31/08/2012

INSTITUCION UNIVERSITARIA DE

ENVIGADO

Tecnología en Gestión de Redes 2012-1

Modulación

Modulaciones analógicas

Modulaciones digitales

Codificación

Duplexación

FDM, TDM, CDM

Técnicas de acceso al medio

FDMA, TDMA, CDMA

OFDM/OFDMA

RADIOCOMUNICACIONES

Modulación

La modulación es una operación que consiste básicamente en hacer

variar, con arreglo a una ley determinada (otra señal por ejemplo), una

de las características de una onda (generalmente la amplitud, la

frecuencia, la fase o una combinación de éstas), de modo que las

modificaciones de la misma permitan a continuación, y en otro sitio,

identificar las señales moduladoras, y/o reconstruir la ley según la cual

se ha producido la modulación.

Para qué modular ???

• Para adaptar las señales al medio.

• Para multiplexar señales.

• Para optimizar consumo de recursos (espectro y potencia).

• Para reducir efectos del ruido y la interferencia.

• Para superar limitaciones de los equipos.

• Para simplificar componentes y facilitar su construcción (antenas,

transmisores y receptores.

Básicamente hay dos tipos de modulación según las características de las señales utilizadas: Modulación analógica y Modulación digital.

Portadora ModuladoraSeñal

ModuladaNombre

Analógica Analógica Analógica Analógica

Digital Analógica Digital De pulsos

Analógica Digital Analógica Digital

Digital Digital Digital Codificación

Tipo/Parámetro Analógicas Digitales Digitalización

En amplitud

AM-DSBFC

AM-SSBFCAM-SSBSCAM-SSBRC

AM-ISB

AM-VSB

ASKSC-ASK

xQAMPAM

En frecuencia FM

FSKCP-FSK

MSK

GMSK

PWM

PPM

En fase PM

BPSKD-PSKQ-PSKxPSK

xQAM

Otros

PCMDPCM

DM

Modulación analógica:

(t) = A(t) cos ( 2fct + (t) )

Modulación

de amplitud

Aplicaciones:

• Usos militares

• Radioaficionados

• Televisión (crominancia)

• Radiodifusión

• Video en TV

• Telemetría y comunicaciones móviles

• Comunicaciones analógicas por satélite

Modulación angular

Modulación de

frecuencia

Aplicaciones:

• Radiodifusión

• Comunicaciones móviles

• Ingeniería de sonido

• Comunicaciones analógicas por satélite

Modulación de

fase

Aplicaciones:

• Radiodifusión

• Ingeniería de sonido

Modulación digital:

ASK (Amplitude Shift Keying) → SC-ASK (Suppressed Carrier

ASK)

FSK (Frquency Shift Keying) → MSK/CP-FSK (Minimum Shift

Keying)/(Continuous Phase FSK) y GMSK (Gaussian MSK)

PSK (Phase Shift Keying) → BPSK, DPSK y xPSK

QAM (Quadrature Amplitude Modulation) → xQAM

La modulación digital se utiliza principalmente para adaptar

señales binarias al medio de transmisión. Las principales

modulaciones de este tipo son:

Señal que ha de modular la portadora

ASK (frecuencia y fase constantes)

FSK (amplitud y fase constantes)

PSK (amplitud y frecuencia constantes)

tiempo

tiempo

tiempo

tiempo

Los puntos a, b, c , d y e corresponden a un

cambio de f ase de 180°

amplit

udam

plitud

amplit

udam

plitud

a bc

de

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

Q I C

0,765V

1,848V

0,765V

1,848V

0,765V

1,848V

0,765V

1,848V

-135°

-135°

-45°

-45°

+135°

+135°

+45°

+45°

Entrada

Binaria Fase y amplitud

de salida de

8QAM

twccos

twccos

twsen c twsen c

101

100

111

110

000

001 011

010

Constelación para 8QAM

ciclo

bits

Hzbandadeanchomínimo

bpsntransmisiódetasaEspectralEficiencia

)(___

)(__

Esquema de

modulaciónCodificación

Ancho de banda fN

(Hz)

Eficiencia espectral

(bps/Hz)

FSK Bit sencillo fb 1

BPSK Bit sencillo fb 1

QPSK/QAM Dibit fb/2 2

8-PSK Tribit fb/3 3

8-QAM Tribit fb/3 3

16-PSK Quadbit fb/4 4

16-QAM Quadbit fb/4 4

No: Densidad espectral de potencia de

ruido

E: Energía de símbolo (E=nEb, donde

Eb es la energía de bit)

Eo: Energía de la señal con la máxima

amplitud

n: Número de bits por símbolo (n=Log2

M)

Probabilidad de error en modulaciones digitales:

Constelaciones para 16PSK y 16QAM con E=Eo=Es

1

2

sE

sEsE

sE

Símbolo QAM Símbolo PSK Símbolos QAM y PSK

Modulación de pulsos (digitalización):

PCM (Pulse Coded Modulation)

→ DPCM (Differential PCM) y

A-DPMC (Adaptative DPCM)

DM (Delta Modulation) → ADM

(Adaptative DM)

Señal que ha de modular la portadora

PAM (ancho y posición constantes)

PWM (amplitud y posición constantes)

PPM (ancho y amplitud constantes)

tiempo

tiempo

tiempo

tiempo

ampl

itud

ampl

itud

ampl

itud

ampl

itud

Codificación

Codificación de voz

Codificación para adaptación de señales al medio

Codificación para compresión de datos

Codificación para corrección y detección de errores

Codificación para seguridad de la información

La codificación es básicamente una “modulación” en la cual ambasseñales (portadora y moduladora) son digitales y se operansiguiendo cierto “algoritmo”. Existen cinco dominios amplios parala codificación, los cuales son:

PCM (Pulse Coded Modulation) en codificación de voz:

Filtro

pasabanda

Señal

de voz

Muestreador/Retenedor

(Modulador PAM)

PCM lineal

300Hz

3,4KHz

ts,f

s

Señal limitada en

banda Señal PAM

q

CODEC

n

00101101

Cuantización y

codificación

Compresor

digital

Tx

PCM

comprimido

0100110

MEDIO DE TRNASMISIÓN

300Hz

3,4KHz

Expansor

digital

Rx

CODEC

n

Retenedor

PCM

comprimido

0100110

PCM lineal

00101101

Señal PAM Señal

de voz

El muestreo se realiza a una f recuencia fs=8KHz, se ubica en

uno de los q niv eles de cuantif icación y se codif ica a n bits.

Las etapas Tx y Rx son de adaptación al medio e incluy en otra

serie de procesos.

Decodificación

y retención

Filtro

pasabanda

El muestreo se realiza a una frecuencia fs=8 KHz, se ubica cada

muestra en uno de los q niveles de cuantificación y se codifica

con n bits.

Las etapas Tx y Rx son de adaptación al medio e incluyen otra

serie de procesos.

Códigos de línea:

Códigos Unipolar, Polar y Bipolar

Código Manchester

Código Duobinario

Dicode, Bifase Space, Bipolar de Alta Densidad

HDB3

M-aria

2B1Q, 3B2T, 4B3T

Espectro de potencia de diferentes codificaciones

Codificación HDB3

Codificación M-aria

Dígitos de entrada

Dígitos codificados

Forma de onda

transmitida y(t)

Codificación para compresión de datos:

La codificación para comprimir datos (como la compansión digital

por ejemplo) se realiza con el fin de aprovechar la redundancia en

los datos, transmitir menos información y por lo tanto reducir los

requerimientos de ancho de banda y velocidad para la

transmisión.

La mayoría de las codificaciones realizadas con estos propósitos

se efectúan en niveles muy superiores al nivel físico y de enlace.

Algunos formatos de compresión muy conocidos son el MPG para

video, el JPG para imágenes, el MP3 para audio, el RAR para datos

en general, entre muchos otros.

Consiste en adicionar una cantidad determinada de bits a lainformación transmitida de tal manera que una variación en ellosrefleje una alteración en los datos y pueda ser reconocido por elreceptor.

Detección de errores:• Redundancia• Codificación de cuenta exacta• Paridad• Chequeo de redundancia vertical y horizontal• Revisión de redundancia cíclica

Corrección de errores:• Sustitución de símbolos• Retransmisión• Seguimiento de corrección de error

ARQ

FEC

Usan ACks

y NACs

• De bloque

•

Convolucionale

s

Codificación para detección y corrección de errores:

Codificación para seguridad de la información:

Por lo general son llamados sistemas de encriptación o cifrado, loscuales implementan algoritmos complejos para “convertir” lainformación a un formato que solo pueda ser entendido(desencriptado o descifrado) por un receptor que conozca tanto elalgoritmo utilizado como uno o dos parámetros adicionalesdenominados keys o claves (passwords).

• Síncronos

•

Autosincronizante

s

Algoritmos

criptográfico

sDe

clave

pública

De

clave

privada

Utilizan los

principios de

ocultación,

transposición y

sustitución

Cifrado

de flujo

Cifrado de

bloque

Ejemplos de estándares: RC4, DES, 3DES, PGP, AES, PKI, WEP,MD5, Rijndael, CMEA, A1/A5 y A5/A2

El modelo de sistema de comunicaciones

Medio

de Tx

Procesamiento

de señal

Modulador

Transmisor

Desti

no

Procesamiento

de señal

Demodulador

Receptor

Fu

en

te

m(t)

s(t)

n(t)

r(t)

m(t)

Este es un modelo simple de comunicaciones, pero en la mayoría de las

aplicaciones hay requerimientos y características particulares que hacen

que el modelo sea más complejo pues considera que:

1. Los sistemas deben permitir comunicación bidireccional.

2. El medio es compartido por múltiples usuarios.

Entonces de momento se dirá que los sistemas inalámbricos, en la mayoría

de los casos, tendrán que implementar técnicas y mecanismos para

hacerle frente a estos requerimientos.

Duplexación

Duplexación es la técnica para hacer que la comunicación sea full

duplex. Existen dos tipos de duplexación desarrolladas e

implementadas hasta el momento: Frequency Division Duplex (FDD)

y Time Division Duplex (TDD).

Normalmente en la práctica, una comunicación duplex o full duplex se

establece utilizando dos canales simplex, uno para cada dirección de

transmisión.

La duplexación es muy importante a la hora de considerar las

tecnologías a desplegar en un área determinada (un país por

ejemplo), porque determina el esquema de funcionamiento y la ruta

evolutiva hacia sistemas de mayores prestaciones en el futuro.

Frequency Division Duplex (FDD):

Time Division Duplex (TDD):

Code Division Duplex (CDD):

Es una técnica basada en codificación.

No tiene hasta el momento demasiadas implementaciones

comerciales debido a su complejidad junto con las técnicas

de acceso al medio.

Una aplicación importante ha sido en algunos sistemas

satelitales modernos.

La idea con CDD es que el canal de subida (UpLink) y el de bajada

(DownLink) utilicen la misma frecuencia, al mismo tiempo, pero

utilizando codificaciones ortogonales de las señales con un “código

clave” diferente en cada dirección.

Técnicas de acceso al medio

Se definen para el subnivel MAC de la capa de Enlace en el

modelo OSI.

Su implementación es física.

Implican “únicamente” a la interfaz de radio del sistema.

Están relacionadas con la capacidad, calidad, eficiencia,

seguridad, confiabilidad, disponibilidad, velocidad de

transmisión, flexibilidad y compatibilidad/interoperabilidad

del sistema particular.

Las técnicas de acceso al medio comprenden ciertos esquemas que se

han propuesto e implementado para asignar los recursos de la red a

los usuarios de la misma; específicamente, determinan la manera

como los usuarios acceden al medio de transmisión para utilizarlo.

Cada usuario en una frecuencia diferente

Un canal es una frecuencia

Ejemplos: AMPS, TACS, TD-SCDMA

Cada usuario en un periodo de tiempo (TS - Time Slot)

Un canal es una frecuencia específica usada durante un periodo específico

Ejemplos: IS-136, PDC, GSM, EDGE, TD-SCDMA

Cada usuario usa la misma frecuencia todo el tiempo pero su patrón de

código cambia constantemente

Un canal es un patrón de código único

Ejemplos: IS-95, WLAN, CDMA2000, WCDMA, BlueTooth, TD-SCDMA

OFDMA

Cada usuario usa un subconjunto de subportadoras de frecuencia y se

usa multiplexación en el tiempo sobre cada una de ellas

Un canal de tráfico es un subconjunto de subportadoras usado durante

un periodo específico

Examples: Mobile WiMAX, LTE, UMB

Frequency Division Multiple Access (FDMA):

El sistema es analógico.

El “factor de reutilización” puede ser de 0,25 o 0,1428; es

decir, 4 y 7 celdas por cluster respectivamente.

Predominante durante la primera generación de sistemas

celulares.

Su base técnica es FDM (Frequency Division Multiplex).

En FDMA, la banda asignada se subdivide en bandas mas pequeñas

(canales) que son asignados a cada usuario para la comunicación. La

modulación empleada es típicamente FM.

...Ch1 Ch4 Ch6 ...f

Canales paraUplink

Ancho de bandaasignado

Canales paraDownlink

Usuario 2

Voz Modulación con fch6

Usuario 1

Voz Modulación con fch4

Usuario 3

Voz Modulación con fch1

Ventajas de FDMA:

• Es simple y de fácil implementación.• Económico en la fabricación de componentes.• Las técnicas empleadas inciden “indirectamente” pero de formafavorable en el cubrimiento del sistema.

Desventajas de FDMA:

• Baja capacidad y dificultad a escalar el sistema en este aspecto.• Limitaciones de espectro.• Es pobre en las comunicaciones de datos.• La privacidad es mínima.• El fraude (clonación) es muy simple de realizar.• Tiene poca inmunidad frente a casi todos los fenómenos nocivospresentes en la propagación.

Time Division Multiple Access (TDMA):

El sistema es por definición digital.

El “factor de reutilización” puede ser de 0,25 o 0,1428; es

decir, 4 y 7 celdas por cluster respectivamente.

Predominante durante la segunda generación de sistemas

celulares.

Su base técnica es TDM (Time Division Multiplex).

En TDMA, la banda asignada se subdivide en bandas mas pequeñas –

igual que en FDMA – pero cada sub-banda es asignada a cada usuario

solo durante cierto periodo de forma cíclica durante la comunicación.

La modulación empleada es típicamente FM/GMSK.

...Ch1 Ch6 ...f

Canales paraUplink

Ancho de bandaasignado

Canales paraDownlink

Usuario 2

Voz Modulación con fch6

Usuario 1

Voz Modulación con fch1

Usuario 3

Voz Modulación con fch1

...t

Longitud de latrama

TS4

...TS1 TS4

t

Longitud de latrama

Ventajas de TDMA:

• Capacidad 3 a 6 veces mayor que la de TDMA.• Permite jerarquización de celdas.• Mejor desempeño en comunicaciones de datos.• Mayor seguridad debido a la digitalización.• Mayor inmunidad al ruido.• Mejora el rendimiento de las baterías en los terminales.• Facilita la prestación de nuevos servicios.• Es bastante efectivo en cuanto a costos.

Desventajas de TDMA:

• La capacidad aun no es considerable.• Limitaciones de espectro.• La asignación de time slots es generalmente rígida.• Muy vulnerable al fenómeno de multitrayectoria.• Su evolución hacia esquemas avanzados de acceso es muy compleja ycostosa.• Requiere sincronización.

Code Division Multiple Access (CDMA):

Es un sistema completamente digital.

El “factor de reutilización” es de 1 !!!.

Predominante para la tercera generación de sistemas

celulares.

Su base técnica es CDM (Code Division Multiplex).

En CDMA, la banda asignada se subdivide en bandas de anchura

considerable que son asignadas a cada usuario para la comunicación,

pero cada usuario codifica dicha comunicación con códigos (PN y

Walsh) diferentes y ortogonales entre sí (canales). La modulación

empleada es típicamente PM/xPSK.

Las técnicas de espectro ensanchado:

Las técnicas de Spread Spectrum (SS) fueron desarrolladas para

optimizar la utilización del espectro en los sistemas inalámbricos.

La idea básica es lograr – mediante ciertas operaciones y procesamiento

de las señales – que la información que se va a transmitir ocupe un

ancho de banda considerablemente mayor al que realmente necesita

para ser radiada.

Hay básicamente dos tipos de técnicas SS:

• DS-SS (Direct Sequence – Spread Spectrum)

• FH-SS (Frequency Hopping – Spread Spectrum)

Señal ensanchada a 1,2288 Mcps

Aplicada al transmisor

(Mcps = MegaChips por segundo)

Mezclador

Secuencia PN a

1,2288 Mcps

Fuente de datos a

19,2 Kbps

b. Espectro ensanchado por

secuencia directab. Espectro ensanchado por saltos

en frecuencia

DS-SS:

FH-SS:

Ventajas de CDMA:

• Capacidad muy superior a la de los sistemas FDMA y TDMA.• Factor de reutilización igual a 1.• Desempeño optimizado en comunicaciones de datos.• Seguridad innata en el sistema debido a la codificación.• Buena inmunidad al ruido y al fenómeno de multitrayectoria.• Mejora considerable en rendimiento de las baterías en los terminales.• Facilita la prestación de nuevos servicios.• Fácil migración hacia esquemas avanzados.

Desventajas de CDMA:

• Intensivo en procesamiento de señal.• Esquemas complejos para el control de potencia.• Cell brithing presente.• Cubrimiento relativamente menor que en TDMA.• Electrónica compleja y costosa.• Evolución relativamente lenta.• Tecnología muy costosa.

Orthogonal Frquency Division Multiple Access (OFDMA):

Al igual que CDMA tiene muy fuerte fundamentación

matemática; no obstante, el sistema final es relativamente

simple y no es tan intensivo en procesamiento de señal.

Las implementaciones más notables son en sistemas DAB y

DVB, en algunas de las tecnologías xDSL y en parte del

estándar 802.11. Otras son aplicaciones en WiMAX y otras

tecnologías, incluyendo las celulares B3G y 4G.

Su base técnica es OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplex).

En OFDMA, la banda asignada se subdivide en bandas muy angostas

que son asignadas dinámicamente a los usuarios para en envío de

información. La modulación empleada es típicamente PM/xPSK o

AM/QAM.

Qué es OFDM?:

Es una técnica de multiplexación y acceso al medio que utiliza

básicamente FDM para asignación del espectro.

En OFDM, las señales de información de múltiples fuentes son

combinadas para formar un solo flujo de datos multiplexado creado a

partir de un denso paquete de subportadoras de reducido ancho de

banda (típicamente de 100 a 8000 subportadoras); lo que quiere decir

que se necesita tanto sincronización como coordinación para el

funcionamiento de todo el sistema.

Todas las subportadoras se traslapan en el dominio de la frecuencia (se

interfieren mutuamente) pero no causan un destructivo nivel de

Interferencia Inter-Portadora (Inter-Carrier Interferente, ICI) debido a

que la modulación tiene una naturaleza de ortogonalidad en frecuencia.

(1b)

(5b)

(4b)

(3b)

(2b)

(1a)

(5a)

(4a)

(3a)

(2a)

20

10

0

20

10

0

20

10

0

20

10

0

20

10

00 2 4 6 8 10 12 14 165 10 15 20 25 30

1

0

-1

1

0

-1

1

0

-1

1

0

-1

2

0

-2

Portadora en tiempo

(tomando 32 muestras)Portadora en frecuencia

(usando FFT de 32 puntos)

T

o

jiji

jiCdttStS

0)()(

El conjunto de señales Si(t) son

ortogonales unas con otras si se

cumplen las condiciones impuestas

por la Ecuación 1. Si cualquier par

de diferentes funciones del

conjunto son multiplicadas e

integradas en el periodo de un

símbolo, el resultado es cero.

donde:

- C: número real

- T: periodo del símbolo

casootroen

MkTttkfsentSk

__0

,...2,10)2()(

0donde:

- fo: espaciamiento de portadora

- M: número de portadoras

Lo bueno de OFDM:

Disminución de los efectos nocivos a la señal por multitrayectoria, lo que a su vez

reduce la ISI y facilita la sincronización.

En un futuro, las tasas de datos obtenidas con OFDM podrían resultar imposibles

de alcanzar con sistemas de portadora única.

Alta tolerancia a otros efectos de propagación como la atenuación Doppler, el

peak power clippling y el ruido gaussiano.

Ofrece mayor capacidad en cuanto a número de usuarios posibles en una celda

individual.

La característica “rectangular” del espectro de señal OFDM facilita la prevención

de interferencia con sistemas OFDM vecinos.

Aunque actualmente hay esquemas CDMA avanzados que ofrecen prestaciones

muy superiores, OFDM ofrece una enorme simplicidad comparativamente

hablando, además de que su desempeño empieza a incrementarse a un ritmo

exponencial en el tiempo.

Lo malo de OFDM:

Aunque los adelantos que han permitido proponer a OFDM como tecnología

candidata para la 4G son significativos, aun existen problemas relacionados con el

costo de los componentes.

Todavía existe cierta inseguridad por parte del mercado (fabricantes y operadores)

sobre la viabilidad de implementación de OFDM en sistemas celulares.

Los organismos de estandarización y normalización a nivel mundial han

especificado poco hasta el momento.

Las tecnologías actualmente establecidas también siguen una evolución

acelerada, que comparativamente podrían causar una subestimación de OFDM por

parte del sector.

Hay una necesidad muy marcada de proteger las inversiones hechas para 3G, por

lo que un sistema OFDM de 4G deberá satisfacer dicha necesidad para que

comercialmente sea aceptado.

N2 subportadoras

durante Tf

N1 subportadoras

durante Tf

N3 subportadoras

durante Tf