#6

TX#5

TX#1

Time

Freq

uenc

y bi

n

24681012141618202224262830

00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

TX#i corresponden a distintos usuarios

ACCESO MÚLTIPLE OFDMA (III)


Modos de explotación en comunicaciones móviles:Simplex:

Transmisión y recepción en una misma frecuencia. No se puede transmitir y recibir simultáneamente

Half-duplex:Transmisión y recepción en dos frecuencias diferentesEstación base actúa como repetidor entre móviles y puede transmitir

y recibir simultáneamente empleando un duplexor en la antena.Terminales móviles no pueden transmitir y recibir simultáneamente.

Duplex:Tanto base como móviles pueden transmitir y recibir

simultáneamente. Las técnicas de duplexado permiten la comunicación Duplex (transmisión y recepción simultanea) del sistema necesaria en la gran mayoría de sistemas de comunicaciones móviles. Técnicas utilizadas:

• TDD: Duplexado por División en Tiempo.• FDD: Duplexado por División de Frecuencia.

TÉCNICAS DE DUPLEXADO

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DUPLEXADO POR DIVISIÓN EN FRECUENCIA (FDD)

• El enlace ascendente y el enlace descendente operan en bandas defrecuencia distintas

• Para simplificar la separación de ambas bandas por filtrado se fija una mínima diferencia de frecuencia entre ambas bandas. Por ejemplo: 45 MHzpara sistema GSM900 y 90 MHZ para el sistema DCS1800.

Usuario i: fDL,i=fUL,i+45 MHz

• Si la técnica de acceso múltiple es TDMA, aun disponiendo de una única antena, no es necesario incluir el Filtro de Duplexado. Basta con desplazar algunos slots el origen de la trama de enlace ascendente con respecto a la trama descendente . ⇒ Instantes de tiempo de transmisión y recepción separados (p.ej. en GSM se emplea un decalaje de tres slots entre las tramas de subida y de bajada)

Guarda de Duplexado

FrecuenciaEnlace Ascendente Enlace Descendente

T=0

Enlace Descendente

Enlace Ascendente


• El enlace ascendente y el enlace descendente operan en la misma banda de frecuencia, utilizando diferentes slots

• Permite asignar recursos de forma asimétrica, haciendo un uso más eficaz del espectro disponible. Por ejemplo en aplicaciones tipo INTERNET (WEB,FTP, etc...)

• Esta técnica se puede utilizar en tecnologías de acceso basadas en TDMA y CDMA.

• Puesto que el enlace ascendente y descendente utilizan la misma frecuencia, la respuesta del canal en ambos es similar. Esto permite:

•Utilizar un control de potencia en lazo abierto (determinar la potencia a transmitir en el UL a partir de las pérdidas de propagación medidas en el DL)•Implementar en el emisor de la Estación Base técnicas de predistorsión de la señalque compensen los efectos degradantes del canal móvil, disminuyendo la complejidad del terminal móvil y abaratando su coste

Enlace DescendenteEnlace

Ascendente

Trama

Permite la configuración variable del número de slots asignados a cada enlace

DUPLEXADO POR DIVISIÓN EN TIEMPO (TDD)

27


INTERFERENCIAS EN FDD

Interferencia DL

En FDD las transmisiones UL y DL de todas las bases se efectúa simultáneamente. Se tienen interferencias cruzadas móvil-base.

Interferencia UL: Proviene de móviles conectados a otras bases que estén transmitiendo a la misma frecuencia (co-canal).

Generada por el móvil y medida en la base.

Interferencia DL: Proviene de otras bases que estén transmitiendo a la misma frecuencia (co-canal)

Generada por la base y medida en el móvil

f1f1

f2

f2

Interferencia UL


INTERFERENCIAS EN TDD

UP DOWN

BS1ΔΤ

Puntos de conmutación BS1 downBS2 up

Interferencia BS a BS

InterferenciaMS a MS

1 trama

MS2 up MS1 down

t

UP DOWN

BS2

t

Región conflictiva

En TDD, si las estructuras de trama de las bases son distintas se pueden tener en ciertos instantes interferencias móvil a móvil y base a base.

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1.3.- Elementos de Transmisión


• Transmisor y receptor• Ruido en receptores

– Sensibilidad de un receptor• Interferencias• No linealidades en comunicaciones

– Compresión de señal– Desensibilización– Intermodulación

• Ingeniería de estaciones base

CONTENIDO

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MODULADOR AMPLIFICADORDE POTENCIA

OSCILADOR

FUENTE DEALIMENTACION

SEÑALIZACIONY BLOQUEO

TRANSMISORTRANSMISOR

INFORMACIÓN

x(t)

TRANSMISOR

Transmisor:

Conjunto de equipos para el tratamiento de la información de modo que pueda ser enviada a través del canal radio mediante una portadora.


Frecuencia de emisiónEstabilidad en frecuencia: variación de la frecuencia real de

emisión en relación al valor nominal deseado.

medida típicamente en partes por millón (ppm) Tipo de modulaciónAncho de banda: dependiente del tipo de modulación empleado y

del ancho de banda de la señal de información transmitida.Potencia de emisión: Calculado en función de la distancia a la que

se espera que se encuentre el receptor y en base a las pérdidas de propagación.

Polarización de la onda transmitida

ε =Δ f

f n o m in a l

CARACTERÍSTICAS DEL TRANSMISOR (I)

30


Emisiones indeseadas:Ruido de los osciladores: en forma de bandas laterales alrededor de la frecuencia de emisiónArmónicos:Emisiones a frecuencia múltiplo de la portadora debido a no-linealidades de los diferentes elementos del emisor

CARACTERÍSTICAS DEL TRANSMISOR (II)

TRANSMISOR

f0 2f0 3f0


MEDIO DE TRANSMISIÓN

TRANSMISOR RECEPTORCANAL

Constituye el medio radioeléctrico a través del cual la señal transmitida se propaga hasta llegar al receptor.Caracterizado por:- Atenuación de la señal transmitida, dependiente de la distancia al receptor y de la frecuencia empleada.- Distorsión de la señal, debida a la respuesta impulsional del canal, que puede ser variante con el tiempo- Aparición de señales indeseadas:

-Ruido de origen natural o artificial-Interferencias: Otras señales emitidas por otros transmisores que comparten el mismo medio físico

31



RECEPTORRECEPTOR

CABEZAL DE RADIOFRECUENCIA (RF) DEMODULADOR

fs

RECEPTOR

Receptor:

Conjunto de equipos para el tratamiento de la señal recibida, demodo que pueda ser extraída la información enviada bajo unos ciertos requerimientos de calidad.

InformaciónSeñal útil, ruido e interferencias


RECEPTOR SUPERHETERODINO

El cabezal de radiofrecuencia traslada la señal recibida a una frecuencia fija, denominada frecuencia intermedia, sobre la que se efectúa la demodulación.

SINTONÍA

OSCILADORLOCAL

MEZCLA-DOR

AMPLIFIC.RF.

AMPLIFIC.FI.

DEMODU-LADOR


RECEPTORRECEPTOR

fs fFI

fo

f F I f s f C t e= − =0 .Ventajas:

- receptor más estable

- permite una elevada selectividad

32


CARACTERÍSTICAS DEL RECEPTOR

- Sensibilidad:

Mínimo nivel de potencia de señal necesario a la entrada para garantizar a la salida del demodulador una determinada calidad en términos de (S/N) o de (Eb/No).Relacionada con el nivel de ruido externo e interno (generado por el propio receptor)

- Selectividad: Capacidad del receptor para atenuar el nivel de las señales interferentes próximas en frecuenciaRelacionada con el nivel de filtrado del receptor

- Fidelidad:Capacidad del receptor para eliminar la distorsión en la señal recibida y extraer una información idéntica a la que se envió.Relacionada con la distorsión de la señal recibida y la introducida por el propio receptor.


RUIDO INTERNO DEL RECEPTOR

Temperatura equivalente de ruido del cabezal de RF:Incremento en la temperatura de ruido que debería existir a la entrada del cabezal, supuesto no ruidoso, para que a su salida se midiera la misma potencia de ruido que si con el cabezal real.

RECEPTORRECEPTOR

CABEZAL DE RADIOFRECUENCIA (RF) DEMODULADORfs

Ganancia: G

Temperatura de ruido: Te

Temperatura de antena: Ta

Ancho de banda: B

Ruido a la entrada: Pni=KTaB

Ruido a la salida: Pno=GK(Ta+Te)BCte. de Boltzmann

K=1.38·10-23 J/K

Pn,i Pn,o

33


FACTOR DE RUIDO DE UN RECEPTOR

Se define el FACTOR de RUIDO como:

o

e

TTF +=1 To=290 K

Etapa RFFRF, GRF

Mezclador FMX,GMX

Etapa FIFFI, GFI

1 1MX FIRF

RF RF MX

F FF FG G G

− −= + +

Factor de ruido resultante en función de los factores de ruido yganancias de cada uno de los elementos del receptor:


RELACIÓN SEÑAL A RUIDO Y SENSIBILIDAD DEL RECEPTOR

Para un cierto requerimiento de (S/N) mínimo a la entrada del demodulador, la SENSIBILIDAD vendrá dada por:

Relación señal a ruido a la salida del cabezal (entrada del demodulador):

( ) ( )( )1S S S

o a e Na o

GP P PSN GK T T B PK T T F B

⎛ ⎞ = = =⎜ ⎟ + + −⎝ ⎠

( )( )BFTTKNSP oaS 1

min

−+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

En sistemas de radiocomunicaciones móviles terrenos es habitual suponer Ta=To, de modo que:

FBKTNSP oS

min⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

min

( ) ( ) 10 log( ) ( ) 10 log ( )S oSP dBm dB KT F dB B HzN

⎛ ⎞= + + +⎜ ⎟⎝ ⎠

10log 174 /oKT dBm Hz= −

N oP KT FB=

( ) ( ) 30S SP dBm P dBW= +

Nota recordatorio:

34


ECUACIÓN DE TRANSMISIÓN

Tx útil Rx útilPT GT GR PR

L

PR(dBm)=PT(dBm)+GT(dB)+ GR(dB)-L(dB) ≥ PS(dBm)

PIRE (dBm):

Potencia Isotrópica Radiada Equivalente

GT, GR son las ganancias de las antenas transmisora y receptora en la dirección Tx-Rx. Dependen del diagrama de radiación y son mayores cuanto más directivas sean las antenas.


INTERFERENCIAS

Tx útil Rx útil

Tx interferente

PT GT GR PSL

PIGI

LIGR,I

PR,I

C/I (dB)=PT(dBm)-PI(dBm)+GT(dB)+GR(dB)-GI(dB)-GR,I(dB)-L(dB)+LI(dB)

,

T T R

I I R I

I

P G GC L

P G GIL

=Relación señal a interferente:

En caso de múltiples interferentes se sumaría la potencia recibida de cada uno de ellos en el denominador.

35


NO LINEALIDADES EN COMUNICACIONES MÓVILES

En comunicaciones móviles, a diferencia de otros sistemas de comunicaciones punto a punto, pueden existir en el receptor de modo simultáneo señales de elevado y reducido nivel.

En consecuencia aparecen fenómenos de:

- Compresión de Señal- Desensibilización o Bloqueo del receptor- Intermodulación- Distorsión de la modulación cruzada

La Ingeniería radio permite disminuir los efectos negativos de todos estos fenómenos.


)()()( 331 txatxaty −=

( ) cos ( )ox t A tω=

2 331 3

1

3 1( ) 1 cos( ) cos(3 )4 4o o

ay t a A A t a A ta

ω ω⎡ ⎤

= − −⎢ ⎥⎣ ⎦

Un receptor que introduce distorsión cúbica viene caracterizado por la relación entrada salida:

Observar que mientras el fundamental crece linealmente con la amplitud de la señal de entrada (A), el tercer armónico crece con A3

Si la amplitud A es grande se pone de manifiesto la compresión de ganancia

COMPRESIÓN DE SEÑAL (I)

Para:

Se obtiene:

Receptorx(t) y(t)

36


Definición: Potencia de entrada para la cual la potencia de salida del fundamental está 1 dB por debajo del nivel ideal (lineal).

( )05.0

3

11 101

34)( −−=

aaVN dB

Sustituyendo y operando resulta:

Pi(dBm)

Po(dBm) Pf (dBm) en el caso lineal

Pf (dBm) con distorsión cúbica1 dB

Efecto de compresión de ganancia

N1dB

** Nivel de CompresiónNivel de Compresión

COMPRESIÓN DE SEÑAL (II)


( ) terminosotroscos23

431)( 2

1

32

1

31 +⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−−= tI

aaA

aaAaty uω

( ) ( )x t A t I tu i( ) c o s c o s= +ω ω

útil interferencia

Se entiende por DESENSIBILIZACIÓN, la pérdida de sensibilidad en un receptor no lineal ocasionada por una señal interferente

Sea la señal de entrada:

A la salida del receptor no lineal se tiene:

Compresiónde la Ganancia

DESENSIBILIZACIÓN

Existe un nivel de señal interferente para el que se cancela la señal a la salida del receptor. A dicho nivel se le denomina NIVEL DE BLOQUEO del receptor.

0)(32

3

1 =⇒=u

tyaa

I BLOQUEO ω

DESENSIBILIZACIÓN

Receptorx(t) y(t)

37


f1

f2

f n f m f= ±1 2

PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓNOrden de la distorsión : n+m

{ }n m, , , , . . .∈ 0 1 2 3

• Productos de intermodulación: señales ocasionadas por la combinación (batido) de dos o más frecuencias en un elemento no lineal del receptor.

• Cuando el orden de los productos de intermodulación crece su amplitud tiende a disminuir

Los productos de intermodulación más nocivos son los de tercer orden:

PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN (I)

Receptorx(t) y(t)

( )[ ]33)(1)( txatxaty −=

( ) ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ += tItItx 2cos21cos1 ωω

Productos de Intermodulación

{ } { }[ ]

{ } { }[ ]ttIIa

ttIIa

)122(cos)122(cos2214

33

)212(cos)212(cos22

1433

ωωωω

ωωωω

−++

−++

Entrada:


f0: canal sintonizadof1= f0+Δff2= f0+2Δf

PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN (II)

Receptorx(t) y(t)

2f1-f2=f0

f1 f2f0 f1 f2f0

Ejemplo: Intermodulación de tercer orden ocasionada por los canales adyacentes en un sistema con acceso múltiple FDMA.

Es conveniente que en una estación base con varias frecuencias en una técnica FDMA, éstas se encuentren suficientemente separadas para poder ser filtradas sin problema.

38


** Punto de Intercepción: Punto de Intercepción: Nivel de potencia de entrada para el que a la salida la potencia del fundamental es igual a la del producto de intermodulación.

PRODUCTOS DE INTERMODULACIÓN (III)

Se mide considerando la misma potencia para las dos señales que dan lugar al producto de intermodulación.

Pi(dBm)

m=3

P0(dBm)

m=1

Punto Intercepción (IP)Productos de Intermodulación

IPi


** Rechazo a la salida: Rechazo a la salida: Diferencia de potencia a la salida entre la señal útil y el producto de intermodulación para un cierto nivel de potencia a la entrada.

RECHAZO A LA INTERMODULACIÓN (I)

Receptor

fofI

UR

( )( ) ( 1) ( ) ( )R i iU dB m IP dBm P dBm= − −

fo f1 f2

Pi

m=3 para intermodulación de tercer orden

39


* Para mejorar el rechazo es preciso que los canales adyacentes estén suficientemente atenuados, lo que se consigue mediante un filtrado adecuado.

RECHAZO A LA INTERMODULACIÓN (II)

Receptor

fofI

UR+m Δ

fo f1 f2

Pi

Filtro a fo

fo f1 f2

Pi

Pi-ΔSelectividad del filtro


CIR DE CANAL ADYACENTE

Receptor

fo f1

Pu

Filtro a fo

fo f1

PuPI-Δ

PI

Relación señal a interferente en el canal adyacente:

CIRady(dB)=Pu(dBm)-PI(dBm)+Δ (dB)

Gracias a la selectividad de los filtros, es posible trabajar con PI>Pu.

40


Objetivo general:

- Compartir el sistema radiante por varios transmisores y receptores, reduciendo las interacciones entre equipos.

Elementos empleados:

- Combinadores- Duplexores

INGENIERÍA DE ESTACIONES BASE


F1 F2mf1+nf2: Señal indeseada emitida con Pi=P1-Ac-Ai

AcP1

AGRUPACIÓN DE TRANSMISORES EN UNA MISMA ANTENA

Intermodulación entre los transmisores:

Pérdidas de Acoplamiento(Ac): Relación entre la potencia radiada por un transmisor y el nivel de potencia de esta radiación a la salida de otro transmisor

Pérdidas de Conversión (Ai): Relación entre el nivel de potencia a frecuencia f1 a la salida de un transmisor interferido, que emite a f2, y el producto de intermodulación generado a mf1+nf2

La profusión de Antenas y Transmisores en una estación de Base plantea dos tipos de problemas:

-Intermodulación entre Transmisores-Falta de espacio para las antenas

41


•Las pérdidas de Acoplo conseguidas por la separación física de las antenas es insuficiente en muchos casos para evitar la generación de productos de intermodulación.

•Por otro lado, no suele haber en muchas aplicaciones espacio físico para ubicar todas las antenas en una misma torre, en particular con sistemas FDMA que requieren una antena por frecuencia.

COMBINADORES

COMBINADORES

Un Combinador permite conectar varios transmisores a una misma antena con unas pérdidas de acoplamiento mucho mayores que las que hay entre dos antenas próximas.


COMBINADORES DE CAVIDADES PASO BANDA (I)

•Una cavidad resonante presenta un circuito equivalente similar al de un filtro sintonizado paso banda de alto factor de calidad Q. Se pueden sintonizar via soft con control remoto.

A la AntenaF1

F2

F3

C1

C2

C3

AmpPotencia

C4 F4

Acoplo igual a la respuesta de C1 a F2

Receptor

42


COMBINADORES DE CAVIDADES PASO BANDA (II)

- La utilización de cavidades requiere que los transmisores funcionen a frecuencias bastante separadas. Típicamente:0.5- 1 MHz en VHF2 MHz en UHF (banda de 400 MHz)5 MHz en UHF (banda de 900 MHz)

- El uso de una cavidad tanto en emisión como recepción (Duplexor) permite disminuir la cuantía de ruido del transmisor que llega al receptor y anular la desensibilización del receptor por efecto de la potencia elevada de los emisores cercanos

- Una opción habitual para aumentar la selectividad a costa de tener unas pérdidas de inserción un poco mayores consiste en colocar dos o más cavidades en cascada.


CAVIDADES BANDA ELIMINADA

•Estas cavidades se comportan como una trampa de ondas. Se conectan en derivación presentando una elevada atenuación a las frecuencias que desean evitarse en el circuito principal

•C1 es una cavidadsintonizada para eliminar F2

•C2 es una cavidad sintonizada para eliminar F1

C1 C2

T1 T2F1 F2

F2 F1

R1 R2

•Las cavidades banda eliminada tienen las mismas pérdidas que las cavidades paso banda pero una mayor selectividad •El número de cavidades a usar aumenta rápidamente al hacerlo el número de transmisores a combinar.

43


COMBINADORES HÍBRIDOS (I)

Los combinadores híbridos utilizan aisladores de ferritas y uniones híbridas.

AISLADORESFormado por Circuladores de ferrita

1

2

1

2

Carga deAdaptación

Camino directo: 0.5 dBCamino inverso: 30 dB

Garantizan que la transmisión de la señal es unidireccional (de 1 a 2, pero no de 2 a 1).


COMBINADORES HÍBRIDOS (II)

UNIÓN HIBRIDAFormada por una línea de transmisión impresa

A la Antena

Emisor 1 Emisor 2

Carga deAdaptación

Acoplamiento entre puertas:40 dBPérdidas de inserción : 3.5 dB(0.5 dB en el camino directo y 3 dBen la carga de adaptación)40 dB

3.5 dB

44


COMBINADORES HÍBRIDOS (III)

A LA ANTENA

Emisor 1 Emisor 2

0.5+3.5 dB

Ac=40+30=70 dB

Aislador

Unión híbrida

Carga adaptada

Aislador

Pérdidas de inserción totales son la suma de las pérdidas de aislador (0.5 dB) y unión híbrida (3.5 dB).

Acoplamiento total es la suma de acoplamiento del aislador (30 dB) y de la unión híbrida (40 dB).


COMBINADORES HÍBRIDOS (IV)

VENTAJAS:

•Los combinadores híbridos permiten trabajar con canales adyacentes, ya que la discriminación entre emisores no se hace por filtrado.•El tamaño es reducido

INCONVENIENTES:

•Elevadas pérdidas de inserción•Unilateralidad. Solamente son válidos para conectar transmisores, pero no receptores simultáneamente.•Coste elevado

45


DUPLEXORES

Un Duplexor permite la conexión de un emisor y de un receptor a una misma antena. Usualmente está formado por un filtro transmisor y otro receptor

Emisor Receptor

FPB FPB

VENTAJAS:•La antena presenta el mismo diagrama de radiación en emisión que en recepción.•Se ahorra espacio al tener sólo una antena•Se reduce la desensibilización del receptor•Reducen el ruido del transmisor

INCONVENIENTES:•Insuficiente aislamiento de la potencia emitida a la entrada del receptor. Es habitual usar además antenas de emisión y recepción separadas para mejorar el aislamiento.•Requieren de una cierta separación frecuencialentre la banda del enlace ascendente y del descendente


CONCEPTO DE TRX

Emisor Receptor

FPB FPB

Se suele denominar Transceptor o TRX al conjunto formado por un transmisor y un receptor en una misma estación de base.

Cada TRX está asociado con una frecuencia de emisión y una de recepción.

46


1.4.- Propagación y Coberturas


• Propagación en entornos móviles• Modelos de propagación

– Modelo de tierra plana– Modelo de Egli– Difracción por aristas– Modelo de Okumura-Hata– Modelo COST-231– Modelos para micro y picoceldas

• Desvanecimientos lentos• Desvanecimientos rápidos• Caracterización estadística del canal radio

– Canales dispersivos y no dispersivos• Técnicas de ingeniería:

– Codificación de canal– Entrelazado– Técnicas de diversidad

CONTENIDO

47


PROPAGACIÓN EN ENTORNOS MÓVILES

Pérdidas de Propagación (Path Loss)

Desvanecimiento lento

Desvanecimientos rápidos

• Zona de cobertura determinada por:– ley de disminución de potencia (path loss) función de la distancia– desvanecimientos lentos superpuestos (estadística lognormal), independientes de la distancia

• Calidad del enlace (Probabilidad de error) determinada por:– desvanecimientos rápidos (estadística Rayleigh/Rice), independientes de la distancia,

causados por la propagación multicamino

Relación entre la potencia recibida y la distancia en un entorno móvil


MODELOS DE PROPAGACIÓN

Empíricos

Semiemp.

Electromagn.

BullingtonCCIR Egli

Langley-Rice

perfilesWilkerson

Epstein&Peterson

GTD/UTD

Okumura HataLee

IkegamiWalfish

COST231

Curvas Fórmulas Curvas FórmulasRURAL URBANO

Atenuación depende de múltiples factores:atmósfera (refracción) suelo (reflexión)obstáculos (difracción) edificios/vegetación (clutter)conductividad (suelo) polarización ondafrecuencia,....

48


CARACTERIZACIÓN GENÉRICA DE UN MODELO DE PROPAGACIÓN

( ) ( )( ) ( ) ( )R T T RP dBm P dBm G dB G dB L dB= + + −

( ), ,T T R T T R

Rm B

P G G P G GPL k h h f dα= =

hm

hb

d

Ganancia de las antenas Tx y Rx

según diagrama de radiación

Potencia transmitida

PT

PR

GTGR

Coeficiente de atenuación con

la distanciaCoeficiente según

frecuencia y alturas de antenas

( )( ) 10 log , , 10 logm bL dB k h h f dα= +Expresión genérica para la atenuación o PathLoss:


• Espacio libre

MODELO DE TIERRA PLANA (I)

2

4 ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=dRGTGTPRP

πλ

h1,h2 << dρ = −1φ pequeño

• Tierra Plana

( ) ( )2 2

2 22 2 1 2 1 2 1 21 2 1 2 1 2

21 11 ······ 12 2

h h h h h hl l l h h d h h d dd d d

⎡ ⎤+ −⎛ ⎞ ⎛ ⎞Δ = + − = + + − − + = + + − − ≈⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦

dhhE

dhhsenE

eeeEeEE

oo

jjj

o

j

oT

2121

22

22

222

22)2(2

1

λπ

λπ

ρ λπ

λπ

λπ

λπ

≈

=−=+=Δ−ΔΔ−Δ−

h2d1 d2

ll1 l2

h1

d

24L dπλ

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

= α=2

49


h2d1 d2

ll1 l2

h1

d

( )21 2

4R T T R

h hP P G G

d=

MODELO DE TIERRA PLANA (II)

* doblar la altura de la antena representa 6 dB de incremento en la potencia recibida.

* atenuación proporcional a d4

* no depende de f

22 21 2

2

444R T T R

h hP P G Gd d

λ ππ λ

⎛ ⎞⎛ ⎞= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

( )

4

21 2

dLh h

= α=4


• Limitaciones observadas sobre medidas en el modelo de tierra plana:– la potencia disminuye según f1-2

– doblar la altura de la base incrementa 3 dB la potencia– atenuación crece con coeficiente depende del entorno.

• El modelo de Egli introduce una corrección sobre el modelo de tierra plana para tener en cuenta la dependencia con la frecuencia

221 2

2

4 0( )R T T R

h hP P G Gd f M H z

⎛ ⎞⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

MODELO DE EGLI (I)

50


Ejemplo:PT = 40 dBm, GT = GR = 3 dB, h1,h2 100 y 2 m, d = 50 km.

Espacio libretierra plana

Eglicobertura (-110dBm)

f=400 MHz-72.5 dBm-96 dBm-116 dBm

35 km

f=150 MHz-64 dBm-96 dBm

-107.8 dBm50 km

MODELO DE EGLI (II)

La consideración o no de la frecuencia puede dar lugar a significativas diferencias en la cobertura planificada.


• Utilización de bases de datos del terreno (perfiles con ordenador)– Promediar la altura del terreno cada 100-200m definiendo la altura media del

tierra y las alturas equivalentes de antenas (si una antena queda por debajo, utilizar la altura real)

• Tener en cuenta la difracción por obstáculos como unas pérdidas adicionales en la propagación

OTRAS CORRECCIONES AL MODELO DE TIERRA PLANA

51


• Teoría de la difracción de Fresnel-Kirchoff• obstáculos de dimensiones >> longitud de onda• atenuación respecto de la condición de espacio libre

d1 d2

h>0

-2 -1 0 1 2 31rh2=υ

0

6

12

24

h=-0.6r1

atenuación respecto E.L.

1/ 2

1 2

2 1 1v hd dλ

⎡ ⎤⎛ ⎞= +⎢ ⎥⎜ ⎟

⎝ ⎠⎣ ⎦

( )( )2( ) 6.9 20log 0.1 1 0.1 ( )DL v v v dB= + − + + −

OBSTRUCCIÓN POR OBSTÁCULOS


DIFRACCIÓN POR MÚLTIPLES ARISTAS

• modelos : Millington, Deygout, Epstein & Peterson.– Se utiliza Epstein&Peterson (pesimista)

• modelo Epstein & Peterson– línea T-O2, atenuación O1 con altura efectiva– línea O1-O3 atenuación O2 con altura efectiva– línea O2-R atenuación O3 con altura efectiva– atenuación total = suma de atenuaciones (en dB).

d1 d2 d3 d4R

O3O2

O1T

52


• Basados en campañas de medidas.• Métodos más utilizados:

– UIT-R 370 (rural)– Okumura-Hata (urbano)– Lee (urbano)– Walfish-Ikegami (urbano)

• Proporcionan un error cuadrático medio respecto de las pérdidas reales de unos 10 dB.

MODELOS EMPÍRICOS


• Medio urbano, diferentes alturas efectivas de antena, 150-450-900 MHz y PRA 1kW. Altura del receptor 1.5 m

• Curvas de intensidad de campo.• Define factores de corrección para incluir la ondulación del

terreno (Δh), pendiente del terreno, obstáculos, heterogeneidad del terreno (tierra/mar), altura del receptor, PRA y orientación de calles y densidad de edificación en zonas urbanas.

• Modelo más utilizado en Europa para predecir las coberturas de los sistemas de comunicaciones móviles.

MODELO DE OKUMURA-HATA (I)

53


MODELO DE OKUMURA-HATA (II)

Potencias recibidas para

diferentes alturas de

antena transmisora.


• Hata obtuvo fórmulas empíricas para calcular la pérdida básica de propagación Lb, para diferentes entornos

f en MHz 150 ≤ f ≤ 1500 MHzht altura efectiva antena transmisor en m 30 ≤ ht ≤ 200 mhm altura sobre el suelo de la antena receptor en m 1 ≤ hm ≤ 10 md distancia en km 1 ≤ d ≤ 20 km• a(hm) corrección por altura del móvil (0 si hm=1.5 m)

dBdlog)hlog55.69.44()h(ahlog82.13flog16.2655.69L tmtb ⋅−+−−+=

2

2

(1.1log 0.7) (1..56log 0.8) ciudad media-pequeña( ) 8.29(log1.54 ) 1.1 ciudad grande 200

3.2(log11.75 ) 4.97 ciudad grande 400

m

m m

m

f h fa h h f MHz

h f MHz

− − −⎧⎪= − ≤⎨⎪ − ≥⎩

MODELO DE OKUMURA-HATA (III)

54


• Fórmula anterior es válida para un entorno urbano.• Corrección para entornos suburbanos (edificios de 3-4 plantas y calles

anchas)

• Corrección para entorno rural (abierto, sin obstrucciones)

[ ] 4.5)28/flog(2LL 2bbs −−=

[ ] 94.40flog33.18flog78.4LL 2bbr −+−=

MODELO DE OKUMURA-HATA (IV)


• Incluyen difracción:Multipantalla (edificios entre estación base y móvil).Difracción final en el edificio más próximo al móvil.

• Incluyen reflexiones en edificios próximos a MT y BS

• Consideran el ángulo entre la calle y la dirección de llegada de los rayos (eje base-móvil)

• Aplicables a zonas urbanas y suburbanas homogéneas, con edificios de alturas similares

• Ejemplo: Modelo COST-231

MODELOS URBANOS SEMIEMPÍRICOS

55


MODELO COST 231 (I)

hB

hR

ΔhB

w

b

d

hm

ΔhR

ϕ

- Altura base: 4≤ hB ≤ 50 m

- Altura móvil: 1≤ hm ≤ 3 m

- Distancia: 0.002 ≤ d ≤ 3 km

- Frecuencia: 800 ≤ f ≤ 2000 MHz

- Separación entre edificios: 20≤ b ≤ 50 m- Anchura calles: w (típicamente b/2)- Altura edificios: hR

- Angulo calle-rayo: 0 ≤ ϕ ≤ 90º

Parámetros del modelo y gama de validez (aproximada)


• Pérdida o atenuación básica:• Atenuación en espacio libre

• Difracción último edificiodepende del ángulo rayo-calle

• Difracción multiobstáculo

msdrtsbfb LLLL ++=

)km(dlog20)MHz(flog2045,32Lbf ++=

oriRrts Lhlog20flog10wlog109.16L +Δ++−−=

⎪⎩

⎪⎨

⎧

<ϕ<−ϕ−<ϕ<−ϕ+

<ϕ<ϕ+−=

º90º55)º55(114.04º55º35)º35(075.05.2

º35º03571.010Lori

blog9flogkdlogkkLL fdabshmsd −⋅+⋅++=

⎩⎨⎧

Δ+−<Δ

=resto)h1log(18

0h0L

B

Bbsh

⎪⎩

⎪⎨

⎧

<<Δ⋅Δ−≥<ΔΔ−

≥Δ=

5.0d,0h5.0/dh8.0545.0d,0hh8.054

0h54k

BB

BB

B

a

⎩⎨⎧

<ΔΔ−≥Δ

=0hh/h15180h18

kBRB

Bd

⎩⎨⎧

−+−−+−

=)1925/f(5.14)1925/f(7.04

kfciudad de tamaño mediozona metropolitana

MODELO COST 231 (II)

w: anchura de la calle

ΔhR=hR-hm (alt. edificio – alt. móvil)

ΔhB=hB-hR (alt. base – alt. edificio)

56


MICROCELULAS (metropolitanas)– Cobertura: < 1 km (baja pot.)– usualmente en LOS (Line of Sight)– BS a baja altura.– Propagación guiada

PICOCELULAS (indoor)– fuerte obstaculización– estaciones base en cada planta– cobertura del unos 100 m (baja pot.)

base stationmobil unit

LOS

mobil unitNLOS

thick wall thin wall

base

MICROCELDAS Y PICOCELDAS


• Path loss en dB

Lbf : P. espacio libre Lbf = 32,5 + 20 log f (GHz) + 20 log d (m)Lc : Pérdida constantekwi : Número de paredes atravesadas de tipo iLwi : Pérdida de una pared de tipo in : Número de techos/suelos atravesados (entre 3-4)b : Parámetro empírico (0.46)Lf : Pérdida entre pisos adyacentes

∑ −+++++=i

fbnn

wiwicbfb LnLkLLL ])1/()2[(

MODELO DE PICOCELDAS (I)

57


Descripción Parámetro Valor (dB)

Estructuras de suelos de cementoarmado con espesor < 30 m. típicas deoficinas Lf 18,3

Mamparas (pladur) o paredes ligerasenventanadas Lw1 3,4

Tabiques interiores de ladrillo Lw2 6,9

MODELO DE PICOCELDAS (II)


DESVANECIMIENTOS LENTOS (I)

Los modelos de propagación permiten determinar el valor esperado de la potencia a una distancia d.

En las distintas posiciones en un radio a distancia d de la antena, el valor medio de la potencia recibida dependerá del entorno y de la ondulación del terreno en cada posición, originando variaciones de potencia entorno al valor predicho por el modelo de propagación.

DESVANECIMIENTOS LENTOS

d

φ

58


DESVANECIMIENTOS LENTOS (II)

-95

-90

-85

-80

-75

-70

0 50 100 150 200 250 300

t (s)

Pr (d

Bm

)

Potencia media real

Potencia según modelo de propagación a distancia d

Desvanecimientos lentos (shadowing) ocasionados por:

- Zonas de sombra debidas a la ondulación del terreno

- Presencia de objetos entre las antenas

- Vegetación y características del terreno

Sombra Buena visibilidad


EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (I)

• La potencia recibida a una cierta distancia teniendo en cuenta los desvanecimientos lentos sigue una estadística de tipo lognormal.

( )2

2

2

21)( σ

σπ

PP

rP

r

rePf

−−

=

Potencia (dBm)= 10 log P(mW) Distribución gaussiana (normal)

Potencia (mW) Distribución lognormal

(dBm): Valor medio en calculado según modelo de propagaciónPσ(dB): Desviación estándar de los desvanecimientos lentos:

- Depende del tipo de entorno

- Valores entre 6 y 12 dB

P

pdf (Pr) σ

59


EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (II)

• Debido a la aleatoriedad introducida por los desvanecimientos lentos la cobertura a una cierta distancia únicamente puede ser evaluada de forma estadística.

• Para una sensibilidad del receptor de valor PS (dBm) la probabilidad de tener cobertura a una distancia d viene dada por:

( )( )

∫∞

−−

=≥S

r

P r

PP

Sr dPePPP 2

2

2

21 σ

σπ

PS(dBm)

Area =probabilidad de cobertura

pdf (Precibida)

P


• La función error viene definida por:

( ) ∫∫ −

−

− ==x yx

x

y dyedyexerf0

22 21ππ

( ) ( ) ∫∞ −=−=x

y dyexerfxerfc221

π

-x x

( )( )2

221 1 1 12 2 22 2 2

r

S

P P

S Sr S rP

P P P PP P P e dP erf erfcσ

πσ σ σ

−−∞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞− −

≥ = = + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

∫

• Y la función error complementario:

EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (III)

60


EVALUACIÓN ESTADÍSTICA DE LA COBERTURA (IV)

Ejemplo:• Potencia del transmisor: PT=43 dBm• Pérdidas totales de acuerdo al modelo de propagación:

L(dB)=128.1 + 37.6 log (d(km))• A una distancia d=1 km

L(dB)=128.1 dBPotencia media recibida:

( ) 93.010·29.14

21

21

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=≥ erfPPP Sr

( ) ( ) dBmdBLdBmPP T 1.85−=−=

Para una sensibilidad PS=-100 dBm la probabilidad de cobertura, suponiendo un desvanecimiento lognormal con σ=10 dB:

Un 93% de los emplazamientos a distancia 1 km se encuentran dentro de la zona de cobertura


MARGEN DE DESVANECIMIENTOS (I)

MFPLLGGPP SapMBSTBSR +≥−−++=

PTBS: Potencia transmitida por la base

GBS, GM: Ganancias de la base y del móvil (típicamente GM=0 dB)

LP: Path loss (pérdidas de propagación según la distancia y de acuerdo al modelo de propagación considerado).

La: Pérdidas adicionales (conectores, atenuación debida al cuerpo humano, edificios, carrocería del coche,...)

MF: Margen del desvanecimiento lognormal

PS: Sensibilidad del terminal, de acuerdo a su factor de ruido y la SNR necesaria ( ) ))(log(10)( 0 dBWBFKTdBSNRdBWP MS +=

En la práctica, dentro del proceso de planificación de un sistema de comunicaciones móviles se suele dejar un cierto margen para compensar los desvanecimientos lognormales:

61


MARGEN DE DESVANECIMIENTOS (II)

• El margen de desvanecimiento se determina a partir del porcentaje de cobertura (típicamente 95 ó 98%)

PS(dBm)

MF

Area =0.95 ó 0.98

pdf (Precibida)

( )( )

95.022

121

21 2

2

2 =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+==≥ ∫

∞−−

−

σσπσ MFerfdpePPP

S

S

P

MFPp

Sr

16.461013.1689.87 6

MF (dB)σ (dB)

Ejemplo para 95%


CORRELACIÓN ESPACIAL

• El valor del desvanecimiento lento se puede considerar constante para una cierta ubicación. Sin embargo, a medida que el terminal móvil se desplaza a una cierta velocidad, el desvanecimiento cambia en función de las ubicaciones recorridas.

• Los desvanecimientos lentos están correlados espacialmente de acuerdo a una función exponencial:

( ) ( ) ( )[ ] cdx

exSxxSExRΔ

−

≈Δ+=Δ 2σ

Donde dc es la distancia de decorrelación, que significa que ubicaciones separadas más de dc presentarán valores de shadowing incorrelados. Depende del tipo de entorno considerado (valor típico: 20 m)

Estas variaciones se pueden contemplar también temporalmente, en función de la velocidad del terminal:

( ) ( ) ( )[ ]τ

σττ cdv

etStSER−

≈+= 2

62


• Provocados por la propagación multicamino• Sobre el terminal móvil inciden rayos con diferente retardo, amplitud y

fase

DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS

40λ

ECOS LEJANOS:Canal Dispersivo: ISI

ECOS PRÓXIMOSCanal no dispersivo: Desvanecimientos rápidos


• La señal recibida es la suma de todas las trayectorias provocadas por las reflexiones del frente de onda en los objetos cercanos en dirección a la antena receptora

• Si los objetos están próximos entre sí, la diferencia de retardo es mucho menor que los símbolos transmitidos. Sin embargo, el efecto de las diferentes fases puede ocasionar variaciones en la señal recibida:

DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS: ECOS PRÓXIMOS (I)

τ1

τ2

( ) ( )( )

( ) ( )( )∑

∑−−−+

+−−−=

ksk

ksk

tkTthd

tkTthdtr

202

101

cos

cos)(

τωτ

τωτ

Ejemplo para dos rayos:

Si τ1, τ2<<TS : ( ) ( )( ) ( )( )[ ]∑ −+−−−≈k

sk ttkTthdtr 20101 coscos)( τωτωτ

ECOS PRÓXIMOS: NO HAY DISTORSIÓN

63


DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS: ECOS PRÓXIMOS (II)

donde:

( ) ( ) ( )[ ]∑ −+−−−≈k

sk ttkTthdtr 20101 coscos)( θωθωτ

( ) ( ) ( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−−+=−+−

2coscos22coscos 21

0212010θθωθθθωθω ttt

( ) ( )∑ ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

−−+−−≈k

sk tkTthdtr2

coscos22)( 2102101

ττωττωτ

00.20.4

0.60.8

11.21.4

1.61.8

2

0 1.57 3.14 4.71 6.28

( )tr

( )210 ττω −

-15

-13

-11

-9

-7

-5

-3

-1

1

3

0 1.57 3.14 4.71 6.28

( )trlog10

( )210 ττω −

ECOS PRÓXIMOS: HAY DESVANECIMIENTOS


DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS: ECOS PRÓXIMOS (III)

En general el número de contribuciones existentes será múltiple, de modo que el equivalente paso bajo de la señal recibida se expresará como:

( ) ( ) ( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡= ∑∑ −

i

tjji

i

tji etseetsttr i 000 ReRe)( ωτωω ρα

Donde s(t) es la señal transmitida y ρi depende del coeficiente de reflexión de la trayectoria i-ésima y τi es su retardo de propagación (τi<<TS).

ρi, τi varían con el tiempo en función del movimiento del terminal y de los objetos cercanos.

El resultado es que el módulo |r(t)| puede presentar atenuaciones de hasta 40 dB respecto del valor medio de señal.

ECOS PRÓXIMOS: HAY DESVANECIMIENTOS

64


AUSENCIA DE VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RAYLEIGH (I)

En canales sin visibilidad directa (NLOS) entre emisor y receptor, se puede asumir que el número de reflexiones es muy grande y que no hay ninguna que predomine especialmente sobre las demás.

La señal recibida se puede expresar a partir de su envolvente como:

( ) ( ) ( )( )tttvetsetri

tjji

i φωρ ωτω +=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡= ∑ −

0cosRe)( 00

( ) ( ) ( )tqtitv 22 += ( ) ( )( )titqarctgt =φ

Aplicando el teorema central del límite, las componentes en fase y cuadratura i(t), q(t) se pueden aproximar por procesos gaussianos independientes de media nula y varianza igual al nivel de potencia media recibida Pr

( )[ ] ( )[ ]2

22 tvEtrEPr ==


AUSENCIA DE VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RAYLEIGH (II)

La estadística de la envolvente v(t) en canales sin visibilidad directa es de tipo Rayleigh:

O equivalentemente, en términos de la potencia de la señal recibida, se obtiene una estadística de tipo exponencial:

( ) 0 2

2

≥=−

vePvvf rP

v

rV

( ) 0 1≥=

−

peP

pf rPp

rP

65


umbral

tRáfagas de errores

C.GaussianoCanal Rayleigh

Eb/No

Pb

( )r t

AUSENCIA DE VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RAYLEIGH (III)

Evolución temporal de la envolvente:

Para asegurar una cierta tasa de error un canal Rayleighrequerirá mucha más Eb/No que un canal gaussiano!!!


VISIBILIDAD DIRECTA: ESTADÍSTICA RICE

En canales con visibilidad directa, existen rayos que presentan un nivel predominante respecto al resto. En consecuencia, la componente en fase o la de cuadratura presentan un nivel de continua A diferente de 0, dando lugar a una estadística de la envolvente de tipo Nakagami-Rice:

Donde se suele definir el cociente entre la potencia del rayo principal respecto de la potencia media local debida a las reflexiones cercanas:

( )( )

0 02

2

≥⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

+−

vPvAIe

Pvvf

r

PAv

rV

r

rPAk2

2

=

Siendo la potencia media: ( )kPPAP rrm +=+= 12

2

( ) ( ) ( ) ( ) 0 1210

212

≥⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++=

+−−

vP

kkvIeP

kvvfm

Pkvk

mV

m

Io: función de Bessel modificada de orden 0

66


COMPARATIVA RAYLEIGH-RICE

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4v

RayleighNakagami-Rice, k=10

Comparativa para potencia media recibida igual a 1 en ambos casos. Observar que con Rayleigh es más probable tener valores pequeños de la envolvente.

Para k=0 ambas estadísticas coinciden.


τ1

τ2 τ3

))(()())(()())(()(),( 332211 ttAttAttAth ττδττδττδτ −+−+−=

)()()( 321 ττττττ −≠−≠− ddd

∑ −=k

kk ttAth ))(()(),( ττδτ

Si suponemos que τi, τ j son suficientemente grandes, por estar asociados a reflexiones o ecosen objetos lejanos, τ i, τ << T (Duración de un símbolo), entonces

De forma general la respuesta impulsional de una canal con propagación multicamino puede caracterizarse por:

DESVANECIMIENTOS RÁPIDOS CON DISTORSIÓN:ECOS LEJANOS

La variación de la amplitud compleja con el tiempo está asociada a la propia dinámica del móvil

CANAL DISPERSIVO (Introduce Distorsión)

τ2 τ3 τ

h(τ,t)

τ1

( ) ( ) exp( ( ))k k kA t R t j tφ=

67


CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (I)

τ1

τ2τ3

τ3,3

τ3,2τ3,1

τ1,1

τ1,2

τ2,1

τ2,2

τ1

τ2τ3

τ3,3

τ3,2τ3,1

τ1,1

τ1,2

τ2,1

τ2,2

Ecos Lejanos:τ1 τ2 τ3 Ecos Próximos:τ1,1 τ2,1 τ3,1

Asociado a cada rayo lejano i-ésimo se generarán múltiples rayos próximos con retardos τi,j (j=1,2,..), que modelan básicamente )(tAk

es una v.a. Rayleigh en amplitud y uniforme en fase, caracterizada por sus variaciones rápidas debidas básicamente a los ecos próximos

τ2,1

τ2,2 τ2,3

τ2,4τ2,5

τ2 τ3

h(τ)

τ ττ

τ

τ1

( ) ( ) exp( ( ))k k kA t R t j tφ=


• Respuesta impulsiva del canal (Paso Bajo equivalente)

con Ak(t) un proceso estocástico complejo que juntamente con τk caracterizan un canal móvil.

τ (Retardo)

(Realizaciones)

t

Señal recibidaTransmisión

t

τ NOTA: Un canal dispersivo se caracteriza porque el módulo de su función de transferencia no es constante y su fase no es lineal

( , ) ( ) ( ( ))k kk

h t A t tτ δ τ τ= −∑

CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (II)

68


∫∫∫ =⇒=⇒=ττ

ττττd)(PDP

1K1d)(PK1d)(Pn

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧=

2

t )t,(h~E)(P ττ

delay (ns)

(dB)0

-10-20

-30

200 800

P(τ)

El PDP normalizado es Pn(t)

( )nD P dτ τ τ= ∫El Retardo medio es: y el Delay Spread es

• PERFIL DE RETARDO DE POTENCIA (Power Delay Profile)Caracteriza la potencia media de los diferentes caminos de propagación

la desviación típica del retardo del PDP

CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (III)

( ) ( )( )

2

s

D p dD

p d

τ τ τ

τ τ

+∞

−∞+∞

−∞

−= ∫

∫


• Función de coherenciaP(f)=F[p(τ)]

• Ancho de banda de coherencia: Máximo ancho de banda de transmisión sin distorsión, es decir, sin desvanecimientos selectivos en frecuencia. Es la banda B a la que P(B) = P(0) /

{ }sfDj

tpFfPπ21

1)()(+

==

sc D

Bπ21

≅/1( ) ( )sD

s

p e uD

ττ τ−=

Ejemplo.- PDP exponencial

Se puede demostrar que

2

CARACTERIZACIÓN DE CANALES DISPERSIVOS (IV)

( ) ( ) ( ){ }* , ,P E H f t H f tΔ = + Δ

69


Ts(t)

Tr(t)

DISTORSIÓN + ISI

Canal no dispersivo: (BANDA ESTRECHA)– vel. de transmisión baja

– (BW señal << BW coherencia) (T >> Delay Spread)

Canal dispersivo (BANDA ANCHA)– vel. de transmisión grande

– (BW señal << BW coherencia) (T<< Delay Spread)

T

s(t)

T

r(t)

TRANSMISIÓN DE BANDA ANCHA Y BANDA ESTRECHA


CARACTERIZACIÓN DE LAS VARIACIONES TEMPORALES (I)

( ){ }

1 / 222 ( )01 022( )

1 / 222 ( )01 022

f ff f f mf fm mG f F R ts

f ff f f mf fm m

σπ

σπ

−⎧ ⎡ ⎤−⎪ ⎢ ⎥− − ≤⎪ ⎢ ⎥⎪ ⎢ ⎥⎪ ⎣ ⎦= Δ = ⎨ −⎪ ⎡ ⎤+⎪ ⎢ ⎥− + ≥⎪ ⎢ ⎥⎪ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎩

0 f0+fmf0

Gs(f)

frecuencia

Espectro de banda estrecha (fm << fo)Frecuencia Doppler máxima fm=v/λ ( 1 GHz y 90 km/h ⇒ fm 83 Hz).

El espectro se concentra alrededor de los máximos desplazamientos de las variaciones temporales Doppler fm(Dirección de llegada de los frentes de onda uniformemente distribuida).

donde R(τ) es la función de autocorrelación de la señal recibida: { }( ) *( ) ( )n nR t E A t A t tΔ = + Δ

Espectro Doppler:

70


• Indica el ritmo de variación de la envovente de An (t): r(t). En el terminal tenemos:

• Interpretación dominio espacial:Si ε/λ>=0.5 ⇒ la correlación es pequeña DIVERSIDAD EN ESPACIO efectiva en el móvilpor separación entre antenas (17 cm a 900 MHz)

• Interpretación dominio temporal:TIEMPO DE COHERENCIA ⇒ tiempo necesario para que el canal móvil cambiesustancialmente, es decir: Rr(Δt)|τc ≅ Rr(0)/2

mc f13.4

1≅τ

( ) /mvf t t ε λλΔ = Δ =

0.1

0.5

0.5

1/4.13

Sin continua y normalizando

A 900 MHz y 90 km el tiempo de coherencia es de 3.2 mseg

distancia recorrida

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ += )2(2

0411

2

2)( ε

λππσε JrR

CARACTERIZACIÓN DE LAS VARIACIONES TEMPORALES (II)

Autocorrelación de la envolvente:


RESUMEN DE PARÁMETROS DEL CANAL RADIO

( ),h tτ

Respuesta impulsional (variante con el tiempo)

PDP: P(τ)

Delay Spread Ds

Banda de coherencia BC ∝ 1/Ds

Determina si hay o no distorsión

Asociado a las diferencias de propagación de los diferentes ecos (velocidad de la luz)

Espectro doppler

fm=v/λ

Tiempo de coherencia

τC∝1/fmDetermina la variabilidad del canal

Asociado a la velocidad del móvil

dimensión t (sistema variante)

dimensión τ (duración de la respuesta impulsional)

71


TIPOS DE ENTORNOS

30 ms(baja velocidad:

<3 km/h)

10-100 ns (reflexiones muy próximas)<100mInteriores (indoor)

1 ms(alta velocidad: 120

km/h)

5 μs(reflexiones lejanas)

< 10 kmRural montañoso

1 ms(alta velocidad: 120

km/h)

0.1 μs(pocas reflexiones)

< 10 kmRural plano

3 ms(velocidad moderada

< 50 km/h)

1-2.5 μs(reflexiones en

edificios)< 500mUrbano y suburbano

Tiempo de coherenciaDelay SpreadDistancia Tx-RxENTORNO


La presencia de desvanecimientos rápidos (desvanecimientos Rayleigh) en el canal móvil ocasiona la aparición de ráfagas de errores que degradan la calidad del enlace.

FIABILIDAD DE UN CANAL RAYLEIGH (I)

SNR (dB)

Tasa

de

Erro

r

Canal Gaussiano

Canal Rayleigh

SE REQUIERE UNA ELEVADA RELACIÓN SEÑAL-RUIDO PARA TENER TASAS DE ERROR PEQUEÑAS

Envolvente señal recibida Rayleigh Relación señal a ruido estadística exponencial

(γo es el valor medio) ( )oo

f γγγ

γγ /exp1)( −=

oo

dfbPobP

γγ

γγγγγ

21

21

1121

)()()(

≅+

−=

∫ ==

⎪⎪

⎭

⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

( )2/21)( γγ erfcbP =

QPSK

Canal Gaussiano

Canal Rayleigh

72


FIABILIDAD DE UN CANAL RAYLEIGH (II)

( )

( )

( )

000

00

00

00

0

21

)1(21

21

21/41

11214/

21

221

/2111

212/

21

41

/1111

21

21

1

NEeDPSK

NEerfcDQPSK

NEerfcQPSK

NEerfcBPSK

PP

b

b

o

b

o

b

o

bb

=+

=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+−

=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+−

=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+−

>>

− γγγ

γγγ

γ

γγγ

γ

γγγ

γ

γγ

γ


TECNICAS DE CODIFICACIÓN DE CANAL

OBJETIVO: Añadir redundancia a la información transmitida, de modo que en recepción se pueda utilizar para detectar y corregir errores de la señal recibida.

Gc

Sin codificación

Con codificación

Pb

Eb/No

Gracias a la codificación de canal se puede conseguir una cierta tasa de error con una Eb/No más baja !!!

Bits útiles: k bits

Bits totales enviados: n bits (redundancia de n-k bits)

Tasa del código: r=k/n

Cuanto menor sea r más potente es el código, pero necesitamos mayor velocidad de transmisión (más ancho de banda)

Velocidad de transmisión: R=Rb/n (Rb: velocidad sin codificar)

73


- Códigos bloque: Utilizan un mapeo fijo entre palabras de k bits y palabras resultantes de n bits Ejemplos: Códigos FIRE, BCH, Reed Solomon

- Códigos convolucionales: Generan los bits codificados a través de procesar los bits útiles mediante un registro de desplazamiento con una cierta memoria.

- Turbocódigos: Combinan dos códigos convolucionales y un proceso intermedio de entrelazado. Son códigos muy potentes, que consiguen reducir enormemente la tasa de error.

TIPOS DE CÓDIGOS DE CANAL

Existen diferentes tipos según cómo se genere la redundancia a partir de los bits útiles.


• Objetivo: Romper influencia de ráfagas de errores.• Metodología: Reordenar la información antes de enviarla.

• Se escribe por filas (según orden de llegada)• Se lee por columnas (para enviar al canal)

0,M,2M,....N-1, 1, ...... Ráfagas de errores afectan a pocos bits de la palabra código• En el receptor se vuelve a reordenar (matriz)• Retardo introducido: 2MNTb < máximo retardo tolerado• Los bits erróneos corresponden a palabras diferentes (descodificador puede corregir los errores)

ENTRELAZADO

0 1 2 3 ...... M-1M ........... 2M-12M ....................(N-1)M ...... NM-1

M columnasN filas

Nº filas. NTb ≥τcBits sucesivos de una palabra código separadosal menos el tiempo de coherencia del canal

74


ENTRELAZADO Y CODIFICACIÓN

CODIFICADOR DE CANAL ENTRELAZADO

DECODIFICADOR DE CANAL DESENTRELAZADO

CANAL

Transmisor

Receptor


TIPOS DIVERSIDAD:EspacioPolarizaciónAngularFrecuenciaTiempo

MÉTODOS DE COMBINACIÓN (según complejidad y prestaciones):Combinación por ConmutaciónCombinación por SelecciónCombinación MRC (Maximal Ratio Combining)

TECNICAS DE DIVERSIDAD

OBJETIVO: Proteger al sistema frente a los desvanecimientos multicamino(Rayleigh) consiguiendo dos o más caminos incorrelados y de potencia media similar.

75


DISPOSICIÓN DE ANTENAS EN LA BASE (I)

En Comunicaciones Móviles Celulares es usual la separación de antenas en emisión y recepción.

Configuraciones TípicasConfiguraciones Típicas

Antemnas Omnidireccionales: (Tipo colineal )

Recepción Recepción

Emisión

Diversidad enRecepción


DISPOSICIÓN DE ANTENAS EN LA BASE (II)

Antenas Directivas:Antenas Sectoriales tipo panel con diversidad en espacio.Sectores de 120 grados

Recepción Recepción

Emisión

76


• Utiliza un solo receptor.• Conmutación entre antenas cuando la señal se halla por debajo de un

umbral predeterminado.• Origina transitorios de amplitud y fase (errores en detección)• Incertidumbre al conmutar

COMBINACIÓN POR CONMUTACIÓN

Rx

Comparador

CAG Desm.

umbral


• El número de receptores es igual al orden de la diversidad.• Se monitoriza continuamente la SNR de cada receptor• Se elige la antena con mejor SNR • Origina transitorios de amplitud y fase (errores en detección)

COMBINACIÓN POR SELECCIÓN

Comparador

Rx2

Rx1

CAG1

CAG2Circuito

de Decisión.

77


• Se suman de forma ponderada y en fase las señales recibidas.• El coeficiente de ponderación depende de la SNR en cada rama para dar más peso a la rama que presenta mejores condiciones de SNR.• No hay transitorios.

COMBINACIÓN MRC

Rx2

Rx1

Circuito de DecisiónSum..

a1(t) exp(-jφ1 (t))

a2 (t) exp(-jφ2 (t))

r1(t)exp(jφ1(t)) d(t)

r2(t)exp(jφ2(t)) d(t)

a1(t) proporcional a r1(t)

a2(t) proporcional a r2(t)


Probabilidad de error con diversidad de Orden M : Mo

b1P

γ∝

M=3

M=4

M=2

CanalGaussiano

M=1

Selección

Combinación

• La combinación MRC es teóricamente entre 1 y 1.5 dBmejor que la diversidad por selección (los errores debidos a los transitorios de la conmutación no se han tenido en cuenta). No obstante la complejidad de implementación es considerablemente mayor

• A medida que el orden de diversidad aumenta la evolución de la tasa de error tiende asintóticamente a comportarse como la obtenida en canal gausiano

• Habitualmente el orden de la diversidad es M=2

SNR (dB)

Tas

a de

Err

or

PROBABILIDAD DE ERROR CON DIVERSIDAD

78


Transceptor (TRX) cambia de frecuencia (en emisión y recepción) cada cierto tiempo según una secuencia predeterminada:

FREQUENCY HOPPING

f1

f2

f3

f4

f5

t

f

TRX 1 TRX 2

Permite conseguir diversidad frecuencial y robustez frente a posibles interferencias.Es necesario establecer secuencias de salto adecuadas para evitar coincidencias entre diferentes TRX en ciertos instantes.

Emisión: f2 f1 f4 f5 f3Recepción: f2’ f1’ f4’ f5’ f3’

Emisión: f1 f2 f3 f4 f5Recepción: f1’ f2’ f3’ f4’ f5’


1.5.- Sistemas Celulares

79


• Sistemas precelulares• Sistemas celulares:

– Eficiencia de un sistema celular– Reuso de frecuencias– Tamaño del cluster– Sectorización

• Tipos de células• Planificación de sistemas celulares

– Balance de potencias– Cálculo de la distancia de ruso– Asignación de frecuencias

• Procedimientos asociados a los sistemas celulares– Handover– Búsqueda de móvil (paging)

CONTENIDO


Gran zona de cobertura : potencias elevadasReinicio de llamadas al cambiar de célulaLimitación en el número de usuarios activos.

– Baja capacidad– Elevada Prob. de bloqueo– Pobre eficiencia espectral

Características )/(1/1 2HzkmchBS

BBBS

NT

RT

T==η

SISTEMAS PRECELULARES

N: Número de canales

BT: Banda total del sistema

BR: Banda de un canal

S: Superficie

F2

F1

llamada reiniciada

80


A

BG

F

ED

CA

F

E

cluster de 7 celdas

celdas con las mismas letras utilizan las mismas frecuencias

distancia media de reuso

Sistemas basados en la reutilización de frecuencias en celdas suficientemente alejadas para no interferirse

Cobertura dividida en células (baja potencia)Hexágonos (permiten teselación con área similar al círculo)

– Tamaño de la célula depende del tráfico– Estaciones base interconectadas– Agrupacion de células en clusters

SISTEMAS CELULARES


En un cluster se utilizan todos los radiocanales.Usuarios de distintos clusters usan simultáneamente el mismo radiocanal (aumenta eficiencia )La estructura se diseña para reducir la interferencia cocanal.

EFICIENCIA DE SISTEMAS CELULARES

NC número de celdas en la superficie SK es el factor de reuso (num. células por cluster)

)/(1// 2Hzkmch

KN

KN

BSN

BNSKN cc

TTcc ηη =

⋅==

La eficiencia se incrementa respecto al caso no celular:Cuanto mayor sea Nc (más celdas y más pequeñas)Cuanto menor sea K (clusters más pequeños)

81


d

·

··

··

··

··

··

·

·

d

u1d

·

v1d

D

Distancia de reuso:

211

221

221

2

211

221

221

2 120cos2

dvudvduD

dvudvduD

++=

−+=

La distancia de reusoadecuada vendrá dada por la relación señal a interferente necesaria.

Células cocanales (se interfieren mutuamente) ·

INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (I)

d: distancia entre centros de celdas adyacentes

120º


···

··

··

··

·

···

··

··

··

·

···

··

··

··

·

···

··

··

··

·

···

··

··

··

·

···

··

··

··

····

··

··

··

·

···

··

··

··

·

···

··

··

··

·

·

D/2

El número de celdas del cluster será:

( )( )

2

2

2

232232

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛===

dD

d

D

SSK

c

H

H: hexágono que tiene la misma área que el cluster

H 1121

21 vuvuK ++=

·

En el ejemplo u1=2, v1=2 y K=12

INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (II)

82


1121

21 vuvuK ++=

u1, v1 determinan el número de celdas por cluster y el patrón de reuso, definiendo las celdas que emplean igual frecuencia que la celda considerada

No todos los tamaños de cluster son válidos. Únicamente aquellosresultantes de:

K=3, u1=1, v1=1

··

·

··

·

··

···

···

···

·

K=7, u1=1, v1=2

···

···

··

··

···

·

···

···

·

···

···

·

···

···

·

···

···

·

K=2 no es válido!

INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (III)

···

···

·

··

·

con u1, v1 enteros ≥ 0


RRD: D: distanciadistancia de de reusoreuso

PuntoPunto con con laslas peorespeorescondicionescondiciones de CIRde CIR

α

α

α⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

−β

β== 1

RD

)RD(1

R1

PPCIR

I

u

α

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −== 1

RD

61

PPCIR

I

u

αα factor de factor de atenuaciatenuacióónncon la con la distanciadistancia (2(2--5)5)

INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (IV)

Para una célula cocanal:

En la primera corona de interferentes hay 6 células cocanales:

Suponiendo celdas omnidireccionales

83


( )αα

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −= 1K3

611

RD

61CIR

( )2/1)CIR6(131K α+=

RR

d/2d/2

2330cos

2RRd

== Rd 3= KdD

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

2

KRD 3=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

INTERFERENCIAS Y DISTANCIA DE REUSO (V)

Relación entre K y CIR:

Cuanto mayor sea el requerimiento de CIR, mayor deberá ser el tamaño del cluster.


SECTORIZACIÓN (I)

• Mediante el empleo de antenas direccionales es posible subdividir una celda en sectores y reducir la interferencia, incrementando la eficiencia (el cluster puede ser más pequeño)

·

Sector 1

Sector 2

Sector 3

Célula trisectorial

·Sector 1

Sector 2

Célula bisectorial

Las células trisectoriales se emplean habitualmente en zonas urbanas, mientras que las omnidireccionales se emplean en zonas rurales.

84


SECTORIZACIÓN (II)

Al emplear sectorización la relación señal a interferente mejora al existir menos número de interferentes:

Antenas trisectoriales 120º

n=2 interferentes

Antenas bisectoriales 180º

n=3 interferentes


Antenas de 6 sectores 60º

n=1 interferente

α⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −== 11

RD

nPPCIR

I

u

( )2/1)nCIR(131K α+=

2Trisectorial16 sectores

3Bisectorial6OmnidireccionalnTipo de antena

Si n es menor el cluster puede ser más pequeño !!

SECTORIZACIÓN (III)

n: Número de interferentes

85


CELULA MULTICAPA

2+ Mb/s

In buildingpico-cell

0.01 - 0.1 km

1 - 2 Mb/s

Metropolitan

micro-cell

0.1 - 0.5 km

300 kb/s

City-Urban-Ruralmacro-cell

0.5 - 100 km

Global cell by Mobile Satellite

Macrocell

Microcell

Picocell

MACRO-CÉLULASMICRO-CÉLULASPICO-CÉLULAS

TIPOS DE CÉLULAS


• La planificación es aquel proceso mediante el cual el operador dimensiona la red celular determinando el número de celdas necesario, el reparto de los radiocanales disponibles entre las mismas y los parámetros de transmisión de cada una.

• Proceso:– Balance de potencias para el cálculo de cobertura y potencia

transmitida– Determinación de la distancia de reuso y del tamaño del cluster– Cálculo del número de radiocanales necesario– Asignación de radiocanales

PLANIFICACIÓN CELULAR

86


BALANCE DE POTENCIAS (I)

• Objetivo: calcular la zona de cobertura de una celda y la potencia transmitida por la estación de base

• Enlace de bajada (DL): RDL TBS BS M p a SMP P G G L L P MF= + + − − ≥ +

PTBS: Potencia transmitida por la base

GBS, GM: Ganancias de la base y del móvil (típicamente GM=0 dB)

LP: Path loss (pérdidas de propagación según la distancia y de acuerdo al modelo de propagación considerado).

La: Pérdidas adicionales (conectores, atenuación debida al cuerpo humano, edificios, carrocería del coche,...)

MF: Margen del desvanecimiento lognormal

PSM: Sensibilidad del terminal, de acuerdo a su factor de ruido y la SNR necesaria ( ) ))(log(10)( 0 dBWBFKTdBSNRdBWP MSM +=

,maxTBS BS M a SM p DLP G G L P MF L+ + − − − =Máximo Path Loss en DL:


BALANCE DE POTENCIAS (II)

• Enlace de subida:RUL TM BS M p a div SBP P G G L L G P MF= + + − − + ≥ +

PTM: Potencia máxima transmitida por el móvil

Gdiv: Ganancia de diversidad (si se utiliza en el enlace ascendente)

PSB: Sensibilidad de la base, de acuerdo al factor de ruido y a la SNR necesaria

( ) ( ) ( )dBWBFKTdBSNRdBWP BSSB )log(10 0+=

El resto de parámetros son igual que en el DL.

,maxTM BS M a div SB p ULP G G L G P MF L+ + − + − − =Máximo Path Loss en UL:

87


BALANCE DE POTENCIAS (III)

,max ,maxp UL p DLL L=

TM BS M a div SB TBS BS M a SMP G G L G P MF P G G L P MF+ + − + − − = + + − − −

TBS TM div SM SBP P G P P= + + −

Consideraciones para garantizar cobertura UL y DL:

1) DL: El operador puede ajustar la potencia de la base (dentro de unos límites) para conseguir la cobertura deseada

UL: La potencia del móvil es fija, de modo que es un DATO en el estudio.

2) Las herramientas de planificación (e.g. ATOLL) únicamente permiten evaluar coberturas DL ya que se basan en ubicar un transmisor y comprobar la potencia recibida en los diferentes puntos del terreno, mientras que la cobertura UL requeriría ubicar múltiples transmisores.

Para garantizar cobertura en UL y DL basta efectuar un estudio de cobertura DL suponiendo como potencia de la base el valor PTBS obtenido y comprobando que la potencia recibida en cualquier punto de la zona de estudio está por encima de la sensibilidad del móvil más el margen de fading.

Solución: BALANCEAR EL ENLACE


PROCESO ITERATIVO DE CÁLCULO DE COBERTURA

1) Calcular la potencia transmitida por la base:TBS TM div SM SBP P G P P= + + −

4) Evaluar la potencia recibida DL en cada píxel del terreno y comprobar si está por encima de la sensibilidad:

TBS BS M p a SMP G G L L P MF+ + − − ≥ + Condición DL

Nota: Gracias a tener el enlace balanceado, esta condición es equivalente a la del UL:

TM div SM SB BS M p a SMP G P P G G L L P MF+ + − + + − − ≥ +

2) Calcular el máximo path loss: ,maxp TM BS M a div SBL P G G L G P MF= + + − + − −

A partir del modelo de propagación se podría asociar Lpmax con un cierto radio de celda máximo (Rmax)

Nota: Depende de la potencia del móvil

3) Distribuir las celdas por el territorio a cubrir y configurar parámetros (altura antenas, azimut, etc.)

TM BS M p a div SBP G G L L G P MF+ + − − + ≥ + Condición UL

5) Si la Condición DL no se cumple volver al paso 3 y modificar la configuración. Aspectos que se pueden modificar serían: cambiar la altura de las antenas, variar la inclinación (downtilt), modificar el azimut, cambiar la posición de las estaciones base, etc.

Sin embargo NO MODIFICAR EL VALOR DE LA POTENCIA PTBS calculada, ya que incrementar su valor mejoraría la cobertura DL pero NO LA COBERTURA UL.

TBSP

88


El tamaño del cluster viene fijado por la CIR, mientras que el balance del enlace viene fijado por la SNR.

Las prestaciones totales para el cálculo de la tasa de error resultante en el receptor deben tener en cuenta ambos conceptos.

Así, asumiendo la hipótesis gaussiana para el modelado de las interferencias:

RELACIÓN ENTRE CIR, SNR Y CALIDAD

Rtotal

PSNIRN I

=+

11 1totalSNIR

SNR CIR

=+

Signal to Noise and Interference Ratio

( )e totalP f SNIR=1

2etotal

PSNIR

=P.ej. Canal RayleighQPSK sin codificación:

La tasa de error final vendrá dada por SNIRtotal, por la modulación empleada y por la utilización de técnicas de codificación de canal.

Para una cierta tasa de error se puede determinar el valor de SNIRtotal, pero existe un cierto grado de libertad al trasladar este requerimiento a requerimientos concretos de CIR y SNR.


CÁLCULO DEL NÚMERO DE RADIOCANALES (I)

En sistemas FDMA, TDMA o FDMA/TDMA puede aparecer bloqueo por falta de recursos disponibles.

El número de recursos (portadoras en FDMA, slots en TDMA o conjuntoportadoras/slots en FDMA/TDMA) viene dado por el ancho de banda del sistema (BT), el ancho de banda por radiocanal (Bc) y el umbral de calidad de CIR establecido (que determina el cluster K con el que debe operarse):

( ./ )BTm ch célulaB KC

=Sistema FDMA puro:

Sistema FDMA/TDMA: ( ./ )slots

BTm N ch célulaB KC=

En cualquier caso, el valor de m debe ser entero.

89


CÁLCULO DEL NÚMERO DE RADIOCANALES (II)

Normalmente se fija un GoS (Grado de Servicio) determinado en términos de la máxima probabilidad de bloqueo tolerada (e.g. 2%). Se hace uso de las tablas de Erlang-B

∑=

=

m

0k

k1

m1

B!k/m

!m/)m(P

mm11

mm

Erlang/célulaErlang/célula o o ErlangErlang/sector /sector sisi hay hay sectorizaciónsectorizaciónCh/Ch/célulacélula o ch/sector o ch/sector sisi hay hay sectorizaciónsectorización

m1: Tráfico soportado por célula o sector (Erlangs)


A partir de aquí pueden definirse una serie de parámetros derivados, teniendo en cuenta la duración media de una llamada Ts (s) y la tasa de llamadas por usuario en la hora cargada Q (llamadas/h/usuario):

CÁLCULO DEL NÚMERO DE RADIOCANALES (III)

( )

( )

1

1

Erlangs/sector (llamadas/s/sector) ( )3600

3600usuarios/sector

s u s

us

Qm T s N T

mNQ T

λ= =

⋅=

⋅

2

2( / ) u

s

NC usuarios kmR

nπ

=⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

Así, la capacidad del sistema en número máximo de usuarios por km2 soportado, suponiendo celdas de radio R y ns sectores, es:

Si la capacidad resultante no es suficiente, es posible incrementarla reduciendo el radio de la celda R, a costa de poner más emplazamientos.

Ejemplo de valores típicos: Ts=180 s, Q=0.4 llamadas/hora, lo que resulta en 0.02 Erlangs por usuario.

90


Una vez dimensionado el sistema en cuanto a tamaño del cluster y número de canales necesarios es preciso asignar las frecuencias en las diferentes células y sectores de entre la banda de que dispone el operador.

El objetivo de la asignación es satisfacer las relaciones de protección cocanal y de canal adyacente entre las diferentes células.

Protección cocanal: está asegurada mediante el tamaño del cluster de acuerdo con la máxima interferencia soportada

Protección de canal adyacente: se plantean las siguientes normas de separación mínima entre radiocanales:

- Para canales dentro del mismo sector la separación deberá ser superior o igual a 3 canales- Para sectores de una misma célula la separación deberá ser superior o igual a 2 canales- Para células colindantes deberá ser por lo menos de un canal

ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS (I)


ASIGNACIÓN DE FRECUENCIAS (II)

Métodos de asignación:

- Asignación fija: La realiza el operador durante la planificación y dimensionado de la red

La asignación es invariable a lo largo del tiempo

De acuerdo a los requerimientos establecidos en términos de separación entre radiocanales existen algoritmos heurísticos que determinan la asignación óptima en función del grado de acoplamiento (interferencia mutua) existente entre celdas.

- Asignación dinámica:Además de asignar a cada célula un conjunto de radiocanales existe la posibilidad de “pedir prestados” canales a otras células en función de las necesidades de tráfico puntuales de cada una.

91


RESUMEN PROCESO PLANIFICACIÓN

β (Usuarios/km2)

2( / )3600

sQTA Erlangs km β=

Q: llamadas/h/usuario

Ts: Duración llamada (s)

Tablas Erlang B

PB

m1 (Erlangs/sector)

Canales disponibles

M=(BT/BC)nslots

CIR requerida

Tipo de celda

(ns: num. de sectores)

( )( )21/1 1 ( )3 sK n n CIR α= +

M/ (ns K)

(canales /sector)

Tamaño cluster

2

1s

RA mn

π=

1 sm nRAπ

=Radio de la célula

(si el resultado es superior a Rmax, se tomará este último valor)

Modelo de propagación (α)

Balance del enlace

- Potencia transmitida

- Radio máximo (Rmax)

SNR requerida


LIMITACIONES PRÁCTICAS DEL PROCESO

En una situación real existirán las siguientes limitaciones en el anterior proceso:

-La cobertura de las celdas no es ni circular ni hexagonal, sino que es irregular y depende de las condiciones del terreno y de la configuración de las celdas

-La relación entre K y CIR no se puede expresar en general de forma analítica.

-El área de una celda y, en consecuencia, la cantidad de usuarios que debe soportar, dependerá de las condiciones de propagación y del terreno.

-La posición de las celdas no sigue en la práctica un despliegue hexagonal ya que la posibilidad de ubicar emplazamientos viene limitada por la disponibilidad de edificios, permisos, puntos altos, etc.

Teniendo esto en cuenta, el anterior proceso únicamente servirá como una primera estimación del radio de la celda, que deberá emplearse como entrada en una herramienta de planificación automatizada (e.g. ATOLL).

92


PROCESO DE PLANIFICACIÓN ITERATIVO

TBS TM div SM SBP P G P P= + + −

Calcular el área de cobertura de cada celda (a partir de los píxeles del terreno en que la potencia recibida

está por encima de la sensibilidad)

Distribuir las celdas por el territorio a cubrir y configurar parámetros (altura antenas, azimut, etc.)

Estimación teórica de capacidad

Radio R Balance del enlace

Cobertura satisfactoria

Modificar parámetros:

- alturas

- azimut

- downtilt

- emplazamientos

etc.

Añadir más bases (reducir radio)

Determinar el número de canales necesarios por celda (según su cobertura y la densidad de tráfico de cada píxel)

Asignación de frecuencias

Mapa de tráfico (erlangs/km2)

Prob. bloqueo

CIR requerida

M canales disponibles

Cálculo de la CIR en cada punto (cocanal y de canal adyacente)

CIR satisfactoria

NO

SI

SI

NO

Proceso completado

SNR requerida


HANDOVER : es el procedimiento que permite mantener la continuidad de una llamada al efectuar un cambio de célula, cambiando el canal utilizado

Es un procedimiento automático, sin intervencion del usuarioSupone un requerimiento adicional de señalizaciónConsume un cierto tiempo, lo que implica que debe existir un

cierto solapamiento en la cobertura de las celdas vecinas para evitar que la llamada caiga durante el proceso.

–Cuanto más pequeñas sean las células más procesos de handoverhabrá, lo que implica más señalización:

–Compromiso entre eficiencia y señalización–La sectorización también incrementa el número de handovers

HANDOVER O TRASPASO DE LLAMADA (I)

93


•El mecanismo de HANDOVER permite a los sistemas celulares garantizar la comunicación cuando un móvil se desplaza a lo largo de su zona de cobertura.

•Cuando la calidad del enlace con la base de la célula en curso se hace insuficiente, se transfiere la comunicación del móvil a la base de una nueva célula (intercell Handover) o a otro canal de la misma base (intracell Handover)

•Calidad del enlace:RSSI (Radio Signal Strength Indicator)BERRelación Señal-Interferencia (C/I)DistanciaTráfico

HANDOVER O TRASPASO DE LLAMADA (II)


Medidas– Medidas móvil

• Tasa de error• Nivel de potencia recibido• Nivel de potencia de las

estaciones base colindantes– Medidas estación base

• Tasa de error• Nivel de potencia recibido• Avance temporal

Motivación– Mala calidad– Distribución de tráfico

CRITERIOS PARA EJECUTAR UN HANDOVER

94


En función de quién lo decide:– Decidido por la red– Asistido por el móvil– Controlado por el móvil

En función de la ocupación de los canales durante el handover– Hard handover– Soft handover

TIPOS DE HANDOVER


HARD Y SOFT HANDOVER

BS1BS2

Móvil conectado

a BS1

Móvil conectado

a BS2

BS1BS2

Móvil conectado

a BS1

Móvil conectado

a BS2

Móvil conectado a BS1 y

BS2

HARD HO

SOFT HO

95


Distancia desde BS1 a BS2

HANDOVER BASADO EN RSSI (I)

Fading lento (lognormal)Fading Rápido (Rayleigh)

BS1 BS2

Path loss (Nivel teórico)

Señal recibida de BS1 Señal recibida de BS2

Los desvanecimientos falsean el momento más oportuno para la realización del Handover


•Se mide el valor medio de la RSSI de la base en uso y de las vecinas y se procede a un handover siempre que se verifique:

•Yi(n) corresponde al RSSI medidos en dB en la Base i-ésima promediado durante un cierto tiempo con objeto de eliminar las fluctuaciones del fading rápido y quedarnos con la potencia media local.

•H es un nivel de Histéresis necesario para evitar continuos Handovers en el intervalo de transición entre bases

•La elección de H responde al compromiso entre evitar continuos handovers a la vez que evitar retrasar en exceso el handover.

•Los algoritmos de Handover basados en RSSI tratan de minimizar el retraso en su ejecución y el número de ellos para evitar sobrecargas de señalización

HANDOVER BASADO EN RSSI (II)

Ynew_cell(n)>Ycurrent_cell(n)+H

96


0

+H

-HY 1 ( n ) > Y 0 ( n ) + H

Y 0 ( m ) > Y 1 ( m ) + H

B0 B1 B0 B1

x(d)=Y1- Y0

dSe produciríaHandover si nofuera por H.

Puntos de Inicio de Handover

Mayor sea el valor de H mayor será el retardo en el inicio del handover (no deseable ya que se puede perder la llamada) y menor el número de handovers intermedios (no deseables ya que producen una sobrecarga de señalización)

La elección de H resulta de un compromiso

MARGEN DE HISTÉRESIS


BÚSQUEDA DE MÓVILES (PAGING) (I)

Cuando existe una llamada entrante hacia un terminal en un sistema celular es preciso iniciar un período de búsqueda (paging) de dicho terminal dentro del sistema.

Normalmente, la posición de un terminal no se conoce a nivel de célula sino a nivel de un conjunto de células (área de localización), de modo que:

- Los pagings se envían en todas las células del área de localización

- Cada vez que un móvil cambia de área debe notificarlo al sistema

97


Tamaño óptimo del área de localización: Áreas pequeñas:

Pocos mensajes de paging.Muchos procedimientos de actualización

Áreas grandes: Muchos mensajes de paging.Pocos procedimientos de actualización

Nº celdas / área

Señalización

Pagings

Loc. Update

Total

Opt.

BÚSQUEDA DE MÓVILES (PAGING) (II)


1.6.- Radioenlaces

98


• Introducción• Estructura general de un radioenlace• Planes de frecuencias• Propagación en radioenlaces• Ecuación del enlace• Interferencias• Calidad en radioenlaces

CONTENIDO


INTRODUCCIÓN

• Radioenlace digital del servicio fijo:Sistema de radiocomunicaciones entre puntos fijos que proporciona una capacidad de transmisión digital con elevadascaracterísticas de disponibilidad y de calidad

• Características básicas:– Frecuencias: 1-40 GHz– Transmisión duplex sobre radiocanales de dos frecuencias– Propagación troposférica con visibilidad directa– Constituido por estaciones terminales y repetidores intermedios

• Ventajas en relación a sistemas por cable:– Constitución rápida de circuitos de telecomunicación– Menor inversión– Facilidad de reparación– Superación de obstáculos del terreno

99


ESTRUCTURA DE UN RADIOENLACE (I)

TATBRP1

RP2

Vano 1 Vano 2 Vano 3

TA, TB: Estaciones terminales A y B

RP1, RP2: Estaciones repetidoras

Vano: Sección de un radioenlace entre dos estaciones. La longitud típica de un vano es de hasta30-60 km, dependiendo de la frecuencia

Es posible hacer uso de reflectores pasivos en ciertos vanos.


ESTRUCTURA DE UN RADIOENLACE (II)

TA TBRP1 RP2

MUXTX

RX

TX

RXTX

RX TX

RXTX

RX

TX

RXMUX

Supervisión Supervisión Supervisión Supervisión

f1

f1

f1

f2

f2

f2

Las estaciones se ubican en lugares convenientes y suelen estar desatendidas, con funcionamiento automático, lo que requiere el uso de técnicas de supervisión, control y telemando que utilizan canales de servicio.

Para conseguir elevada disponibilidad se usan equipos de reservaque entran en funcionamiento en caso de fallos.

100


PLANES DE FRECUENCIA

Establecen las bandas de frecuencia y las capacidades de un radioenlace, especificando:

- El número de radiocanales

- Las separaciones entre frecuencias adyacentes, frecuencias extremas y bordes de banda.

- Bandas de guarda

- Frecuencias portadoras

- Frecuencia central de la banda

- Polarización

- Ancho de banda


PLAN A DOS FRECUENCIAS

Tipos de interferencia:1.- Interferencia sobrealcance (solución: A y D sin visibilidad y no alineadas)2.- Filtro receptor (solución: filtro más selectivo e incrementar la separación

entre frecuencias)

3 y 4.- Radiación por lóbulos de las antenas.(solución:plan a 4 frecuencias)

F1 F1

F2 F2

F1

F2

1

2

3

4A B C D

F1 F2

60-70 dB

101


PLAN A CUATRO FRECUENCIAS

F1 F3

F2 F4

F1

F2


( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )TOT bf di ll g deL dB L dB L dB L dB L dB L dB= + + + +

PROPAGACIÓN EN RADIOENLACES

• Problemas de propagación (atmosfera, tierra) :– Refracción– Atenuación– Difracción– Reflexión

Pérdidas totales:

Pérdida de espacio libre

Difracción por obstáculos

Atenuación por lluvia

Atenuación por gases y vapores

atmosféricos

Pérdida por desenfoque de

las antenas

102


PÉRDIDAS EN ESPACIO LIBRE

2

4 b fL

P G GT T RP P G GR T T R dλπ

⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠

=

( ) 9 2 .5 2 0 lo g ( ) 2 0 lo g ( )b f d BL d km f G H z= + +

A partir de la expresión de la potencia recibida en condiciones de espacio libre se obtiene que las pérdidas son:


• Teoría de la difracción de Fresnel-Kirchoff• obstáculos de dimensiones >> longitud de onda• atenuación respecto de la condición de espacio libre

d1 d2

h>0

-2 -1 0 1 2 31rh2=υ

0

6

12

24

h=-0.6r1

atenuación respecto E.L.

1/ 2

1 2 1

2 1 1 2 hv hd d rλ

⎡ ⎤⎛ ⎞= + =⎢ ⎥⎜ ⎟

⎝ ⎠⎣ ⎦

( )2( ) 6.9 20 log 0.1 1 0.1diL dB v v⎛ ⎞= + − + + −⎜ ⎟⎝ ⎠

DIFRACCIÓN POR OBSTÁCULOS

La atenuación es despreciable si h<-0.6r1 (condición de clearance o despeje)

21

21

ddddnrn +

= λ

103


• Índice de refracción: n = c/v n > 1 (troposfera).Depende de: humedad, presión atmosférica, temperatura...

PROPAGACIÓN TROPOSFÉRICA: REFRACCIÓN

• Si dn/dh >0 el rayo se aleja de la Tierra

• Si dn/dh=0 propagación en línea recta

• Si dn/dh <0 el rayo se acerca a la Tierra

12

3

• Tierra fictícia: Modificar la curvatura de la Tierra para que la propagación sea en línea recta

R KRodndh Ro

≡ = +⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

−1 1

con: |K| ≥0,6Atmósfera estándar K=4/3

Trayectoria real

Curvatura real Tierra

Curvatura Ficticia Tierra

Trayectoria ficticia


ALTURA DE LAS ANTENAS

• Objectivo: minimizar los efectos de la refracción y la difraccióny

x

T RR=KRo

Rxy2

2

−≅

0.6 r1

• Condición de diseño:

h

Ecuación curvatura de la Tierra

K=0.6 peor condiciónpropagación

obso

obs

HKR

ddddd

Hfrh

++=

=+Δ+≥

26.0

6.0

2121

1

λHobs

Δf

d1 d2

104


ATENUACIÓN POR GASES Y VAPORES ATMÓSFERICOS (I)

En trayectos troposféricos las moléculas de oxígeno y de agua absorben energía electromagenética, produciendo una atenuación que puede ser muy alta a ciertas frecuencias.

La atenuación se calcula a partir de la atenuación específica del oxígeno γo y del vapor de agua γh :

( )( ) ( / )· ( )g o hL dB dB m d mγ γ= +

Sólo es relevante a frecuencias superiores a 10 GHz

El oxígeno presenta un pico de atenuación para 57 GHz, mientras que el vapor de agua tiene tres picos para 22 GHz, 183.3 GHz y 325.4 GHz, de acuerdo con las frecuencias de resonancia molecular.


ATENUACIÓN POR GASES Y VAPORES ATMÓSFERICOS (II)

3 10 100

0,01

0,1

1

10

Presión atm.= 1013,6mbT= 20ºC

7,5 g/m3 de vapor de agua H2O O2

At. e

spec

ífica

(dB/

Km)

Frecuencia (GHz)

105


ATENUACIÓN POR LLUVIA (I)

La atenuación por lluvia depende básicamente de la frecuencia y de la intensidad de lluvia. Empieza a ser importante a frecuencias mayores que 10 GHz. Se calcula como el producto de la atenuación específica por la longitud efectiva:

,( ) [ / ] [ ]ll LLUVIA ef LLUVIAL dB dB km l kmγ= ⋅

αγ RKkmdBLLUVIA ⋅=)/(

Siendo R la intensidad de lluvia en mm/h y K y α unas constantes que dependen de la frecuencia, la polarización y el ángulo de elevación. Pueden aproximarse por:

Longitud efectiva del vano (km):

1ef

o

dl dd

=+

0.010.01535 Rod e−= ⋅

R0,01: Intensidad de lluvia para el 0.01% del tiempo


ATENUACIÓN POR LLUVIA (II)

Valores de K y α según la frecuencia y la polarización:

1.0301.0610.1130.12425

1.0651.0990.06910.075120

1.1281.1540.03350.036715

1.2641.2760.008870.010110

αVαHKVKHFrec(GHz)

106


ATENUACIÓN POR LLUVIA (III)

Atenuación específica de la lluvia

γLLUVIA


ATENUACIÓN POR LLUVIA (IV)

La intensidad de lluvia se caracteriza de forma probabilística. El CCIR definió 14 zonas climáticas caracterizadas por una estadística de lluvia:

El objetivo del diseñador consiste en calcular la atenuación debida a la lluvia que se supera con una determinada probabilidad (o porcentaje de tiempo). Así podemos calcular el margen de protección (o sobre- dimensionamiento de potencia) necesario para combatir la lluvia.

Valores de R (intensidad de lluvia en mm/h)

107


DESVANECIMIENTOS

Variaciones del nivel de señal recibida respecto de la potencia media.a) Variaciones aleatorias, poco profundas, con distribución gaussiana (centelleo). No suelen producir efectos apreciables.b) Desvanecimientos lentos (gran duración: minutos/horas)

- Por efecto de difracción: compensados con la elección adecuada de las alturas de las antenas- Por lluvia: Importantes para f>15 GHz. Se combaten imponiendo un límite a la longitud del vano- Estadística gaussiana- Profundidad: 3-10 dB

c) Desvanecimientos multitrayecto (corta duración: milisegundos)- Interferencia entre ondas que alcanzan el receptor siguiendo trayectos diferentes (reflexiones en el suelo y en capas estratificadas)- Pueden ser muy intensos (20-30 dB) y tienen carácter selectivo.- Probabilidad de aparición proporcional a f·dn

- Se compensan mediante técnicas de diversidad y ecualización- Estadística Rayleigh o Rice


• Ecuación de Transmisión :

PN K Ta Teq B FKToB= + =( )• Ruido:

G Sef= 42π

λGanancia antena: ( ) 2/5 λDG ≅Antena parabólica:

• Margen de fading :

PN FK To B=

PRmin SNR min FKTo B=

SN R m in

PT

MARGEN DE FADING(protección frente a desvanecimientos)

ECUACIÓN DEL ENLACE

( ) ( )( ) ( ) ( )R T T R TOTP dBm P dBm G dB G dB L dB= + + −

PR (nominal)

108


• Interferencias externas ⇒ Afectadas por discriminación angular Da [ϕ]

• Interferencias internas ⇒ Afectadas por discriminación por polarizaciónque depende de los desvanecimientos según Dp(dB)= Dp0-[Af (dB)/2]

Dpocopolar

crospolar

ϕ100º

Da

G

GANANCIA ANTENAS(por polarización directa y cruzada)

Interferencia Interna

InterferenciaExterna

Señal útil

• Enlace de un solo salto

ϕ

INTERFERENCIAS


Hay desvanecimientos solamente en el tramo útil (peor caso)

RELACIÓN SEÑAL A INTERFERENCIA

• Nivel señal útil

• Nivel señalinterferente externo

• S/I ( ) ( )2 21 aT T R I I

aExterna TI TI RI f f

DP G G d dS DI P G G d A d A

ϕϕ

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ≅ ⋅⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠

Si antenas y equipos son iguales

• S/I2

0 0p pT T R

Interna TI TI RI f f

D DP G GSI P G G A A

= ⋅ ⋅ ⋅ ≅

Si antenas y equipos son iguales

Interferencias externas

Interferencias internas

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )R T T R TOT fP dBm P dBm G dB G dB L dB A dB= + + − −

( ) ( ) ( ),( ) ( ) ( )I TI TI RI a T IP dBm P dBm G dB G dB D L dBϕ= + + − −

109


• Señal interferente ruido gaussiano de potencia igual ala potencia interferente (hip. pesimista)

• En general S/NT y S/NI dependen del desvanecimiento Af

• Prob. de error se ha de garantizar por debajo de un valor (calidad) en presencia de interferencias.

• Por ejemplo QPSK

• Para conseguir una cierta Pb es preciso que la relación señal a ruido más interferencia esté por encima de un cierto umbral: γo

Pb erfc o= 12

12

γ

( ) ( )( ) ( )

2 21 11

1 12 2 2

( ) ( ) 1 / // /( ) ( ) ( )

o o TTT I

s t s t S N S IS N S In t n t n t

γ γ − −−− −= = = → = +

++

CALIDAD DEL RADIOENLACE


MARGEN BRUTO Y NETO

Con objeto de hacer frente a la presencia de desvanecimientos el radioenlace se diseña para trabajar con una relación señal a ruido nominal superior al mínimo necesario γo.

MARGEN BRUTO (MB): Máxima atenuación tolerable por el radioenlace si no hubiera interferencias:

/ fo

T

S AN

γ =S: Señal recibida en valor nominal (sin desvanecimiento)

NT: Ruido térmico.

MARGEN NETO (MN): Máxima atenuación tolerable por el radioenlace en presencia de interferencias:

/ fo

T

S AN I

γ =+

( )1 1

( ) 10logf oT

S SA MN dB dBN I

γ− −⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎢ ⎥= = − + −⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

( ) ( )( )f oT

SA MB dB dB dBN

γ⎛ ⎞

= = −⎜ ⎟⎝ ⎠

I: Potencia interferente.

Siempre se cumplirá: MB ≥ MN(Si MB>>MN significa que el radioenlace está limitado por interferencias, mientras que si MB≈MN el radioenlace presenta pocas interferencias)

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