Curso urv 080513
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Este documento presenta información sobre sistemas de comunicaciones inalámbricas y entornos inteligentes. Introduce diferentes sistemas de comunicaciones radioeléctricas como radiodifusión, radioenlaces, sistemas móviles, WLAN y redes de sensores. Explica conceptos clave como el canal radioeléctrico y las relaciones entre cobertura y capacidad. Por último, ofrece ejemplos de aplicación de las redes inalámbricas en entornos inteligentes como luminarias para ciudades.
![Relaciones Cobertura/Capacidad
El parámetro que hace referencia a la relación señal a ruido de una
comunicación es la relación de energía de bit de información (no chip) a
densidad espectral de perturbación (ruido térmico+interferencia de otros
usuarios)
La relación Eb/No es el parámetro básico de calidad y viabilidad del enlace radio
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![Relaciones Cobertura/Capacidad
Para K usuarios en una celda, con un factor de actividad
y control de potencia perfecto:
Utilizando el factor f para modelar la interferencia externa:
Sustituyendo en la ecuación de enlace:
La potencia recibida en la estación base por cada usuario
resulta ser:
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Curso urv 080513
- 1. Francisco Falcone IEEE Computer Society eGovernment STC Seminario sobre Open Government y Smart Cities Departamento de Ingeniería Informática y Matemáticas de la Universidad Rovira i Virgili
- 2. • Introducción • Canal Radioeléctrico • Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos • Ejemplos de entornos inteligentes
- 3. • Introducción • Canal Radioeléctrico • Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos • Ejemplos de entornos inteligentes
- 4. Introducción • Los sistemas inalámbricos han experimentado un gran auge en la primera década del S. XXI • Facilitan: movilidad y acceso remoto • Motor de cambios sociales: tele-trabajo, trabajo en movilidad • A esto se une una reducción en los costes de fabricación de tecnología inalámbrica (tanto en la microelectrónica como en el desarrollo del software) • Consecuencia: gran aceptación social de las tecnologías inalámbricas
- 5. Contexto Socio-Económico Fuente: CMT, Informe Tercer Trimestre 2010 http://www.cmt.es/cmt_ptl_ext/SelectOption.do?nav=publi_trimestrales&detalles=09002719 800aa7c8&hcomboAnio=2010&pagina=1
- 6. HSPA: Contexto Socio-Económico Fuente: GSA Association http://www.gsacom.com/downloads/pdf/WCDMA_wallchart_February_2011.php4 Desarrollo sostenido de implantación HSPA, fundamentalmente sobre redes UMTS pre-existentes Introducción Canal Radioeléctrico Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos Componentes de Sistemas Radioeléctricos Esquema del Curso
- 7. En esta presentación: nos interesa el entorno inalámbrico!
- 8. Enumeración de Sistemas Radioeléctricos • Radioenlaces punto a punto, punto a multipunto • Sistemas de Radiodifusión (AM/FM/TV/TDT) • Sistemas de comunicaciones móviles (2G/3G/4G) • Sistemas WLAN/WMAN • Sistemas de grupo cerrado de usuarios (TETRA/TETRAPOL) • Sistemas de geolocalización (GPS/Glonass/Galileo) • Sistemas RFID/NFS • Redes de sensores
- 9. • Introducción • Canal Radioeléctrico • Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos • Ejemplos de entornos inteligentes
- 10. Canal Radioeléctrico • Medio físico: ondas radioeléctricas • Características fundamentales: amplitud y frecuencia de operación • Las ondas EM interaccionan con el medio que las rodean: • Efecto de la distancia • Efecto del medio en el que se propaga • Efecto de: reflexión, refracción y difracción • Es un canal fácil de implantar, pero…. • Es voluble y hostil Introducción Canal Radioeléctrico Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos Componentes de Sistemas Radioeléctricos Esquema del Curso
- 12. Canal Radioeléctrico Pérdidas de propagación: son debidas a la distribución de potencia en un frente de onda esférico Conforme aumenta la frecuencia, aumentan las pérdidas de propagación en el espacio libre
- 13. Canal Radioeléctrico Reflexión: es uno de los fenómenos que cobran mayor importancia en la radiopropagación. Se rige por las ecuaciones de reflexión de Fresnel Es muy importante considerar las variaciones con la frecuencia!! Introducción Canal Radioeléctrico Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos Componentes de Sistemas Radioeléctricos Esquema del Curso
- 14. Canal Radioeléctrico Difracción: se trata de la interacción entre una onda electromagnética y un medio material que se encuentra en el camino de propagación Depende de manera fundamental de la geometría, de la frecuencia, de la polarización y el material
- 16. • Introducción • Canal Radioeléctrico • Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos • Ejemplos de entornos inteligentes
- 17. Radiodifusión • Nacimiento del uso de los sistemas radioeléctricos • Difusión de audio (AM, FM) • Difusión de TV (blanco y negro, color) • Posteriormente, implantación de sistemas digitales: • DVB • DAB • Son sistemas de difusión y de carácter asimétricos (inicialmente simplex, actualmente con cierto grado de interacción en el canal de retorno
- 18. Radioenlaces • Visión directa • Frecuencias de operación: desde 1 GHz hasta 100 GHz • Distancias de vanos de hasta 50 Km • Capacidades hasta 155 Mbps (STM-1) • Soporte de diversas topologías y grados de protección • Evolución entre radioenlaces y WLAN: WMAN (WiMAX)
- 19. Radioenlaces
- 20. Sistemas de Comunicaciones Móviles • Conocidas como PLMN (Public Land Mobile Network) • Sistemas comerciales de primera generación nacen en los 80 (sistema NMT, TACS; en España, Moviline). Banda 450MHz/900MHz • Posteriormente, nace la competencia con el sistema GSM (segunda generación); digital extremo a extremo, sistema SS7 integrado. Banda frecuencial 900MHz/1800MHz • Sistema UMTS, multiservicio digital; opera en banda de 2.1GHz. Se apoya en HSPA para datos de alta velocidad • El futuro: LTE (Long Term Evolution); sistemas de cuarta generación; primeros chipsets disponibles. Velocidades desde 100 Mbps a 1Gbps
- 21. BTS A Um BSC SGSN GGSN Internet Gb Gn Gi (PCU) BG CG GGSN SGSN Gp Ga Gn Nodo B Iub RNC MGW Iucs RNC Iur MSC Server Mc SGSN Iups Uu MGW MSC Server Mc Nb Nc UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) RAN (Radio Acces Network) Red ATM Red Novatel- DXX Red IP Red Ethernet GPRS Datos MSC Abis Otras MSCs E GSM (2G) GPRS (2,5G) UMTS (3G, 3.5G) Hdspa Hsupa DNS HLR Movilidad: Red de Acceso Radio
- 22. BTS A Um BSC SGSN GGSN Internet Gb Gn Gi (PCU) BG CG GGSN SGSN Gp Ga Gn Nodo B Iub RNC MGW Iucs RNC Iur MSC Server Mc SGSN Iups Uu MGW MSC Server Mc Nb Nc UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) RAN (Radio Acces Network) GPRS Datos MSC Abis Otras MSCs E GSM (2G) GPRS (2,5G) UMTS (3G, 3.5G) Hdspa Hsupa - Estación Base Radio: BTS (2G) y nodo B (3G) -Controladores Radio: BSC (2G) y RNC (3G) - Centrales de conmutacion: MSC (2G) y MGW (2G/3G) - Nodos de tráfico datos: SGSN y GGSN. Llamada voz Llamada datos
- 23. eNB MME / S-GW MME / S-GW eNB eNB S1 S1 S1 S1 X2 X2 X2 E-UTRAN HeNB HeNB HeNB GW S1 S1 S1 S1 HeNB S1 S1 Las futuras redes de comunicaciones móviles
- 24. Sistemas de Geolocalización • Tienen como objetivo la localización de objetos y personas a nivel mundial • Se basa en el análisis mediante triangulación de señales multiplexadas en código por parte del receptor. • Existen diversos sistemas en operación: •GPS (herencia del sistema Loran-C y Navstar, DOD EEUU) •Glonass: sistema soviético, con cobertura en la antigua URSS • Galileo: sistema de localización europeo, que integra nuevos servicios (en fase de implantación) • Las técnicas satelitales se pueden combinar con otros métodos de localización: WLAN/RFID/LBS/Infrarrojos/Ultrasonidos
- 25. Geolocalización
- 26. Redes WLAN WLANs conectan localmente ordenadores (100m), aunque se han hecho pruebas a varios km En España opera sobre banda ISM, lo que obliga a tener una PIRE máxima de 30 dBm Es una red IP, basada en IEEE 802.11 Acceso al canal es compartido (acceso aleatorio) Se provee servicio “best-effort”, sin garantía de velocidad 01011011 Internet Access Point 0101 1011
- 27. Redes WLAN
- 28. Redes WLAN – 802.11a Capa física para las bandas de 5GHz, con velocidades entre 6 y 54 Mbps – 802.11b Capa física para la banda de 2.4GHz (ISM), entre 5.5 y 11 Mbps – 802.11c Suplemento para soportar puentes MAC – 802.11d Especificación para operar en distintos dominios reguladores – 802.11e Mejoras del QoS, Quality Of Service – 802.11f Protocolo entre puntos de acceso – 802.11g Nueva capa física para la banda de 2.4GHz (ISM) – 802.11h Mejoras espectrales y de gestión del espectro en 802.11a – 802.11i Mejoras de seguridad – 802.11j Mejora para el funcionamiento de 802.11a en Japón – 802.11k Gestión de los recursos radio – 802.11m Correcciones técnicas y clarificaciones – 802.11n Mejoras para alto throughput (AMC y MIMO)
- 29. Redes Sensores Introducción Canal Radioeléctrico Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos Componentes de Sistemas Radioeléctricos Esquema del Curso • Basadas en sistemas inalámbricos, habitualmente dentro de los estándares 802.15 (Bluetooth, ZigBee, UWB) • Se caracterizan por: • Posibilidad de interconexión de múltiples nodos • Diferentes topologías de interconexión • Consumo moderado o bajo • Coste por unidad moderado • Tasa de transferencia entre dispositivos baja (ZigBee 250 Kbps, Bluetooth 1Mbps, aunque en evolución) • Los estándares de la familia 802 son integrables uno dentro de otro • Múltiples aplicaciones: hogar digital, sanidad, realidad aumentada, etc..
- 30. Redes Sensores
- 31. Relaciones Cobertura/Capacidad El parámetro que hace referencia a la relación señal a ruido de una comunicación es la relación de energía de bit de información (no chip) a densidad espectral de perturbación (ruido térmico+interferencia de otros usuarios) La relación Eb/No es el parámetro básico de calidad y viabilidad del enlace radio ko b ext kijitik N E WNII RAGP /][ /]/[ int Señal deseada Interferencia intracelular (interna) Interferencia intercelular (externa) Enlace ascendente Enlace descendente
- 32. Relaciones Cobertura/Capacidad Para K usuarios en una celda, con un factor de actividad y control de potencia perfecto: Utilizando el factor f para modelar la interferencia externa: Sustituyendo en la ecuación de enlace: La potencia recibida en la estación base por cada usuario resulta ser: )1(int KPI r int)1( IfIext r p r r o b PNfK G WNfKP RP N E /)1(/])1([ / fKNEG N P obp r )1()//( Pole-capacity f NEG K obp )//( 1max Señal deseada Interferencia intracelular (interna) Interferencia intercelular (externa)
- 33. -125 -120 -115 -110 -105 0 5 10 15 20 Número de usuarios SensibilidadNodo-B(dBm) VOZ 64Kbps 144Kbps 384Kbps N=10 X=8.4% N=20 X=17.7% N=13 X=76.7% N=3 X=65.3% N=7 X=73.5% Servicio VOZ 64Kbps 144Kbps 384Kbps R (Kbps) 12,20 64,00 144,00 384,00 Gp 314,75 60,00 26,67 10,00 Eb/No uplink (dB) 6,1 3,8 3,1 3,1 Factor actividad 0,45 1 1 1 Pole capacity 108,31 16,63 9,16 4,06 chip rate (Mcps) 3,84 Factor ruido (dB) 5 f factor 1,6 PARAMETROS GENERALES Conforme aumenta la tasa binaria, se degrada rápidamente la sensibilidad N: nº de usuarios X: factor de carga Relaciones Cobertura/Capacidad
- 34. Relaciones Cobertura/Capacidad -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Eb/No(dB) Distance (Km) Eb/No (user variation) Eb/No (dB) (nº users = 1) Eb/No (dB) (nº users = 5) Eb/No (dB) (nº users = 10)
- 36. • Introducción • Canal Radioeléctrico • Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos • Ejemplos de entornos inteligentes
- 37. • La interacción con el entorno se hará mediante redes inalámbricas de manera intensiva • Veamos ejemplos de la aplicación y efecto del canal radioeléctrico en los mismos
- 39. Ejemplo: Luminarias P. Elejoste et al., “Easy to Deploy Street Light Control System based on Wireless Communication and Led Technology”, Sensors, In Press
- 40. Measurement Points 0 5 10 15 20 Power(dBm) -100 -90 -80 -70 Measurements RL Simulation Ejemplo: Luminarias L. Azpilicueta et al., “Analysis of Topological Impact on Wireless Channel Performance on Intelligent Street Lighting System”, Radioengineering, Under Review
- 41. Ejemplo: Luminarias P. Elejoste et al., “Easy to Deploy Street Light Control System based on Wireless Communication and Led Technology”, Sensors, In Press
- 42. Ejemplo: Redes Vehiculares A.J. Bermejo et al., “Ontology based Road Traffic Management in emergency situations”, Ad-Hoc and Sensor Wireless Networks, In Press
- 43. Ejemplo: Redes Vehiculares A.J. Bermejo et al., “Ontology based Road Traffic Management in emergency situations”, Ad-Hoc and Sensor Wireless Networks, In Press
- 44. Ejemplo: Redes Vehiculares A.J. Bermejo et al., “Ontology based Road Traffic Management in emergency situations”, Ad-Hoc and Sensor Wireless Networks, In Press
- 45. Ejemplo: Trenes L. Azpilicueta., “Characterization and Impact of Wireless Propagation for Deployment of Wireless Sensor Networks in a Railway Passenger Vehicle”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Under Review
- 46. Ejemplo: Trenes L. Azpilicueta., “Characterization and Impact of Wireless Propagation for Deployment of Wireless Sensor Networks in a Railway Passenger Vehicle”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Under Review
- 47. Ejemplo: Automatización en el Hogar L. Azpilicueta., “Performance analysis of ieee 802.15.4 compliant wireless devices for heterogeneous indoor home automation environments”, International Journal of Antennas and Propagation , 2012
- 48. Ejemplo: Salud S. Led et al., “Analysis and Description of HOLTIN Service Provision for AECG monitoring in Complex Indoor Environments”, Sensors, April 2013
- 49. Ejemplo: Salud S. Led et al., “Analysis and Description of HOLTIN Service Provision for AECG monitoring in Complex Indoor Environments”, Sensors, April 2013
- 50. Ejemplo: Fuentes Interferentes P. López et al., “Impact of High Power Interference Sources in Planning and Deployment of Wireless Sensor Networks and Devices in the 2.4 GHz Frequency Band in Heterogeneous Environments”, Sensors, November 2012
- 51. Ejemplo: Fuentes Interferentes P. López et al., “Impact of High Power Interference Sources in Planning and Deployment of Wireless Sensor Networks and Devices in the 2.4 GHz Frequency Band in Heterogeneous Environments”, Sensors, November 2012
- 52. Ejemplo: Fuentes Interferentes P. López et al., “Impact of High Power Interference Sources in Planning and Deployment of Wireless Sensor Networks and Devices in the 2.4 GHz Frequency Band in Heterogeneous Environments”, Sensors, November 2012
- 53. En Definitiva: • Es necesario incrementar el grado de interacción entre el entorno y los usuarios • Los sistemas inalámbricos facilitan dicha interconexión, pero… • Hay multitud de sistemas que coexisten y generan información dentro de este “ecosistema” • Las características topológicas, morfológicas y del propio tráfico influyen en las prestaciones de los sistemas • Es necesario planificar adecuadamente dichos entornos heterogéneos con el fin de optimizar su funcionamiento en términos de prestaciones, consumo energético y coste • Un reto apasionante!
- 54. Francisco Falcone IEEE Computer Society eGovernment STC Seminario sobre Open Government y Smart Cities Departamento de Ingeniería Informática y Matemáticas de la Universidad Rovira i Virgili Muchas gracias!