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- 2. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 2 Tema 7 – Introducción a las comunicaciones inalámbricas Luis Sánchez González sanchezgl@unican.es
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- 5. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 5 ¿Qué son las comunicaciones inalámbricas? Transmitir y recibir información usando ondas electromagnéticas a través del espacio libre − La información es transportada sobre una banda de frecuencias bien definida. El Canal − Cada canal tiene un determinado ancho de banda. La Tasa Binaria − Se pueden usar diferentes canales para transmitir información al mismo tiempo Frecuencias típicas − Radio FM ~ 88 MHz − TV ~ 450 - 900 MHz − Teléfonos móviles ~ 900 y 1800 MHz − GPS ~ 1.2 GHz − Bluetooth ~ 2.4 GHz − WiFi ~ 2.4 GHz
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- 7. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 7 Historia comunicaciones inalámbricas No son tan “modernas”: luz, banderas, señales de humo… Primera comunicación sin hilos “tecnológica” Telégrafo óptico (1794) Las comunicaciones inalámbricas despegan gracias al descubrimiento de las ondas electromagnéticas − Faraday, Maxwell, Hertz “From a very long view of the history of mankind - seen from, say, ten thousand years from now - there can be little doubt that the most significant event of the 19th century will be judged as Maxwell‘s discovery of the laws of electrodynamics. The American Civil War will fade into provincial insignificance in comparison with this important scientific event of the same decade.” Richard Feynman, Lectures on Physics, Vol. II Marconi (se le considera el inventor de la radio) realiza la primera comunicación en 1895
- 8. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 8 Historia comunicaciones inalámbricas Inicios del siglo XX − Comunicaciones marítimas − Comunicaciones trasatlánticas − Difusión de radio 1920s/1930s: desarrollo de la televisión comercial Comunicaciones por satélite − 1957: SPUTNIK − 1960s: satélites comerciales A partir de 1980: sistemas de telefonía móvil comerciales A partir de 1995: WLAN Siglo XXI − Bluetooth − Dispositivos de corto alcance (sensores, RFID) − …
- 9. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 9 Historia comunicaciones inalámbricas Prof. J. Maxwell (1831-1879) teoría del electromagnetismo desarrollada en 1865 Prof. H. Hertz (1857- 1894) Validación experimental de las ecuaciones de Maxwell entre 1886-1888 Guglielmo Marconi (1874-1937) Desarrollo de la telegrafía inalámbrica trans-Atlantica 1901 Martin Cooper, Motorola, crea el primer teléfono celular portatil en 1973 Radio KDKA - 1920 Primera transmisión por TV Entrevista a Dave en los Bell Labs: “This thing isn’t going anywhere” Servicios móviles bidireccionales 1960s – 1970s 1983 – Servicio AMPS en Chicago 2008 – Más de 300M de teléfonos móviles en India 2003 – Más de 150M de teléfonos móviles en EEUU
- 10. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 10 Contenidos ¿Qué son las comunicaciones inalámbricas? Historia de las comunicaciones inalámbricas ¿Por qué comunicaciones inalámbricas? Principales retos y dificultades Espectro radioeléctrico Propagación Modulación Técnicas de acceso al medio y duplexado
- 11. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 11 ¿Por qué comunicaciones inalámbricas? No más cables − Coste de instalación y mantenimiento − Mazos de cables de un lado para otro − Comunicaciones “auto-mágicas” sin necesidad de conexión física, Ej: Bluetooth, WiFi Cobertura global − Se puede llegar allí donde los cables no llegan o no es rentable, Ej: zonas rurales, edificios históricos, campos de batalla, zonas catastróficas, vehículos, el Espacio Siempre conectado − Permiten estar conectados a cualquier hora en cualquier lugar − El mercado demuestra la necesidad de dar servicios en movilidad y de manera ininterrumpida Flexibilidad − Los servicios te alcanzan a ti, no tienes que ir a buscarlos. Ej: no tienes que ir a un sitio fijo a leer tus e-mails − Conectarse a varios dispositivos a la vez
- 12. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 12 ¿Por qué comunicaciones inalámbricas? Mayor dependencia en todos los sectores de servicios de telecomunicación La gente está dispuesta a pagar por ello Mantra Básico: Conectado – en cualquier sitio, en cualquier momento.
- 13. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 13 Contenidos ¿Qué son las comunicaciones inalámbricas? Historia de las comunicaciones inalámbricas ¿Por qué comunicaciones inalámbricas? Principales retos y dificultades Espectro radioeléctrico Propagación Modulación Técnicas de acceso al medio y duplexado
- 14. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 14 Principales retos y dificultades Hardware eficiente − Dispositivos que usan baterías − Transmisores y receptores de bajo consumo − Herramientas de procesado de señal de bajo consumo Uso eficiente del recurso radio − Reuso de frecuencias, protocolos de acceso al medio,... Servicios integrados − Voz, datos, multimedia sobre la misma red − Diferenciación de los servicios, prioridades, compartición de recursos,... Soporte de la movilidad − Localización, traspaso,... Mantenimiento de la calidad de servicio sobre enlaces no fiables
- 15. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 15 Principales retos y dificultades Conectividad y cobertura (internetworking) Eficiencia de los costes Desvanecimientos Multicamino Mayor probabilidad de errores en el canal − Necesidad de codificación de canal más robusta Necesidad de mecanismos de seguridad más fuertes − Privacidad, autenticación, …
- 16. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 16 Contenidos ¿Qué son las comunicaciones inalámbricas? Historia de las comunicaciones inalámbricas ¿Por qué comunicaciones inalámbricas? Principales retos y dificultades Espectro radioeléctrico Propagación Modulación Técnicas de acceso al medio y duplexado
- 17. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 17 Espectro radioeléctrico VLF Navegación alta mar; comunicaciones submarinas 3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz 300 THz3 GHz LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarrojo 400 THz LuzVisible 900 THz Navegación alta mar; comunicaciones submarinas Radio marítima; radiodifusión (AM) Radiodifusión internacional; radioaficionados; comunicaciones militares Televisión VHF; radiodifusión (FM); comunicaciones aviones Televisión UHF; Telefonía celular; comunicaciones personales Satélites; radar; bucles locales inalámbricos Experimental; bucles locales inalámbricos
- 18. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 18 Gestión del espectro Se trata del recurso clave Los dispositivos inalámbricos deben operar en una banda de frecuencia determinada, que lleva asociada un determinado ancho de banda El uso del espectro radioeléctrico está fuertemente controlado por las autoridades locales competentes a través de licencias − En España lo regula actualmente el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, a través de la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones y para la Sociedad de la Información (http://www.mityc.es/telecomunicaciones), mientras que la Comisión del Mercado de Telecomunicaciones (CMT) actúa como órgano consultor − En Estados Unidos, la regulación la realiza la FCC (Federal Communications Commission) − La ITU también tiene competencias en la regulación del espectro radioeléctrico Se trata de un bien muy preciado y escaso, por lo que en ocasiones, su uso supone el pago de un canon elevado
- 19. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 19 Gestión del espectro En España, la administración se hace de acuerdo a los tratados de las organizaciones competentes de ámbito Europeo e internacional: − CEPT (Conferencia Europea de administraciones Postales y de Telecomunicación) − ITU Introduce, en el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF), las modificaciones o particularidades necesarias en cada caso − http://www.mityc.es/telecomunicaciones/Espectro/Paginas/CNAF.aspx
- 20. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 20 Regiones ITU La ITU divide el mundo en tres regiones, con ligeras diferencias en la regulación del espectro
- 21. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 21 Bandas ISM Las bandas ISM (Industrial, Scientific y Medical) se reservaron para equipamiento que se relacione con procesos industriales y/o científicos o aplicaciones médicas Sin embargo, muchos elementos cotidianos trabajan en esa banda, como por ejemplo los hornos microondas En principio el uso de dispositivos de comunicación en las bandas ISM está completamente abierto, siempre que se respeten unos límites en lo referente a la potencia de transmisión La totalidad de las tecnologías WLAN y WPAN comerciales se utilizan en las bandas ISM Sin embargo hay ligeras diferencias en la legislación de algunos países, lo que da lugar a diversos problemas a la hora de emplear una tecnología en algunos territorios
- 22. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 22 Bandas ISM en España CNAF: Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencia Norma UN-51, bandas de frecuencias designadas para aplicaciones industriales, científicas, y médicas (ICM). − 2400 a 2500 MHz (frecuencia central 2450 MHz) − 5725 a 5875 MHz (frecuencia central 5800 MHz) − 24,00 a 24,25 GHz (frecuencia central 24,125 GHz) − 61,00 a 61,50 GHz (frecuencia central 61,250 GHz) Los servicios de radiocomunicaciones que funcionen en las citadas bandas deberán aceptar la interferencia perjudicial resultante de estas aplicaciones Norma UN-85: Principal norma aplicable a Wi-Fi en la banda de 2-4 Ghz − Potencia inferior a 100 mW UN-128: Banda para 5 Ghz La utilización de estas frecuencias para las aplicaciones indicadas se considera uso común
- 23. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 23 Contenidos ¿Qué son las comunicaciones inalámbricas? Historia de las comunicaciones inalámbricas ¿Por qué comunicaciones inalámbricas? Principales retos y dificultades Espectro radioeléctrico Propagación Modulación Técnicas de acceso al medio y duplexado
- 24. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 24 ¿Qué es la propagación? Medios de transmisión guiada − Par trenzado, cable coaxial, fibra óptica Propagación electromagnética – Comunicaciones inalámbricas La potencia de la señal disminuye a medida que “viaja” por el medio inalámbrico La potencia de la señal DECRECE con la distancia Depende de varios factores − Frecuencia de operación − Terreno − Presencia de línea de vista (Line of Sight o LoS) − Múltiples caminos − Desvanecimientos
- 25. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 25 Modelos de propagación Habitualmente se emplean diferentes modelos − Espacio libre − Tierra plana o dos rayos − … De manera genérica, se puede afirmar que las pérdidas de propagación (path loss o PL), en término medio se puede calcular como… − El exponente ‘n’ se suele determinar de manera empírica ⋅ Espacio libre: n = 2 ⋅ Zona urbana celular: n ∈ [2.7, 3.5] ⋅ Zona urbana celular (con zonas de sombra): n ∈ [3, 5] ⋅ LoS en interiores: n ∈ [1.6, 1.8] (Más bajo que Espacio Libre) ⋅ Interiores con obstáculos: n ∈ [4, 6] ⋅ Entornos industriales con obstáculos: n ∈ [2, 3] n 0d d PL(d) ∝ nTXRX d β P(d)P =Potencia en Recepción:
- 26. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 26 Aspectos adicionales Propagación multi-camino − La señal se refleja, difracta,… (propiedades electromagnéticas) − Llega siguiendo ‘muchos caminos’ al receptor − No es necesario que el transmisor/receptor se muevan Desvanecimientos − Son causados por el movimiento del transmisor o el receptor − Rápidos ⋅ Cambios bruscos en la potencia de la señal recibida ⋅ Debidos a la propagación multi-camino − Lentos ⋅ Variación de la potencia media recibida en el tiempo ⋅ Cambios en la distancia ⋅ Presencia de obstáculos
- 27. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 27 Desvanecimientos Distancia Potenciarecibida Pérdidas de propagación Desvanecimientos rápidos Desvanecimientos lentos
- 28. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 28 Contenidos ¿Qué son las comunicaciones inalámbricas? Historia de las comunicaciones inalámbricas ¿Por qué comunicaciones inalámbricas? Principales retos y dificultades Espectro radioeléctrico Propagación Modulación Técnicas de acceso al medio y duplexado
- 29. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 29 Modulación: conceptos básicos Señales analógicas y digitales Ancho de banda de una señal La mayoría de las señales son de banda estrecha − La energía se concentra en una banda de frecuencias relativamente estrecha Modulación − La información es ‘transportada’ por una señal portadora a frecuencia fc − A la señal de entrada (información) se le denomina señal en banda base
- 30. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 30 Modulación: conceptos básicos Modulación analógica − Se cambian los atributos de la señal portadora de manera continua − Amplitud (AM), frecuencia (FM), fase (PM) Modulación digital − Se cambian los parámetros de la señal portadora de manera discreta − Amplitud (ASK), frecuencia (FSK), fase (PSK)
- 31. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 31 Modulación: conceptos avanzados Modulación multi-portadora − Se utilizan varias portadoras de manera simultánea − Se incrementa la capacidad − El ejemplo más claro es OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) − Utilizado en un gran número de tecnologías de comunicaciones ⋅ Televisión Digital Terrestre (DVB-T), ADSL, WiFi (IEEE 802.11a/g/n), WiMAX, PLC, 4G (LTE) Espectro ensanchado − La señal modulada se ‘ensancha’ − Se utiliza originalmente para combatir interferencias de banda estrecha
- 32. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 32 Contenidos ¿Qué son las comunicaciones inalámbricas? Historia de las comunicaciones inalámbricas ¿Por qué comunicaciones inalámbricas? Principales retos y dificultades Espectro radioeléctrico Propagación Modulación Técnicas de acceso al medio y duplexado
- 33. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 33 Técnicas de acceso al medio Se emplean para compartir el medio por varios usuarios Es una evolución del concepto de “Multiplexación” − Permite transmitir varias señales por un único medio Los métodos existentes se diferencian en función del recurso compartido − Frecuencia: Fequency Division Multiplex (FDM) − Tiempo: Time Division Multiplex (TDM) − Código: Code Division Multiplex (CDM) Cuando se emplean como método de acceso al medio, se hablará de FDMA, TDMA y CDMA
- 34. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 34 USUARIO 1 USUARIO 2 USUARIO 3 USUARIO 4 FDMA Se divide el ancho de banda total (BT) en K canales − Ancho de banda por canal (BC) BT/K − Uso de canales de guarda (BG) Cuando un usuario accede a un canal transmite durante todo el tiempo en dicho canal tiempo frecuencia Tecnología sencilla Apto para sistemas analógicos/digitales Poco flexible en la asignación de recursos Apropiado para conmutación de circuitos Técnica mixta FDMA/TDMA
- 35. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 35 TDMA El tiempo se ranura Cada usuario transmite por todo el ancho de banda (BT) en la ranura asignada La capacidad por usuario es similar a la obtenida con FDMA USUARIO1 USUARIO2 USUARIO3 USUARIO4 tiempo frecuencia Tecnología experimentada Sistemas digitales Flexibilidad y versatibilidad Apropiado para conmutación de paquetes Requiere de sincronización TX/RX
- 36. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 36 Cada usuario tiene un “código” que le distingue del resto Utilizando dicho “código” transmite durante todo el tiempo, usando todo el ancho de banda El receptor utilizará el “código” apropiado para “descifrar” la información recibida Sistemas digitales Expansión del espectro Sincronización y control de potencia Soporta mejor la interferencia USUARIO 1 USUARIO 2 USUARIO 3 CDMA USUARIO 4 tiempo frecuencia código
- 37. Servicios Públicos de Datos Introducción a las comunicaciones inalámbricas - 37 Técnicas de duplexado Utilizadas para transmitir y recibir de manera simultánea Existen dos técnicas diferentes − FDD: Frequency Division Duplex − TDD: Time Division Duplex En FDD se utilizan bandas diferentes para la transmisión y recepción − Dificultades en los equipos, antenas, etc − Banda de guarda En TDD se utiliza la misma banda de frecuencias y se selecciónan ciertas ranuras para cada tipo de tráfico − Menor complejidad en los equipos − Flexibilidad en la asignación de recursos (Ej: tráfico Internet)