Tema 1: Introducción a las redes de comunicaciones móviles Máster en Ingeniería de Telecomunicación Escuela Superior de Ingeniería de Telecomunicación Universidad Rey Juan Carlos

Esta presentación utiliza material cuya autoría corresponde a: © Edfors, Molisch, Tufvesson; Goldsmith; Marques; © Tse; así como contribuciones menores de distintas autorías.

PDAC: T1. INTRODUCCIÓN

Índice  Panorámica de las comunicaciones móviles inalámbricas  Efectos nocivos del canal móvil inalámbrico

 El procesado de señal en las comunicaciones móviles inalámbricas

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Comunicaciones inalámbricas: cuestiones preliminares Inalámbrico: dicho de un sistema de comunicación electromagnético, sin alambres conductores

Radiación: energía ondulatoria que se propaga a través del espacio y el tiempo utilizando ciertas frecuencias

Sistemas de comunicación inalámbrica ¿Qué tecnología se va utilizar?

Sistema: conjunto cuyos elementos interactúan para alcanzar un objetivo común

Problema de ingeniería

Escenario de aplicación (movilidad, rural/urbano,…)

Objetivos de comunicación (requisitos de diseño) El espectro es un recurso escaso y está regulado Existen limitaciones tecnológicas y de coste

¿Qué frecuencia se va utilizar?

Análisis y modelado del canal de propagación Conocimiento de las técnicas de procesado de señal existentes PDAC: T1. INTRODUCCIÓN

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Requisitos para el diseño: QoS El usuario (persona o máquina) de los servicios multimedia requiere que dichos servicios mantengan un determinado nivel de calidad

Si el servicio requiere la comunicación con otra máquina o persona esto implica la exigencia de una calidad en las comunicaciones

Otros parámetros subjetivos (MOS)

Tasa de bit Retardo

Jitter

Tasa de pérdidas

Ejemplo:

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Problemas fundamentales

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Dificultades a las que nos enfrentamos  El canal inalámbrico  Atenuación / Ruido / Impredictibilidad / Seguridad

 Movilidad de los usuarios:  Localización / Movilidad durante la llamada (handover) / Variabilidad de los patrones de tráfico / Variabilidad del canal

 Alta densidad de usuarios que requieren tasas muy altas:  Interferencia / Necesidad de gran capacidad agregada / Señalización

 Portabilidad de los dispositivos:  Consumo / Complejidad, tamaño de antenas.

 Limitación del espectro radioeléctrico:  Servicios de bajo coste para el usuario:  Y además barato...

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Historia de las Comunicaciones  ¿Motivación de los primeros sistemas de telecomunicaciones?  Relevos de hogueras (noche) o de humo (día): Agamenón, de Esquilo:

“Take home message”: Los mensajes son limitados y acordados previamente

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Edad Media  Estos sistemas eran útiles porque se recorrían distancias largas más rápido que a caballo.  Al incorporarse las herraduras y estribos a los caballos, esta ventaja desapareció.  Los mensajes extensos e inéditos se llevaban entonces a caballo.  Los mensajes urgentes y previamente convenidos: saltos muy largos  poca capacidad de diferenciación  pocos mensajes muy sencillos.  En Francia se conocen líneas de “telégrafo” de la época con saltos de 12 Km, usando torres elevadas.

Montículo del Torrejón  • •

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A 12 Km, por el “Camino de las ahumadas”, se encuentra otro montículo similar. Enrique III conoció así el nacimiento de su hijo, Juan II

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Chappe: el telégrafo óptico  Entre 1790 y 1795 Francia, en plena revolución, está cercada por todas partes por el resto de países aliados, con Marsella y Lyon sublevados y el puerto de Tolón en manos de los ingleses.  Surge la necesidad de comunicar París con el resto de Francia, proyecto que se encarga a Chappe y sus hermanos.  En 1793, Chappe es nombrado Primer Ingeniero de Telégrafos (es el primer ingeniero de telecomunicación!!) y se construye una línea de 223 Km entre París y Lille: 1794, primer mensaje.

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1º 92 sílabas. 2º Diccionario: 92 páginas de 92 palabras.

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Siglos XVIII y XIX: el telégrafo  Precedente: 1670, Otto von Guericke, primera máquina eléctrica.  1753: carta anónima firmada por C.M. en la Scots Magazine: telégrafo compuesto por tantos pares de hilos como letras. Cada par tenía en un extremo un péndulo de médula de saúco que atraía un papel cuando en el otro extremo se aplicaba una fuerza electrostática.  1820, Oersted descubre que una aguja imantada responde cuando se le aproxima una corriente eléctrica.

 1830: primera línea de ferrocarril entre Liverpool y Manchester (45 Km/h)  surge la necesidad de comunicaciones más rápidas que el ferrocarril para organizarlo.  1837: en América, Morse patenta el telégrafo eléctrico mejorándolo sucesivamente y añadiendo un código de puntos y rayas para transmitir los caracteres.  En 1845 el telégrafo eléctrico deja clara su rapidez al ser utilizado para atrapar a un asesino que viaja en tren.

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Revolución: sistemas inalámbricos 

1864: Desarrollo de la teoría electromagnética: Maxwell



1890-1905: Primeros experimentos de transmisión de información inalámbrica: Tesla, Bose, Marconi



1901: primera comunicación transatlática de 3.500 Km de distancia.

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

1887: Puesta en práctica y confirmación de la teoría de Maxwell: Hertz

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De la radio a los primeros sistemas móviles  La primera aplicación novedosa: comunicación con los barcos.  1906: Nobel a Marconi.  1906: válvula audión (válvula de vacío): primer amplificador electrónico (Lee De Forest).

 1910: primera ópera radiada en vivo.  1914-1918: primera guerra mundial.  Posguerra: popularización de la radiodifusión.  Necesidad de conocer noticias inmediatamente.  Difusión del disco fonográfico.  Cambios en la vida social. PDAC: T1. INTRODUCCIÓN

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Un poco de Historia 



1920-1930: Primeros sistemas móviles

1948: Desarrollo de los fundamentos de la teoría de la información: Shannon



1947-1950: Desarrollo de los fundamentos de la telefonía celular: Reutilización de frecuencias y división en celdas: Ring (Bell Labs)



1950-1980: Afianzamiento de las comunicaciones inalámbricas (difusión, radar, satélite) y desarrollo de sistemas móviles (emisoras policía, aplicaciones militares, …)

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Un poco de Historia 

1982-2002: La revolución inalámbrica móvil   



En 1982 el primer sistema comercial de telefonía móvil En 2002 el número de usuarios móviles supera el de usuarios fijos Las comunicaciones móviles constituyen el sector de mayor crecimiento de la industria de Telecomunicaciones: crecimiento exponencial desde 1982 con más de 2500 millones de usuarios en 2006 (>80% GSM-UMTS)

Cuatro generaciones de móviles  

 

Primera generación (1G): comunicaciones FM analógicas 25 or 30 KHz, sólo voz. Segunda generación (2G): TDMA y CDMA de banda estrecha, voz y datos de baja tasa, teléfonos móviles (2.5G aumenta la tasa de transmisión) Tercera generación (3G): TDMA y CDMA de banda ancha, voz y datos de alta tasa, teléfonos y dispositivos móviles/portátiles Cuarta generación (4G): calidad de servicio, gestión dinámica

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El futuro ya está aquí… 

Los sistemas inalámbricos hoy  3G móvil: 100-900 Kbps; 3.5G móvil: 2-5 Mbps; 4G (LTE): 10-50 Mbps  WLANs: 50-400 Mbps  4G: Wimax (802.16m) y LTE advanced 100-300 Mbps



Los sistemas inalámbricos en el futuro próximo  WLANs: 400-1000 Mbps  Transmisión en 60-300GHz … (4-8 años)  5G: x1000 la capacidad, 1/10 de consumo, recuperable (error-free),…



Adopción de nuevas tecnologías  Hardware: baterías, miniaturización, circuitos/procesadores  Comunicación: antenas, modulaciones, codificación, adaptatividad, …  Red: gestión dinámica de recursos, soporte de movilidad,  Arquitectura: sistemas cognitivos (inteligentes), device-to-device  Todo esto: 5G

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Redes de comunicaciones del futuro  Palabras clave: integración y eficiencia        

Dispositivos heterogéneos (infraestructura y terminales) Device to device communications, Internet of things Dispositivos flexibles, inteligentes, autonomía Calidad de servicio Eficiencia energética (green communications) Redes dinámicas, versátiles Cross-layer design Cognitive radios

 Diseño mucho mucho más complejo  Cambios en los modelos de red, cambio en las herramientas que utilizamos para diseñarlas, …

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Visión del 5G PPP  5G Infrastructure Public-Private Partnership  Formado por: Comisión UE, fabricantes, operadores, proveedores de servicios, Pymes e investigadores  Objetivo general: proporcionar soluciones, arquitecturas, tecnologías y estándares para las redes de comunicación de próxima generación (10 años)

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Visión del 5G PPP  Objetivos específicos:       

x1000 la velocidad Incrementar la cantidad de servicios ofertados Reducir un 90% el consumo energético (clave: red de acceso radio) Creación de servicios de 90 horas a 90 minutos Red segura y fiable (autorecuperable) con “percepción libre de fallos” Conectar 7 “trillions” de dispostivos y 7 “billions” de usuarios Acceso universal a bajo coste a un abanico de servicios básicos

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Mientras tanto 

Sistemas satelitales



Sistemas móviles celulares



Redes inalámbricas de área local (WLAN): IEEE 802.11 Wi-Fi (paquetes, medio compartido,…)

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Mientras tanto 

Redes inalámbricas de área personal (WPAN)  IEEE 802.15: Bluetooth (sustitución de cables), Ultrawideband (alta precisión y tasa de transmisión), Zigbee (consumo energético mínimo)



Redes inalámbricas de área metropolitana  IEEE 802.16 WiMax



Y recientementemente:  



Redes Ad-Hoc: autoconfigurabilidad, adaptatividad Redes de sensores: bajo coste, la energía es un elemento clave de diseño Redes de control distribuidas: incrementan considerablemente las capacidades de automatización

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Comparación de prestaciones 

Alcance, tasa y consumo

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Efectos nocivos del canal inalámbrico móvil  Desvanecimientos del canal: distancia, reflexiones, obstáculos,…  Interferencia intersimbólica: reflexiones, multicamino  Interferencia proveniente de otras fuentes: sistemas análogos y otros sistemas  Ruido aditivo: temperatura de ruido de la antena, ruido de los bloques de recepción, atenuadores, ruido ambiente  Otras fuentes: ruido multiplicativo, ruido en el transmisor

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Desvanecimientos del canal inalámbrico

Amplitud del canal

 Espacio libre, entorno, reflexiones (multi-camino), obstáculos, movilidad  comportamiento a corto y largo plazo

t PDAC: T1. INTRODUCCIÓN

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Interferencia intersimbólica: ISI  Múltiples caminos (copias)  la respuesta al impulso se dispersa a lo largo del tiempo Además de ISI, genera selectividad en frecuencia  problema para comunicaciones de banda ancha

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Interferencia proveniente de otras fuentes  Tipo I (de sistemas ajenos): transmisión en bandas compartidas (bandas libres 2.4GHz, sistemas de cognitive radio)  Tipo II (del propio sistema): reutilización de frecuencias o interferencia de usuarios vecinos ¡medio inalámbrico = medio compartido!

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Fuentes de ruido El ruido depende de varias fuentes

La componente predominante depende de la frecuencia de trabajo

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Sistemas limitados por ruido o por interferencia

SNR mínima para establecer comunicación

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Signal Processing (SP) for Communications  El procesamiento de señal juega un papel fundamental en la transmisión de información digital:  Técnicas de modulación  Técnicas de codificación  Interpolación, cuantificación, compresión, estimación, detección

 Cuando la señal transmitida se propaga a través de canales móviles inalámbricos:  Se requiere un modelado matemático con suficiente complejidad para recoger la amplia gama de efectos existentes  Se degradan las prestaciones de comunicación en relación a la propagación a través de un medio guiado

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SP en Comunicaciones Inalámbricas  Las técnicas de procesamiento de señal …  …se diseñarán teniendo en cuenta prestaciones objetivo medidas en términos de: SNR, BER, tasa, potencia, retardo  …se utilizarán para combatir los efectos adversos del canal móvil inalámbrico: sistemas MIMO y códigos espacio temporales (desvanecimientos); OFDM y ecualización (selectividad en frecuencia); CDMA (altos niveles de interferencia); algoritmos de asignación de frecuencias y de adaptatividad; …  …se pueden utilizar para separar canales o usuarios  Canal ascendente y descendente: TDD y FDD  Mecanismos de acceso múltiple: TDMA, FDMA, CDMA PDAC: T1. INTRODUCCIÓN

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Separación de canal ascendente y descendente  Técnicas de duplexado:  En tiempo: Time-Division Duplex (TDD)  En frecuencia: Frequency-Division Duplex (FDD) Complejidad reducida Transmisión discontinua GSM, WCDMA

Mayor complejidad Transmisión continua

GSM, WCDMA

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Mecanismos de acceso múltiple  Acceso múltiple por división en: tiempo, frecuencia … y código TDMA

FDMA (OFDMA)

CDMA

Variante: Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

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SP en las futuras REDES móviles  Hasta esta década el papel del procesamiento de señal se centraba en el nivel físico y en la multiplexación

 No obstante, ahora también juega un papel importante en otros aspectos  Estimación de información que es relevante para el buen funcionamiento del sistema  Canales de comunicación  Niveles de congestión, actividad de usuarios, predicción de interferencia…

 Adaptación de recursos en función de la información de estado Canales de comunicación  Qué usuario accede en función de la calidad del canal y el tipo de tráfico  Qué BS va a servir a un usuario en función de la congestión y nivel de batería

 Diseño de algoritmos y protocolos distribuidos (acceso, routing, control de flujo,…)  Diseño integral  Optimización, teoría de grafos, cognitive radios  Máster PDAC: T1. INTRODUCCIÓN

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Recapitulación de conceptos  Conceptos básicos de las comunicaciones inalámbricas  Evolución de los servicios y redes inalámbricas  Efectos adversos asociados al canal móvil inalámbrico  Papel fundamental del procesado de señal  Bibliografía  Ref1. [Molisch]: Temas 1, 2 y 3.  Ref2 [Goldsmith]: Tema 1

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