Propagación multirruta

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9. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

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Propagación multirruta

Modulación adaptativa y codificación

Debido a que las características de un canal inalámbrico pueden cambiar cientos de veces por segundo debido al desvanecimiento y al cambio Doppler (por ejemplo, aproximadamente 200 veces / segundo durante 5 ms tiempo de coherencia), los sistemas modernos utilizan modulación adaptativa y codificación (AMC) para ajustar sus esquemas con la misma rapidez. La modulación y la codificación se discuten en profundidad.en los capítulos 7 y 10. Esencialmente crean señales que envían tanta información como sea posible (dentro de una restricción de probabilidad de error de bit) para una señal recibida dada fuerza y ruido, luego detectan y corrigen los errores. Para adaptarse cientos de veces por segundo, dos características deben estar presentes en los protocolos de un sistema.

Mecanismos de mensajería para comunicar los indicadores de calidad de señal entre transmisores y receptores, y también para comunicar la nueva modulación y formatos de codificación. Los sistemas celulares 3G y 4G, como Long Term Evolution (LTE), utilizan AMC ampliamente. El Capítulo 14 analiza el LTE en profundidad, incluidos sus protocolos AMC.

Mecanismos para medir la calidad del canal inalámbrico. Estos podrían incluye monitorear las tasas de pérdida de paquetes o enviar señales piloto especiales expresamente para fines de medición.

Tipos de desvanecimiento

trayectos múltiples

El desvanecimiento por trayectos múltiples hace que la señal varíe con la ubicación debido a la combinación de llegadas retardadas de señales por trayectos múltiples.

La difusión Doppler

Hace que el rendimiento de la señal cambie con el tiempo debido a movimiento de móviles y obstáculos.

A medida que la unidad móvil se mueve por una calle en un entorno urbano, ya que el usuario móvil cubre distancias bien en exceso de una longitud de onda, el entorno urbano cambia a medida que el usuario pasa los edificios de diferentes alturas, lotes baldíos, intersecciones, etc. En estas distancias más largas, hay un cambio en la potencia promedio recibida. Este cambio es causado principalmente por sombreado y diferencias en la distancia del transmisor

Los efectos de la propagación por trayectos múltiples

Un segundo fenómeno, de particular importancia para la transmisión digital, es interferencia entre símbolos (ISI)

Los efectos de la propagación por trayectos múltiples A medida que se suman las señales por trayectos múltiples, la potencia de señal resultante puede ser más fuerte, pero también puede ser inferior en un factor de 100 o 1000 (20 o 30 dB). El nivel de señal en relación con el ruido disminuye, lo que dificulta la detección de la señal en el receptor.

Efectos clave que causan el desvanecimiento es la propagación por trayectos múltiples

La difracción

Ocurre en el borde de un cuerpo impenetrable que es grande en comparación a la longitud de onda de la onda de radio

Reflexión

Ocurre cuando una señal electromagnética encuentra una superficie que es grande en relación con la longitud de onda de la señal.

Dependiendo de las diferencias en las longitudes de ruta de la directa y ondas reflejadas, la señal compuesta puede ser más grande o más pequeña que la directa señal. El refuerzo y la cancelación de la señal pueden ocurrir como resultado de copias de la señal sumada siguiendo múltiples caminos.

Hay obstáculos en abundancia. La señal puede ser reflejada por tal obstáculos para que se puedan recibir múltiples copias de la señal con diferentes retrasos

Expansión de ancho

Todos los mecanismos de corrección anteriores buscan aumentar el uso eficiente de la ancho de banda de un canal, comúnmente medido en una eficiencia de bps / Hz. Pero según la teoría de Shannon, hay un límite para esta eficiencia para una señal a ruido dada proporción. Si los requisitos de rendimiento superan lo que se puede lograr en un ancho de banda dado, se utilizan una serie de enfoques de expansión de ancho de banda.

Las bandas de onda milimétrica (mmWave) son frecuencias más altas en los 30 a 300 Bandas de GHz que tienen más ancho de banda disponible en canales de ancho de banda más amplio. Recuerde que l = c / f, entonces 30 a 300 GHz tiene longitudes de onda de 10 a 1 mm

La reutilización de frecuencia permite reutilizar las mismas frecuencias portadoras cuando los dispositivos están lo suficientemente lejos como para que la relación señal-interferencia sea suficientemente bajo. Esto se ha proporcionado tradicionalmente al dividir un área de cobertura celular en celdas grandes, llamadas macroceldas, de varios kilómetros de diámetro.

La agregación de operadores combina múltiples canales. Por ejemplo, 802.11n y 802.11ac combina los canales de 20 MHz de los estándares 802.11 anteriores en 40, Canales de 80 o 160 MHz

Antenas de entradas múltiples y salidas múltiples (MIMO)

Si un transmisor y el receptor implementa un sistema con múltiples antenas, esto se llama entrada múltiple sistema de salida múltiple (MIMO).

MIMO multiusuario: con suficientes antenas MIMO, haces de antena direccionales se puede establecer para múltiples usuarios simultáneamente

Formación de haces: se pueden configurar múltiples antenas para crear direcciones patrones de antena para enfocar y aumentar la energía a los destinatarios previstos.

Múltiples flujos: múltiples flujos de datos paralelos pueden fluir entre pares de transmitir y recibir antenas

Diversidad: la diversidad espacial se puede lograr para tener múltiples señales recibidas a través de múltiples antenas de transmisión y / o recepción. Si no se puede lograr el espacio Para una independencia total de la señal, todavía se pueden lograr algunos beneficios de la diversidad espacial

Ecualización adaptativa

El receptor compara la secuencia de entrenamiento recibida con la secuencia de entrenamiento esperada y sobre la base de la comparación calcula valores adecuados para los coeficientes. Periódicamente, se envía una nueva secuencia de entrenamiento para dar cuenta de los cambios en el entorno de transmisión. Para los canales de Rayleigh, o peor, puede ser necesario incluir una nueva secuencia de entrenamiento con cada bloque de datos. Nuevamente, esto representa una sobrecarga considerable, pero se justifica por las tasas de error que se encuentran en una red inalámbrica móvil. ambiente.

El proceso de ecualización implica algún método para reunir la energía del símbolo disperso de nuevo.

se puede aplicar a transmisiones que transportan información analógica.

La corrección de errores

En comunicaciones móviles, las tasas de error son a menudo tan alto que existe una alta probabilidad de que el bloque de bits retransmitido También contienen errores. En estas aplicaciones, se requiere corrección de errores hacia adelante.

Si los códigos entrantes y calculados no coinciden, entonces uno o más bits son En error. Si el número de errores de bit está por debajo de un umbral que depende de longitud del código y la naturaleza del algoritmo, es posible para el receptor para determinar las posiciones de bits en error y corregir todos los errores

Para cada bloque entrante de bits (datos más código de corrección de errores), el receptor calcula un nuevo código de corrección de errores a partir de los bits de datos entrantes. Si el código calculado coincide con el código entrante, entonces el receptor supone que no Se ha producido un error en este bloque de bits.

Usando un algoritmo de codificación, el transmisor agrega una cantidad de bits adicionales y redundantes a cada bloque de datos transmitido. Estos bits forman una corrección de errores código y se calculan en función de los bits de datos

El término adelante se refiere a los procedimientos mediante los cuales un receptor, utilizando solo información contenido en la transmisión digital entrante, corrige errores de bit en los datos

El canal de desvanecimiento

Desvanecimiento de Rayleigh

El desvanecimiento de Rayleigh se puede tratar analíticamente, proporcionando información sobre las características de rendimiento que se pueden utilizar en entornos difíciles, como los entornos urbanos del centro.

El modelo Rician

A menudo es aplicable en un ambiente interior mientras que el modelo Rayleigh caracteriza al exterior ajustes El modelo de Rician también se vuelve más aplicable en celdas más pequeñas o en más ambientes abiertos al aire libre.

El desvanecimiento de Rician caracteriza mejor una situación en la que hay un camino directo de los en además de una serie de señales indirectas multitrayectoria.

La señal es degradada por el ruido térmico asociado con el canal físico también como electrónica en el transmisor y receptor (y cualquier amplificador intermedio o repetidores). Este modelo es bastante preciso en algunos casos, como las comunicaciones espaciales. y algunas transmisiones por cable, como el cable coaxial.

Técnicas de diversidad y MIMO

La diversidad se basa en el hecho de que los canales individuales experimentan eventos de desvanecimiento independientes. Por ejemplo, múltiples antenas que están espaciadas lo suficientemente separadas tener desvanecimiento independiente

Diversidad de selección: elija una señal que sea aceptable o la mejor.

Combinación de diversidad: combine la mejor señal con las otras señales. Ajustar la ganancia y la fase, por lo que se suman para mejorar la señal de salida general.

podemos compensar los efectos de error proporcionando múltiples canales lógicos entre el transmisor y el receptor y enviando parte de la señal sobre cada canal. Esta técnica no elimina errores pero sí reducir la tasa de error, porque hemos extendido la transmisión para evitar ser sujeto a la tasa de error más alta que pueda ocurrir.

OFDM y espectro extendido

Las comunicaciones tradicionales, cableadas o inalámbricas, simplemente modulan una señal de banda base hasta un canal de transmisión y frecuencia requeridos. No hay cambios en el original. se produce la señal Sin embargo, se han utilizado dos métodos para superar el canal inalámbrico impedimentos; Las señales se modifican significativamente para la transmisión

El espectro extendido hace que una señal use un ancho de banda 100 veces o más ancho, con menor densidad de energía en cada frecuencia. Esto puede superar situaciones selectivas de frecuencia; incluso si algunas frecuencias son pobres, se logra un buen rendimiento promedio general.

La multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) divide una señal en muchos flujos de velocidad de bits más bajos que se transmiten a través de frecuencias espaciadas con precisión.

MIMO multiusuario

Extiende el MIMO básico concepto a múltiples puntos finales, cada uno con múltiples antenas. La ventaja de MUMIMO en comparación con MIMO de un solo usuario es que la capacidad disponible se puede compartir para satisfacer demandas que varían en el tiempo. Las técnicas MU-MIMO se utilizan tanto en Wi-Fi como en Redes celulares 4G.

Enlace descendente: canal de transmisión (BC): la estación base transmite por separado flujos de datos a múltiples usuarios independientes.

Enlace ascendente: canal de acceso múltiple (MAC): múltiples usuarios finales transmiten simultáneamente a una sola estación base.

Principios MIMO

El transmisor y el receptor emplean Múltiples antenas. El flujo de datos de origen se divide en n flujos secundarios, uno para cada de las n antenas transmisoras. Las subcorrientes individuales son la entrada a las antenas transmisoras (entrada múltiple).

Diversidad espacial: los mismos datos se codifican y transmiten a través de múltiples antenas, que efectivamente aumenta la potencia en el canal proporcionalal número de antenas de transmisión. Esto mejora la señal a ruido (SNR) para el rendimiento del borde celular. Además, diversos desvanecimientos por trayectos múltiples ofrecen múltiples "Vistas" de los datos transmitidos en el receptor, aumentando así la robustez. en un Escenario multitrayecto donde cada antena receptora experimentaría un diferente