Lecture 1 Intro a Sist Radiocom - p1

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TCNICAS DE ALTA FRECUENCIA

Conferencia 1: Introduccin a los Sistemas de RadiocomunicacionesInstructor: Israel M. Zamora, MSc Telecom ManagementProfesor Titular, Departamento de Sistemas Digitales y Telecomunicaciones. Universidad Nacional de Ingeniera

Objetivos de la sesin

Introducir los conceptos elementales relacionados a los sistemas de radiocomunicaciones y su desarrollo cronolgico. Analizar los pro y contras de las comunicaciones inalmbricas con respecto a las alambradas Presentar los aspectos relevantes relacionados con la clasificacin, servicios y gestin del espectro radioelctrico como alternativa para la prestacin de servicios de telecomunicaciones

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I. Zamora

Conferencia 0 - Aspectos Administrativos

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Outline

Marco histrico Trminos y definiciones fundamentales Radiocomunicaciones

Esquema de un sistema de radiocomunicaciones Elementos de un sistema Por qu las comunicaciones inalmbricas Compartiva con sistemas alambrados (cableados) Desafos

El espectro de frecuencias Definicin Clasificacin del espectro Servicios Administracin, gestin y regulacin. Organizaciones relacionadas.2011 I. Zamora Unidad I - Intro a los sist. Radiocomunicaciones 3

Marco Histrico (1/4) 1820: Hans Cristian Oersted (1777-1851), experimentalmente descubre campos magnticos producidos por corrientes elctricas. 1820:Andr Ampre (1775-1836) cuantifica esto con la Ley de su nombre. 1830: Joseph Henry (1779-1878) descubre que campos magnticos variables producen corrientes elctricas pero no publica su descubrimiento. 1830: Michael Faraday (1791-1867) descubre el mismo efecto en forma independiente y formula la ley que lleva su nombre. 1864: James Clark Maxwell (1831-1879) desarrolla sus famosas cuatro leyes de campos electromagnticos. 1887: Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894) detecta las ondas electromagnticas predecidas por las leyes de Maxwell y hace las demostraciones iniciales prcticas de radiocomunicacin. 1896: Guglielmo Marconi (1874-1937), inventa el primer receptor inalmbrico, patenta en 1897 el telgrafo. Primera transmisin transatlntica en 1900. 1921: Radiodifusin Comercial se introduce en Detroit en la banda de 2MHz. 2011 I. Zamora Unidad I - Intro a los sist. Radiocomunicaciones 4

Marco Histrico (2/4) 1933: FCC (Federal Communications Commission) Autoriza la asignacin de cuatro canales en la banda de 30 to 40 MHz. II Guerra Mundial obliga el desarrollo del espectro esparcido (Spread Spectrum). 1947: AT&T Labs introduce el concepto celular. 1963: AT&T Labs demuestra el primer sistema celular. 1981: Nordic Mobile Telephone System (NMTS) aparece en Escandinavia. 1983: Advanced Mobile Phone System (AMPS) aparece en Chicago. 1985: Total Access Communications System (TACS) aparece en el Reino Unido. 1991: Primera validacin de TDMA (1988) e introduccin de tecnologa microcelular. 1992: Global Mobile System (GSM), antes Groupe Speciale Mobile, aparece por primera vez en Alemania. 1994:Primera validacin de CDMA. Inicio de pruebas. 2011 I. Zamora Unidad I - Intro a los sist. Radiocomunicaciones 5

Marco Histrico (3/4) 1994: PDC (Personal Digital Cellular) operable en Tokyo, Japn 1997: Broadband CDMA considerada como una de las tecnologas mviles de 3G para UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems) durante la conferencia de en Corea 1999: ITU (International Telecommunication Union) decide los sistemas de comunicaciones mviles de tercera generacin (e.g., W-CDMA, cdma2000, etc) conocido como IMT2000. 2001: Inicio del servicios IMT2000 en Japn (W-CDMA) 2003: IEEE sali con 802.16a (WiMax), el cual transmita datos con NLOScon antenas omnidireccionales. 2005: IEEE salin con el primer sistema WiMax mvil conocido como IEEE802.16e. 2008: ITU especifica los requerimientos de IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced) para estndares 4G. 2009: Se lanzan los primeros servicios comerciales de en Escandinava. LTE (de 3GPP) 2010: Japn y Estados Unidos despliegan sus primeros servicios LTE. 2011: Se espera que 3GPP finalize la estandarizacin de LTE-Advanced 2011 I. Zamora Unidad I - Intro a los sist. Radiocomunicaciones 6

Marco Histrico (4/4)EN NICARAGUA 1992: Inicia TCN BellSouth con AMPS 1996: TCN BellSouth introduce TDMA en adicin a AMPS 2002: Apertura del mercado celular. Entran SERCOM (PCS Digital) y ENITEL (ENITEL Mvil), introduciendo GSM. 2002: TCN BellSouth introduce CDMA. 2006: TCN MoviStar (Antes TCN BellSouth) introduce GSM. 2006: ENITEL adquiere la operacin de SERCOM y consolida en CLARO

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Radiocomunicaciones Radiocomunicacin Son toda forma de telecomunicaciones que se realiza mediante el uso de ondas radioelctricas (espectro radioelctrico) o hertzianas Se caracteriza por el movimiento de los campos elctricos y magnticos Requiere del proceso de modulacin de la seal.

ModulacinTcnica que consiste en superponer la informacin a transmitir sobre una onda electromagntica soporte, denominada portadora, generando de este modo una onda modulada.

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Entorno para un sist. Radiocomunicaciones terrestre

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Comunicacin con Lnea de Vista (LOS) Comunicacin con Lnea de Vista y Reflexin en Tierra Plana (Modelo de 2 rayos) Comunicacin por difraccin en vegetacin Comunicacin por difraccin en obstculo agudo Comunicacin por difraccin en obstculo dobleExisten otros escenarios que se estudiarn mas adelante, si Dios nos permite.

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Elementos de un Sistema de RadiocomunicacionesBanda de frec. Diag. radiacin Ganancia Polarizacin

Seal deseada

ModuladorFrec. Portadora Estabilidad Frec. Tipo de modulacin Ancho de banda canal

Transmisor RFPotencia de salida Nmero de canales Ancho de banda total

Canal radioelctr Atenuacion Absorsion ico Seal InterferenteModulador Transmisor RFDesvanecimiento Efecto Doppler Despolarizacion Ruido Interferencia, etc.

Tipo modulacin S/N, S/I

Selectividad Frecuencia imagen Amplif. (CAG)

Amplificacin Factor de Ruido C/N, C/I

Seal detectada

Demodulador

Conversion RFIF

Receptor RF

Banda de frec. Diag. radiacin Ganancia Polarizacin

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Elementos de un Sistema Radiocomunicaciones Estacin transmisora (transmisor) Conjunto de equipos para el tratamiento y envi de la informacin, es decir, moduladores, amplificadores, filtros, cables, antenas

Emisin Proceso de radiacin de una onda modulada a travs de un dispositivo de acoplamiento (transductor) con el medio denominado antena.

Canal radioelctrico Medio de transmisin asociado a las ondas radioelctricas. Introducen perdidas adems de diversos tipos de perturbaciones (distorsin, ruido e interferencia)

Estacin receptora (Receptor) Conjunto de equipos para el tratamiento de las seal recibida, es decir, antenas, cables, amplificadores, demoduladores, filtros.

Cobertura Alcance til de una emisin radioelctrica que depende tanto de la potencia, calidad y tipo de modulacin de los equipos transmisores, como del tipo e intensidad de las perturbaciones de canal radioelctrico (incluyendo seales parasitas o interferentes).

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Estaciones Radioelctricas Definicin Es el conjunto de uno o mas transmisores o receptores, o combinacin de ambos (transceptores), que son necesarios para el establecimiento de un servicio de radiocomunicaciones en un lugar determinado. Tipos1. 2. 3. 4. 5. Terrenal Espacial Terrena Fija Mvil

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3 1, 4

1, 5 2011 I. Zamora Unidad I - Intro a los sist. Radiocomunicaciones 12

Calidad de un enlace: Sensibilidad Sensibilidad del receptor Nivel mnimo de seal que se debe recibir para obtener una determinada calidad en la comunicacin. Estacin base Ruido e interferencia

Potencia transmitidaSeal til

Potencia mnima de la Seal recibida para un correcto funcionamiento (sensibilidad) Terminal mvil 13

Alcance /cobertura del sistema

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Comunicaciones Inalmbricas Estn relacionadas a las radiocomunicaciones Consiste en el la transmisin/recepcin de voz y datos usando ondas electromagnticas (Espectro Radioelctrico) en el espacio abierto (en la mayora de los casos con presencia de obstculos) La informacin desde el transmisor hacia el receptor es transportada sobre una banda de frecuencias bien definida (Canal). Cada canal tiene un ancho de banda de frecuencia fijo y capacidad (bit-rate). Diferentes canales pueden utilizarse para transmitir informacin en paralelo e independiente.

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Por qu Comunicaciones Inalmbricas Libre de alambres o cables No hay costos de instalacin de alambres o de realambrado No hay un montn de cables tirados por all o por all Comunicacin instanstnea auto mgica sin conexiones fsicas de setup (ej. Bluetooth, WiFi)

Cobertura Global Las comunicaciones pueden llegar donde el alambrado no es factible o es costoso, ej. reas rurales, viejos edificios, campos de batalla, vehculos, espacio exterior (por medio de comunicaciones satelitales).

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Por qu Comunicaciones Inalmbricas Permanece Conectado Roaming (divagacin) permite la flexibilidad de permanecer conectado donde sea y cuando sea. El crecimiento rpido del mercado da testimonio de la necesidd pblica por movilidad y acceso ininterrumpido. Flexibilidad Los servicios te alcanzan donde sea que vayas (Movilidad). Ej. No necesitas ir al laboratorio para checar tu email Conecta mltiples dispositivos simultneamente (no se requiere conexin fsica)

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Comparativa almbrico vs inalmrbico Ventajas del acceso inalmbrico No se necesita obra civil Adecuada para zonas aisladas o de difcil acceso Rpido despliegue Implantacin y crecimiento progresivo (escalabilidad) Menos OPEX Servicios digitales bidireccionales de banda ancha Limitaciones frente al cable Medio compartido: Interferencia Fiabilidad y disponibilidad: desvanecimientos Privacidad encriptacin Radiaciones electromagnticas: ?efecto en la salud? 2011 I. Zamora Unidad I - Intro a los sist. Radiocomunicaciones

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Comparativa almbrico vs inalmbrico Viabilidad econmica de los sistemas de acceso fijo inalmbricos Factores crticos a tener en cuenta en la relacin con una red de cable: Cantidad de espectro radioelctrico disponible: capacidad final del sistema Coste por uso del espectro: Licencias de operacin rea de cobertura y densidad de clientes cantidad de equipos necesarios Costes Alcance del sistema: Cable depende de la banda de Coste incremental frecuencia y de la zona climtica por usuario Fuerte inversion Coste de una estacin base Radio Inicial y costes no Ligados con el y coste marginal de los terminales aumento de clientes Despliegue de de usuario estaciones base Costes iniciales de instalacin y esfuerzos para planificar todo Tiempo el sistema

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Pros almbrico vs. Inalmbrico ALAMBRICO Ancho de banda abundante Alta velocidad No interferencia No desvanecimiento Interior (fcil) Privado/seguro No roaming (No itinerancia) Sistemas grandes

INALMBRICO Ancho de banda escasa Velocidad Transmisin No Alta Interferencias (Cocanal, adyacente) Desvanecimiento (serios) Interior (difcil) Pblico/inseguro Roaming: Acceso, servicios Ligero, compacto, bateras

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Desafos para la comunicacin Inalmbrica Hardware eficiente Transmisores y Receptores de baja potencia Herramientas Procesamiento Digital de baja potencia Uso Eficiente del Espectro de radio finito Reuso de frecuencia celular, protocolos de acceso al medio Servicios Integrados Voz, datos, multimedia sobre una sola red Diferenciacin de servicios, priorizacin, compartimiento de recursos

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Desafos para la comunicacin Inalmbrica Requerimientos de Multimedia Impuesta por el usuario Implica Calidad Aceptable (QoS BestEffort services)

Voz Delay Packet Loss BER Data Rate Traffic 100ms 1% 10-3 8-32 Kbps Continuo

Dato 0 10-6 1-100 Kbps Rfaga

Video 100ms 1% 10-6 1-20Mbps Continuo

La idea de un solo diseo y protocolo que les quepa a todos no funciona.

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Desafos para la comunicacin Inalmbrica Suporte de Red para movilidad de usuario (escenario mvil) Identificacin de ubicacin, handover (handoff),

Mantener calidad de servicio sobre enlaces no confiables Conectividad y cobertura (internetworking)

Desvanecimiento (Fading) Multitrayectoria Probabilidad mas alta de corrupcin de datos Demanda el uso de cdigos mas robustos

Necesidad de mecanismos de seguridad mas robustos Privacidad y Autenticacin

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Mvil vs. Almbricos Mviles vs Inalmbricos Ambos trminos son usados erradamente de forma intercambiada, pero no significan lo mismo Ejemplo: Sistemas LMDS y Microondas son inalmbricos pero no mviles Ejemplo: Sistemas de Radiocomunicacin, Telfonos Celulares/PCS y satelitales son inalmbricos y mviles

Grados de Movilidad Terminales sin cordn tienen baja movilidad Terminales celulares mviles tienen alta movilidad

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Espectro Radioelctrico Ondas radioelctricas o Espectro Radioelctrico Son las ondas electromagnticas que se propagan sin gua artificial. Convencin ---> frecuencias < 3000GHz (segn UIT) Una definicin mas general es el rango de frecuencias actualmente aprovechables, segn las limitaciones tcnicas y administrativas sobre el espectro. Matemticamente, el ancho de banda disponible iria desde 0Hz hasta infinito. Sus propiedades son diversas a lo largo de su gama as cmo baja frecuencia, media frecuencia, alta frecuencia, muy alta frecuencia, ultra alta frecuencia, etc. En cada una de estas el comportamiento de las ondas es diferente.2011 I. Zamora Unidad I - Intro a los sist. Radiocomunicaciones 24

Espectro Radioelctrico

Espectro Radioelctrico

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Clasificacin del Espectro de Frecuencias (Porcin)

Banda 300-3000 Hz

Nom ELF

Propagacin Atmosfrica, submarina y subterrnea

Usos Navegacin superficial, submarina, y subterrnea

Mtrica (Long. Onda) Ondas millomtricas 1000-100 Km Ondas miriamtricas 100-10 Km Ondas kilomtricas 10-1 Km Ondas hectomtricas 1000-100 m Ondas decamtricas 100-10 m Ondas mtricas 10-1m Ondas decimtricas 100-10 cm Ondas centimtricas 10-1 cm Ondas milimtricas 10-1 mm

3-30 KHz30-300 KHz 300-3000 KHZ

VLFLF MF

TerrestreTerrestre Terrestre y ionosfrica

Navegacin submarinaNavegacin martima a larga distancia, Radiodifusin Navegacin , Radio AM, Fijo y Mvil Fijo, martima, aeronutica, militar, radiodifusin, BC, aficionados TV, Radio FM, militar, meterico, TV, radar, mvil, radiodifusin satelital, radar, PCS, navegacin Fijo y mvil terrestre corta distancia, satelital terrestre y mvil , telefona, TV

3-30M Hz30-300MHz 300-3000M Hz

HFVHF UHF

IonosfricaTropsfera, casi LOS (Lnea de Vista) Troposfrica, LOS (Lnea de Vista) Troposfrica, LOS (Lnea de Vista) Troposfrica, LOS (Lnea de Vista)

3-30 GHz 30-300 GHz

SHF EHF

Satelital

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Clasificacin del Espectro de Frecuencias (Porcin)Rango de Frecuencias 41 -68 MHz 87.5 108 MHz 162 230 MHz 470 582 MHz 582 960 MHz 12 GHz (radiodif. Satlite) Designacin Banda I Banda II Banda III Banda IV Banda V Banda VI Rango de Frecuencias < 1.0 GHz 1.0-2.0 GHz 2.0-4.0 GHz Designacin P L S Longitud de Onda 1 mm

Radiodifusin y TVMicroondas (Radar)

26.5-40.0 GHz 40.0-300 GHz >300.0 GHz

Rango de Frecuencias 300-800 GHz 800 GHz 400 THz 400-750 THz 750-10,000 THz -

Designacin IR V UV -

Longitud de Onda 1-0.4 mm 0.4 mm-0.8 m 0.8-0.4 m 400-12nm 120-0.6 A

Denominacin Regin submilimtrica Infrarrojo Visible Ultravioleta Rayos X

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Clasificacin de Servicios de radiocomunicaciones Por sus aplicaciones (terrenal o por satelite) Radiodeterminacin Radionavegacin Radiolocalizacin

Exploracin de la Tierra por satlite Radioastronoma e investigacin espacial Frecuencias patrn y Seales horarias Radioaficionados

Desglose de servicios Servicio Mvil Terrestre Martimo Aeronutico Satelital

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Clasificacin de Servicios de radiocomunicaciones Movilidad Servicios Fijos Servicios Mviles Distribucin de la seal Servicios punto a punto Servicios Punto a Multipunto Servicios de Difusin Modo de explotacin Simplex: Transmisin en un solo sentido Dplex: Transmisin simultanea en ambos sentidos (Full Dplex en USA) Semiduplex: dplex alternada en el tiempo (no simultnea)

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Gestin del Espectro Radioelctrico Visin econmica del Espectro Radioelctrico Recurso natural muy escaso, por lo que debe tratarse de optimizar su usode forma que puedan utilizarlo el mayor nmero posible de estaciones con el menor nivel de interferencia mutua. Se divide en bandas de frecuencias, las cuales se atribuyen a los distintos servicios radioelctricos.

Organismos Recomendadores International Telecommunications Union (ITU o UIT) International Frequency Registration Board (IFRB) World Administrative Radio Council (WARC) Conference of European Post and Telecommunications Administration (CEPT)

Organismos estadarizadores y reguladores European Telecommunications Standards Institute (ETSI) American National Standard Institute (ANSI) Federal Communications Commission (FCC) USA TELCOR (ver CNAF) Nicaragua

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Gestin del Espectro Radioelctrico

A nivel internacional como rgano recomendador

http://www.itu.int

A nivel nacional como Autoridad Reguladora

Ente Regulador2011 I. Zamora

http://www.telcor.gob.ni31

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Gestin del Espectro Radioelctrico

Regiones UIT-RPlanes regionales del espectro (armonizacin de bandas): CEPT y FCC

Regin 1: Amrica Regin 2: Europa/frica Regin 3: Asia/Pacfico

Inconsistencias: -GSM 900MHz (Europa) -PCS 1900MHz (USA)-Diferencias

sustanciales en el espectro entre 24 y 29GHZ -Ancho de banda Se deben comprobar cuidadosamente las especificaciones de un equipo y de su diferentes banda de operacin en cada pas de forma individual.FCC CEPT 2011 I. Zamora Unidad I - Intro a los sist. Radiocomunicaciones 32

Gestin del Espectro Radioelctrico

Reglamento de Radiocomunicaciones (Definiciones del CNAF)Atribucin Inscripcin en el cuadro nacional de atribucin de frecuencia (CNAF), de una banda determinada, para que sea utilizada por uno o varios servicios de radiocomunicaciones terrenal o espacial o por servicio de radioastronoma en condiciones especificas. Este termino se aplica tambin a la banda de frecuencia.Adjudicacin Inscripcin de un canal determinado en un plan, adoptado por una conferencia competente, para ser utilizado por una o varias administraciones para un servicio de radiocomunicaciones terrenal o espacial en uno o varios pases o zonas geogrficas determinadas y segn condiciones especificas. Asignacin Autorizacin que da una administracin para que una estacin radioelctrica utilice una frecuencia o un canal radioelctrico determinado en condiciones especificas.

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Gestin del Espectro Radioelctrico Regulacin de los niveles de emisiones radioelctricas Instituto Nicaragense de Telecomunicaciones y CorreosTELCOR Infraestructura de control de bandas de HF, VHF, UHF, SHF Comprobacin tcnica de emisiones radioelctricas

Localizacin de fuentes interferentes Equipamiento utilizado Estaciones fijas (hasta 2GHz) Estaciones mviles (hasta 40GHz) Equipos transportables:

Analizadores de espectro (hasta 40 GHz) Radiogonimetros Analizadores de equipos de radiotelefona SMT Receptores de amplia cobertura (hasta 2 GHz)

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Gestin del Espectro Radioelctrico

DIRECTION FINDER

ESTACION DE MONITOREO FIJA RADIOGONIOMETRO ANALIZADOR DE SEAL Y DE ESPECTRO

ESTACION DE MONITOREO MVIL

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Gestin del Espectro Radioelctrico

DETECCION DE SEAL INTERFERENTE 2011 I. Zamora Unidad I - Intro a los sist. Radiocomunicaciones 36

Lectura Obligatoria Transmisin de Radio Capitulo 1: Secciones 1.1 a 1.5

Lectura Recomendada Wireless Communications Capitulo I: Todas las secciones

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