Multiplexación de Canales

Spread Spectrum. Secuencia Directa. Multicanalización. Sistema de Espectro Amplio. Teorema de Shannon. Umbral de Interferencia. CDMA (Code Division Multiple Access). TDMA (Time Division/Demand Multiple Access). FDMA (Frequency Division Multiple Access)

  • Enviado por: Victor Manuel Mesa
  • Idioma: castellano
  • País: Colombia Colombia
  • 14 páginas
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MULTIPLEXACIONES DE CANALES ( TDMA, FDMA, CDMA)

Humm, y que es eso de multiplexar canales; pues nada complicado... simplemente es como envio de varios canales por un mismo medio fisico. Los tipos de multiplexación son 3:

  • TDMA ( Time Division Multiplex Access )

Como su traducción dice, es multiplexación por tiempo; esto es, si queremos enviar 3 canales por un mismo medio físico haciendo uso de TDMA, simplemente le asignaremos una duración temporal a cada canal, y se les cederá el medio físico a cada canal durante ese espacio de tiempo determinado. Muy usado en transmisiones digitales por cable, como en redes de computadores. Requiere métodos de sincronismo eficaces.

  • FDMA ( Frequency Division Multiplex Access)

Multiplexación por división en frecuencia. Haciendo uso de modulaciones enviamos cada canal en una banda de frecuencias distinta. Luego en cada receptor se debe demodular para devolver la transmisión a banda base, o a su banda natural. Ampliamente usada en radiocomunicaciones... no os es familiar hablar del 107.4 de FM (FM es el tipo de modulación).

  • CDMA ( Code Division Multiplex Access)

Multiplexación por división en Código. Un tipo de multiplexación bastante compleja, basada en el uso de distintas codificaciones para cada canal, que pueden ser transmitidos compartiendo tiempo y frecuencia simultáneamente. Hacen uso de complejos algoritmos de codificación. Utilizado en medios digitales complejos.

A continuación ampliaremos mas detalladamente cada uno de estos conceptos:

CDMA

CDMA significa - "Acceso Múltiple por División de Código. " -En los sistemas CDMA todos los usuarios transmiten en el mismo ancho de banda simultáneamente, a los sistemas que utilizan este concepto se les denomina "sistemas de espectro disperso". En esta técnica de transmisión, el espectro de frecuencias de una señal de datos es esparcido usando un código no relacionado con dicha señal. Como resultado el ancho de banda es mucho mayor. En vez de utilizar las ranuras de tiempo o frecuencias, como lo hacen las tecnologías tradicionales, usa códigos matemáticos para transmitir y distinguir entre conversaciones inalámbricas múltiples. Los códigos usados para el esparcimiento tienen valores pequeños de correlación y son únicos para cada usuario. Esta es la razón por la que el receptor de un determinado transmisor, es capaz de seleccionar la señal deseada.
Uno de los problemas más importantes en el diseño de un sistema de comunicaciones inalámbricas consiste en proveer facilidades de comunicación a diferentes usuarios, de tal forma que el espectro de radiofrecuencias sea aprovechado de una forma óptima y a un costo razonable. Teniendo en cuenta que el espectro de frecuencias es un recurso limitado es necesario diseñar estrategias de acceso múltiple, de tal forma que se puedan asignar, dentro de las debidas restricciones económicas de un ancho de banda previamente asignado.
Los códigos usados para el esparcimiento tienen valores pequeños de correlación y son únicos para cada usuario. Esta es la razón por la que el receptor que tiene conocimiento del código de un determinado transmisor, es capaz de seleccionar la señal deseada.
CDMA de sistemas proveen operadores y suscriptores con ventajas importantes sobre TDMA analógico y convencional. Las ventajas principales de CDMA son como se indica a continuación:

  • Resiste la interferencia intencional y no intencional, una cualidad muy importante cuando se transmite en áreas congestionadas.

  • Tiene la habilidad de eliminar o atenuar el efecto de la propagación multicamino, la cual es un gran obstáculo en las comunicaciones urbanas.

  • Puede compartir la misma banda de frecuencia (como un traslapamiento) con otros usuarios, debido a su similitud con una señal de ruido.

  • Operación limitada de interferencia, en cualquier situación todo el ancho de banda es usado.

  • Privacidad debido a los códigos aleatorios desconocidos, los códigos aplicados con - en principio - desconocidos para un usuario no deseado.

  • Posibilidad de acceso aleatorio, los usuarios pueden iniciar su transmisión a cualquier instante de tiempo.

  • Los sistemas basados en CDMA presentan una reducción de la potencia de transmisión incrementando la vida de las baterías y reduciendo el tamaño de los transmisores y receptores.

FUNCIONAMIENTO

CDMA se basa en la separación del espectro, que en los medios de la transmisión digital es cuando la señal ocupa una banda de frecuencia que sea considerablemente más amplia que el mínimo requerido para la transmisión de datos por otras técnicas

Los usuarios comparten la misma banda de frecuencia y cada señal es identificada por un código especial, que actúa como una clave reconocida por el transmisor y el receptor. La señal recibida es la suma de todas las señales "combinadas", y cada receptor debe clasificar e identificar las señales que le corresponden de las demás señales. Para hacer esto utiliza un código que corresponde con el código transmitido.

La primera operación implica encontrar del código correcto, y así sincronizar el código local con el código entrante. Una vez ha ocurrido la sincronización, la correlación del código local y del código entrante permite a la información apropiada ser extraída y las otras señales ser rechazadas.

También permite que dos señales idénticas que vienen de diversas fuentes, sean demoduladas y combinadas, de modo tal que se mejore la calidad de la conexión, por lo que es también una ventaja el uso simultáneo de varios satélites (diversidad). Igualmente, una de las principales características de la tecnología CDMA es que hace prácticamente imposible que sea objeto de interferencias e interceptaciones, ofreciendo gran seguridad en las comunicaciones.

TDMA

TDMA ("Time División Múltiple Access") es común en los sistemas de telefonía fija. Las últimas tecnologías en los sistemas de radio son la codificación de la voz y la compresión de datos, que eliminan redundancia y periodos de silencio y decrementan el tiempo necesario en representar un periodo de voz. Los usuarios acceden a un canal de acuerdo con un esquema temporal. Aunque no hay ningún requerimiento técnico para ello, los sistemas celulares, que emplean técnicas TDMA, siempre usan TDMA sobre una estructura FDMA. Un sistema puro TDMA tendría sólo una frecuencia de operación, y no sería un sistema útil. TDMA es un concepto bastante antiguo en los sistemas de radio.

En los sistemas modernos celulares y digitales, TDMA implica el uso de técnicas de compresión de voz digitales, que permite a múltiples usuarios compartir un canal común utilizando un orden temporal. La codificación de voz moderna, reduce mucho el tiempo que se lleva en transmitir mensajes de voz, eliminando la mayoría de la redundancia y periodos de silencio en las comunicaciones de voz. Otros usuarios pueden compartir el mismo canal durante los periodos en que éste no se utiliza. Los usuarios comparten un canal físico en un sistema TDMA, donde están asignado unos slots de tiempo. A todos los usuarios que comparten la misma frecuencia se les asigna un slot de tiempo, que se repite dentro de un grupo de slots que se llama trama. Un slot GSM es de 577 µs, y cada usuario tiene uso del canal (mediante su slot) cada 4.615 ms (577 µs 8 = 4.615 ms), ya que en GSM tenemos 8 slots de tiempo.

Componentes de un sistema Celular AMPS, TDMA D-AMPS

La tecnología de radio digital que usa el estándar de DECT es TDMA - Time Division Multiple Access. Pues el nombre sugiere, el principio de base de TDMA es crear los canales múltiples del discurso dentro del mismo portador de radio dividiéndolo en el dominio de tiempo. La tecnología de radio de TDMA es también la base de los principales estándares celulares digitales del mundo - el GSM (y DCS1800), DAMPS y PDC.

En el estándar de DECT, de 20MHz de espectro de radio se maneja como sigue. Hay 10 carriers o portadores (canales de radio), cada uno de 1.728MHz. que cada portador se divide en 12 timeslots a dos caras (24 en total), para permitir 12 llamadas simultáneas. Solamente un solo transmisor-receptor es necesario para cada portador. Con 10 portadores, la capacidad es 120 canales de radio.

Una característica importante de esta tecnología de división de tiempo, es que un teléfono individual es solamente envia o de recibe para dos de los timeslots disponibles. Por el tiempo restante, puede hacer otras cosas. Por ejemplo puede ser utilizada para llevar una señal de llamada en espera, y permite que el usuario cambie entre dos llamadas.

FDMA

FDMA ("Frecuency Division Multiple Access") es la manera más común de acceso truncado. Con FDMA, se asigna a los usuarios un canal de un conjunto limitado de canales ordenados en el dominio de la frecuencia. Los canales de frecuencia son muy preciados, y son asignados a los sistemas por los cuerpos reguladores de los gobiernos de acuerdo con las necesidades comunes de la sociedad. Cuando hay más usuarios que el suministro de canales de frecuencia puede soportar, se bloquea el acceso de los usuarios al sistema. Cuantas más frecuencias se disponen, hay más usuarios, y esto significa que tiene que pasar más señalización a través del canal de control. Los sistemas muy grandes FDMA frecuentemente tienen más de un canal de control para manejar todas las tareas de control de acceso. Una característica importante de los sistemas FDMA es que una vez que se asigna una frecuencia a un usuario, ésta es usada exclusivamente por ese usuario hasta que éste no necesite el recurso.

FDMA está parado para " el acceso múltiple de la división de la frecuencia " y, aunque podría ser utilizado para los sistemas digitales, se utiliza exclusivamente en todos los sistemas celulares analogicos. Esencialmente, FDMA parte el espectro afectado un aparato en muchos canales. En sistemas analogicos actuales de la célula, cada canal es 30 kHz. Cuando un teléfono de la célula de FDMA establece una llamada, reserva el canal de frecuencia para la duración entera de la llamada. Los datos de la voz se modulan en esta banda de frecuencia de los canles (que usa la modulación de la frecuencia) y se envían concluído los airwaves. En el receptor, se recupera la información usando un filtro band-pass. El teléfono utiliza un canal común del control numérico para adquirir los canales. Los sistemas de FDMA son el menos sistema celular eficiente puesto que cada canal analogico se puede utilizar solamente por un utilizador al mismo tiempo. Está no sólo la compresión de voz digital moderna dada más en gran parte que necesaria de estos canales, sino que también se pierden siempre que haya silencio durante la conversación de teléfono de la célula. Las señales analogicas son también especialmente susceptibles al ruido? y no hay manera de filtrarla hacia fuera. Dado la naturaleza de la señal, los teléfonos analogicos de la célula deben utilizar una potencia más alta (entre 1 y 3 vatios) de conseguir calidad aceptable de la llamada. Dado estos defectos, es fácil ver porqué FDMA está siendo substituido por más nuevas técnicas digitales.

El primer punto a considerar es que en CDMA todos los usuarios, mientras duran sus comunicaciones, ocupan la totalidad del ancho de banda asignado a cada estación base, que puede ser de varios Mhz. Tanto en FDMA como en TDMA hay una separación de las señales de cada usuario, bien en frecuencia o bien en tiempo, mientras que en CDMA todos los usuarios en comunicación se están interfiriendo mutuamente, como grupos de parejas hablando en una recepción, en la que mientras todo el mundo está hablando a un determinado nivel de volumen, cada persona se concentra en lo que dice su interlocutor, al menos que sobrevenga alguna información excepcional.

Si cada pareja hablara y entendiera un único idioma, su capacidad de dialogar, con un alto nivel de interferencia, sería mucho mayor, debido a la exclusividad del lenguaje. Este es el principio de supresión de interferencias utilizado en CDMA, donde las comunicaciones de cada móvil con su estación base se producen con una particular codificación semejante al uso de un solo idioma. Si además la codificación fuera ortogonal y las comunicaciones sobre un canal ideal, los usuarios ignorarían totalmente cualquier interferencia intercelular.

SPREAD SPECTRUM

Un sistema spread spectrum es aquel en el cual la señal transmitida es propagada en una banda de frecuencia amplia, mucho más de hecho, que el mínimo ancho de banda requerido para transmitir la información que será enviada. Las comunicaciones spread spectrum no puede decirse que sean una manera eficiente de utilizar el ancho de banda. Sin embargo, son de utilidad cuando se combinan con los sistemas existentes que ocupan la frecuencia. La señal spread spectrum que es propagada en un ancho de banda grande puede coexistir con señales de banda estrecha añadiendo únicamente un ligero incremento en el ruido de fondo que los receptores de banda estrecha pueden ver. El receptor spread spectrum no ve las señales de banda estrecha pues está escuchando en un ancho de banda mucho más amplio con una secuencia de código ordenada que se explicará más tarde.

Primero, explicaremos cinco tipos de técnicas spread spectrum:

  • Sistemas de Secuencia Directa - La secuencia directa es, quizás, uno de los sistemas spread spectrum más ampliamente conocidos y es relativamente sencillo de implementar. Un portador de banda estrecha es modulado por una secuencia de código. La fase del portador de la señal transmitida es cambiado de forma brusca de acuerdo a esta secuencia de código, la cual es generada por un generador pseudoaleatorio que tiene una longitud fija. Después de un número determinado de bits, el código se repite a sí mismo de manera exacta. La velocidad de la secuencia de código se llama radio de "chipping", medido en chips por segundo (cps). Para secuencia directa, la cantidad de propagación depende de la proporción de chips por bit de información. En el receptor, la información se recupera multiplicando la señal con una réplica de la secuencia de código generada localmente.

Figura 1. Comparación de una señal de banda estrecha con una señal Spread Spectrum de Secuencia Directa. La señal de banda estrecha es suprimida cuando se transmite en spread spectrum.

Sistemas de Salto de Frecuencia - En estos sistemas, la frecuencia del portador del transmisor cambia abruptamente (o salta) de acuerdo a una secuencia de código pseudoaleatoria. El orden de frecuencias seleccionadas por el transmisor es dictado por la secuencia de código. El receptor sigue la pista a estos cambios y produce una señal IF constante.

Figura 2. Un ejemplo de señal Spread Spectrum con Salto de Frecuencia.

Sistemas de Salto con Tiempo - Éste es un sistema en el cual el periodo y el ciclo de un portador de pulso RF son variados de una forma pseudoaleatoria bajo el control de una secuencia codificada. Ver figura 3. El tiempo de salto es usado a menudo con efectividad junto a la frecuencia de salto para formar un sistema spread spectrum de múltiple acceso (TDMA) y un tiempo por división híbrido.

Figura 3. Salto con Tiempo Spread Spectrum. Cada ráfaga cosiste en k bits de datos y el tiempo exacto en que cada ráfaga se transmite es determinada por una secuencia PN.

  • Sistemas de Pulso FM (chirrido) - Éste es un sistema en el cual el portador RF es modulado con una secuencia de periodo y ciclo fijos. Al principio de cada pulso transmitido, la frecuencia del portador es modulada en frecuencia provocando una propagación adicional del portador. El modelo de la frecuencia de modulación dependerá de la función de propagación escogida. En algunos sistemas, la función de propagación es una extensión del chirrido FM lineal, extendiéndose tanto por arriba como por abajo en frecuencia.

Sistemas Híbridos - Los sistemas híbridos usan una combinación de métodos spread spectrum con el fin de usar la propiedades beneficiosas de los sistemas utilizados. Dos combinaciones comunes con secuencia directa y salto de frecuencia. La ventaja de combinar los dos métodos es que se saca partido de características que no están disponibles usando un único método.

¿Por qué usar Spread Spectrum?

Responder a la cuestión "¿por qué debería yo usar spread spectrum?" puede degenerar fácilmente en un simple listado de ventajas e inconvenientes. Sin embargo, spread spectrum tiene diferentes propiedades únicas que no pueden ser encontradas en cualquier otra técnica de modulación. Los radioaficionados pueden explotar estas propiedades y buscar aplicaciones útiles. La siguiente lista muestra las ventajas e inconvenientes que se pueden observar en los sistemas spread spectrum típicos. Hay que tener en cuenta que esto es así a causa de la naturaleza de spread spectrum, no porque sean atributos directos.

  • Ventajas:

  • Resiste interferencias intencionadas y no intencionadas.

  • Tiene la habilidad de eliminar o aliviar el efecto de interferencias de múltiples formas.

  • Puede compartir la misma banda de frecuencia (overlay) con otros usuarios.

  • Privacidad debido a la secuencia de código pseudoaleatoria (multiplexión por división de código)

  • Inconvenientes:

  • Ancho de banda ineficiente.

  • La implementación es, de alguna forma, más compleja.

Otras Propiedades.

Hay varias propiedades únicas que surgen como resultado de la secuencia de código pseudoaleatoria y la amplia señal de ancho de banda que resulta de extender la propagación. Dos de ellas son direccionamiento selectivo y la multiplexión por división de código. Mediante la asignación de un código dado a un único receptor o a un grupo de receptores, pueden ser direccionados individualmente o por grupo por otros receptores asignados con un código diferente. Los códigos pueden ser elegidos también para minimizar la interferencia entre grupos de receptores eligiendo aquellos que tengan posibilidades de correlación de cruces escasas. De esta forma, se puede transmitir más de una señal al mismo tiempo en la misma frecuencia. El direccionamiento selectivo y el Acceso Múltiple de División de código (CDMA - Code Division Múltiple Acces) se implementan mediante estas codificaciones. Un segundo conjunto de propiedades es su baja probabilidad de interceptación (LPI - low probability of intercept) y antiinterferencias. Cuando la inteligencia de la señal es extendida a varios megahercios del espectro, el espectro de energía resultante es también extendido. Esto produce que la energía transmitida se extienda sobre una amplia frecuencia de ancho de banda y hace que su detección en sentido normal (sin el código), muy difícil. Ya que LPI no es una aplicación típica para radioaficionados, sería mejor renombrar esta propiedad como "reducción de interferencia". Así, spread spectrum puede sobrevivir en un entorno adverso y coexistir con otros servicios en la banda. La propiedad de antiinterferencia es resultado del amplio ancho de banda usado para transmitir la señal. Se recuerda el teorema de la proporción de información de Shannon.

  • C = W log (1 + S/N)

  • C = capacidad en bits por segundo

W = ancho de banda
S = energía de la señal
N = energía del ruido

donde la capacidad de un canal es proporcional a su ancho de banda y la proporción de ruido en la señal sobre el canal. Expandiendo el ancho de banda varios megahercios e incluso varios cientos de megahercios, hay más que suficiente ancho de banda para transportar la proporción de datos requeridos y tener incluso más de sobra para contrarrestar los efectos del ruido. Esta cualidad de antiinterferencia se expresa normalmente como "procesando ganancia".

Para la radio amateur, las propiedades de multiplexión por división de código, la coexistencia en un entorno adverso, y el procesamiento de ganancia, son excelentes razones para experimentar y encontrar aplicaciones útiles para spread spectrum en el servicio de radioaficionados. Junto a estas razones, los amateurs pueden disfrutar también de un incremento en la proporción de datos para datos digitales (packet radio) que no puede ser obtenida con proporciones comerciales o amateur convencionales debido a restricciones físicas (p.ej filtros de paso de banda) y de reglas. Por ejemplo, los sistemas de banda estrecha en la banda de 70 cm están limitados a una proporción de datos máxima de 56kbps y un ancho de banda de 100 kHz. Estas restricciones no existen en la banda de 33 cm y superiores.

Quizás una de las razones más importantes para usar spread spectrum es su habilidad de discriminar contra interferencia multicanal. Una implementación de receptor RAKE para secuencia directa permite que los canales de señal individual sean detectados por separado y coherentemente combinados con otros canales. Esto no sólo tiende a prevenir perdidas graduales, sino que también proporciona un efecto de diversidad de canales resultando unos enlaces muy robustos en comunicaciones móviles terrestres.

Bloques de Construcción.

Las señales spread spectrum son demoduladas en dos pasos: 1) la modulación en extensión del espectro es eliminada, y 2) la señal es demodulada. El proceso de desampliar una señal es llamado correlación. La señal spread spectrum es desampliada cuando se consigue la apropiada sincronización del código ampliado entre el transmisor y el receptor. La sincronización es el aspecto más difícil del receptor. Mucho más tiempo, investigación, esfuerzo y dinero se ha empleado para desarrollar y mejorar las técnicas de sincronización que en cualquier otra área de spread spectrum. El problema de la sincronización es descompuesto en dos partes: adquisición inicial y seguimiento.

Hay varios métodos para resolver el problema de la sincronización. Muchos de ellos requieren una gran cantidad de componentes para ser implementados. Pero quizás, el avance más importante ha sido el Procesamiento Digital de la Señal (DSP - Digital Signal Processing) y los Circuitos Integrados de Aplicación Específica (ASIC - Application Specific Integrated Circuits). DSP ha proporcionado funciones matemáticas de alta velocidad que pueden dividir la señal spread spectrum en muchas pequeñas partes y analizarla para sincronizarla y decorrelacionarla. Los chips ASIC reducen el coste usando tecnología VLSI y creando bloques de construcción genéricos que pueden ser usados para cualquier tipo de aplicación que el diseñador desee.

LMDS

Tecnología de comunicación que viaja a través del aire

Definida como sistema de distribución local multipunto, LMDS es la tecnología que utiliza al aire como medio de transmisión de una señal telefónica que le permitirá a los proveedores del servicio agilizar el proceso de conexión.

De entrada pareciera que se trata del mecanismo por medio del cual trabajan redes celulares, pero en realidad es diferente; la solución es fija y tiene requerimientos especiales como es la línea de vista entre la radio base y el equipo del cliente.

Además, ofrece mayores velocidades de conexión y capacidades de superiores a las que actualmente son manejadas por otro tipo de tecnologías.

Entre los servicios y aplicaciones que incluye se encuentra la transmisión de voz, datos y video, en donde el ancho de banda está dedicado a darle prioridad al servicio en vivo, asignando dinámicamente soluciones de datos (incluso video).

En cuanto a su capacidad, LMDS puede llegar hasta los 42 Mbps por kilómetro cuadrado en 28 GHz con 12 sectores por celda. Dicha cifra del número de canales utilizados, sectores por celda y modulación depende de la potencia con la que se transmite la señal, así como por el grado de interferencia al momento de establecer la comunicación.

¿Cómo funciona?
Debido a que esta tecnología utiliza como medio de transmisión el aire, la forma de operar es mediante cuatro componentes. El primero de ellos es un módulo externo que se conforma por una antena y un amplificador de bajo nivel de ruido, el cual recibe y envía la información digitalizada.

En segundo lugar se encuentra una unidad interna cuya función es procesar los datos por medio de interfaces. La señal es recibida por el tercer componente, las radiobases, las cuales se instalan en lugares estratégicos desde donde el proveedor se encargará de brindar el servicio de comunicación y de darle el soporte necesario a las aplicaciones, estableciendo enlaces directos entre los distintos usuarios del mismo.

El punto que cierra el círculo es el sistema de gestión. Éste consta de una central de gestión y monitoreo que administra y controla toda la infraestructura.

¿Qué se espera de la tecnología LMDS?
Aunque por el momento todavía está en evaluación, se espera que luego de la liberación y desregulación de los espectros de esta tecnología, los proveedores del servicio podrán ofrecer un nivel de calidad y velocidad más rápido que los esquemas hasta ahora conocidos (telefonía tradicional y celular).

A decir por el gerente de Marketing Comunications (MarCom) en Caribe, Latinoamérica y México, Octavio Rosado, en el momento que esto suceda los proveedores del servicio se podrán enfocar al segmento de la pequeña y mediana empresa (PyME) y al SOHO (Small Office/Home Office) a través de propuestas más accesibles en cuanto a tarifas y tiempo de implantación.

Pese a estos pronósticos, el representante de Marconi, Alejandro Soto, explica que todo va a depender de los costos de los productos involucrados para hacer realidad la comunicación a través de esta tecnología.

Comenta que lo anterior puede ser posible, ya que los operadores del servicio se ahorrarían los gastos que representa el abrir calles para instalar todo el cableado que un sistema tradicional requiere.

Por el momento, la Comisión Federal de Telecomunicaciones (Cofetel) sigue estudiando el proceso de subasta de la frecuencia y cómo se va dividir.

Al respecto, Rosado considera que el ganador en el mercado de acceso inalámbrico de banda ancha será quien presente la capacidad de ofrecer el mayor número de

bits por unidad de espectro, quien acomode más usuarios y al mismo tiempo garantice el retorno de inversión y, sobretodo, aquel que demuestre la mayor facilidad de implantación.

En México se espera que la Cofetel subaste antes de fin de año tres concesiones entre 28 y 31 GHz (dos de 450 MHz y uno de 150 MHz).

La tecnología LMDS se presenta como la fórmula menos engorrosa de tender líneas propias y dejar de depender del cableado de Telefónica. Se trata de traducir la señal telefónica que viaja por cable en ondas de radio, captarlas mediante antenas instaladas en cada edificio y distribuirla a los abonados por cable. En principio una opción limpia que no requiere abrir zanjas por toda la ciudad y que permita llevar a los usuarios voz y datos de alta calidad con líneas propias. FIGURA 1

Multiplexación de Canales

Figura 1: La telefonía inalámbrica LMDS es un servicio de banda ancha a través de ondas de radio que permite llevar todo tipo de llamadas hasta los hogares

Los sistemas fijos de acceso radio punto a multipunto constituyen una forma rápida y flexible respecto a las soluciones basadas en cable para proporcionar servicios digitales de banda ancha. Las nuevas licencias concedidas recientemente por Fomento en las bandas de 3,4 a 3,6 GHz y 24,5 a 26,5 GHz permitirán acceder a los usuarios a través del llamado bucle local inalámbrico (WLL, Wireless Local Loop). Entre las distintas soluciones de acceso inalámbrico destacan los sistemas FWA (Fixed Wireless Access) y LMDS/MVDS (Local Multipoint Distribution Service / Microwave Video Distribution System). Los primeros están pensados principalmente para proporcionar servicios tales como telefonía, acceso a Internet, videoconferencia o interconexión de redes privadas y son objeto de las licencias de Fomento. En cambio, los segundos surgen para facilitar el despliegue de las redes de los operadores de cable y permiten servicios digitales bidireccionales de vídeo y datos en las bandas de 27,5 a 29,5 GHz ó 40,5 a 42,5 GHz. En todos ellos, la arquitectura del sistema consiste en una serie de estaciones base interconectadas entre sí y con el centro de control de red por medio de cable o radio enlaces, las cuales dan servicio a una serie de abonados fijos distribuidos por el interior de celdas de radio variable.

A la hora de realizar la planificación y despliegue de un sistema inalámbrico punto a multipunto existen varios factores que deben tenerse en cuenta: zona geográfica y orografía del terreno, densidad de abonados y consumo de tráfico, calidad de servicio requerida, balance de potencias del enlace radio, tamaño y número de celdas, emplazamiento de estaciones base, reutilización de frecuencias, coste del sistema, etc. A continuación pasaremos a comentarlos más en detalle.

Figura 2: Curvas de BER para una modulación 64QAM y varios niveles de CIR.

Las prestaciones de un sistema de distribución de vídeo punto a multipunto se miden por medio del porcentaje de abonados que poseen un nivel de señal adecuado para alcanzar una calidad de imagen excelente. En el caso de una gran área metropolitana, el factor clave en la penetración del sistema lo constituye la vegetación existente. Si el haz del radio enlace se obstruye por árboles o vegetación, el impacto sobre el nivel de señal es significativo. A frecuencias milimétricas, como pueden ser los sistemas LMDS, la situación es más crítica. A estas frecuencias tan elevadas no existe prácticamente difracción y cualquier pequeño obstáculo provoca la reflexión del haz, por lo que estos sistemas necesitan diseñarse con visión directa entre las antenas (LoS, Line of Sight). En general, los valores de atenuación causados por la vegetación oscilan en torno a los 10-20 dB. Para aumentar el porcentaje de abonados que pueden ser cubiertos se emplean torres y edificios elevados donde se sitúan las antenas, así como repetidores secundarios de baja potencia para alimentar zonas inaccesibles.

Adicionalmente a los efectos de bloqueo del haz, el solapamiento entre celdas o la redundancia del sistema también afectan a la calidad de servicio. El solapamiento entre celdas es un factor de diseño importante de tal forma que se garantice que un abonado situado cerca del borde de la celda pueda recibir servicio de múltiples direcciones. Un valor típico de solapamiento es el 15 %, el cual puede variar dependiendo de la densidad de población y de la obstrucción causada por grandes edificios. Finalmente, para minimizar el tiempo de caída del sistema en caso de fallo o degradación del equipamiento, pueden utilizarse transmisores, receptores y antenas de reserva (redundancia de equipos). Cuando el sistema de gestión detecta un fallo en un determinado equipo se conmuta al equipo de reserva en unos pocos microsegundos. Los transmisores y receptores digitales de banda ancha poseen tarjetas de monitorización cuya función es medir parámetros tales como potencia de salida, temperatura, frecuencia del oscilador local, etc. Todos estos valores analógicos se digitalizan y se transmiten hacia el centro de control de red, el cual se encarga de comprobar los márgenes de funcionamiento y conmutar al equipamiento redundante en caso de fallo.

La calidad de servicio o fiabilidad suele medirse por medio del porcentaje de tiempo que el sistema funciona correctamente. Valores típicos oscilan entre el 99,9 % y el 99,999 %. Adicionalmente, para aumentar este porcentaje pueden emplearse técnicas de diversidad. Las técnicas de diversidad pueden realizarse en el dominio espacial, frecuencial o temporal y consisten en proporcionar rutas distintas para transmitir y recibir información redundante. La idea se basa en que ahora es necesario que ocurra un desvanecimiento de la señal simultáneamente en todas las posibles rutas para cortar el enlace. De este modo, suponiendo que disponemos de dos rutas diferentes con una fiabilidad o calidad de servicio del 99,9 %, la calidad resultante empleando diversidad llegaría hasta el 99,9999 %.

El balance de potencias se utiliza para calcular la distancia máxima de la estación base a la que debe situarse un usuario para mantener una determinada calidad de señal. En este cálculo intervienen todas las ganancias y pérdidas del sistema, incluyendo transmisores, repetidores, antenas, propagación en espacio libre, convertidores de frecuencia, amplificadores, desvanecimientos por lluvia o vegetación, etc. Los parámetros de calidad que se utilizan en el balance de potencias son la relación portadora a ruido (CNR, Carrier to Noise Ratio), los niveles de distorsión de tercer orden (CTB, Composite Triple Beat) y la relación portadora a interferencia (CIR, Carrier to Interference Ratio).

La CNR global del sistema se relaciona directamente con la tasa de errores (BER, Bit Error Rate) en recepción. Suponiendo la presencia de ruido blanco gaussiano y las figuras de ruido asociadas a cada componente, el BER se calcula a partir de un modelo teórico basado en el esquema de modulación empleado y el algoritmo utilizado para la corrección de errores. Generalmente se emplean técnicas de corrección de errores en recepción (FEC, Forward Error Correction) basadas en códigos convolucionales y Reed Solomon. Por otro lado, el nivel de distorsión acumulado a lo largo del sistema debe mantenerse en unos niveles aceptables para realizar la demodulación en el receptor correctamente. Los productos de intermodulación generados en transmisores, amplificadores y convertidores de frecuencia dependen de la potencia de portadora, del número de canales y del punto de intercepción de tercer orden del dispositivo. Normalmente se tienen valores de CTB (potencia de intermodulación de tercer orden respecto a potencia de portadora) de unos -35 dBc.

Por último, un importante parámetro de diseño en sistemas inalámbricos punto a multipunto es la CIR, dado que se trata de sistemas celulares sujetos a interferencias. Posteriormente se analizará en detalle la planificación de frecuencias utilizada para minimizar las interferencias. En este momento, simplemente indicaremos que la CIR produce una degradación de la CNR del sistema, conduciendo finalmente a un aumento del BER. En la FIGURA 2 se representa el BER obtenido en recepción para una modulación 64QAM en función de Eb/N0 (energía de bit respecto a densidad espectral de ruido) para distintos niveles de CIR, donde se puede observar el aumento que se produce en el valor de Eb/N0 requerido para una cierta probabilidad de error conforme disminuye la CIR. El valor de Eb/N0 se encuentra directamente relacionado con la CNR, por lo que un determinado valor de CIR conduce a una nueva CNR efectiva del sistema.

El tamaño máximo de celda se encuentra directamente relacionado con la calidad de servicio exigida y puede calcularse por medio del balance de potencias. El tamaño de celda puede variar dentro de la zona de cobertura debido al tipo de antena utilizado, a su altura, a las pérdidas por vegetación, al esquema de modulación empleado y a otros efectos anteriormente comentados. En el caso de la banda de 26 GHz los radios típicos de celda oscilan entre 2-4 km, mientras que la banda de 3,5 GHz proporciona alcances de 15-20 km. No obstante, el tipo de área (urbana, suburbana o rural) condiciona enormemente el tamaño de celda por cuestiones de tráfico. A pesar de que los distintos abonados pueden disponer de un nivel de señal suficiente, el ancho de banda disponible es un recurso compartido. De este modo, en el caso de zonas con alta densidad de usuarios o grandes consumos de ancho de banda (edificios de empresas), no se puede garantizar una cierta calidad de servicio y es necesario reducir el radio de las celdas (en algunos casos hasta los 500 m).

El coste total del sistema depende de una serie de factores: balance de potencias, tamaño de celda, solapamiento entre celdas, número de celdas, capacidad de tráfico, número de sectores por celda y coste por celda. La sectorización de las celdas se realiza por cuestiones de tráfico, ya que permite la reutilización de las frecuencias y por lo tanto del ancho de banda disponible. En general, el coste del sistema depende del número de celdas necesarias para cubrir todo el área de cobertura. El coste de los equipos de radiofrecuencia (transmisores, receptores y antenas) se ve reflejado en cada uno de los sectores de la celda, mientras que el coste del equipamiento interno de la estación base depende de la capacidad de tráfico requerida. Durante el diseño del sistema, los operadores de red suelen utilizar herramientas y software informático para optimizar costes.

La utilización de antenas omnidireccionales en la estación base da lugar a múltiples interferencias en las celdas vecinas, las cuales pueden evitarse empleando frecuencias distintas. Pero dado que se desaprovecha capacidad de tráfico, suelen emplearse técnicas de reutilización de frecuencia para volver a utilizar el espectro en celdas suficientemente alejadas de forma similar a como se realiza en los sistemas de telefonía móvil celular. Adicionalmente, en el interior de una misma celda también se emplea sectorización tanto para aumentar la directividad de las antenas como para independizar el tráfico de un grupo de usuarios.

Las configuraciones habituales consisten en 4 sectores por celda utilizando antenas con un ancho de haz de 90 grados. El diagrama de radiación de una antena sectorial de 90 grados típica se muestra en la FIGURA 3 (curva de color rojo). Se puede observar que la radiación se mantiene prácticamente constante desde -45 hasta 45 grados con una caída bastante suave fuera de la región de trabajo. Precisamente esta caída no abrupta (atenuación de tan sólo 10 dB para 75 grados) provoca interferencia en los sectores adyacentes. Un tipo particular de interferencia es la causada por el lóbulo posterior de la antena (ángulo de 180 grados). La relación entre la densidad de potencia radiada por la antena en la dirección útil y la que radia por el lóbulo trasero se conoce como relación delante/detrás (forward/backward, F/B) y es un importante parámetro de diseño de la antena en lo relativo a interferencias. El ángulo azimut hace referencia al plano horizontal de la antena. Adicionalmente, la antena de la estación base también posee un diagrama de radiación vertical (ángulo de elevación) que se diseña para concentrar el máximo de radiación para aquellos ángulos por debajo de la horizontal que es donde se agrupan los abonados (téngase en cuenta que las antenas suelen instalarse en posiciones elevadas).

Figura 3: Curvas de BER para una modulación 64QAM y varios niveles de CIR.

Por los motivos de interferencia anteriormente comentados, es necesario un aislamiento entre sectores adyacentes que se realiza, bien empleando frecuencias distintas, o bien mediante polarizaciones distintas. De este modo, se llegaría a un esquema de planificación celular como el mostrado en la FIGURA 4. En un principio, hemos supuesto un sistema que emplea únicamente polarización vertical. En este tipo de sistemas se escoge una geometría de las celdas cuadrada para cubrir una determinada área de cobertura, de donde se desprende que existirá solapamiento entre las celdas vecinas si las antenas radian uniformemente en el interior del ancho de haz. En la FIGURA 4se observa que existen celdas de dos tipos (A y B) uniformemente distribuidas a lo largo de toda la zona de cobertura. Las celdas de tipo A trabajan a frecuencias F1 y F3, mientras que las celdas de tipo B trabajan a frecuencias F2 y F4. Al lado de cada celda de tipo A existe una celda de tipo B para evitar interferencias, y a su vez, la orientación de los sectores en las celdas de tipo A situadas diagonalmente es distinta por idéntico motivo. En este esquema de planificación, no obstante, la reutilización de frecuencias que se consigue es del 100%.

Canal adyacente

4QAM

16QAM

64QAM

Primero

10 dBc

4 dBc

-2 dBc

Segundo

20 dBc

14 dBc

8 dBc

Tercero

30 dBc

24 dBc

18 dBc

Tabla II. Selectividad de canal adyacente para diversas modulaciones digitales

A pesar de los esquemas de sectorización, reutilización de frecuencias y distintas polarizaciones que se emplean en los sistemas inalámbricos punto a multipunto, todavía es necesario un análisis cuidadoso del sistema para evitar en lo posible las interferencias cocanal y de canal adyacente. Como se ha visto en la FIGURA2 , las interferencias degradan el BER, siendo necesario un aumento de la potencia de señal recibida para compensar esta degradación. Existe pues un nivel mínimo de CIR que debe imponerse al sistema, el cual depende del esquema de modulación empleado. Normalmente, el valor de CIR requerido es de 12 dB para una modulación 4QAM/QPSK, 18 dB para 16QAM ó 24 dB para 64QAM.

Figura 4: planificacion celular con cuatro frecuencias, dos polarizaciones y sectores de 90/30 grados.

Un factor importante en el cálculo de la interferencia lo constituye la selectivQidad que posee el receptor frente a las modulaciones de los canales de frecuencia adyacentes. En la tabla II se presentan estos valores para las modulaciones 4QAM, 16AM y 64QAM. Como ejemplo, el receptor puede atenuar 10 dB la potencia de un canal adyacente con modulación 4QAM. Lógicamente, conforme los canales se encuentran más alejados la selectividad es más elevada. El caso peor se tiene con la modulación 64QAM, donde el nivel de interferencia sería 2 dB superior a la potencia de canal adyacente.

Por otro lado y en lo referente a la polarización, la antena tampoco es ideal y posee una atenuación finita sobre la polarización cruzada. En la FIGURA 2 anterior se representa el diagrama de radiación de la antena para la polarización cruzada (curva de color azul), donde se observa que existe una atenuación mínima de unos 30 dB con respecto al nivel de señal útil. Estos valores deben considerarse en cualquier diseño. A continuación realizaremos algunos ejemplos típicos de cálculo de interferencias que se realizan en el diseño de este tipo de sistemas celulares.

Fijémonos en primer lugar en la celda de tipo A de la FIGURA 4. La primera interferencia que se observa es la que produce el canal de frecuencia F1 sobre el canal de frecuencia F3 y misma polarización del sector adyacente. De acuerdo con la tabla II se obtienen unos valores de selectividad de segundo canal adyacente de 20 dBc para 4QAM, 14 dBc para 16QAM y 8 dBc para 64QAM. Dado que los niveles de CIR requeridos son de 12, 18 y 24 dB para 4QAM, 16QAM y 64QAM respectivamente, se necesita que el diagrama de radiación de la antena se atenúe fuera del ancho de haz de 90 grados en 4 dB para 16QAM y en 16 dB para 64QAM para que el sistema funcione correctamente. Las mismas conclusiones se obtendrían para los sectores a frecuencias F2 y F4 con polarización horizontal.

Analicemos a continuación la interferencia entre sectores opuestos. En este caso, ambos sectores emplean la misma combinación de frecuencia y polarización, por lo que la interferencia será cocanal (caso peor). Sin embargo, el diagrama de radiación de la antena se encuentra por debajo de 30 dB para un margen de ángulos entre -180 y -135 grados y entre 135 y 180 grados, por lo que cualquiera de las modulaciones cumplirá el requerimiento de CIR que es inferior a los 30 dB.

La utilización de sectorización de 30 grados merece una mención especial. El sector central opera ahora a la misma frecuencia pero distinta polarización que los sectores de 90 grados adyacentes, por lo que se asegura una CIR superior a los 30 dB para todas las modulaciones y se minimizan los requerimientos sobre el diagrama de radiación de las antenas de 90 grados. Ahora bien, la problemática se encuentra en el caso de los sectores de 30 grados. En especial, el sector central produce una interferencia de canal adyacente a la misma polarización (vertical) entre los canales de frecuencias F2 y F3. Esto significa que la selectividad obtenida en el receptor para cada modulación es de 10 dBc, 4 dBc y -2 dBc para 4QAM, 16QAM y 64QAM respectivamente. Luego tomando los requerimientos de CIR anteriores, se necesita asegurar una atenuación del diagrama de radiación fuera del sector de 2 dB, 14 dB y 26 dB respectivamente. Aunque las antenas de ancho de haz de 30 grados son más directivas, sólo sería posible en la práctica cumplir con los requerimientos para las modulaciones 4QAM o 16QAM.

La situación alternativa de emplear en el sector central dos canales a frecuencia F1 y polarización vertical, y frecuencia F2 y polarización horizontal sería incluso más problemática. En este caso se tendrían interferencias copolares de segundo canal adyacente tanto para polarización vertical (F1 sobre F3) como para polarización horizontal (F2 sobre F4), las cuales se tratarían de igual forma a como se ha comentado anteriormente. Sin embargo, en este caso el requerimiento impuesto a los diagramas de radiación de las antenas de 90 grados son más estrictos, dado que existen interferencias cocanales y copolares entre el sector de 30 grados central y los sectores de 90 grados adyacentes. Las antenas de estos últimos deberían pues, presentar una atenuación superior a 12 dB, 18 dB y 24 dB para las modulaciones 4QAM, 16QAM y 64QAM respectivamente, para ángulos comprendidos entre 75 y 105 grados. En la FIGURA 2 se observa que este requerimiento es difícil de cumplir, especialmente en el caso de las modulaciones 16QAM y 64QAM.

Finalmente, las interferencias entre polarizaciones cruzadas no afectan debido a la atenuación mínima de 30 dB impuesta por el diagrama de radiación. No obstante, el aumento de la potencia interferente en 2 dBc en el canal adyacente de la modulación 64QAM debe tenerse en cuenta en el diseño.

Multiplexación de Canales