Uni fiee scm sesion 03 interfaz radio

Sistemas de Comunicaciones Móviles

Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Ingeniería de Telecomunicaciones

Sesión: 3Fundamentos de la Interfaz radio

Prof. Ing. José C. Benítez P.

Sesión. Fundamentos de la interfaz radio

1. Concepto.

2. Enlaces.

3. Duplexación.

4. Acceso múltiple.

5. Modelo energético.

6. Cobertura radioeléctrica

7. Modelo de red.

8. Modelo de sistema de transmisión.

1. La interfaz radio

1. La interfaz radio

• Es la interfaz móvil-base.

• Proporciona la movilidad: es imprescindible.

• Limita las prestaciones del sistema, debido a:

• Características de la transmisión por radio:

• inestabilidad de la señal,

• distorsión,

• interferencia.

• Limitación de ancho de banda (por regulación).

2. Enlaces

• Enlace Descendente (Down Link)

• Enlace Ascendente (Up Link)

(Requiere Técnicas de multiacceso)

• Alcance de la estación Base (Talk Out)

• RetroAlcance (Talk back) de la

estación móvil)

2. Enlaces

3. Duplexación

• Permiten la comunicación full-duplex entre MS y BTS.

• Hay dos técnicas:

• FDD (Frequency Division Duplex - Duplexado por

división de frecuencia).

• TDD (Time Division Duplex - Duplexado por

división de tiempo).

3. Duplexación

FDD: Duplexado por división de frecuencia

• Cada móvil se comunica a través de

un radiocanal.

• Un radiocanal se compone de dos

frecuencias (fi, fi’).

• Una comunicación requiere dos

frecuencias.

• Frecuencias separadas para Tx y Rx.

• UL: menor potencia de transmisión

en el móvil (menor atenuación a

menor frecuencia).

3. Duplexación

TDD: Duplexado por división de tiempo

• UL y DL operan en la misma banda de frecuencias, utilizando

diferentes slots de tiempo.

• Intervalos de tiempo separados para Tx y Rx, utilizando la misma

frecuencia en los dos sentidos.

• Los intervalos de tiempo son suficientemente cortos, para que la

transmisión en los dos sentidos sea aparentemente simultánea.

• Se utiliza una sola frecuencia para la comunicación.

Permite asimetría, lo que se presta para

comunicación de datos.

3. Duplexación

4. Acceso múltiple

Dimensiones de un proceso de

radiocomunicación

4. Acceso múltiple

• FDMA (separación en frecuencia)

� (+) Sencillez.

� (−) Número de equipos en la base; poca flexibilidad en la tasa binaria;

dificultad para incluir señalización asociada.

• TDMA (separación en el tiempo)

� (+) Menos equipos; no duplexor; flexibilidad para canales de distinta

tasa binaria; facilidad para señalización asociada.

� (−) (Sólo modulaciones digitales); sincronización estricta; interferencia

en equipos (p. ej. de audio).

• CDMA (separación en el “código”).

� (+) Flexibilidad (como TDMA); más capacidad (discutible).

� (−) (Sólo digital); control de potencia muy estricto; tecnología compleja

• SDMA (separación en ubicación o dirección espacial).

� (+) Eficiencia en el uso de los recursos.

� (−) Más equipos (células o sectores); complejidad (antenas inteligentes).

• Otras técnicas:

� Aloha ranurado (S-Aloha): para acceso inicial.

4. Acceso múltiple

• Los sistemas móviles siempre incluyen una componente FDMA.

De acuerdo con esto, existen

� Sistemas FDMA. Ej.: AMPS.

� Sistemas FDMA/TDMA. Ej.: GSM.

� Sistemas FDMA/CDMA. Ej.: UMTS.

� ···

• Se llama radiocanal a la unidad mínima de FDMA.

� Ej.: en GSM un radiocanal (portadora) ocupa unos 200 kHz;

y se divide en 8 intervalos de tiempo, según una estructura

TDMA.

4. Acceso múltiple

4. Acceso múltiple

Distribuciones de frecuencias

en el canal móvil

5. Modelo energético

Entidades y parámetros de la interfaz radio

PRAD: Potencia radiada aparente del Tx deseado.

PSD: Potencia Señal deseada.

ED: Campo eléctrico del Tx deseado en la antena Rx.

EI: Campo eléctrico interferente total.

Perturbaciones:

Pnext: Potencia Ruido externo.

Pnint: Potencia Ruido Interno.

Pst: Potencia Total Señales

interferentes en el receptor


D D



En el lado de Tx:

• Transmisor (TX), encargado de la

generación de la señal modulada.

• Circuitos de acoplo de antena, entre

los que se encuentran aquellos

elementos (alimentadores,

multiplexores, circuladores) que

permiten adaptar la antena al

transmisor.

• El circuito de antena lo constituyen

los elementos disipativos de la

antena.

• Por último, se dispone de una antena

ideal. El conjunto formado por el

circuito de antena y la antena ideal

constituye la antena real.


En el lado de Rx:

• Antena ideal.

• El circuito de antena representa a los

elementos disipativos de la antena

receptora. Este circuito junto con la

antena ideal forman la antena

receptora real.

• Los circuitos de acoplo del receptor,

constituidos por duplexores, filtros,

línea de alimentación, …, es decir, por

los elementos de adaptación entre la

antena y el receptor.

• El receptor (RX), encargado de extraer

de la señal modulada la información

transmitida.


Las potencias en el modelo energético:

• En el lado de la transmisión (dBm).

� Potencia entregada por el transmisor

(Pet).

� Potencia entregada a la antena real

(Pt’).

� Potencia ficticia entregada a la

antena ideal, sin pérdidas,

equivalente a la antena real, o

potencia radiada (Pt).

� Potencia isótropa radiada

equivalente en dirección al receptor

(PIRE).


Las potencias en el modelo energético:

• En el lado de la recepción (dBm).

� Potencia ficticia disponible en una

antena receptora isótropa (Pi).

� Potencia ficticia disponible en los

terminales de la antena receptora

ideal, equivalente a la antena

receptora real, (Pr).

� Potencia disponible a la entrada de

los circuitos de acoplo del receptor

(Pr’).

� Potencia disponible a la entrada del

receptor (Pdr).


Las pérdidas (dB):

• Pérdidas en los circuitos terminales del transmisor: Ltt.

• Pérdidas en la antena de transmisión, dadas por la expresión Lat=10.log(100/ecdt), donde ecdt es la

eficiencia de radiación de la antena TX.

• Pérdidas en los circuitos terminales del receptor: Ltr.

• Pérdidas en la antena de recepción, dadas por la expresión Lar=10.log(100/ecdr), donde ecdr es la

eficiencia de radiación de la antena RX.

• Pérdida básica de propagación, entre antenas isótropas, Lb, que es función de la frecuencia, la

distancia, el modo y el medio de propagación.

• Pérdida de transmisión entre antenas ideales, Lt.

• Pérdida del sistema, definida entre los interfaces de las antenas reales, Ls.

• Pérdida global, Lg, definida entre la salida del TX y la entrada al RX.


Las ganancias (dB), se considerarán como pérdidas negativas, y son las siguientes:

• Ganancia de potencia de la antena transmisora, Gt’.

• Directividad de la antena transmisora, Dt.

• Ganancia de potencia de la antena receptora, Gr’.

• Ganancia directiva de la antena receptora, Dr.

Se interpreta la ganancia de potencia de una antena como el producto de la directividad

por la eficiencia de radiación (ITU-R.- Rec. V.573-4: Radiocommunication vocabulary.-

Internacional Telecommunication Union, Switzerland, 2000. p.14.).


0

antant

T

Tf =

• Dipolo (antena): “fuente de ruido”

Tant

0cuadcuad )1( TfT −=

• Cuadripolo: “añade ruido”

Tcuad

g

Para un cuadripolo pasivo a T0: fcuad = l = 1/g

• Sistema

Ttotal

0

entrada la a totalsis

T

Tf =

10

cuadcuad +=

T

Tf

• Factor de ruido f =SNRi

SNRo

Definiciones de factor de ruido

• Factor de ruido equivalente en cascada (Formula de Friis):

La magnitud del ruido generado por un dispositivo

electrónico, por ejemplo un amplificador, se puede

expresar mediante el denominado factor de ruido (f).

La razón de señal a ruido (SNR ó S/N) es la razón de

potencia entre una señal (información valiosa) y el ruido

de fondo. (P es la potencia y A la amplitud rms)

Pn = fKTB

Pn es la potencia del ruido de entrada en watts (W)

f es el factor de ruido.

K es la constante de Boltzmann (1.38 X 10-23 J/°K)

B es el ancho de banda en Hertz (Hz)

T es la temperatura en grados Kelvin (To=290oK=17oC)


Ruido en el receptor

dtrar

pa

r

trar

pa

d

trar

pa

ar

trarasis

lll

g

f

ll

g

l

ll

f

l

llff

11

1

1

1

11

−+

−+

−

+−

++−=

WfTkN sis0= N: potencia de ruido


Calidad en Comunicaciones Digitales

WfTkN sis0=

RfkT

S

RN

S

N

S

R

W

N

EB

sis000

===

N: potencia de ruido

S: potencia de señal

R: tasa binaria

Eb/N0=SNR/(eficiencia espectral)

S/N: SNR

R/W: eficiencia espectral (bps/Hz)


Modulaciones Digitales

• Modulaciones utilizadas en Comunicaciones Móviles

– BPSK

– QPSK

– GMSK (equivalente a BPSK con conformación de pulsos)

– En los últimos años se han introducido 8-PSK, 16-QAM.

• Receptor:

– Para símbolos independientes: Filtro adaptado (óptimo)

– En presencia de ISI: Filtro adaptado y algoritmo de Viterbi

(óptimo) o ecualizador (subóptimo).

• Conformación de pulsos:

– Reducción de lóbulos laterales.

– Posible ISI.


Modulaciones Digitales


Conformación de pulsos

4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3

x 106

-40

-30

-20

-10

0

dB

4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3

x 106

-40

-30

-20

-10

0

dB

-50 0 50 100 150 200 250 300 3500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-50 0 50 100 150 200 250 300 3500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Tiempo Frecuencia


Conformación de pulsos

Ejemplo: espectro de señal GSM


Codificación del canal

Tipos de códigos:

• Detección de errores / corrección de errores.

• Bloque / convolucional / turbo.

Formas de decodificación:

• Soft / hard.

Utilización en Comunicaciones Móviles:

• Código externo: detector (bloque)

• Código interno: corrector (convolucional o

turbo; a veces bloque)

• Entrelazado.


Codificación del canal

Código

externoEntrelazado

Canal (propagación)

Código

internoModulador

Desentrel. Demod.

···

···

Decod. int.Decod. ext.

Detector

Bloque

Corrector (FEC)

Convolucional / Turbo / Bloque

Soft / Hard

Bits de fuente

···

Bloque: correcto o erróneo. Si erróneo: eliminación o retransmisión (ARQ).


Código corrector (FEC – Forward error correction)

Hay que distinguir EB/N0 de fuente y de canal. Normalmente se utiliza

la de fuente (es decir, considerando la tasa binaria de fuente).

Efectos de la codificación de canal:

(1)(–) Reducción de EB/N0 de canal, para una EB/N0 de fuente dada

• Debido al aumento de la tasa binaria tras codificar

(2) (+) Capacidad correctora.

(3) (–) Aumento de la tasa binaria.

� (1) y (2) afectan a la BER final. El código es útil cuando (2) supera a

(1).

� Aumento de tasa binaria afecta al ancho de banda, salvo en

sistemas de espectro ensanchado.

5. Modelo energéticoCódigo corrector (FEC – Forward error correction)

Ejemplo: código BCH (n=127,k=36)

(a) BER sin código

(b) BER de canal con código

(c) BER de fuente con código

4 5 6 7 810-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Eb/N0 (dB) de fuente

(b)

(a)

(c) Ganancia de codificación:

reducción de EB/N0 para una

calidad objetivo

Zona útil: ganancia positiva

Ganancia de codificación

BE

R

k: bits antes de codificar

n: bits tras codificar

k/Tbloque: R antes de codificar

k/Tbloque: R tras codificar


Tasa de codificación

• La tasa de codificación indica la proporción entre bits de fuente y de

canal. Es menor o igual que 1.

• Para códigos convolucionales o turbo son habituales los valores 1/2, 1/3.

• La tasa de codificación de un código corrector puede ajustarse de forma

fina por medio de:

� Repetición:

� Se repiten algunos bits de canal

� Sus posiciones son conocidas en el receptor

� Esos bits se reciben con más fiabilidad.

� Eliminación (puncturing):

� Se eliminan algunos bits de canal

� Sus posiciones son conocidas en el receptor

� El algoritmo de decodificación tiene en cuenta que para esos

bits no se dispone de información.


Entrelazado

• En un canal de propagación

multitrayecto los errores se

suelen producir en ráfagas,

correspondientes a periodos de

desvanecimiento.

• El objetivo del entrelazado es

dispersar los errores, de modo

que ya no aparezcan en ráfagas.

• De esta forma el código

corrector puede corregir mejor

los errores.


Código detector: ARQ

• La detección de errores logra una tasa de bloques erróneos (BLER)

arbitrariamente pequeña (idealmente 0) por el procedimiento de

retransmitir los bloques recibidos incorrectamente (ARQ).

• En comunicaciones móviles, el nivel recibido o EB/N0 instantánea tiene

variaciones grandes (debidas a multitrayecto). Los errores tienden a

producirse cuando el nivel recibido es bajo.

• En un sistema sin ARQ, conseguir una BLER muy pequeña requiere un

planteamiento conservador: exigir niveles medios de EB/N0 muy

grandes, para que aún cuando el nivel instantáneo baje no se produzcan

errores.

• El uso de ARQ permite detectar (a posteriori) qué bloques han tenido

errores, y tomar las medidas necesarias sólo para esos bloques.

(+) Menor EB/N0 media necesaria

(–) Retardo variable para cada bloque


Código detector: ARQ


Zona de cobertura




7. Modelo de red

7. Modelo de red

8. Modelo de transmisión

8. Modelo de transmisión

Bibliografía

1. Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant:

"An Introduction to GSM", Artech House, March 1995, ISBN

978-0-89006-785-7

2. Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant:

"GSM and Personal Communications Handbook", Artech

House, May 1998, ISBN 978-0-89006-957-8

3. M. Boulmalf, S. Akhtar. Performance Evaluation of

Operational GSM's Air-Interface (Um). UAE University.

4. http://www.gsma.com/latinamerica/

5. http://en.wikipedia.org/wiki/Um_interface

6. http://www.3gpp.org/

S3. Interfaz radio

Blog del curso:

http://uniscm.blogspot.com

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