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Servicios Públicos de Datos

Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 1

Tecnologías de Acceso Inalámbricas - Contenidos

� Introducción a las comunicaciones inalámbricas

� Redes de área local inalámbricas (WLAN)

� Redes de telefonía celular (GSM, UMTS)

� Redes de área metropolitana inalámbricas (WMAN)



Tema 7 – Introducción a las comunicaciones inalámbricas

Luis Sánchez Gonzá[email protected]



Contenidos� ¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?

� Historia de las comunicaciones inalámbricas

� ¿Por qué comunicaciones inalámbricas?

� Principales retos y dificultades

� Espectro radioeléctrico

� Propagación

� Modulación

� Técnicas de acceso al medio y duplexado








� Propagación

� Modulación




¿Qué son las comunicaciones inalámbricas?

� Transmitir y recibir información usando ondas electromagnéticas a través del espacio libre

− La información es transportada sobre una banda de frecuencias bien definida. El Canal

− Cada canal tiene un determinado ancho de banda. La Tasa Binaria

− Se pueden usar diferentes canales para transmitir información al mismo tiempo

� Frecuencias típicas− Radio FM ~ 88 MHz �

− TV ~ 450 - 900 MHz �

− Teléfonos móviles ~ 900 y 1800 MHz �

− GPS ~ 1.2 GHz �

− Bluetooth ~ 2.4 GHz �

− WiFi ~ 2.4 GHz








� Propagación

� Modulación




Historia comunicaciones inalámbricas� No son tan “modernas”: luz, banderas, señales de humo…

� Primera comunicación sin hilos “tecnológica” � Telégrafo óptico (1794)

� Las comunicaciones inalámbricas despegan gracias al descubrimiento de las ondas electromagnéticas

− Faraday, Maxwell, Hertz

� “From a very long view of the history of mankind - seen from, say, ten thousand years from now - there can be little doubt that the most significant event of the 19th century will be judged as Maxwell‘s discovery of the laws of electrodynamics. The American Civil War will fade into provincial insignificance in comparison with this important scientific event of the same decade.” Richard Feynman, Lectures on Physics, Vol. II

� Marconi (se le considera el inventor de la radio) realiza la primera comunicación en 1895



Historia comunicaciones inalámbricas� Inicios del siglo XX

− Comunicaciones marítimas

− Comunicaciones trasatlánticas

− Difusión de radio

� 1920s/1930s: desarrollo de la televisión comercial

� Comunicaciones por satélite− 1957: SPUTNIK

− 1960s: satélites comerciales

� A partir de 1980: sistemas de telefonía móvil comerciales

� A partir de 1995: WLAN

� Siglo XXI− Bluetooth

− Dispositivos de corto alcance (sensores, RFID)

− …



Historia comunicaciones inalámbricas

Prof. J. Maxwell (1831-1879) teoría

del electromagnetismo

desarrollada en 1865

Prof. H. Hertz (1857-1894) Validación

experimental de lasecuaciones de Maxwell entre

1886-1888

Guglielmo Marconi (1874-1937)

Desarrollo de la telegrafía inalámbricatrans-Atlantica 1901

Martin Cooper, Motorola, crea el primer teléfono

celular portatil en 1973

Radio KDKA - 1920

Primeratransmisión

por TV

Entrevista a Dave en los Bell

Labs: “This thing isn’t going

anywhere”

Serviciosmóviles

bidireccionales1960s – 1970s

1983 –ServicioAMPS en Chicago

2008 – Más de 300M de teléfonos

móviles en India

2003 – Más de 150M de teléfonos

móviles en EEUU








� Propagación

� Modulación




¿Por qu é comunicaciones inalámbricas?� No más cables

− Coste de instalación y mantenimiento

− Mazos de cables de un lado para otro

− Comunicaciones “auto-mágicas” sin necesidad de conexión física, Ej: Bluetooth, WiFi

� Cobertura global− Se puede llegar allí donde los cables no llegan o no es rentable, Ej: zonas rurales,

edificios históricos, campos de batalla, zonas catastróficas, vehículos, el Espacio

� Siempre conectado− Permiten estar conectados a cualquier hora en cualquier lugar

− El mercado demuestra la necesidad de dar servicios en movilidad y de manera ininterrumpida

� Flexibilidad− Los servicios te alcanzan a ti, no tienes que ir a buscarlos. Ej: no tienes que ir a

un sitio fijo a leer tus e-mails

− Conectarse a varios dispositivos a la vez



¿Por qu é comunicaciones inalámbricas?� Mayor dependencia en todos los sectores de servicios de telecomunicación

� La gente está dispuesta a pagar por ello

� Mantra Básico: Conectado – en cualquier sitio, en cua lquier momento.








� Propagación

� Modulación




Principales retos y dificultades� Hardware eficiente

− Dispositivos que usan baterías

− Transmisores y receptores de bajo consumo

− Herramientas de procesado de señal de bajo consumo

� Uso eficiente del recurso radio− Reuso de frecuencias, protocolos de acceso al medio,...

� Servicios integrados− Voz, datos, multimedia sobre la misma red

− Diferenciación de los servicios, prioridades, compartición de recursos,...

� Soporte de la movilidad− Localización, traspaso,...

� Mantenimiento de la calidad de servicio sobre enlaces no fiables



Principales retos y dificultades� Conectividad y cobertura (internetworking)

� Eficiencia de los costes

� Desvanecimientos

� Multicamino

� Mayor probabilidad de errores en el canal− Necesidad de codificación de canal más robusta

� Necesidad de mecanismos de seguridad más fuertes− Privacidad, autenticación, …








� Propagación

� Modulación




Espectro radioeléctrico

VLF

Navegación alta mar;

comunicaciones submarinas

3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz

30 GHz 300 GHz 300 THz3 GHz

LF MF HF VHF UHF

SHF EHF Infrarrojo

400

THz

Luz V

isib

le

900

THz

Navegación alta mar;

comunicaciones submarinas

Radio marítima;radiodifusión

(AM)

Radiodifusión internacional;

radioaficionados; comunicaciones

militares

Televisión VHF;radiodifusión

(FM); comunicaciones

aviones

Televisión UHF;Telefonía celular; comunicaciones

personales

Satélites;radar; bucles

locales inalámbricos

Experimental; bucles locales inalámbricos



Gestión del espectro� Se trata del recurso clave

� Los dispositivos inalámbricos deben operar en una banda de frecuencia determinada, que lleva asociada un determinado ancho de banda

� El uso del espectro radioeléctrico está fuertemente controlado por las autoridades locales competentes a través de licencias

− En España lo regula actualmente el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, a través de la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones y para la Sociedad de la Información (http://www.mityc.es/telecomunicaciones), mientras que la Comisión del Mercado de Telecomunicaciones (CMT) actúa como órgano consultor

− En Estados Unidos, la regulación la realiza la FCC (Federal Communications Commission)

− La ITU también tiene competencias en la regulación del espectro radioeléctrico

� Se trata de un bien muy preciado y escaso, por lo que en ocasiones, su uso supone el pago de un canon elevado



Gestión del espectro� En España, la administración se hace de acuerdo a los tratados de las

organizaciones competentes de ámbito Europeo e internacional:− CEPT (Conferencia Europea de administraciones Postales y de

Telecomunicación)

− ITU

� Introduce, en el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF), las modificaciones o particularidades necesarias en cada caso

− http://www.mityc.es/telecomunicaciones/Espectro/Paginas/CNAF.aspx



Regiones ITU� La ITU divide el mundo en tres regiones, con ligeras diferencias en la

regulación del espectro



Bandas ISM� Las bandas ISM (Industrial, Scientific y Medical) se reservaron para

equipamiento que se relacione con procesos industriales y/o científicos o aplicaciones médicas

� Sin embargo, muchos elementos cotidianos trabajan en esa banda, como por ejemplo los hornos microondas

� En principio el uso de dispositivos de comunicación en las bandas ISM estácompletamente abierto, siempre que se respeten unos límites en lo referente a la potencia de transmisión

� La totalidad de las tecnologías WLAN y WPAN comerciales se utilizan en las bandas ISM

� Sin embargo hay ligeras diferencias en la legislación de algunos países, lo que da lugar a diversos problemas a la hora de emplear una tecnología en algunos territorios



Bandas ISM en Espa ña� CNAF: Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencia

� Norma UN-51, bandas de frecuencias designadas para aplicaciones industriales, científicas, y médicas (ICM).

− 2400 a 2500 MHz (frecuencia central 2450 MHz)

− 5725 a 5875 MHz (frecuencia central 5800 MHz)

− 24,00 a 24,25 GHz (frecuencia central 24,125 GHz)

− 61,00 a 61,50 GHz (frecuencia central 61,250 GHz)

� Los servicios de radiocomunicaciones que funcionen en las citadas bandas deberán aceptar la interferencia perjudicial resultante de estas aplicaciones

� Norma UN-85: Principal norma aplicable a Wi-Fi en la banda de 2-4 Ghz− Potencia inferior a 100 mW

� UN-128: Banda para 5 Ghz

� La utilización de estas frecuencias para las aplicaciones indicadas se considera uso común








� Propagación

� Modulación




¿Qué es la propagación?� Medios de transmisión guiada

− Par trenzado, cable coaxial, fibra óptica

� Propagación electromagnética – Comunicaciones inalámbricas

� La potencia de la señal disminuye a medida que “viaja” por el medio inalámbrico

� La potencia de la señal DECRECE con la distancia

� Depende de varios factores− Frecuencia de operación

− Terreno

− Presencia de línea de vista (Line of Sight o LoS)

− Múltiples caminos

− Desvanecimientos



Modelos de propagación� Habitualmente se emplean diferentes modelos

− Espacio libre

− Tierra plana o dos rayos

− …

� De manera genérica, se puede afirmar que las pérdidas de propagación (path loss o PL), en término medio se puede calcular como…

− El exponente ‘n’ se suele determinar de manera empírica⋅ Espacio libre: n = 2

⋅ Zona urbana celular: n ∈ [2.7, 3.5]

⋅ Zona urbana celular (con zonas de sombra): n ∈ [3, 5]

⋅ LoS en interiores: n ∈ [1.6, 1.8] (Más bajo que Espacio Libre)

⋅ Interiores con obstáculos: n ∈ [4, 6]

⋅ Entornos industriales con obstáculos: n ∈ [2, 3]

n

0dd

PL(d)

∝

nTXRX dβ

P (d)P =Potencia en Recepción:



Aspectos adicionales� Propagación multi-camino

− La señal se refleja, difracta,… (propiedades electromagnéticas)

− Llega siguiendo ‘muchos caminos’ al receptor

− No es necesario que el transmisor/receptor se muevan

� Desvanecimientos− Son causados por el movimiento del transmisor o el receptor

− Rápidos⋅ Cambios bruscos en la potencia de la señal recibida

⋅ Debidos a la propagación multi-camino

− Lentos⋅ Variación de la potencia media recibida en el tiempo

⋅ Cambios en la distancia

⋅ Presencia de obstáculos



Desvanecimientos

Distancia

Pot

enci

a re

cibi

daPérdidas de propagación

Desvanecimientos rápidos

Desvanecimientos lentos








� Propagación

� Modulación




Modulación: conceptos b ásicos� Señales analógicas y digitales

� Ancho de banda de una señal

� La mayoría de las señales son de banda estrecha− La energía se concentra en una banda de frecuencias relativamente estrecha

� Modulación− La información es ‘transportada’ por una señal portadora a frecuencia fc

− A la señal de entrada (información) se le denomina señal en banda base



Modulación: conceptos b ásicos� Modulación analógica

− Se cambian los atributos de la señal portadora de manera continua

− Amplitud (AM), frecuencia (FM), fase (PM)

� Modulación digital− Se cambian los parámetros de la señal portadora de manera discreta

− Amplitud (ASK), frecuencia (FSK), fase (PSK)



Modulación: conceptos avanzados� Modulación multi-portadora

− Se utilizan varias portadoras de manera simultánea

− Se incrementa la capacidad

− El ejemplo más claro es OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)

− Utilizado en un gran número de tecnologías de comunicaciones⋅ Televisión Digital Terrestre (DVB-T), ADSL, WiFi (IEEE 802.11a/g/n), WiMAX, PLC, 4G

(LTE)

� Espectro ensanchado− La señal modulada se ‘ensancha’

− Se utiliza originalmente para combatir interferencias de banda estrecha








� Propagación

� Modulación




Técnicas de acceso al medio� Se emplean para compartir el medio por varios usuarios

� Es una evolución del concepto de “Multiplexación”− Permite transmitir varias señales por un único medio

� Los métodos existentes se diferencian en función del recurso compartido− Frecuencia: Fequency Division Multiplex (FDM)

− Tiempo: Time Division Multiplex (TDM)

− Código: Code Division Multiplex (CDM)

� Cuando se emplean como método de acceso al medio, se hablará de FDMA, TDMA y CDMA



USUARIO 1

USUARIO 2

USUARIO 3

USUARIO 4

FDMA� Se divide el ancho de banda total (BT) en K canales

− Ancho de banda por canal (BC) < BT/K

− Uso de canales de guarda (BG)

� Cuando un usuario accede a un canal transmite durante todo el tiempo en dicho canal

tiempo

frecuencia� Tecnología sencilla

� Apto para sistemas analógicos/digitales

� Poco flexible en la asignación de recursos

� Apropiado para conmutación de circuitos

� Técnica mixta FDMA/TDMA



TDMA� El tiempo se ranura

� Cada usuario transmite por todo el ancho de banda (BT) en la ranura asignada

� La capacidad por usuario es similar a la obtenida con FDMA

US

UA

RIO

1

US

UA

RIO

2

US

UA

RIO

3

US

UA

RIO

4

tiempo

frecuencia

� Tecnología experimentada

� Sistemas digitales

� Flexibilidad y versatibilidad

� Apropiado para conmutación de paquetes

� Requiere de sincronización TX/RX



� Cada usuario tiene un “código”que le distingue del resto

� Utilizando dicho “código”transmite durante todo el tiempo, usando todo el ancho de banda

� El receptor utilizará el “código”apropiado para “descifrar” la información recibida

� Sistemas digitales

� Expansión del espectro

� Sincronización y control de potencia

� Soporta mejor la interferencia

USUARIO 1

USUARIO 2

USUARIO 3

CDMA

USUARIO 4 tiempo

frecuencia

código



Técnicas de duplexado� Utilizadas para transmitir y recibir de manera simultánea

� Existen dos técnicas diferentes− FDD: Frequency Division Duplex

− TDD: Time Division Duplex

� En FDD se utilizan bandas diferentes para la transmisión y recepción− Dificultades en los equipos, antenas, etc

− Banda de guarda

� En TDD se utiliza la misma banda de frecuencias y se selecciónan ciertas ranuras para cada tipo de tráfico

− Menor complejidad en los equipos

− Flexibilidad en la asignación de recursos (Ej: tráfico Internet)

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