Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de...

IvIváán Bernal, Ph.D.n Bernal, Ph.D.Octubre 05Octubre 05 7777

Transmisión con línea de vistaTransmisiTransmisióón con ln con líínea de vistanea de vista• Absorción atmosférica

El vapor de agua y el oxígeno contribuyen a la atenuación.Para el vapor de agua:

La atenuación tiene sus máximos alrededor de 22 GHz.

A frecuencias menores a 15 GHz la atenuación es menor.

Para el oxígeno:

La atenuación tiene sus máximos alrededor de 60 GHz.

A frecuencias menores a 30 GHz la contribución es menor.


Transmisión con línea de vistaTransmisiTransmisióón con ln con líínea de vistanea de vista• Absorción atmosférica

La lluvia y neblina (gotas de agua suspendidas) provocan la dispersión (scattering) de las ondas de radio frecuencia que resulta en atenuación.

En áreas con precipitaciones significativas, se deben usar bandas de frecuencia mas bajas o la longitud de los enlaces debe ser menor.


Transmisión con línea de vistaTransmisiTransmisióón con ln con líínea de vistanea de vista• Atenuación Atmosférica en

comunicaciones satelitalesCausas principales: oxígeno y agua (lluvia y neblina).

Afectada por el ángulo de elevación de la antena.

Mientras mas pequeño, mayor la distancia que se debe viajar por la atmósfera.

Afectada por la frecuencia.


Transmisión con línea de vistaTransmisiTransmisióón con ln con líínea de vistanea de vista• Multipath

En los casos en los cuales se tiene libertad en la ubicación de las antenas, se las puede colocar de tal manera que, si no existen obstáculos cercanos, se tenga un camino de línea de vista directa del transmisor al receptor.

Es el caso para sistemas satelitales y para enlaces de microonda punto-punto.

En sistemas móviles, como telefonía celular, existen gran cantidad de obstáculos.La señal puede ser reflejada por tales obstáculos provocando que se tengan múltiples copias de la señal con retardos variables en recepción.

En algunos casos (móviles) pueden captarse solo señales reflejadas y no una señal directa.

Dependiendo de las diferencia en las longitudes de los caminos seguidos por las ondas directa y reflejadas, la señal compuesta resultante en el receptor puede ser mas pequeña o mas grande que la señal directa.


Transmisión con línea de vistaTransmisiTransmisióón con ln con líínea de vistanea de vista• Multipath

Ejemplos de interferencia multipath terrestres:

Microonda fija

A mas de la línea de vista directa se tiene una contribución por refracción en la atmósfera y otra por reflexión en tierra.

Comunicaciones móviles

Características estructuras y topográficas proveen superficies de reflexión.


Transmisión con línea de vistaTransmisiTransmisióón con ln con líínea de vistanea de vista• Zona de Fresnel

Es el área elíptica (en realidad en 3D) que rodea el camino visual.

El tamaño de la zona varía dependiendo de la longitud del camino y la frecuencia de la señal.

Puede calcularse y debe considerarse al diseñar los enlaces.Para evitar pérdidas extras.



Debe distinguirse entre la línea de vista óptica y la línea de vista para radio.La de radio requiere estar también libre de obstáculos para considerar el comportamiento de las ondas.

Si la frecuencia disminuye, el tamaño de la zona de Fresnel se incrementa.

Si la longitud del camino se incrementa, el tamaño de la zona de Fresnel se incrementa. Mientras mas grande sea la separación entre las antenas, mayor debe ser la altura de las antenas.



El radio de la zona de Fresnel es mayor a mitad del camino.El punto medio requiere estar libre de obstáculos



La curvatura de la tierra se convierte en una preocupación para enlaces mayores a 11 km.

La línea de vista desaparece a 25 km.Por lo tanto, la curvatura de la tierra debe considerarse cuando se calcula la altura de montaje de las antenas.

Para considerar la obstrucción por el “abultamiento” de la tierra, las antenas deben elevarse mas en comparación con la situación en la cual la tierra fuese plana.

La altura adicional se calcula usando: D2/8D es la distancia en millas, y la altura añadida está en pies.






Transmisión con línea de vistaTransmisiTransmisióón con ln con líínea de vistanea de vista• Un radio enlace se diseña con ayuda de un diagrama con los perfiles del

terreno, el cual toma en consideración la curvatura de la señal de radio en

condiciones estándar. La escala de la altura es diferente que el de la escala horizontal, y las direcciones perpendiculares a la superficie de la tierra son paralelas.

El punto medio del enlace (salto) se ubica en la mitad del diagrama.

Luego de dibujar el terreno, se selecciona la altura de las antenas.La primera zona de Fresnel debe estar libre.


Transmisión con línea de vistaTransmisiTransmisióón con ln con líínea de vistanea de vista


Desvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MDesvanecimiento en Ambientes Móóvilesviles

• Los modelos de propagación tradicionalmente se enfocan en predecir el nivel promedio de la señal recibida a una distancia dada del transmisor.

Se denominan modelos de propagación a gran escala (large-scale) ya que caracterizan el nivel de la señal a grandes separaciones entre el transmisor-receptor (cientos o miles de metros).

• Por otro lado, se requieren modelos de propagación que

caracterizan las rápidas fluctuaciones de los niveles de la señal

recibida entre pequeñas distancias (unas pocas longitudes de onda) o periodos cortos de tiempo.

Se denomina modelos de desvanecimiento de pequeña escala (small-scale fading) o simplemente desvanecimiento (fading).



• Desvanecimiento de pequeña escala (small-scale fading)O simplemente desvanecimiento (fading).

Se refiere a las rápidas fluctuaciones de la potencia de la señal recibida, en cortos periodos de tiempo o cortas distancias de desplazamiento, causadas por cambios en el medio de transmisión o por los diversos caminos seguidos por las señales (multipath) que causan interferencia.

En un ambiente fijo, el fading es afectado por cambios en las condiciones atmosféricas, como la lluvia.

En una ambiente móvil, además se tiene:

Que una de las dos antenas se está moviendo en relación a la otra.

La ubicación relativa de los obstáculos cambia con el tiempo, creando efectos de transmisión complejos.


Desvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MDesvanecimiento en Ambientes Móóvilesviles• Desvanecimiento ( fading)

Para el caso de una unidad móvil, desplazándose por una calle en un ambiente urbano, rápidas variaciones ocurren en el nivel de la señal en distancias de alrededor de media longitud de onda.

En un sistema celular a 900MHz, la longitud de onda es de 0.33m.

La figura presenta la variación espacial de la señal recibida a 900MHz en un ambiente urbano.Existen cambios de amplitud tan grandes como 20 y 30 dB en distancias cortas.

Esto afecta a teléfonos celulares de personas en autos, y a personas caminando por una calle en un medio urbano.

Considerando desplazamientos de los usuarios móviles mucho mayores a una longitud de onda, los ambientes urbanos cambian; el usuario pasa por edificios de diferentes alturas, terrenos baldíos, intersecciones, etc.

Existen cambios en la potencia promedio recibida (alrededor de los cuales se producen las fluctuaciones rápidas).



• Propagación multipathLos mecanismos de propagación que contribuyen son:

Reflexión:

Suponiendo que se recibe en el dispositivo móvil una onda reflejada en la tierra, esta onda sufre un desfase de 180 grados, por lo que la onda reflejada en tierra y la señal directa por línea de vista podrían cancelarse, resultando en una gran pérdida de la señal.

La onda reflejada sigue un camino mas largo, lo que crea un desplazamiento de la fase debido al retardo, respecto a la onda de línea de vista.

Cuando el retardo es equivalente a media longitud de onda, las señales están nuevamente en fase.

La antena móvil está generalmente a una altura inferior que la mayoría de construcciones hechas por el hombre en el área, se produce interferencia multipath.

Estas ondas reflejadas pueden interferir constructiva o destructivamente en el receptor.


Desvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MDesvanecimiento en Ambientes Móóvilesviles• Propagación multipath



• Propagación multipathLos mecanismos de propagación que contribuyen son:

Difracción:

Las señales pueden ser recibidas aun cuando no exista una línea de vista desde el transmisor.

Dispersión (scattering):

A frecuencias de microonda celular típicas, existen numerosos objetos, como un semáforo, que pueden causar dispersión.

Los diferentes mecanismos mencionados influyen en el performance del sistema de maneras diferentes, dependiendo de las condiciones locales, y de acuerdo a como se moviliza la unidad móvil dentro de una celda.

Si existe línea de vista al transmisor, entonces los efectos de difracción y dispersión son generalmente efectos menores, aunque la reflexión puede tener un impacto significativo.

Si no hay línea de vista, como en las áreas urbanas a nivel de la calle, los mecanismos principales que permiten la recepción son la difracción y la dispersión.



• Efectos de la propagación multipath

Un efecto no deseado de la propagación multipath es que múltiples copias de la señal lleguen con diferentes fases.

Si las fases hacen que las señales se sumen destructivamente, el nivel de la señal respeto al ruido disminuye, haciendo que la detección de la señal en el receptor sea mas difícil.



• Efectos de la propagación multipathISI (InterSSymbol Interference)

Para explicar esto, se asume que se envía un pulso angosto a una frecuencia dada por un enlace entre una antena fija y una unidad móvil.La figura indica lo que se recibiría si se enviaran dos pulsos, a los tiempos indicados, por el canal.

En cada caso, el primer pulso recibido corresponde a la señal con línea de vista deseada.

La magnitud de esos pulsos puede cambiar debido a cambios en la atenuación atmosférica.A medida que la unidad móvil se aleja de la antena fija, la cantidad de atenuación de la señal de línea de vista se incrementa.

La figura indica que a mas de los pulsos principales, existe un conjunto de pulsos secundarios debido a reflexión, difracción y dispersión.

Si los pulsos estuviesen codificando uno o mas bits de datos, se tendría que una o varias de las copias con retardo podrían llegar al mismo tiempo que un pulso principal de un bit subsiguiente.

Estos pulsos con retardo actúan como una forma de ruido para un pulso subsiguiente.



• Efectos de la propagación multipath.ISI (InterSSymbol Interference)

A medida que la unidad móvil se mueve, la ubicación de los obstáculos cambia; por lo que el número, magnitud y retardo de los pulsos secundarios cambia.

Todo esto complica el diseño de técnicas de procesamiento de señales que filtren los múltiples efectos.



• Desplazamiento Doppler (Doppler Shift)Debido al movimiento relativo entre una unidad móvil y una antena fija, cada onda multipath experimenta un aparente desplazamiento en frecuencia.

El desplazamiento es directamente proporcional a la velocidad y dirección de movimiento del móvil con respecto a la dirección de llegada de la onda mulitpath.

Cada onda multipath sufre un desplazamiento diferente, dando como resultado una modulación en frecuencia aleatoria.

El móvil puede estar alejándose o acercándose de la estación fija.

Si los objetos en el canal de radio están en movimiento, provocan que el desplazamiento Doppler sea variable en el tiempo.



• Desplazamiento Doppler (Doppler Shift)Considerando un objeto moviéndose a una velocidad constante v, a lo largo de un segmento de longitud d entre los puntos X y Y, mientras recibe señales de una fuente remota S .

La diferencia en longitud de los caminos recorridos por la onda de S a los puntos X y Y es: Δl = d cosΘ = v Δt cosΘ

Δt = tiempo requerido para que el móvil se desplace de X a Y.

Θ = se asume que es el mismo en X y Y puesto que S está muy lejos.



• Desplazamiento Doppler (Doppler Shift)El cambio de fase en la señal recibida debido a la diferencia en la longitud de los caminos es:

El cambio aparente en frecuencia, o desplazamiento Doppler, es:

La ecuación relaciona el desplazamiento con la velocidad del móvil.

Si el móvil se mueve hacia la dirección de llegada de la onda, el desplazamiento Doppler es positivo (la frecuencia aparente recibida se incrementa); caso contrario es negativa.

Las componentes multipath que llegan de diferentes direcciones contribuyen al esparcimiento Doppler (Doppler Spread) de la señal recibida, incrementando el ancho de banda de la señal.

El Doppler Spread considera la naturaleza cambiante con el tiempo del canal debido al movimiento del móvil u objetos en el canal y es una medida del ensanchamiento espectral.

Si se transmite un tono a fc, el espectro de la señal recibida tendrá componentes en el rango (fc-fd) y (fc+fd).

θλπ

λπφ cos22 tvl Δ

=Δ

=Δ

θλ

φπ

cos21 v

tfd =

ΔΔ

=


Mecanismos para Compensación de ErroresMecanismos para CompensaciMecanismos para Compensacióón de Erroresn de Errores

• Los esfuerzos para compensar los errores y distorsiones introducidas por el desvanecimiento multipath caen en tres categorías:

FEC (Forward error correction)

Ecualización Adaptiva (Adaptive equalization)

Técnicas de Diversidad (Diversity techniques)

• En un ambiente inalámbrico típico, se combinan técnicas de las tres categorías.



• FEC (Forward Error Correction)Forward se refiere a que mediante procedimientos en el receptor se corrigen los errores en los datos, con la particularidad de que se emplea solo información contenida en la señal digital recibida.

Backward se refiere a que mediante procedimientos en el receptor se detectan los errores, y luego se solicita un pedido de retransmisión de los datos que contienen errores.

No es práctica en muchas aplicaciones inalámbricas.

En comunicaciones satelitales, el retardo involucrado hace que las retransmisiones no sean deseables.

En comunicaciones móviles, las tasas de error son tan altas que existe una alta probabilidad que los bloques retransmitidos también tengan errores.



• FEC (Forward Error Correction)1. Usando un algoritmo de codificación, el transmisor añade un número de bits

(redundancia) a cada bloque de datos transmitido.Los bits extra forman un código corrector de errores y son calculados en función de los bits de datos.

2. En recepción, para cada bloque de bits (datos + código de corrección de errores), el receptor calcula un nuevo código de corrección de errores basado en los bits de datos solamente. Si el código calculado es igual que el código recibido, el receptor asume que no han ocurrido errores en este bloque de bits.

3. Si el código calculado no coincide con el código recibido, se conoce que ha existido uno o mas errores. Si el número de errores está bajo un límite (que depende de la longitud del código y la naturaleza del algoritmo), es posible que el receptordetermine las posiciones de los bits con error y corrija todos los errores.



• FEC (Forward Error Correction)Típicamente, en aplicaciones móviles inalámbricas, la relación entre el número total de bits enviado y el número de bits de datos enviados está entre 2 y 3.

Esto puede parecer un overhead extravagante, dado que la capacidad del sistema ha sido reducido a la mitad o un tercio de su potencial, pero el ambiente inalámbrico móvil es tan complicado que ese nivel de redundancia es necesaria.



• Ecualización AdaptivaSe usa en transmisiones que llevan información analógica o digital.

Se usa para combatir la interferencia intersímbolo.

Se busca una manera de “reunificar” la energía dispersada de los símbolos en su intervalo original de tiempo.

Es un tópico bastante grande que abarca diversa técnicas, así:El uso de los denominados “circuitos analógicos concentrados (lumped)”.

Algoritmos sofisticados de procesamiento digital de señales.



• Ecualización AdaptivaEjemplo que ilustra el uso de circuito ecualizador lineal.

En este caso se toman 5 muestras de la señal de entrada para generar un símbolo de salida, en tiempos uniformemente espaciados (separados por un retardo τ).

Las muestras son ponderadas con los coeficientes Ci y luego sumadas para generar la salida.



• Ecualización AdaptivaEjemplo que ilustra el uso de circuito ecualizador lineal.

El circuito se denomina adaptivo porque los coeficientes son ajustados dinámicamente.

Los coeficientes se definen utilizando una “secuencia de entrenamiento”.

La secuencia es conocida.

La secuencia es transmitida. El receptor compara la secuencia de entrenamiento recibida con la secuencia de entrenamiento esperada (dado que es conocida), y en base a la comparación calcula los valores para los coeficientes.

Periódicamente, una nueva secuencia de entrenamiento es enviada para tomar en cuenta los cambios en el ambiente de transmisión.

Para canales Rayleigh, o peores, puede ser necesario incluir una nueva secuencia de entrenamiento con cada bloque de datos.

Esto representa un overhead considerable, pero se justifica por las altas tasas de error delos sistemas móviles inalámbricos.



• Técnicas de Diversidad Se basan en que los canales individuales experimentan eventos de desvanecimiento de forma independiente.

Se pueden compensar en cierto grado errores proveyendo múltiples canales lógicos y enviando parte de la señal por cada canal.

No se eliminan los errores pero reducen su tasa de ocurrencia dado que se ha distribuido la transmisión.

FEC y ecualización pueden encargarse de la tasa reducida de errores.

Las técnicas de diversidad se pueden clasificar en tres grupos:Espacial

De frecuencia

Temporales



• Técnicas de Diversidad Técnicas Espaciales (space diversity)

Además puede utilizarse diversidad de polarización en las antenas.



• Técnicas de Diversidad De frecuencia (frequency diversity).

El término “diversidad” se aplica comúnmente a este tipo o al temporal.

La señal:

Se esparce (distribuye) en un ancho de banda mas grande

Se transporta en múltiples portadoras de frecuencia. Si la separación en frecuencias de los dos transmisores es grande, frequency selectivefading tendrá baja probabilidad de afectar a ambos caminos con la misma intensidad.

El ejemplo más importante es “spread spectrum”.



• Técnicas de Diversidad De frecuencia (frequency diversity).


Mecanismos para Compensación de ErroresMecanismos para CompensaciMecanismos para Compensacióón de Erroresn de Errores• Técnicas de Diversidad

Temporal (Time diversity)Hasta poderosos códigos de corrección de error pueden ser incapaces de manejar una gran ráfaga de errores.

Tratar de distribuir los datos en el tiempo de tal forma que una ráfaga de ruido afecte un menor número de bits.

Puede ser muy efectiva en regiones de “slow fading”.

Si una unidad móvil se mueve lentamente, puede permanecer en una región de alto grado de desvanecimiento por un periodo relativamente largo.

El resultado sería una larga ráfaga de errores aun cuando el nivel promedio local de la señal sea mucho mas grande que la interferencia.

El compromiso con esta técnica es el retardo que introduce para reconstruir la señal original.

TDM (Time Division Multipex) puede usarse para proveer diversidad.

Múltiples usuarios comparten el mismo canal físico utilizando ranuras de tiempo.

Entrelazar (interleave) bloques sirve como mecanismo de diversidad.



• Técnicas de Diversidad Temporal (Time diversity)




TDM puede usarse para proveer diversidad.

La figura ilustra el concepto.

Se debe notar que el mismo número de bits sigue siendo afectado por el pico de ruido, pero estos se distribuyen en un grupo de canales lógicos.

Si cada canal es protegido con FEC, el código corrector de errores podría manejar un número menor de bits (corrigiendo todos los errores).




Sin usar TDM

Se considera el stream de bits de la fuente como una secuencia de bloques y se los entremezcla (baraja).

En el ejemplo se organizan grupos de 4, el mismo número de errores se sigue produciendo pero los códigos se aplican a códigos distribuidos en el tiempo.

Se puede combinar esta idea con TDM para obtener un mayor grado de diversidad.

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