Redes y sistemas de comunicación inalámbrica

Descripción física

Omnidireccional

Direccional

Por lo tanto, la radio de difusión no requiere antenas en forma de plato

y las antenas no tienen que estar rígidamente montadas en una alineación precisa.

Descripción física

Un satélite de comunicación es, en efecto, una estación repetidora de microondas.

Se utiliza para enlazar dos o más transmisores/receptores de microondas terrestres, conocidos como estaciones terrestres o estaciones de tierra.

El satélite recibe las transmisiones en una banda de frecuencias (enlace ascendente), amplifica o repite la señal y la transmite en otra frecuencia (enlace descendente).

Un solo satélite en órbita operará en varias bandas de frecuencia, llamadas canales transpondedores, o simplemente transpondedores.

Aplicaciones

El satélite de comunicación es una revolución tecnológica tan importante como la fibra óptica.

Distribución de televisión

Transmisión telefónica a larga distancia

Redes de negocios privados

Descripción física

El tipo más común de antena de microondas es el

Un tamaño típico es de unos 3 m de diámetro

La antena está fijada rígidamente y se centra en una estrecha para lograr línea de la transmisión de la vista a la antena receptora

Las antenas de microondas suelen estar situadas a alturas considerables sobre el nivel del suelo para ampliar el alcance entre las antenas y poder transmitir por encima de los obstáculos que se interpongan.

Para lograr una transmisión a larga distancia, se utiliza una serie de torres de retransmisión de microondas, y los enlaces de microondas punto a punto se encadenan a la distancia deseada.

Aplicaciones

Un uso primario de los sistemas de microondas terrestres es a largo plazo

El servicio de microondas requiere muchos menos amplificadores o repetidores que el cable coaxial sobre a la misma distancia, pero requiere una transmisión de línea de visión.

Las microondas se usan comúnmente para la transmisión de voz y televisión.

Otro uso cada vez más común de las microondas es para la transmisión de punto a punto

Enlaces entre los edificios Esto puede ser usado para un circuito cerrado de TV o como un enlace de datos entre las redes de área local.

En un sistema de transmisión de datos, el medio de transmisión es el camino físico entre el transmisor y el receptor.

Guiado

Con los medios guiados, las ondas son guiadas a lo largo de un medio sólido, como el par trenzado de cobre, el cable coaxial de cobre o la fibra óptica

No Guiado

La atmósfera y el espacio exterior son ejemplos de medios no guiados, que proporcionan un medio de transmisión de señales electromagnéticas, pero no las guían

En ambos casos, la comunicación se realiza en forma de ondas electromagnéticas.

La fórmula de Nyquist indica que, siendo todas las demás cosas iguales, al duplicar el ancho de banda se duplica la tasa de datos

Ahora considera la relación entre la tasa de datos, el ruido y la tasa de error. La presencia de ruido puede corromper uno o más bits.

Si se aumenta la tasa de datos, entonces los bits se vuelven "más cortos" en el tiempo, de modo que más bits se ven afectados por un determinado patrón de ruido.

Por lo tanto, a un nivel de ruido dado, cuanto mayor sea la tasa de datos, mayor la tasa de error.

Esto expresa la cantidad, en decibelios, que la señal prevista excede el nivel de ruido.

Un SNR alto significará una señal de alta calidad. La relación señal-ruido es importante en la transmisión de datos digitales porque establece el límite superior de la velocidad de datos alcanzable.

El resultado de Shannon es que la capacidad máxima del canal, en bits por segundo, obedece a la ecuación

donde C es la capacidad del canal en bits por segundo y B es el ancho de banda del canal en Hertz.

La fórmula de Shannon representa el máximo teórico que se puede alcanzar

En la práctica, sin embargo, sólo se logran tasas mucho más bajas. Una razón para ello es que la fórmula asume ruido blanco (ruido térmico).

Visto en función del tiempo, una señal electromagnética puede ser analógica o digital

Una señal analógica es aquella en la que la intensidad de la señal varía de forma suave con el tiempo.

En otras palabras, no hay rupturas o discontinuidades en la señal

Una señal digital es aquella en la que la intensidad de la señal mantiene un nivel constante durante algún período de tiempo y luego cambia a otro nivel constante

Visto en función del tiempo, una señal electromagnética puede ser analógica o digital. Una señal analógica es aquella en la que la intensidad de la señal varía de forma suave con el tiempo.

Una señal digital es aquella en la que la intensidad de la señal mantiene un nivel constante durante algún período de tiempo y luego cambia a otro nivel constante.

El tipo de señal más simple es una señal periódica, en la que la misma señal se repite a lo largo del tiempo. En la figura 2.2 se muestra un ejemplo de una señal analógica periódica (sinusoidal y una señal digital periódica (onda cuadrada).

Existe una relación directa entre la capacidad de transporte de información de una señal y su ancho de banda: cuanto mayor sea el ancho de banda, mayor será la capacidad de transporte de información.

La figura 2.3 muestra el efecto de variar cada uno de los tres parámetros. En la parte (a) de la figura, la frecuencia es de 1 Hz; por lo tanto, el período es T = 1 segundo. La parte b) tiene la misma frecuencia y fase, pero con un pico de amplitud de 0,5. En la parte (c) tenemos f = 2, que es equivalente a T = 0.5. Por último, la parte (d) muestra el efecto de un desplazamiento de fase de p/ 4 radianes, que es 45 grados (2π radianes = 360° = 1 período).

Los términos analógico y digital corresponden, a grandes rasgos, a continuo y discreto, respectivamente

Datos

Brevemente, definimos los datos como entidades que transmiten significado, o información

El período de la señal total es igual al período de la frecuencia fundamental. El período del componente sin (2pie) es T= 1/f, y el período de s (t) es también T, como puede verse en la figura 3c.

Señales

Señales son representaciones eléctricas o electromagnéticas de los datos.

Trasnmisión

Transmisión es la comunicación de los datos por la propagación y el procesamiento de las señales.

Esta forma de onda tiene un número infinito de componentes de frecuencia y por lo tanto un ancho de banda infinito. Sin embargo, la amplitud máxima del kth El componente de frecuencia, kf, es sólo 1/k, por lo que la mayor parte de la energía de esta forma de onda está en los primeros componentes de frecuencia.

En un sistema de comunicaciones, los datos se propagan de un punto a otro por medio de señales electromagnéticas. Una señal analógica es una onda electromagnética que varía continuamente y que puede propagarse por diversos medios, dependiendo de la frecuencia;

Por lo general, los datos analógicos son una función del tiempo y ocupan un espectro de frecuencias limitado

El mejor ejemplo de esto es voz datos. Como el sonido olas, los datos de voz tienen componentes de frecuencia en el rango de 20 Hz a 20 kHz

Para todas las entradas de sonido en el rango de 300 a 3400 Hz, se produce una señal electromagnética con el mismo patrón de amplitud de frecuencia.

En lo que sigue, nosotros probemos para aclarar estos conceptos abstractos discutiendo los términos análogos y digital como aplicado a los datos, las señales y la transmisión.

Los datos digitales también pueden ser representados por señales analógicas mediante el uso de un módem (modulador - demodulador).

El módem convierte una serie de pulsos de tensión binarios (dos - valorados) en una señal analógica mediante la modulación de una frecuencia portadora

La señal resultante ocupa un determinado espectro de frecuencia centrado en la portadora y puede propagarse a través de un medio adecuado para esa portadora.

Tanto las señales analógicas como las digitales pueden ser transmitidas en medios de transmisión adecuados. La forma en que se tratan estas señales es una función del sistema de transmisión.

La transmisión analógica es un medio de transmitiendo señales analógicas sin tener en cuenta su contenido;

las señales pueden representar analógicos datos (por ejemplo, voz) o digital datos

datos (por ejemplo, datos que pase a través de a modem).

En cualquier caso, la señal analógica sufrirá una atenuación que limita la longitud del enlace de transmisión

Para lograr distancias más largas, el sistema de transmisión analógica incluye amplificadores que aumentan la energía de la señal.

Desafortunadamente, el amplificador también aumenta los componentes de ruido

Con los amplificadores en cascada para lograr largas distancias, la señal se distorsiona cada vez más

Una variedad de impedimentos puede distorsionar o corromper una señal. Una deficiencia común es el ruido, que es cualquier señal no deseada que se combina con y, por lo tanto, distorsiona la señal destinada a la transmisión y recepción.

A los efectos de esta sección, simplemente necesitamos saber que el ruido es algo que degrada la calidad de la señal. En el caso de los datos digitales, la cuestión que se plantea entonces es hasta qué punto estos impedimentos limitan la tasa de datos que puede lograrse

La velocidad máxima a la que pueden transmitirse los datos a través de una determinada vía de comunicación, o canal, en determinadas condiciones se denomina capacidad del canal.

Velocidad de datos

Esta es la tasa, en bits por segundo (bps), a la que los datos pueden ser comunicados.

Ancho de banda

Este es el ancho de banda de la señal transmitida como limitada por el transmisor y la naturaleza del medio de transmisión, expresada en ciclos por segundo, o Hertz.

Tasa de error

Esta es la tasa en la que se producen los errores, donde un error es la recepción de un 1 cuando se transmitió un 0 o la recepción de un 0 cuando se transmitió un 1.

Para empezar, consideremos el caso de un canal que no tiene ruido. En este entorno, la limitación de la velocidad de los datos es simplemente el ancho de banda de la señal.

Lo contrario también es cierto: Dada una anchura de banda de B, la mayor velocidad de la señal que puede ser transportada es de 2B

El resultado es útil en el desarrollo de esquemas de codificación de digital a analógico

Esta limitación se debe al efecto de la interferencia entre símbolos, como la que produce la distorsión por retardo.

Una formulación de esta limitación, debida a Nyquist, establece que, si la velocidad de transmisión de la señal es de 2B, entonces una señal con frecuencias no superiores a B es suficiente para transportar la velocidad de la señal.

Uno de los efectos clave que causan el desvanecimiento es la propagación por trayectos múltiples.

Difracción

ocurre en el borde de un cuerpo impenetrable que es grande en comparación a la longitud de onda de la onda de radio. Cuando una onda de radio encuentra tal ventaja, las ondas se propagan en diferentes direcciones con el borde como fuente. Por lo tanto, las señales pueden ser recibido incluso cuando no hay LOS sin obstrucción del transmisor.

Reflection

ocurre cuando una señal electromagnética encuentra una superficie que es grande en relación con La longitud de onda de la señal.

un efecto no deseado de La propagación por trayectos múltiples es que varias copias de una señal pueden llegar a una señal diferente etapas.

Si estas fases se suman destructivamente, la resultante a potencia de la señal puede ser menor por un factor de 100 o 1000 (20 o 30 dB).

El segundo fenómeno, de particular importancia para la transmisión digital, es intersímbolo interferencia (ISI).

Pequeños Desvanecimientos

Grandes desvanecimientos

ambién se producen variaciones rápidas en la intensidad de la señal en distancias de aproximadamente media longitud de onda. A una frecuencia de 900 MHz, que es típica para dispositivos móviles. aplicaciones celulares, una longitud de onda es de 0,33 m. La forma de onda que cambia rápidamente en La figura muestra un ejemplo de la variación espacial de la amplitud de la señal recibida en

Al diseñar un sistema de comunicaciones, las comunicaciones
el ingeniero necesita estimar los efectos
de desvanecimiento por trayectos múltiples y ruido en el
móvil
canal.

El desvanecimiento de Rayleigh

ocurre cuando hay múltiples caminos indirectos entre
transmisor y el receptor y no hay una ruta dominante distinta, como una ruta LOS.

El desvanecimiento de Rician

caracteriza mejor una situación en la que hay un camino directo de LOS en Además de una serie de señales indirectas multitrayectoria.

El término adelante se refiere a los procedimientos mediante los cuales un receptor, utilizando solo información
contenido en la transmisión digital entrante, corrige errores de bit en los datos.

Esta está en contraste con la corrección de errores hacia atrás, en la cual el receptor simplemente detecta presencia de errores y luego envía una solicitud al transmisor para retransmitir Los datos por error.

La corrección de errores hacia atrás no es práctica en muchas aplicaciones inalámbricas. Por ejemplo, en comunicaciones por satélite, el cantidad de retraso involucrado hace retransmisión indeseable

En comunicaciones móviles, las tasas de error son
a menudo tan alto que existe una alta probabilidad de que el bloque de bits retransmitido además contener errores

En estas aplicaciones, se requiere corrección de errores hacia adelante.

Se puede aplicar a transmisiones que transportan información analógica.(por ejemplo, voz o video analógico) o información digital (por ejemplo, datos digitales, voz digitalizada
o video) y se utiliza para combatir la interferencia entre símbolos.

El proceso de igualación.

implica algún método de reunir la energía del símbolo disperso nuevamente dentro

Su intervalo de tiempo original

La ecualización es un tema amplio; las técnicas incluyen el
utilizar de entonces- llamadocircuitos analógicos agrupados, así como un sofisticado procesamiento de señal digital
algoritmos

Las características de un canal inalámbrico pueden cambiar cientos de veces por segundo debido al desvanecimiento y al desplazamiento Doppler

os sistemas modernos usan adaptativos modulación y codificación (AMC) a ajustar su esquemas sólo como con rapidez. Modulaciónny odificación

En esencia, crean señales que envían tanta información
como posible (dentro de un poco probabilidad de error restricción) para un dado señal recibida fuerza y ruido, luego detectan y corrigen los errores. Para adaptarse cientos de veces por segundo, dos características deben estar presentes en los protocolos para un sistema.

Todos los mecanismos de corrección anteriores buscan aumentar el uso eficiente del ancho de banda de un canal, comúnmente medido en una eficiencia de bps / Hz. Pero según la teoría de Shannon, hay un límite para esta eficiencia para una relación señal / ruido dada. Si los requisitos de rendimiento superan lo que se puede lograr en un ancho de banda dado, se utilizan una serie de enfoques de expansión de ancho de banda

Agregación de portadores

ombines múltiples canales. Por ejemplo, 802.11ny 802.11ac combinan los canales de 20 MHz de los estándares 802.11 anteriores en canales de 40, 80 o 160 MHz.

Frecuencia reus

permite reutilizar las mismas frecuencias portadoras cuando los dispositivos están lo suficientemente lejos como para que la relación señal / interferencia sea lo suficientemente baja. Esto se ha proporcionado tradicionalmente al dividir un área de cobertura celular en celdas grandes, llamadas macroceldas, de varios kilómetros de diámetro. Las celdas lo suficientemente lejos pueden reutilizar las frecuencias.

Onda milimétrica (mmWave)

Las bandas son frecuencias más altas en las bandas de 30 a 300 GHz que tienen más ancho de banda disponible en canales de ancho de banda más amplio. Recuerde que l = c / f, entonces 30 a 300 GHz tiene longitudes de onda de 10 a 1 mm.

Las comunicaciones tradicionales, cableadas o inalámbricas, simplemente modulan una señal de banda base hasta un canal de transmisión y frecuencia requeridos. No hay cambios en el original. señal ocurre. Sin embargo, se han utilizado dos métodos para superar el canal inalámbrico impedimentos; Las señales se modifican significativamente para la transmisión.

Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)

divide una señal en muchos flujos de velocidad de bits más bajos que se transmiten a través de frecuencias espaciadas con precisión. Esto puede superar el desvanecimiento selectivo de frecuencia utilizando un ancho de banda significativamente menor por flujo con tiempos de bits más largos. Cada una de estas frecuencias se puede amplificar por separado. El Capítulo 8 proporciona un examen exhaustivo.

Spread spectrum

hace que una señal use un ancho de banda 100 veces o más ancho, con menor densidad de energía en cada frecuencia. Esto puede superar situaciones selectivas de frecuencia;
incluso Si algunos frecuencias son pobre, bueno en general rendimiento medio se consigue. Esto se examina en el Capítulo 9.

MIMO multiusuario (MU-MIMO) extiende el MIMO básico
concepto a múltiples puntos finales, cada uno con múltiples antenas. La ventaja de MU-MIMO en comparación con MIMO de usuario único es que la capacidad disponible se puede compartir para satisfacer demandas que varían con el tiempo. Las técnicas MU-MIMO se utilizan tanto en Wi-Fi como en Redes celulares 4G.

Enlace ascendente: canal de acceso múltiple (MAC):

Múltiples usuarios finales transmiten simultáneamente
de forma simultánea a una sola estación base.

Enlace descendente: Canal de transmisión (BC):

La estación base transmite por separado flujos de datos a múltiples usuarios independientes.

En un esquema MIMO, el transmisor y el receptor emplean
Múltiples antenas.

Diversidad espacial:

los mismos datos se codifican y transmiten a través de múltiples antenas, que efectivamente aumenta la potencia en el canal proporcional al número de antenas de transmisión.

Spatial multiplexing

Un flujo de datos fuente se divide entre la transmisión
antenas La ganancia en la capacidad del canal es proporcional al número disponible. de antenas en el transmisor o receptor, lo que sea menor.

El flujo de datos de origen se divide en n flujos secundarios, uno para cada de las n antenas transmisoras.

Las subtransmisiones individuales son la entrada a la transmisión

Las subtransmisiones individuales son la entrada a la transmisión antenas (entrada múltiple).

Si un transmisor y el receptor implementa un sistema con múltiples antenas, esto se llama entrada múltiple sistema de salida múltiple (MIMO).

Diversidad

La diversidad espacial se puede lograr para tener múltiples señales recibidas a través de múltiples antenas de transmisión y / o recepción. Si no se puede lograr el espacio
Para una independencia total de la señal, todavía se pueden lograr algunos beneficios de la diversidad espacial.

Flujo múltiple

Múltiples flujos de datos paralelos pueden fluir entre pares de antenas de transmisión y recepción

Formación de haz:

Se pueden configurar múltiples antenas para crear patrones de antena direccionales para enfocar y aumentar la energía a los destinatarios previstos.

MIM multiusuario

Con suficientes antenas MIMO, se pueden establecer haces de antena direccionales para múltiples usuarios simultáneamente

Diversidad

Se basa en el hecho de que los canales individuales experimentan un desvanecimiento independiente
eventos. Por ejemplo, múltiples antenas que son espaciados o suficientemente separados tener idependiento desvanecimiento.

Proporcionar múltiples canales lógicos entre transmisor y receptor y enviando parte de elseñal sobre cada canal. Esta técnica no elimina errores pero sí reducir la tasa de error, porque hemos extendido la transmisión para evitar ser sometido a la tasa de error más alta que pueda ocurrir. Las otras técnicas (ecualización, corrección de errores hacia adelante) puede hacer frente a la tasa de error reducida.