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Fundamentos de Comunicaciones Inalámbricas

201310 Profesora: María Gabriela Calle Torres, Ph. D.

mcalle@uninorte.edu.co o mejor mcalle.uninorte@gmail.com

2-9A Horario de Atención:

Lunes:

Miércoles

Jueves:

Viernes:

16:30 – 17:30

16:30 – 17:30

16:30 – 17:30

8:30 – 10:30

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Normas

Minimizar el uso de celulares

Llegar a tiempo a clase

Calificaciones:

Examen parcial Viernes, julio 12 25%

Examen parcial Viernes, agosto 2 25%

Ejercicios, Prácticas 25%

Proyecto Final Sábado, agosto 10 25%

Bibliografía Haykin, Simon and Moher, Michael. Modern Wireless Communications. Prentice Hall, 2005

Pahlavan, Kaveh and Krishnamurthy, Prashant. Networking Fundamentals: Wide, Local and Personal Area Communications. John Wiley, 2009.

Foundations on Wireless Communications, Notas de Clase, Dr. Prashant Krishnamurthy, Universidad de Pittsburgh

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Normas

Todos los trabajos individuales deben ser escritos por cada estudiante. Copias textuales o traducciones literales se califican con cero.

http://support.microsoft.com/kb/151713 Fraudes en cualquiera de las actividades de clase se

califican con cero y se procede a sanción disciplinaria. Las tareas se entregan al principio de la clase. No se

aceptarán tareas que lleguen tarde. Explicaciones claras Verificar constantemente el correo electrónico. Allí habrá

información del curso (tareas, trabajos, etc.), aún cuando no sea mencionada en clase

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Objetivos de la Asignatura El estudiante podrá:

Entender diferentes esquemas de modulación y por qué se utilizan en diferentes tecnologías cableadas o inalámbricas.

Entender los fenómenos de propagación de sistemas de telecomunicaciones y, con base en ellos, calcular los parámetros necesarios para diseño de enlaces.

Analizar y seleccionar la tecnología más apropiada para resolver un problema dado.

Comprender y evaluar la literatura científica relacionada con el tema.

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Objetivos de esta clase

Presentar la asignatura

Presentar ejemplos de sistemas de comunicaciones

Mostrar la importancia de conocer los fundamentos de funcionamiento de las redes de comunicaciones

Comenzar a revisar temas básicos de Sistemas y Señales

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Comunicaciones Digitales Avanzadas

La mayoría de los temas son de la capa física, en el sentido del modelo OSI. Se explicarán ejemplos de sistemas reales.

Aplicación directa en otras asignaturas, como Antenas, Circuitos RF y Propagación, Sistemas de Transmisión, Telemática y Redes, Sistemas de Comunicaciones.

Ojo: para desarrollar una Aplicación hay que tener en cuenta la capa física! (y toda la pila también)

Enlace

Física

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

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Contenidos de la asignatura Introducción a los sistemas de comunicación

Teoría básica de señales y detección digital.

Canales en sistemas de comunicaciones digitales.

Características de transmisiones digitales:

Problemas que se presentan en el medio. Interferencia intersimbólica, detección coherente

BPSK, MSK, GMSK, Aplicaciones

Características del Medio de transmisión inalámbrico

Área de cobertura, desvanecimiento, modelos de pérdidas

Retardo por trayectorias múltiples

Ecualización, OFDM, Espectro Ensanchado, UWB

Técnicas de diversidad, antenas inteligentes

Codificación por bloques, Códigos Convolucionales, Codificadores Turbo

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Ejemplos de sistemas de comunicaciones cableados

Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN): usa par de cobre, microondas, fibra óptica

Redes de Área Local cableadas (Ethernet): cable de cobre, fibra óptica

Televisión por Cable: Cable Coaxial Transmisión de Datos a través de línea telefónica: ADSL Internet: Cableada cuando se requiere mayor velocidad,

cableada o inalámbrica cerca de los usuarios Comunicaciones Industriales: Fieldbus, Modbus, Profibus http://www.fieldbus.org/index.php?option=com_content&task=vie

w&id=23&Itemid=308

Sistemas exitosos ya que proporcionan comunicación con bajo nivel de errores a velocidades altas para el usuario final y muy altas dentro del núcleo de la red.

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Ejemplos de sistemas de comunicaciones inalámbricos

Telefonía celular: Advanced Mobile Phone System (AMPS), Global

System for Mobile Communications (GSM), UMTS (Universal Mobile

Telecommunications System), Code Division Multiple Access

(CDMA2000), Long Term Evolution (LTE). Ejemplos en Colombia?

Redes de Área Local: 802.11 a, b, g, n

Rédes de área personal: 802.15.1 (Bluetooth), 802.15.4 (relacionado

con Zigbee)

Comunicaciones satelitales: Global Positioning System (GPS)

Sistemas exitosos porque ofrecen servicio con movilidad, lo cual es

conveniente para los usuarios.

Ejemplos de sistemas no exitosos?

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Inalámbrico no siempre es sinónimo de Móvil / Cableado no siempre es sinónimo de Inmóvil

Los sistemas móviles permiten acceder a la red desde diferentes lugares. Ejs:

Computador de escritorio: No M, No I.

Redireccionamiento de llamadas: M, No I

IEEE802.16: Lazo local inalámbrico: No M, I

Teléfono celular: M, I

Computador portátil con tarjeta WiFi: M, I

Correo Electrónico vía Web: M, I o No I

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Aplicaciones de Redes Inalámbricas

Verticales

Usuarios específicos dentro de un campo particular

Puntos de venta, empresas de mensajería (DHL), medicina (para acceso

a historias clínicas, asesoría, GE Medical Patientnet),

http://www.gehealthcare.com/usen/patient_mon_sys/wireless_and_teleme

try/products/telemetry_sys/docs/patientnet.pdf

militares (monitoreo de soldados y del campo de batalla), vehículos en

carreteras

Horizontales

Dirigidas a grupo amplio de usuarios

Ej: E-mail, juegos inalámbricos (Nintendo Wii), computadores portátiles

y Personal Digital Assistants (PDAs)

Puntos de acceso de WiFi

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Existe una infraestructura fija para proveer comunicación entre diferentes dispositivos inalámbricos o entre fijos e inalámbricos.

Topología física es en estrella El centro de la estrella es la Estación Base (BS) o el Punto de

Acceso (AP). La infraestructura está soportada por redes cableadas (fibra

óptica) o inalámbrica (microondas) Dos dispositivos inalámbricos tienen que comunicarse a través

de la Estación Base, la cual administra el acceso a la red

Ejemplos? Dificultad de Instalación?

Redes con Topología de Infraestructura

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Redes con topología Ad-Hoc

“para referirse a lo que se dice o hace solo para un fin determinado“ www.rae.es

Se pueden implementar rápidamente

No necesitan soporte cableado

Los dispositivos inalámbricos se pueden comunicar directamente

Los miembros de la red se descubren y comunican de manera automática

Ejemplos:

Redes Inalámbricas de Sensores,

WLANs configuradas con

Distribution Coordination Function (DCF)

formando un Independent Basic

Service Set (IBSS)

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Características de Nivel Físico Canal Inalámbrico es hostil:

Desvanecimiento

Trayectorias múltiples

Atenuación por la lluvia en altas frecuencias (Ejemplo?)

Interferencias. De quién?

Tasas de error altas

Medios cableados son más predecibles y controlables

Tener en cuenta las regulaciones

Espectro es limitado y todas las aplicaciones deben tener participación.

El cable limita la dirección de propagación de las ondas. El aire no.

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Características de Capa MAC

Muchos sistemas usan un solo canal, que debe ser compartido por todos los usuarios. Ejemplo?

Técnicas de Acceso Múltiple: Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA): GSM

Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA): GSM

Acceso Múltiple por División de Código (CDMA): CDMA

Acceso Múltiple por Detección de Portadora (CSMA): LAN

usuarios t

usuarios

f usuarios c

f t

t

f

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Efectos del medio cableado en otros niveles

Información digital mucho más sensible a problemas en el medio que información analógica (Ejemplo con Tv por cable)

Condiciones del medio determinan complejidad en transmisor y receptor. Cables cortos pueden utilizar esquemas simples de

modulación y/o codificación y lograr tasas de transmisión de Mbps.

Cables de fibra óptica tienen capacidad de Ghz. No es fácil aprovecharlos por la velocidad de los dispositivos electrónicos utilizados.

Interferencia entre cables vecinos puede ser atenuada por medios físicos

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Efectos del medio inalámbrico en otros niveles

Limitaciones en consumo de energía: usualmente los dispositivos se alimentan con baterías.

Muchos dispositivos móviles tienen limitaciones en capacidad de cómputo (?)

Protocolos “sencillos” y eficientes Potencia de transmisión? Variable? Con qué criterios? Cambio de celda: cuándo? Quién decide? Dirección: no corresponde con la localización física, como en

dispositivos fijos. Movimiento crea condiciones más difíciles en el canal. Seguridad: otros usuarios pueden escuchar lo que se envía por

el medio. Tarificación. Quién cobra? Red origen? Red de Tránsito? El dispositivo debe ser liviano y cómodo para el usuario

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Por eso, se requiere estudiar

Cómo enviar señales Cómo tener buena calidad de comunicación,

atacando los problemas del canal Cómo hacer uso efectivo del ancho de banda

disponible Temas básicos (fundamentos) necesarios

para entender el comportamiento del canal inalámbrico o cableado

Técnicas utilizadas actualmente para atenuar las dificultades presentes en el canal

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Ahora sí, entremos en materia

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Modelo del sistema de comunicaciones

Para este curso

Fuente Codificador de Canal

Modulador Medio (Canal)

Destino Decodificador de Canal

Demodulador

Qué hace cada uno?

De nuestro interés

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Funciones

Fuente genera la información

Codificador de Canal proporciona bits adicionales para recuperar la información si ocurren errores en el canal

Modulador transforma los bits en señales apropiadas para ser transmitidas

Canal: transporta las señales

Dei: realizan operaciones inversas

Un poco más sobre el canal…

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Tipos de Medios de Transmisión

Guiados: Las ondas viajan por un material sólido (fibra,

cobre, etc)

No guiados (mayor énfasis en el curso): Las ondas pueden viajar a través del medio, pero

no están confinadas (atmósfera). Las antenas son transductores para convertir

ondas que viajan por un cable en ondas que se propagan en el espacio y viceversa

La transmisión puede ser Direccional y Omnidireccional

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Rangos de Frecuencia

Microondas : 1 GHz a 40 GHz

Se puede realizar comunicación direccional

Transmisión punto a punto.

Ejemplos?

Enlace ascendente (Frecuencia alta) Enlace descendente

(Frecuencia menor)

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Rangos de Frecuencia (cont.)

Radio Frecuencia: 30 MHz a 1 GHz

Comunicación Omnidireccional

Ejemplos?

Infrarrojo: 3x1011 Hz hasta 2x1014 Hz

Ejemplos?

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Problemas en el canal

Señales no deseadas se consideran ruido No necesariamente ruido AWG

Interferencias también son señales no deseadas

CCI: Interferencia Co-Canal: generada por la misma frecuencia utilizada en otra celda

ACI: Interferencia de Canal Adyacente: generada por frecuencias adyacentes usadas en la misma celda

ISI: Interferencia Intersimbólica: generada por símbolos consecutivos de la secuencia transmitida

El ruido afecta la tasa de error de bit (BER), cambiando bits

Componentes multiplicativas que incrementan estos problemas (más adelante)

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Modelo del Canal

Asumimos que el Canal es un sistema lineal invariante en el tiempo (LTI) (aunque no lo sea)

Las señales son las entradas

Podemos modelar el canal usando técnicas como análisis de Fourier y convolución

h(t)

x(t) y(t)

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Definiciones

Datos: contienen información Análogos: video, audio Digitales: texto

Señales: Representaciones de los datos a través de ondas

eléctricas, electromagnéticas, ópticas o acústicas Forma de energía que contiene información

Transmisión: comunicación de los datos a través de la propagación y procesamiento de señales.

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Ejemplo de señal eléctrica: Triangular

fT(t)

voltios

t (tiempo)

1

T T/2

casootrocualquieren

TtT

sitT

Ttsit

T

tf

0

22

2

20

2

)(

Voltaje o Corriente?

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Representación de señales

t

1

T T/2 3T/2 0

fT(t-T/2)

t

fT(-t) = fT (t+T)

1

-T -T/2 0

-1

T T/2

t

-fT(t)

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Otras señales interesantes

casootrocualquieren

TtsitfT

0

01)(

1)(

t

t

1

T

Pulso Rectangular

Ejemplos?

Impulso (Delta de Dirac)

0 t

(t)

(t) = 0 si t ≠0

)()()( 00 txdttttx

Será real?

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Señal Cosenoidal

x(t) = A cos(2πft + Φ)

Amplitud: Máximo valor de la señal (si no hay DC) Longitud de onda: Distancia que ocupa un solo ciclo de la señal. λ Periodo: tiempo necesario para repetir la señal. T = 1/f Fase: Medida de la posición de la señal en el tiempo en un solo

periodo Considerando propagación en el vacío c=λf

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 1 2 3 4 5

Tiempo

Am

pli

tud

Cambio en los parámetros?

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Conclusiones

Se presentó la asignatura

Se mostraron ejemplos de sistemas de comunicaciones inalámbricas

Se explicó la importancia de conocer los fundamentos de funcionamiento de las redes de comunicaciones

Comenzamos a revisar temas de Sistemas y Señales

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Preguntas?