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RSRD - Redes y Servicios de RadioGrado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación

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Tema 1: Técnicas básicas en

redes radio

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RSRD 2014/15 - T1 Técnicas básicas en redes radio

Contenido

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2

Técnicas de Acceso Múltiple en contienda.

Técnicas de Acceso Múltiple con

reserva/selección. TDMA, OFDMA, CDMA.

Optimización del enlace Radio: Fundamentos de

Técnicas de Control del Enlace (LLC). HARQ.

MIMO.

http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed


Acceso Múltiple:Técnicas de Compartición

3

Clasificación de las técnicas

● Contienda. Las estaciones compiten por el medio, pudiendo haber colisiones.

● Reserva. En primer lugar la estación solicita el recurso (intervalo de tiempo, canal en

frecuancia, código). Se le asigna una parte del recurso (reserva) para que curse sus datos.

● Selección.Existe un mecanismo que indica qué estación puedehacer uso del enlace en cada momento.

● Técnicas híbridas.

Tratan de combinar las ventajas que ofrecen las anteriores


Acceso Múltiple en Contienda: Aloha simple

4

Una estación transmite cuando tiene datos que cursar.

Puede que 2 o más teminales solapen su transmisión (colisiones).

Después de recibir, se espera un asentimiento del destino.

Si no llega transcurrido un plazo, se retransmite.

El plazo de retransmisión es aleatorio.

Formato de paquete Aloha

Preámbulo Cabecera Datos (0-L caracteres) FCS

1 2 3 4 5 3r1 4r 6 5r 3r2

Rtx del 3 Rtx del 4 Rtx del 3r1

Transmisiones buenas

Colisiones

Rtx del 5


Acceso Múltiple en Contienda: Aloha Ranurado

5

Las estaciones transmiten sin escuchaprevia

La probabilidad de colisión disminuirá sidisminuye el intervalo vulnerable

El tiempo se divide en cuantosdenominados ranuras (slots)

Se transmite al comienzo de cada ranura

La ranura se dimensiona con un tamaño xp

Intervalo vulnerable:

Mitad que en Aloha simple

1 2 3

4

3r 4r1

5

5 4r2

Formato de paquete aloha ranurado

Preámbulo Cabecera Datos +relleno (L caracteres) FCS

Rtx del 3

Rtx del 4

Rtx del 5

Rtx del 4r1


Acceso Múltiple en contienda: Prestaciones de Aloha

6

Capacidad máxima doble en Aloha ranurado que en Aloha simple. Buenas prestaciones con tráfico bajo.

Inestabilidad.

100%

37%

18%

Tráfico cursado (% de la capacidad del canal)

Tráfico inyectado al canal (Cursado + Colisionado. % de la capacidad del canal)

S=G e-2G

S=G e-G


Acceso Múltiple: Refinamientos de la contienda

7

Escucha de portadora (Carrier Sense)

No se transmite si el medio está ya ocupado

Gestión de colisiones (Collision Detect/Avoidance)

Se utilizan aplazamientos de duarción aleatoria pararesolver/evitar las colisiones


Acceso Múltiple: División del recurso

8

Recursos de comunicación “troceados” (xDMA)

Se crean/reparten:

• Intervalos de tiempo

• Canales de frecuencia

• Familias de códigos

xDMA: Acceso Múltiple por División en “x” (Tiempo/Frec./Código)

• TDMA• FDMA, OFDMA• CDMA


Acceso Múltiple: Métodos de Reserva

9

Asignación de recursos bajo demanda

Se basan en:

Recursos de comunicación “troceados” (xDMA)

Mecanismos de reserva (centralizados o distribuidos)

La reserva concede el derecho de uso de una parte de los recursos de comunicación.

DAMA/xDMA

DAMA: Acceso Múltiple con Asignación bajo Demanda


Acceso Múltiple: Métodos de Reserva

10

Casi libre de colisiones

Permite muchos usuarios

Elevados retardos de acceso

Elevado caudal cursado

Intervalode guarda Preámbulo Datos CRC

Intervalo de guarda Preámbulo Petición CRC

R1R6,R7R2

Rn

P1 Pn P2Pz

m slots de reserva

Trama TramaTrama

R2,R6

DAMA/TDMA con acceso Aloha


Acceso Múltiple: Métodos Híbridos

11

Combinar las buenas propiedades de los métodosanteriores:

● Con tráfico bajo: Los métodos de contienda se comportan bien y dan bajos retardos de acceso

● Con tráfico alto: Los métodos de reserva permiten cursar un caudal muy elevado

Métodos Híbridos: Contienda para bajo tráfico y Reserva para alto


Acceso Múltiple. Prestaciones caudal-retardo

12

No se parte del modelo teórico, sino de un modelo de tráfico más real

Se tienen en cuenta diversos factores que no aparecen en el modelo teórico:

● Preámbulos

● Cabeceras

● Ocupación de slot

Figura tomada de Ku-Band Satellite Data Networks Using Very Small Aperture Terminals-Part I:

Multiaccess Protocols. D. Raychadhuri, K. Joseph.

RE

TA

RD

O (

s)

Caudal Cursado (Relativo al Canal)


Acceso Múltiple: OFDMA

13

• Historia

• Modelo OFDM

• Características

• Parámetros OFDM

• Acceso múltiple OFDMA

• Single Carrier FDMA (SC-FDMA)

• Despliegue celular


OFDMA Historia

14

• 1966. Descrito por R. W. Chang en Bell Labs

• 1970. Primera patente OFDM

• 1991. Estándar ANSI ADSL

• 1994. Descripción y patente de OFDMA por M. Fattouche and H. Zaghloul

• 1995. Estándar ETSI DAB (Digital audio broadcasting).

• 1997. Estándar DVBT (TDT)

• 1999. Estándar IEEE 802.11a

• 2002. Estándar IEEE 802.11g

• 2004. Estándar IEEE 802.16

• 2005. Estándar 3GPP LTE (downlink)


OFDMA. Modelo OFDM

15

Modulación multiportadora:

Escalable en ancho de banda

Codificación espacio-tiempo


OFDMA. Modelo OFDM

16

Portadoras ortogonales:

Tu = 1/Δf

Sin interferencia entre portadoras


OFDMA. Características OFDM. Sencillez

17

Implantación:

IFFT - FFT


OFDMA. Características OFDM. Reducción de la interferencia entre

símbolos

18

Multitrayecto → Interferencia entre símbolos

Muchas portadoras → Baja velocidad de símbolo


OFDMA. Características OFDM. Reducción de la interferencia entre

símbolos

19

Prefijo cíclico

Tiempo de guarda:

• Mayor que el tiempo de dispersión

Relleno con el final del símbolo:

• Para conservar la ortogonalidad


OFDMA. Características OFDM. Alto factor de cresta

20

El máximo PAPR es igual al número de subportadoras Nc

Reduce la eficiencia del amplificador de Tx al obligar a altos backoff

Output backoff (OBO) and input backoff (IBO)

Peak to Average Power Ratio: PAPR


OFDMA. Características OFDM. Robustez al desvanecimento

selectivo

21

El multitrayecto produce desvanecimientos parciales

Se puede codificar con diversidad en frecuencia

(frecuency interleaving)


OFDMA. Características OFDM. Sincronización

22

Se requiere en tiempo y en frecuencia

Con las referencias también se evalúa el canal


OFDMA. Parámetros OFDM. Espacio entre subportadoras Δf = 1/Tu

23

• Δf pequeño:

• Es bueno. Tu grande → Reduce el efecto overhead del prefijo cíclico

• Es malo. Más sensibilidad al efecto Doppler

El efecto Doppler desplaza las portadoras perdiendo ortogonalidad,

provocando interferencia entre portadoras.

La solución es un compromiso. Por ejemplo:• Banda de 2GHz → λ=15 cm

• Velocidades hasta v=200 km/h

• Dispersión por Doppler = v/λ = 370 Hz

• Para S/R = 30 dB → dispersión Doppler normalizada ≤ 2,5 %

• Δf = 14,8 kHz (En LTE se usa 15 kHz)


OFDMA. Parámetros OFDM. Número de subportadoras Nc

24

• Nc determina el ancho de banda total = Nc x Δf

El espectro decae lentamente. Se aplican guardas en los extremos.

Reduce en un 10 % el ancho de banda disponible.

Ejemplos para un ancho de banda de 5 MHz:

• Disponible 4,5 MHz

• En LTE, Δf = 15 kHz → Nc = 300 subportadoras

• En WiMAX, Δf = 10,94 kHz → Nc = 400 subportadoras


OFDMA. Parámetros OFDM. Prefijo cíclico. Tcp

25

• Absorbe la dispersión temporal por multitrayecto

• El decaimiento suele ser exponencial

• A mayor Tcp:

• Más overhead

• Peor rendimiento en potencia (En Tcp también se transmite)

• Dispersión por multitrayecto DS (Delay Spread) típica:

• Zona urbana. DS ≤ 0,7 µs en el 90%

• Zona rural. 5 µs ≤ DS ≤ 20 µs en el 90%

• Ejemplo:

• Trayecto alternativo con Δs = 2 km → Δt = Δs/c = 6,7 µs


OFDMA. Parámetros OFDM. Conformación de pulsos

26

• Se puede aplicar para mejorar el decaimiento del espectro

• Típicamente: Coseno alzado en el tiempo

• Roll-off de compromiso β = 2,5 %

• Ni WiMAX ni LTE lo usan


OFDMA. Acceso múltiple OFDMA. Modelo

27

• Grupos de portadoras asignadas a diferentes usuarios

• En uplink y downlink

• Asignación de subportadoras:• Consecutivas

• Por bloques

• Distribuidas


OFDMA. Acceso múltiple OFDMA. Asignación dinámica

28

El desvanecimiento cambia con:

• El tiempo

• La frecuencia (selectivo)

• La ubicación

Sondeando el estado se planifica dinámicamente la asignación para maximizar la capacidad


OFDMA. Acceso Múltiple Single Carrier FDMA (SC-FDMA)

29

OFDMA

SC-FDMA

Ventaja: Menor factor de cresta.

Uplink LTE

→ Optimiza el consumo de batería


OFDMA. Acceso Múltiple Single Carrier FDMA (SC-FDMA)

30

Multiplexación de usuarios


OFDMA. Despliegue celular

31

Despliegue celular GSM

Factor de reutilización = 3

Cada celda puede utilizar 1/3 de las frecuencias



32

Despliegue celular WiMax con sectorización.


Técnicas de aleatorización para repartir la interferencia



33

Despliegue celular WiMax con sectorización.


Menor interferencia.

Menor ancho de banda por sector



34

Reutilización fracionaria

En el centro: Factor de reutilización 1.

En los bordes: Factor de reutilización 3

Se puede combinar con coordinación temporal


Acceso múltiple. Espectro ensanchado. CDMA

35

• Transmisión con espectro ensanchado

• Modelo

• Características

• Historia

• Ventajas

• Acceso múltiple CDMA

• Técnicas

• Análisis de CDMA-DS

• Salto de frecuencia FH


Espectro ensanchado. Modelo

36

Características del generador pseudoaleatorio:

Generado por: algoritmo+semilla.

Debe ser el mismo en TX y RX.

Datos

Cod. línea

Generador pseudoaleatori

o.

Mod. Dem. Dec. línea

Generador pseudoaleatori

o.

BW datos

BW en el medio

BW datos


Espectro ensanchado. Características

37

• Códigos: muy baja correlación cruzada/autocorrelación.

• Ganancia del proceso: Wmedio/Wdatos = 10 - 106

• Inicialmente se usó para comunicaciones militares:

Protección frente a interferencias.

Disminución de la densidad espectral de potencia.

Medición de retardos y distancias (radar).


Espectro ensanchado. Historia

38

• Primeras ideas durante la 2ª Guerra Mundial (H. Lamarr, G. Antheil).

• No llegaron a concretarse.

• Durante los años 50 y principios de los 60, gran investigación militar en este tipo de sistemas.

• Desclasificada en los años 80.

• Actualmente también en sistemas de uso civil.


Espectro ensanchado. Ventajas

39

Detección en el receptor

interferencia Señal ensanchada

señal

Interferencia ensanchada

f f

P P

Problemas en comunicaciones por radio:

Los desvanecimientos pueden afectar bastante a un canal de banda estrecha.

Coexistencia de varias señales en el mismo espectro y tiempo.

Protección frente a usuarios maliciosos o enemigos.

Solución: ensanchar el espectro de la señal.


Espectro ensanchado. Ventajas

40

Señal de usuarioInterferencia de banda anchaInterferencia de banda estrecha

TRANSMISOR

Señal original Tras la expansión

RECEPTOR

P P

P P P

fff

ff

Señales recibidas

Tras deshacer la expansión

Filtrado


Técnicas de ensanchamiento espectral

41

Existen diferentes formas de ensanchar una señal:

Secuencia directa (DS).

Salto de frecuencia (FH).

Salto en el tiempo (TH).

...


Espectro ensanchado por secuencia directa (DS)

42

• La señal de datos se multiplica por una secuencia pseudoaleatoria(PNcode).

• PNcode es una secuencia de chips con propiedades de ruido: baja correlación cruzada entre códigos, y dificultad de interferir.

• Existen varias familias de PNcodes.

• La longitud del código es la ganancia de procesamiento.


Espectro ensanchado por secuencia directa (DS)

43

• Producto de la señal con una secuencia pseudoaleatoria (secuencia de chips)

• Muchos chips por bit aumentan el ancho de banda.

• Ventajas

– Reduce desvanecimientos

• selectivos en frecuencia

– En redes celulares

• Las bases pueden usar las mismas frecuencias

• Soft handover.

• Desventajas

– Necesario control de potencia.

datos

secuencia de chips

señal resultante

1 0

0 1 1 0 1 0 1 01 0 0 1 11

X

0 1 1 0 0 1 0 11 0 1 0 01

=

tb

tc

tb: periodo de bittc: periodo de chip


Espectro ensanchado por salto de frecuencia (FH)

44

• Cambios discretos de la frecuencia de portadora.

• Cambios determinados por una secuencia pseudoaleatoria.

• Dos versiones:

• Slow Hopping: varios bits de usuario por frecuencia.

• Fast Hopping: varias frecuencias por bit de usuario.

• Características:

• Desvanecimientos e interferencias limitados a periodos cortos.

• Implantación simple.

• Sólo se usa una parte del espectro en cada instante.

• Más fácil de detectar que CDMA-DS.


Espectro ensanchado por salto de frecuencia (FH)

45

Datos

Slow hopping(3 bits/salto)

Fast hopping(4 saltos/bit)

1 0 0 1 1

f

t

td

f

t

td

tb: periodo de bit td: tiempo de permanencia en 1 frecuencia

f1

f2

f3

f4

f1

f2

f3

f4


Espectro ensanchado. CDMA

46

• Code Division Multiple Access

• Basa la separación entre canales de transmisión en códigos.

• Cada usuario del sistema usa un código.

• Los usuarios transmiten en el mismo ancho de banda y al mismo tiempo.

• El código no está correlado con la señal a transmitir, y su ancho de banda es mucho mayor.

• Como resultado, se ensancha el espectro de la señal transmitida (basado en técnicas de espectro ensanchado, spread spectrum).


CDMA. Ventajas e inconvenientes

47

f

t

c Ventajas:

Puede llegar a ser bastante eficiente.

Protección frente a interferencias,

ataques, multipropagación, ...

Desventajas: Tasas de usuario ¿bajas?

Complejidad.

Requiere un control de potencia

muy estricto. C1

C5

C4

C3

C2

C6


CDMA. Propiedades

48

Propiedades

• Baja densidad espectral.

• Sistema limitado por interferencia.

• Seguridad grande comparado con FDMA o TDMA.

• Protección frente a la multipropagación.

• Posibilidad de iniciar las transmisiones en instantes arbitrarios.

• Buena resistencia ante señales interferentes.


CDMA. Ganancia del proceso

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• Cociente entre el BW de la transmisión y el de la información.

GP = BWt / BWi

• Este factor determina:

• Capacidad del sistema.

• Reducción de los efectos de la multipropagación.

• Capacidad de detección de la señal.

• Resistencia a ataques por interferencia.


CDMA. Control de potencia

50

• En CDMA existe un problema si las señales se reciben con niveles de potencia diferentes: las más fuertes pueden suprimir las más débiles (problema cerca/lejos).

• Deben estar en torno a 1 dB para un funcionamiento adecuado.

• Es preciso un control de potencia adaptativo y rápido.

• Se usan combinaciones de control en bucle abierto y cerrado.


CDMA-DSSS. Dimensionado

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• Modelo de caso peor: todos los (K) usuarios transmitiendo.

• P: potencia transmitida con un código.

• Potencia total: KP.

• Ruido en el receptor despreciable frente a KP.

• La calidad depende del número de usuarios.

o

bit

o

chip

GN

E

N

E

KPK

P

ciaInterferenRuido

Señal

1

1

)1(

o

bit

N

E

GK 1


Optimización del enlace

52

• Técnicas de control de enlace

• ARQ

• FEC

• Híbridas FEC-ARQ

• Técnicas de transmisión MIMO.


Optimización del enlace. Objetivo

53

Son técnicas en general aplicables a cualquier sistema radio e incluso a varios niveles de la arquitectura de protocolos (enlace, transporte, aplicación)

Fiabilidad

Eficiencia

Condiciones del “canal”

Repaso de Algunas Técnicas de Optimización dePrestaciones en Redes Radio


Perturbaciones del enlace

54

Canal fuertemente variable

Ruido blanco

Desvanecimineto acorto plazo

(multitrayecto)

Desvanecimiento alargo plazo(shadowing)

Datos Buenos

Potenciade señal


Control de enlace

55

Calidad de servicio punto a punto:

● FIABILIDAD: Prob. de error residual.

● EFICIENCIA: Retardo. Caudal eficaz.

Control acceso Control acceso

CANAL

Control enlace Control enlace

CALIDAD DE SERVICIO DE ENLACE

Protocolo


Control de Enlace: Técnicas

56

●Las soluciones dependen de la calidad del canal

● (BER, tipo de errores, variabilidad de comportamiento)

●Técnicas básicas utilizadas

● FEC (corrección de errores en destino)

● ARQ (petición automática de retransmisión)

● Híbridos

● ( Concatenación de códigos,FEC + ARQ estático, FEC + ARQ adaptativo )

COMPROMISOS: complejidad - calidad

EFICIENCIA – FIABILIDAD


Técnicas ARQ

57

Buffering+

Retransmisiones

Codificador

CANAL + Control de acceso

DATOS

Buffering+

Petición de Retransmisiones

Detección de Errores

DATOS


Caudal Eficaz Normalizado con ARQ

58

k,n son parámetros del código detector:k/n (Tasa de codificación): Relación entre símbolos

de información y símbolos totalesM: número medio de transmisiones por paquete.

BER

Caudaleficaz

normalizado

k/n

1

n

k

Datos CRC


Técnicas FEC

59

Codificador


DATOS

Corrección de Errores

DATOS


Técnicas FEC: Características

60

El código seleccionado es función del tipo de errores del canal.

CANALES CON RUIDO BLANCO GAUSSIANO:

Códigos convolucionales

CANALES CON RUIDO A RÁFAGAS o DESVANECIMIENTOS:

Códigos bloque


Técnicas FEC: Concatenación de códigos

61

Suma de códigos Suma de prestaciones

Convolucional (anti ruido blanco) BER disminuye

Codificadorinterno


Decodif.interno

Super canal

DATOS DATOS

Codificadorexterno

Decodificadorexterno

Bloque (anti ráfagas)

+


Técnicas FEC: Entrelazado (Interleaving)

62

OBJETIVO:convertir ráfagas de errores en errores aislados

Entrelazador


DATOS DATOS

Codificador Decodificador

Desentrelazador

SALIDA

ENTRADA

PARÁMETRO: profundidad de entrelazado

(compromiso entre máxima longitud de ráfaga de errores a superar y retardo añadido)


Técnicas híbridas tipo I. (FEC + ARQ rígido)

63

Codificador


Corrección de errores

FEC

DATOS DATOS

Buffering+

Retransmisiones

Codificador

Buffering+



ARQ


Técnicas híbridas tipo I (FEC + ARQ rígido)

64

EFICIENCIA

Equilibrio entre: BER y k / n

BER

Caudaleficaz

ARQ

MENOS errores

MAS redundanciaARQ + FEC rígido


Técnicas híbridas tipo II. Necesidad

65

PROBLEMA: Canales NO ESTACIONARIOS

¿ Diseño de caso peor ? NO

SOLUCIÓN: Sólo mandar la redundancia del FEC si es necesaria

BER

Caudaleficaz

ARQ

ARQ II

ARQ + FEC rígido


Técnicas híbridas tipo II. Arquitectura

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Codificador


Buffering+

Retransmisiones

Buffering+



ARQ

Codificador

DATOS DATOS

Corrección de errores

FEC


HARQ II – repetición de copias

67


HARQ II – redundancia incremental

68

datos información


Técnicas MIMO

69

Multiple In Multiple Out

•Se transmite y recibe con varias antenas

•La multipropagación se considera “un refuerzo”

•Mejora la capacidad de detección

• Más distancia

• Más velocidad


Referencias

70

• LTE: Nuevas tendencias en comunicaciones móviles. Ramón Agusti, et al. Coordinador Ramón Agusti. Fundación Vodafone España. ISBN: 84-934740-4-5. D.L: M-34503-2010

• Spread Spectrum (SS) An Introduction.Jan Meel, DE NAYER institutein Belgium. 1999

• Spread Spectrum Applications.Jan Meel, DE NAYER institute in Belgium. 1999

• ARQ Schemes for Data Transmission in Mobile Radio Systems. R. Comroe et al. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. Vol. SAC-2, no.4, July 1984

• OFDM(A) for wireless communication. R&I Research Report R 7/2008. Per Hjalmar Lehne, Frode Bøhagen. ISBN / ISSN 82-423-0614-1 / 1500-2616. 2008.04.25


Resumen

Se ha visto:

• Las técnicas básicas de Acceso Múltiple en contienda: Aloha y Aloha ranurado.

• Las técnicas de Acceso Múltiple con reserva/selección DAMA/TDMA

• Los fundamentos de OFDM y su aplicación a OFDMA

• Los fundamentos de Espectro Ensanchado y su aplicación a CDMA.

• La optimización del enlace radio mediante Técnicas de Control del Enlace FEC, ARQ e Híbridas

• La optimización del enlace radio mediante técnicas MIMO.

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