Universidad Carlos III de Madrid
Introducción
Primeras etapas de la telefonía ...Un par de cables para cada circuito de la red troncal
Introducción
Las técnicas de compartición del medio físico permiten un mejor aprovechamiento de los recursos. Según la componente escogida para proporcionar la separación entre transmisiones se distinguen
División de frecuencia (FD), A cada usuario se le asigna una fracción del ancho de banda totalEs posible la transmisión continua sobre ese canal
División de Tiempo (TD) Cada usuario ocupar el ancho de banda durante una fracción del tiempo
División de código (CD) Permite separar usuarios transmitiendo en la misma frecuencia y al mismo tiempo mediante la asignación de códigos ortogonales.
División espacial (SD)Separación mediante antenas multihaz
División por polarización (PD)Se emplean polarizaciones ortogonales para separar a los usuarios
Introducción
“Multiplexado” o “acceso múltiple” se aplican cuando el medio se comparte entre varios usuarios (o transmisiones)
Multiplexado hace referencia a métodos o técnicas de compartición de medios “locales” que son estáticas, o con leves variaciones temporales.
Acceso múltiple se aplica a técnicas de compartición de medios “remotos” (satélite). El acceso puede estar regulado por un controlador
B B
C C
A A
B
C
A
B
C
AMUX DEMUX
64 kbps
192 kbps64 kbps
64 kbps
Duplexado
En sistemas full duplex es necesario separar la transmisión de la recepción
Frequency division duplexing (FDD)Dos bandas de frecuencia para cada usuario
forward bandreverse band
La separación en frecuencia entre bandas forward y reverse es constante
Time division duplexing (TDD) emplea el tiempo para separar lastransmisiones
forward time slotreverse time slot
Separación en frecuencia
reverse channel forward channel
f
Separación temporalt
forward channelreverse channel
Protocolos de acceso múltiple
Protocolos de acceso múltiple
Acceso aleatorio Acceso controlado Canalización
Aloha
CSMA
Reserva
Paso de testigo
Sondeo
FDMA
TDMA
CDMA
SDMA
FDMA y TDMA•FDMA
frecuencia
tiempo•TDMA
frecuencia
tiempo
4 usuariosEjemplo:
Frecuencia
Tiempo
Código
•CDMA
Frequency division multiplex FDM
Un circuito por canalLa transmisión es continua y simultánea en todos los canales
Problema: sistemas con intervalos sin transmisiónDatos a ráfagas, voz, …
Suele implementarse para sistemas de banda estrechaAncho de banda del canal << Frecuencia central
FDM exige precisión en el filtrado y en el control de frecuenciapara minimizar la interferencia de canales adyacentes.
Para facilitar el filtrado, suele añadirse un ancho de banda de guarda entrecanales adyacentes
Número de canales
total
canal guarda
BNB B
=+
totalB
canalB guardaB
Frequency division multiplex FDM
300 34003400− 300− ( )f Hz
cos(2 )cf tπ
20300 2340016600 19700 ( )f Hz
20cf kHz=
USBLSB
1cos(2 )f tπ
1 20f kHz=
2cos(2 )f tπ
2 16f kHz=
3cos(2 )f tπ
3 12f kHz=
300 3400
300 3400
300 3400
canal 1
canal 2
canal 3
8.6 19.7kHz
Modulación
Frequency division multiplex FDM
entrada
canal 1
canal 2
canal 3
canal 4
canal 5
canal 6
canal 7
canal 8
canal 9
canal 10
canal 11
canal 12
0,3 kHz
3,4 kHz
60 kHz
108 kHz Gr 5
Gr. 4
Gr. 3
Gr. 2
Gr. 1312 kHz
360 kHz
408 kHz
456 kHz
504 kHz
552 kHz
64 kHz
72 kHz
80 kHz
88 kHz
96 kHz
104 kHz
Frecuenciasde portadora
420 kHz
468 kHz
516 kHz
564 kHz
612 kHz
Grupo básicode 12 canales60-108 kHz
Subportadorasde grupo
Supergrupo básicode 60 canales312-552 kHz
Jerarquías
FDM y FDMA
Mixer 1
Mixer 3
Mixer 2
300 - 3400 Hz
300 - 3400 Hz
300 - 3400 Hz
16.6 - 19.7 kHz
Channel 1
Channel 2
Channel 3
8.6 - 11.7 kHz
12.6 - 15.7 kHz
20-kHz
12-kHz
16-kHz
8.6 19.7 kHz
FDMFrequencyDivisionMultiplex
A
N
Mixer 1
Mixer 3
Mixer 2
300 - 3400 Hz
300 - 3400 Hz
300 - 3400 Hz
16.6 - 19.7 kHz
Channel 1
Channel 2
Channel 3
8.6 - 11.7 kHz
12.6 - 15.7 kHz
20-kHz
12-kHz
16-kHz
8.6 19.7 kHz
FDMFrequencyDivision
MultiplexModulator
Modulador
FDMA
Principle of FDM/FDMARef Sklar, Dodel
fu,1
fu,N
Multiplexación por división en el tiempo: TDM
Multiplexación de bytes y de bits.
A3 A2 A1
B3 B2 B1
C3 C2 C164 kbit/s
A3 A2 A1
B3 B2 B1
C3 C2 C164 kbit/s
A3 A2 A1
B3 B2 B1
C3 C2 C164 kbit/s
A3 A2 A1
B3 B2 B1
C3 C2 C1A1B1C1A2B2C2A3B3C3
A1B1C1A2B2C2A3B3C3
A3 A2 A1
B3 B2 B1
C3 C2 C1
64 kbit/s3 x 64 kbit/s = 192 kbit/s
3 x 64 kbit/s = 192 kbit/s
64 kbit/s
TDMA
Repetición cíclica de tramas
Preámbulo Mensaje con Información Bits de cola
Trama TDMA
Slot 1 Slot 2 Slot 3 … Slot N
Cabecera Sync. Bits Datos de Inform. Bits de guarda
TDM y TDMA
Generador de ráfagas (Ref. Maral)Ri = Tasa binaria de usuario (bits/s), Rb = tasa de información del múltiplex (bit/s) = Σ Ri, RTDMA = tasa en cada ráfaga (bit/s), TB = duración de la ráfaga (s), TF = duración de la trama (s)
buffers
TDMAtiming
Generadorde preámbulo
ModuladorPSK
alup-converter
preámbuloFlujo de bits hacia A
BC
bit rate: R1
bit rate: R2
bit rate: R3
A CB
ESTRUCTURA RÁFAGAbit rate RTDMA
tiempo
TB
MUX(TDM)
Rb= ΣRi
D
transponder
TF
RTDMAusuarios con Ri T B
T F
A
C
B
Comparación FDMA y TDMATasa binaria FDMA
La capacidad R (bits/seg) se reparte entre M usuarios.La información de cada uno de los M usuarios se agrupa en paquetes de b bitsLos paquetes de b bits tardan en transmitirse Tf segundos
S1
Si
SM
R/M
R/M
R/M
Paquetes en colaLongitud = b bits/pkt
Fuentes
Tasa binaria: R/M bps
( )bits segusuarioRRM
=
( ) ( ) ( )1 paquetes bits bits seg seg paquetef
R bT M
= ÷
Comparación FDMA y TDMATasa binaria TDMA
Cada usuario accede a la máxima capacidad R en el slot asignado.Los paquetes de b-bits se transmiten en Tf/M segundos
S1
Si
SM
R
Paquetes en colaLongitud = b bits/pkt
Fuentes
Tasa binaria: R bps
TD FDf
bR R RTM
= = =
TDM
Slot syncdelay
Slot syncdelay
Slot syncdelay
Comparación FDMA y TDMA
Retardo FDMATiempo de espera (antes de la transmisión): wFDTiempo de transmisión de un paquete: τFD
S1
Si
SM
R/M
R/M
R/M
Paquetes en colaLongitud = b bits/pkt
Fuentes
Tasa binaria: R/M bps
FD FD FDD w τ= +
FD fTτ =
0FDw =
FD fD T=
Comparación FDMA y TDMARetardo TDMA
Tiempo de espera (antes de la transmisión): wTDTiempo de transmisión de un paquete: τTD
TD TD TDD w τ= +
fTD
T bM R
τ = =
1
1 1( 1) 12
Mf f
TDi
T Tw i
M M M=
⎛ ⎞= − = −⎜ ⎟⎝ ⎠
∑
S1
Si
SM
R
Paquetes en colaLongitud = b bits/pkt
Fuentes
Tasa binaria: R bps
TDM
Slot syncdelay
Slot syncdelay
Slot syncdelay
S1
11S 12S 1, 1kS − 1,kS 1, 1kS +
Si
,1iS ,2iS , 1i kS − ,i kS , 1i kS +
SM
,1MS ,2MS , 1M kS − ,M kS , 1M kS +
fT
1,kS 1,kS ,i kS ,M kS
( 1) fTi
M−
Trama TDMA k-ésima
TDτ
HipótesisFuentes de tasa constanteDeterministas
1
0
( 1)2
M
k
M Mk−
=
−=∑
Comparación FDMA y TDMA
RetardoFDMA
TDMA
Comparación
FD fD T=
112
f fTD
T TD
M M⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎝ ⎠
( )
112
12
fTD FD
FD
TD D
MbD MR
⎛ ⎞= − −⎜ ⎟⎝ ⎠
= − −
El retardo en TDMA es menor
Space Division Multiple Access
Mediante antenas sectorizadas …
… o con antenas inteligentes
Tipos de antenas inteligentes
Básicamente hay dos tiposHaz conmutado: disponen de un número finito de patrones predefinidos (combinaciones de estrategias)
Array adaptativo: Los patrones se ajustan en tiempo real
SDMA en satélites
Códigos ortogonales
Códigos ortogonales
1
, [ ] [ ]K
Ti j i j i j ij
k
k k Kδ=
= = =∑c c c c c c
Multiplexación DS-CDMA
Demultiplexación DS-CDMA
1+
Direct Sequence Spread Spectrum
t
Tb
t
Tc
Tb
f
Código PN
Bits
Chips
f1/Tc
Espectro originalEspectro ensanchado
1/Tb
K (Ganancia de proceso)b
c
TT
=
• En UMTS 1/ Tc es un valor fijo (3.84 Mchips/sec)• El régimen binario de usuario (Rb = 1/ Tb) puede ser variable
• Tc ≤ Tb (El régimen binario no puede superar la velocidad de chip)• Con 3.84 Mchips/sec el régimen binario efectivo máximo es 2 Mbps
Direct Sequence Spread Spectrum
Demodulación
Código PN
Filtro Adapt.al pulso
Rec. Portadora
T
Filtro adaptadoal pulso ensanchado
t
T
f1/Tc
t
T
f
Filtro adaptadoal pulso
Direct Sequence Spread Spectrum
Protección frente a interferencias
Código PN
Filtro Adapt.al pulso
Rec. Portadora
T
Filtro adaptadoal pulso ensanchado
ff
Interferencia
Interferencia(banda estrecha)
Señal útil
f
f
Concepto de Espectro Ensanchado
¿Afecta el ensanchamiento espectral a la probabilidad de error de bit?
Probabilidad de error (cota superior de la unión) en cualquier transmisión digital
La probabilidad de error queda determinada por el cociente
1 20
2 se
EP k Q kN
⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
ES = Energía media por Símbolo (J)No/2 = DEP de ruido (W/Hz = J)
0 0
S SE STN N
=S = Potencia media RecibidaRs=1/Ts = Velocidad de transmisión
( ) ( )22 2 2z
u
erfc u e dz Q uπ
∞−= =∫
Concepto de Espectro Ensanchado
Dada una velocidad de transmisión, 1/TS, la probabilidad de error es una función de S/N0
f
DEP Señal recibida
No/2S
K/TS
Tradicionalmente K ≈1
Concepto de Espectro Ensanchado
Sin embargo, la probabilidad de error no se alteraría si manteniendo el área, S, se ensancha el espectro
f
DEP Señal recibida
No/2S1/TS
Espectro ensanchado por FH
También se puede conseguir ensanchar el espectro asignando distintos patrones de salto de frecuencia (Frequency Hopping)
FDMA
VentajasCanales de banda estrecha
Sin ISIBaja complejidadPermite la transmisión continua y la estimación de canal.
DesventajasEn comunicaciones móviles …
Múltiples cabeceras de radio en estaciones baseMecanismos de traspaso (Handoff) complejos en transmisión continua
Canales dedicadosSi un usuario no transmite, la capacidad se desperdicia
Dificultad para acomodar varios canales para un usuario.
TDMA
VentajasCabeceras de radio comunes para todos los usuarios.Permite la transmisión discontínua (a ráfagas)
Facilidad de realizar traspasosReducción de la potencia consumuda
Facilidad en la asignación de múltiples canales a un usuarioDesventajas
Se requiere sincronizaciónEl multitrayecto hace perder la ortogonalidad entre slots.
Requieren mecanismos de cancelación de ISILas transmisiones a ráfagas complican el diseño del igualador
CDMA
VentajasNo hay límite superior al número de usuarios en el sistema
En realidad, el número de usuarios máximo lo determina la interferenciaLas técnicas de reducción de la interferencia pueden incrementar la capacidad (número de usuarios)No se requiere sincronización.Se pueden asignar múltiples canales a cada usuario sin más que modificarlas longitudes de los códigos.
DesventajasComplejidadNear-far problem
Técnicas de Acceso Múltiple y de Duplexado
Acceso Múltiple
DuplexadoAdvanced Mobile Phone System (AMPS) FDMA/FDD
Global System for Mobile (GSM) TDMA/FDD
US Digital Cellular (USDC) TDMA/FDD
Digital European Cordless Telephone (DECT) FDMA/TDD
US Narrowband Spread Spectrum (IS-95) CDMA/FDD
UMTS WCDMA/TDD y FDD
Sistema