spread spectrum

MULTIPLEXACIONES DE CANALES ( TDMA, FDMA, CDMA)
Humm, y que es eso de multiplexar canales; pues nada complicado... simplemente es como
envío de varios canales por un mismo medio físico. 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 más 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
1
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
2
TDMA ("Time Division Multiple 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
3
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 analógicos. Esencialmente, FDMA parte el espectro
afectado un aparato en muchos canales. En sistemas analógicos 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 concluido 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 analógico 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 analógicas son también especialmente susceptibles al ruido? y
no hay manera de filtrarla hacia fuera. Dado la naturaleza de la señal, los teléfonos
analógicos 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.
4
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.
5
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
6
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 determinado 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.
7
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 Multiple 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".
8
Para la radio amateur, las propiedades de multiplexación 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
9
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.
10
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 radioenlaces, 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.
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 radioenlace
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
11
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
12
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
13
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
Primero
Segundo
Tercero
4QAM
10 dBc
20 dBc
30 dBc
16QAM
4 dBc
14 dBc
24 dBc
64QAM
-2 dBc
8 dBc
18 dBc
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.
14
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 selectividad 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
15
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.
16