Simulación y análisis de los modelos de propagación para un canal implementado bajo el estándar IEEE 802 11p

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS MODELOS DE PROPAGACIÓN PARA UN CANAL IMPLEMENTADO BAJO EL ESTÁNDAR IEEE 802.11P. TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. YOLANDA BELÉN LOGRO LEMA [email protected] GRACE ALEXANDRA MAYANQUER MÉNDEZ [email protected] DIRECTORA: Dra. MARTHA CECILIA PAREDES PAREDES [email protected]. Quito, febrero 2020.

(2) AVAL. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por YOLANDA BELÉN LOGRO LEMA y GRACE ALEXANDRA MAYANQUER MÉNDEZ, bajo mi supervisión.. Ph.D. Martha Cecilia Paredes Paredes DIRECTORA DEL TRABAJO DE TITULACIÓN.

(3) DECLARACIÓN DE AUTORÍA. Nosotras, YOLANDA BELÉN LOGRO LEMA y GRACE ALEXANDRA MAYANQUER MÉNDEZ, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración dejamos constancia de que la Escuela Politécnica Nacional podrá hacer uso del presente trabajo según los términos estipulados en la Ley, Reglamentos y Normas vigentes.. YOLANDA BELÉN LOGRO LEMA. GRACE ALEXANDRA MAYANQUER MÉNDEZ.

(4) DEDICATORIA. Principalmente a Dios y a mis Padres, porque sin ellos nada de esto habría sido Belén Logro.

(5) DEDICATORIA. A mis padres que son mi principal motivación para no rendirme y que gracias a su amor y comprensión he logrado superar cualquier obstáculo. Grace Mayanquer.

(6) AGRADECIMIENTO. Principalmente a Dios por bendecirme en el camino hacia mis metas y a mi familia por su apoyo incondicional. A mis Padres, María y Raúl por su amor y sacrificio para sacarnos adelante a mis hermanas y a mí. Muchos de mis logros se los debo a ustedes que han sido mi inspiración principal. A mis hermanas Nelly, Lorena, Maribel y Tania por sus palabras de aliento y apoyo, quienes han creído en mí siempre. A mis amigos con quienes he compartido hermosas anécdotas y a mi amiga Yomara por su amistad incondicional, con quien he compartido muchas alegrías y también momentos difíciles de los que hemos salido adelante. A Grace por su colaboración en la realización de este proyecto y en especial a la Dra. Martha Cecilia Paredes y el Dr. Diego Reinoso por la paciencia y por compartir sus conocimientos para la elaboración de este proyecto..

(7) AGRADECIMIENTO. Les debo gratitud a mis padres: Inés Méndez y Winston Mayanquer por haberme acompañado en todo este camino, gracias por el infinito amor, su dedicación, el cariño y la comprensión brindados, este logro les pertenece. Agradezco a mis hermanos Saskia y Steven quienes han sido un gran apoyo y con sus ocurrencias han transformado los días malos en buenos. A Santiago por creer en mí y darme ánimo en todo momento. A mis amigos por apoyarme de una u otra forma y han demostrado tenerme mucho aprecio. Un especial agradecimiento a Belén, a la Dra. Martha Cecilia Paredes y al Dr. Diego Reinoso por su ayuda y dedicación en la realización del presente proyecto..

(8) ÍNDICE DE CONTENIDO. AVAL ................................................................................................................... I DECLARACIÓN DE AUTORÍA........................................................................... II DEDICATORIA .................................................................................................. III DEDICATORIA .................................................................................................. IV AGRADECIMIENTO ........................................................................................... V AGRADECIMIENTO .......................................................................................... VI ÍNDICE DE CONTENIDO ................................................................................. VII RESUMEN ........................................................................................................ IX ABSTRACT ........................................................................................................ X 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1 1.1. OBJETIVOS .......................................................................................... 2. 1.2. ALCANCE ............................................................................................. 2. 1.3. MARCO TEÓRICO................................................................................ 3 3. 1.3.1. CANAL INALÁMBRICO. 1.3.2. DESVANECIMIENTO. 10. 1.3.3. MODELOS DE PROPAGACIÓN. 17. 1.3.4. ESTÁNDARES WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments). 27. 1.3.5. AMPLIFICADORES DE ALTA POTENCIA O HPA. 39. 1.3.6. MODELOS DE PROPAGACIÓN PARA EL ESTÁNDAR IEEE 802.11P 41. 2. METODOLOGÍA ........................................................................................ 45 2.1.. SISTEMA A IMPLEMENTAR .............................................................. 45. 2.2.. PARÁMETROS DE SIMULACIÓN ...................................................... 48. 2.3.. SCRIPT PRINCIPAL ........................................................................... 49. 2.4.. TRANSMISOR .................................................................................... 51. 2.5.. CANAL INALÁMBRICO....................................................................... 63. 2.5.1. Canales con desvanecimiento gran escala. 64. 2.5.2. Canal con desvanecimiento Rayleigh. 67. 2.6.. SISTEMA DE RECEPCIÓN ................................................................ 72. 2.7.. TRATAMIENTO DE DATOS Y ERRORES ......................................... 80. 2.8.. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ................................................. 84. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................. 87 3.1.. PARÁMETROS GENERALES DEL ESCENARIO DE SIMULACIÓN . 87.

(9) 3.2.. PRUEBAS DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN IEEE 802.11P ........ 89. 3.3.. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE SIMULACIÓN........................ 93. 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 120 4.1.. CONCLUSIONES.............................................................................. 120. 4.2.. RECOMENDACIONES ..................................................................... 122. 5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................ 123 ANEXOS ........................................................................................................ 127.

(10) RESUMEN. El presente proyecto tiene como objetivo analizar los modelos de propagación que mejor se adecuan a una comunicación bajo el estándar IEEE 802.11p. Se implementa en Matlab un transmisor y receptor IEEE 802.11p, conectados por un canal inalámbrico AWGN; sobre dicho sistema se implementan algunos modelos de propagación a pequeña y gran escala. El capítulo 1 presenta un análisis breve de los modelos de propagación a pequeña y gran escala y del estándar IEEE 802.11p. En base a esta revisión teórica, se determinan los modelos de propagación que mejor se adaptan a las especificaciones del estándar IEEE 802.11p. De estos modelos se han seleccionado: (1) para los modelos a gran escala: Free Space, Two-Ray Ground y Log Distance y (2) para la propagación a pequeña escala el modelo de canal Rayleigh. El capítulo 2 muestra el diseño e implementación de código en el software de Matlab de un transmisor y receptor IEEE 802.11p, un canal inalámbrico AWGN y modelos de propagación a pequeña y gran escala que fueron escogidos del conjunto de modelos expuestos en el capítulo uno. El capítulo 3 presenta las pruebas de funcionamiento y análisis de los resultados de la simulación en base a la comparación de un canal AWGN sobre IEEE 802.11p con respecto a los resultados obtenidos en la simulación de los modelos de propagación con desvanecimiento Rayleigh. Los resultados se analizan en función de PER vs SNR y de PER vs distancia. Finalmente, en el capítulo 4 se determinan las conclusiones y recomendaciones luego del análisis de los resultados de la simulación.. PALABRAS CLAVE: IEEE 802.11p, modelos de propagación, Free Space, Two-Ray Ground, Log Distance, Rayleigh Fading..

(11) ABSTRACT. The objective of this final career project is to analyze the propagation models that best fit a communication under the IEEE 802.11p standard. An IEEE 802.11p transmitter and receiver, connected by an AWGN wireless channel, is implemented in Matlab; on this system some small and large scale propagation models are implemented. Chapter 1 presents a brief analysis of small and large scale propagation models and the IEEE 802.11p standard. Based on this theoretical review, the propagation models that best meet the specifications of the IEEE 802.11p standard. Of these models the following have been selected: (1) for large-scale models: Free Space, Two-Ray Ground and Log Distance and (2) for small-scale propagation of the Rayleigh channel model. Chapter 2 describes the design and implementation in Matlab software of an IEEE 802.11p transmitter and receiver, an AWGN wireless channel and small and large-scale propagation models that were chosen from the set of models set out in chapter one. Chapter 3 presents the functional tests and analysis of the simulation results based on the comparison of an AWGN channel on IEEE 802.11p with respect to the results obtained in the simulation of Rayleigh fading propagation models. The results are analyzed according to PER vs SNR and PER vs distance. Finally, in chapter 4 the conclusions and recommendations are determined after the analysis of the simulation results.. KEYWORDS: IEEE 802.11p, propagation models, Free Space, Two-Ray Ground, Log Distance, Rayleigh Fading.

(12) 1.. INTRODUCCIÓN En la actualidad las comunicaciones inalámbricas son una de las áreas más. desarrolladas en el campo de la comunicación. En los últimos años, ha habido un aumento en la demanda de conectividad sin cable impulsada principalmente por la telefonía celular [1]. La principal característica de estas tecnologías es que permiten la comunicación entre transmisores y receptores que no están unidos físicamente y usan como medio de trasmisión el aire, sobre el que pasarán las ondas electromagnéticas que llevan la información. Este tipo de comunicación ofrece mayor movilidad y flexibilidad, además de que el usuario puede estar conectado todo el tiempo. La evolución de esta tecnología ha permitido que haya una proliferación de dispositivos como smartphones, computadores portátiles, tablets, etc., que poseen varias tecnologías inalámbricas no solo para salir a la red celular sino para conectarse a Internet. Se puede mencionar algunos estándares de comunicaciones inalámbricas como: IEEE 802.11 conocido como WLAN (Wireless Local Area Networks), IEEE 802.15 o WPAN (Wireless Personal Area Networks) del que se desarrolló Bluetooth (IEEE 802.15.1), IEEE 802.16e (Air Interface for Broadband Wireless Access Systems) del que se desarrolló WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Entre las tecnologías de radio disponibles, la tecnología IEEE 802.11 se consideró como la mejor candidata para habilitar las comunicaciones inalámbricas del tipo: V2V (Vehicle to Vehicle) y V2I (Vehicle to Infrastructure) [2],en particular para las aplicaciones de las redes VANET (Vehicular Ad-Hoc Network) que están orientadas a proporcionar seguridad vial, en donde los mensajes reciben la máxima prioridad y son transmitidos a otros vehículos que se encuentran a una corta distancia [3]. Una VANET es un caso especial de las redes MANET (Mobile Ad-Hoc Network), en donde los protocolos de enrutamiento y los estándares IEEE utilizados por MANET también se aplican en las VANETs [4]. Cabe mencionar que a diferencia de las redes MANET, las VANET se comunican a gran velocidad entre sí en un modo ad hoc, es decir, sin una infraestructura fija; por esta razón, se emplea la enmienda IEEE 802.11p que constituye una versión modificada del estándar IEEE 802.11 [4]. La enmienda IEEE 802.11p es parte del conjunto de estándares WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) y del estándar europeo ITS (Intelligent Transportation System) que operan en la banda de 5.9GHz [5]. Este estándar se ha elaborado específicamente para proporcionar conectividad de corto alcance en un rango.

(13) de hasta 1000m para vehículos en movimiento rápido en un entorno altamente cambiante. Una VANET adopta las misma capa física (PHY medio (MAC. Physical Layer) y de acceso al. Media Access Control) del estándar IEEE 802.11 [6]. La capa MAC en. un entorno vehicular permite tener una operación descentralizada, es decir sin administradores centrales para asociarse a la red.. 1.1 OBJETIVOS El objetivo general de este Proyecto Técnico es: Analizar los modelos de propagación que mejor se adecuan para una comunicación bajo el estándar IEEE 802.11p. Los objetivos específicos del Proyecto Técnico son: Identificar los modelos de propagación en base a las características principales y propias de cada uno de ellos, tales como: frecuencia de operación, tipos de terrenos, tipos de obstáculos, entre otros. Simular los modelos de propagación en un canal bajo el estándar IEEE 802.11p en el programa computacional MATLAB. Comparar el rendimiento de un canal bajo el estándar IEEE 802.11p en función de la PER vs SNR.. 1.2. ALCANCE. Inicialmente se propone revisar brevemente los conceptos fundamentales respecto al estándar IEEE 802.11p, el canal inalámbrico y modelos de propagación de pequeña y gran escala. Los modelos de propagación constituyen un conjunto de algoritmos, expresiones matemáticas y diagramas que requieren de una serie de parámetros en el transmisor y receptor, tales como: altura, distancia, potencia, ganancia, ángulo de incidencia, frecuencia de operación, características del ambiente de propagación (área abierta, urbana o suburbana), tipo de terreno, etc. Con base en el estudio teórico realizado se identificarán los modelos de propagación que mejor se adapten a las especificaciones del estándar IEEE 802.11p..

(14) Se implementará en MATLAB un sistema transmisor-receptor IEEE 802.11p, conectados por medio de un canal inalámbrico AWGN (Additive White Gaussian Noise) con modelos de propagación a pequeña y gran escala. La implementación que se realizará para el canal inalámbrico estará definida en dos escenarios: el primero constará de tres modelos de desvanecimiento a gran escala, uno de ellos es el modelo de Friis o de espacio libre, que servirá como comparación para los otros dos modelos; el segundo escenario constará de una implementación con desvanecimiento a pequeña escala (Rayleigh), para el cual se determinará su respectivo PDP (Power Delay Profile) para comunicaciones IEEE 802.11p. Los resultados se representarán en función de la tasa de error de paquetes o PER (Packet Error Rate) vs la relación señal a ruido o SNR (Signal to Noise Ratio). En este contexto, se vuelve necesario analizar dos tipos de interrogantes: la primera, en qué medida se mejora el porcentaje de error de paquetes (PER) en la simulación de modelos de propagación que se adaptan a los requerimientos del estándar IEEE 802.11p. y segundo, cómo se evaluarán los modelos de propagación a pequeña y gran escala que permitan identificar aquellos que mejor se adapten a las condiciones del estándar IEEE 802.11p. Resolver estas interrogantes ayuda a contrarrestar los inconvenientes que presenta el canal inalámbrico, en relación al estándar IEEE 802.11p y su efecto multitrayecto.. 1.3. MARCO TEÓRICO. Este capítulo se divide en dos secciones. En la primera parte, se identificarán las generalidades del canal inalámbrico y de la propagación de ondas; efectos tales como: reflexión, refracción, difracción e interferencia. Se hará un análisis de los principales problemas que experimentan las señales al atravesar el canal inalámbrico; aquí se incluyen algunos fenómenos como: la pérdida de camino, desvanecimientos, interferencias co-canal, multitrayecto, entre otras. Se puntualizará sobre el desvanecimiento y su clasificación que consiste en modelos a gran escala y pequeña escala. Como segunda parte, se revisará el conjunto de estándares que forman parte de WAVE, en donde se estudiará brevemente el estándar IEEE 802.11p.. 1.3.1 CANAL INALÁMBRICO Hay dos aspectos fundamentales que se deben considerar dentro de una comunicación inalámbrica, los mismos que no son significativos en la comunicación por.

(15) cable. Primero está el fenómeno de desvanecimiento que se define como la variación en el tiempo de las intensidades de la señal en el canal [7]. Existen dos tipos de desvanecimiento, el desvanecimiento a pequeña escala por trayectos múltiples, y el desvanecimiento a larga escala debido a la pérdida de trayectoria que produce atenuación causada por la distancia y la sombra de los obstáculos en el camino [8]. En segundo lugar, como los usuarios inalámbricos se comunican por aire existe una interferencia significativa entre ellos. La interferencia puede ser entre transmisores que se comunican con un receptor común, entre señales de un solo transmisor y múltiples receptores, o entre diferentes pares transmisor-receptor. Estos problemas son ocasionados por fenómenos físicos que se detallan a continuación [1] [7].. 1.3.1.2 Fenómenos físicos que afectan al canal inalámbrico Las ondas de radio que viajan a través un canal inalámbrico están sujetas a una serie de fenómenos físicos que distorsionan su forma de onda. Debido a la distorsión, el receptor entra en estado de incertidumbre acerca de los datos codificados y modulados originalmente, teniendo como resultado errores de bits [7]. Entre los fenómenos que afectan la comunicación están los que se mencionan a continuación. Tabla 1. 1 Tasas de absorción por material común Material. Tasa de absorción. Cartón de yeso/ Panel de yeso. 3. 5 dB. Pared de vidrio y marco de metal. 6 dB. Puerta de metal. 6. Ventana. 3 dB. Pared de concreto. 6. 15 dB. Pared de ladrillo. 4. 6 dB. 10 dB. a. Absorción La absorción produce un debilitamiento de la señal inalámbrica cuando pasa a través de objetos, especialmente objetos metálicos u objetos grandes que contienen agua [9]. El impacto en la intensidad de la señal dependerá de la frecuencia y de la tasa de absorción que posee cada material. En la Tabla 1.1 se indican las tasas de absorción de acuerdo al material [9]. b. Reflexión La reflexión se genera cuando una onda de radio se propaga en un medio y alcanza el límite o choca con el otro medio que tiene diferentes propiedades eléctricas, la onda.

(16) se refleja y se transmite parcialmente [10]. Si la onda plana choca en un dieléctrico perfecto, parte de la energía se transfiere al segundo medio y el resto de la energía se refleja nuevamente en el primer medio, y no hay pérdida de energía en la absorción [7]. Si el segundo medio es un conductor perfecto, entonces toda la energía incidente se refleja de nuevo en el primer medio sin pérdida de energía [10]. La cantidad de energía reflejada/ transmitida/ absorbida depende de los materiales y las frecuencias involucradas [7]. c. Difracción El fenómeno de la difracción explica el movimiento que presenta una onda luego de atravesar un obstáculo o una rendija [10]. Este fenómeno solo se observa cuando el tamaño de los obstáculos se asemeja a la longitud de onda, caso contrario la propagación de las ondas se realiza en diferentes direcciones tomando el borde del objeto como fuente [10].. Figura 1. 1 Difracción (a) Grandes aperturas, poca difracción (b) Pequeñas aperturas, mucha difracción (c) Longitudes de onda grandes, mucha difracción La intensidad de campo de una onda que se difracta en la región obstruida es la suma vectorial de las componentes del campo eléctrico de todas las ondas de radio secundarias en el espacio alrededor del obstáculo [10]. En la Figura 1.1 se muestra el efecto de la difracción de acuerdo a la longitud de onda con la que se propaga [11]. d. Interferencia La interferencia se refiere a la superposición de señales no deseadas que son de naturaleza similar, produciéndose una distorsión o eliminación de una de las señales [10]. Estas señales pueden provenir de otros transmisores que envían en la misma banda al mismo tiempo o de otros dispositivos como hornos de microondas que irradian en la misma banda de frecuencia [10]..

(17) En una transmisión por medios guiados, la interferencia puede deberse a acoplamientos eléctricos entre cables cercanos. La interferencia en transmisiones inalámbricas puede ocurrir cuando señales indeseadas son captadas por las antenas. e. Dispersión La dispersión se produce cuando una señal de radio llega a una superficie rugosa o un objeto que tiene un tamaño menor que la longitud de onda de la señal. Esto hace que la energía de la señal se extienda en todas las direcciones. La dispersión puede verse en el receptor como otra fuente de ondas de radio. Los objetos dispersos típicos son muebles, postes, letreros en las calles y follaje [7]. En la Figura 1.2 se muestran los efectos de propagación en un sistema transmisor-receptor [7].. Figura 1. 2 Efectos de propagación (a) Reflexión (b) Difracción (c) Dispersión. f.. Refracción Las ondas de radio se refractan o doblan debido a los cambios que se producen en. la velocidad de la señal o por cambios espaciales en las condiciones atmosféricas. Comúnmente la velocidad de la señal aumenta con la altura lo que provoca que las ondas de radio se dirigen hacia abajo. Existen condiciones climáticas que pueden variar la velocidad de la onda de radio con la altura, estas variaciones difieren de las variaciones típicas generando situaciones en las cuales una fracción o ninguna parte de la onda de línea de vista lleguen a la antena receptora [12]. g. Tipo de terreno El tipo de terreno produce dos fenómenos físicos en la propagación de onda: La excitación de una onda de superficie cuando se tiene bajas frecuencias y antenas próximas al suelo [13]..

(18) Cuando se tiene obstáculos se producen reflexiones o difracciones a altas frecuencias y antenas elevadas de la superficie. Existe una cierta correspondencia empírica entre los diversos tipos de terrenos y la atenuación producida por las reflexiones en la superficie del terreno. Este factor de correspondencia. toma diferentes valores de acuerdo al tipo de terreno, como se. observa en la Tabla 1.2. La atenuación por el tipo de terreno se define en la ecuación (1.1) [14]. (1. 1) dónde. corresponde a la distancia entre las antenas transmisora y receptora. Tabla 1. 2 Tipo de terreno Espacio libre. 2. Terreno plano. 4. Terreno irregular. 3. Terreno forestal. 2.6. 3.4. Cuando el entorno varia después de una cierta distancia. , en primer lugar se tiene. una línea directa sin reflexiones y mientras aumenta la distancia se producen reflexiones en el suelo. Este tipo de variación se representa según la ecuación (1.2). (1. 2). h. Absorción atmosférica Este fenómeno se genera debido al vapor de agua y oxígeno, los cuales absorben la energía de una señal electromagnética, generando atenuación en la señal que viaja entre las antenas transmisora y receptora [12]. El vapor de agua produce una atenuación máxima en las proximidades de 22GHz. En frecuencias inferiores a 15GHz, la atenuación es menor. La presencia de oxígeno crea un pico de absorción en la cercanía de los 60GHz y tiene menor incidencia bajo los 30GHz [12]. La lluvia y la niebla (aire saturado de vapor de agua) causan la dispersión de las ondas de radio que resultan en la atenuación. En áreas de precipitación significativa, las longitudes de los trayectos deben mantenerse cortos o deben usarse bandas de baja frecuencia. En la Figura 1.3 se muestra la atenuación que tiene la señal debido a la presencia de oxígeno y vapor de agua en función de la frecuencia [15]..

(19) Figura 1. 3 Atenuación debido al oxígeno y vapor de agua. 1.3.1.3 Efectos en la propagación de radio a. Atenuación La atenuación se refiere a cualquier reducción en la intensidad de una señal ya sea esta analógica o digital [16]. La atenuación causa distorsión en la señal, la cual varía en función de la frecuencia, así; también aumenta la atenuación en la señal conforme aumenta la distancia [16]. b. Multitrayecto Los objetos reflectantes y dispersores presentes en el canal disipan la energía de la señal en tiempo, fase y amplitud. Estos efectos generan diferentes versiones de la señal que llegan al receptor. Las versiones de la señal están desplazadas entre sí en tiempo y espacio. La fase aleatoria y las amplitudes de las diferentes componentes multitrayecto causan variaciones en la intensidad de la señal, lo que provoca la distorsión de la señal, el desvanecimiento a pequeña escala o ambos [10]. La Figura 1.4 muestra las múltiples versiones de la señal en un sistema transmisor receptor [17].. Figura 1. 4 Propagación multitrayecto.

(20) c. Ruido El ruido corresponde a todas las señales no deseadas que se introducen en algún lugar entre la transmisión y recepción, alterando la señal original y limitando el desempeño de un sistema de comunicaciones [12]. Existen diferentes tipos de ruidos, pero el más común en los sistemas de comunicaciones es el ruido térmico. Ruido térmico: es causado por el movimiento de electrones en cualquier medio conductor, se extiende a lo largo de todo el rango de frecuencias y satisface las condiciones de una distribución Gaussiana [18]. El ruido térmico se distribuye uniformemente a través del ancho de banda que se emplea en los sistemas de comunicaciones y, por ello se lo conoce como ruido blanco [12]. La expresión para calcular la densidad de potencia. del ruido blanco está dada. por la ecuación (1.3) [7]: (1. 3). dónde. es la constante de Boltzmmans (. )y. es la temperatura en. grados Kelvin. La potencia del ruido térmico. , para un determinado ancho de banda. , dado. en Hz, se calcula a partir de la ecuación (1.4) [7]: (1. 4) El ruido térmico es aditivo, por lo que si se considera la señal recibida r(t) con ruido térmico se puede representar como una suma de la señal transmitida s(t) y la señal de ruido n(t); como se indica en (1.5). (1. 5) SNR (Signal to Noise Ratio): SNR es la relación entre la potencia de una señal ( ) y la potencia del ruido ( ) presente en un punto determinado de la transmisión [12]. Generalmente esta relación se mide en el receptor ya que es aquí donde se procesa la señal y se recuperan los datos. La SNR es importante ya que determina qué velocidades de datos permiten decodificar correctamente la información en un enlace inalámbrico [12]. La ecuación (1.6) muestra la SNR en decibeles: (1. 6) Eb/No: Eb/No es la relación entre la energía de señal por bit y la densidad de potencia de ruido por Hz [12]. Se considera como una medida de calidad estándar para el rendimiento de un sistema de comunicación digital, está relacionado con la SNR y se lo.

(21) utiliza para determinar las tasas de error y las tasas de datos. La ecuación (1.7) muestra la relación de la Eb/No con la potencia de la señal ( ) y densidad del ruido. : (1. 7). dónde. es la velocidad de bits.. La ecuación (1.8) muestra esta relación Eb/No en decibelios, (1. 8). Para una SNR constante, un aumento en la velocidad de datos aumenta la tasa de error. La ventaja de. sobre SNR, es que la última cantidad depende del ancho de. banda.. 1.3.2 DESVANECIMIENTO El desvanecimiento describe la variación de la amplitud de una señal en la frecuencia y el tiempo [19]. Este fenómeno se produce por los diferentes fenómenos físicos que afectan la señal, entre ella la interferencia entre dos o varias versiones de la señal transmitida que llegan al receptor en momentos ligeramente diferentes. Estas ondas con trayectos múltiples se concentran en la antena del receptor para generar una señal que varía en amplitud y fase, dependiendo de la intensidad, el ancho de banda de la señal transmitida y el tiempo de propagación de las ondas. Existen dos tipos diferentes de desvanecimiento.. 1.3.2.1 Tipos de desvanecimiento. La clasificación de los tipos de desvanecimiento se puede observar en la Figura 1.5 [19]..

(22) Figura 1. 5 Tipos de desvanecimiento. a) Desvanecimiento a gran escala: este tipo de desvanecimiento se caracteriza por las variaciones lentas de la señal y ocurre cuando el móvil atraviesa una gran distancia [19]. Es causada por la pérdida de potencia en función de la distancia y de la sombra de objetos grandes como terrenos intermedios, vegetación y edificaciones [19]. El Path Loss (pérdida por trayecto) es causado por la disipación de la potencia radiada por el transmisor en función de la distancia entre transmisor y receptor. El sombreado constituye un tipo de desvanecimiento lento determinado por la variación de la pérdida de la distancia media entre las antenas transmisora y receptora que son fijas [19]. El desvanecimiento a gran escala se diseña mediante modelos de propagación que se revisarán a detalle más adelante. b) Desvanecimiento a pequeña escala: se refiere a los cambios rápidos en los niveles de potencia de la señal debido a la interferencia constructiva y destructiva de las diversas rutas que tiene la señal cuando el receptor se desplaza distancias pequeñas [20]. En relación a la Figura 1.5, el desvanecimiento a pequeña escala se puede clasificar en función de la variación de tiempo en el canal dado por la velocidad. del. móvil. (efecto. Doppler). como:. desvanecimiento. rápido. o. desvanecimiento lento [19]; y dependiendo de la variación en frecuencia se puede tener desvanecimiento por selectividad de frecuencia o desvanecimiento plano [21]..

(23) El desvanecimiento a pequeña escala afecta la señal de la siguiente forma [10]: Cambios rápidos en la intensidad de la señal en un pequeño trayecto o intervalo de tiempo. Modulación de frecuencia aleatoria debido a las variaciones Doppler en diferentes señales de múltiples trayectos. Dispersión en el tiempo debido a los retardos en la propagación de múltiples trayectos. Muchos factores físicos en el canal de propagación de radio contribuyen con el desvanecimiento a pequeña escala, estos incluyen los siguientes: Propagación por múltiples trayectos: la fase y las amplitudes de los diferentes componentes causan variaciones en la intensidad de la señal, lo que provoca el desvanecimiento a pequeña escala. Este efecto se debe a la interferencia constructiva y destructiva de las numerosas ondas que inciden en un receptor inalámbrico [22]. Las fluctuaciones de intensidad de señal resultantes afectan, de alguna manera, a casi todos los bloques del diseño del receptor: corrección de errores, ecualización, esquema de modulación y codificación de canal. Velocidad del móvil: el movimiento del receptor móvil resulta en una modulación de frecuencia aleatoria a causa de los diversos efectos Doppler en cada uno de los componentes multitrayecto [20]. El efecto Doppler será positivo o negativo dependiendo de si el receptor móvil se está moviendo hacia o desde la estación base, respectivamente. Velocidad de los objetos circundantes: si los objetos alrededor del receptor móvil están en movimiento, introducen un movimiento Doppler variable en el tiempo en los componentes multitrayecto. Si la velocidad de los objetos circundantes es mayor que la del móvil, se produce el desvanecimiento a pequeña escala. De lo contrario, el movimiento de los objetos circundantes puede ignorarse y solo debe considerarse la velocidad del móvil [10]. El ancho de banda de la señal transmitida: si el ancho de banda de transmisión es mayor que el "ancho de banda" del canal multitrayecto, la señal recibida se distorsiona, pero la intensidad de la señal recibida no se desvanecerá mucho en un área local. El ancho de banda del canal se denomina como el ancho de banda de coherencia e indica el rango de frecuencias en donde el canal varía significativamente [10]. El ancho de banda de coherencia es una medida de la.

(24) diferencia de frecuencia máxima para la cual las señales todavía están fuertemente correlacionadas en amplitud [10].. 1.3.2.2.. Parámetros para describir el desvanecimiento a pequeña escala. Existen parámetros para cuantificar el canal multitrayecto con desvanecimiento a pequeña escala y se utilizan para el diseño de sistemas de comunicaciones inalámbricas. PDP (Power Delay Profile) El perfil retardo de potencia. proporciona la distribución de la potencia de señal. recibida a través de un canal multitrayecto en función de los retardos de propagación [19]. El gráfico del PDP que se muestra en la Figura 1.6 [23], indica cómo se recibe un pulso transmitido en el receptor con diferentes intensidades de señal a medida que viaja a través de un canal de multitrayecto con diferentes retardos de propagación. El PDP generalmente se suministra como una tabla de valores, obtenida de datos empíricos y sirve como guía para el diseño del sistema. Sin embargo, no es una representación precisa del entorno real en el que el móvil está destinado a operar [23]. Los perfiles retardo de potencia se encuentran promediando las mediciones instantáneas del perfil de retardo de potencia en un área local para determinar un perfil promedio de retardo de potencia a pequeña escala [10].. Figura 1. 6 PDP típico para un canal multitrayecto con 3 rutas. El perfil retardo de potencia determina tres parámetros de dispersión de tiempo como son: dispersión del retardo promedio (Mean Excess Delay), dispersión del retardo RMS (RMS Delay Spread) y máxima dispersión del retardo (Excess Delay Spread)..

(25) Estos parámetros proporcionan una comparación de referencia entre los diferentes desvanecimientos multitrayecto. Las propiedades de dispersión en el tiempo de los canales multitrayecto de banda ancha se cuantifican comúnmente por la dispersión del retardo promedio y dispersión del retardo RMS. Dispersión del retardo promedio: es el primer momento del perfil retardo de potencia y se define como (1.9) [10]: (1. 9). Dónde,. es equivalente a (1. 10). dónde. es la potencia relativa recibida y. es la potencia n-ésima.. Dispersión del retardo RMS: es la raíz cuadrada del segundo momento central del perfil retardo de potencia y se define en la ecuación (1.11): (1. 11). Dónde, (1. 12). La dispersión del retardo promedio y la dispersión del retardo RMS se miden en relación con la primera señal detectable que llega al receptor a. . Los valores. típicos de la dispersión del retardo RMS son del orden de los microsegundos en el canal de radio móvil al aire libre [10]. Máxima dispersión del retardo: es la diferencia de tiempo relativa entre la primera componente de la señal que llega al receptor y la última componente cuyo nivel de.

(26) potencia está por encima de algún umbral. Se estima el valor del máximo retardo en la ecuación (1.13): (1. 13). ,. dónde. es la máxima dispersión de retardo,. es el retardo máximo en el que. la componente multitrayecto más fuerte de la señal cae en. y. es la primera. componente de llegada [10]. Efecto Doppler El cambio en la frecuencia de la señal recibida debido al movimiento del móvil se llama efecto Doppler. El efecto Doppler es directamente proporcional a la velocidad del móvil, la dirección de movimiento del móvil con respecto a la dirección de llegada de la onda recibida [10]. Considere un móvil que se mueve a una velocidad constante , a lo largo de un segmento de trayectoria que tiene una longitud. entre los puntos. y ,. mientras recibe señales de una fuente , como se observa en la Figura 1.7 [10].. Figura 1. 7 Efecto Doppler.. Se asume que es casi paralela a. es pequeño y. es muy remoto, cuando la distancia de. . ,. dónde. es el tiempo requerido para que el móvil viaje de. llegada de la onda, que es el mismo en La frecuencia recibida en el punto. y. (1. 14) a. y. es el ángulo de. y . está dada por la ecuación (1.16):.

(27) (1. 15) (1. 16). dónde,. es el efecto Doppler debido al movimiento del móvil y es positivo cuando el. móvil se mueve hacia la fuente S, caso contrario es negativo. Ancho de banda de coherencia El ancho de banda de coherencia (. , es el rango de frecuencias donde las señales. están fuertemente correlacionadas en amplitud, en este rango el canal varía significativamente [19]. La dispersión del retardo RMS y. son inversamente proporcionales entre sí, es. decir: (1. 17). dónde. es la dispersión de retardo RMS.. Cuando la función de correlación de frecuencia está por encima de 0.9, entonces el ancho de banda de coherencia es aproximadamente: (1. 18). Si la función de correlación de frecuencia es superior a 0.5, entonces el ancho de banda de coherencia es aproximadamente: (1. 19). Tiempo de coherencia El tiempo de coherencia es el tiempo durante el cual dos señales recibidas tienen un gran potencial de correlación de amplitud. Si el ancho de banda de la señal de banda base es mayor que el tiempo de coherencia del canal, entonces el canal cambiará durante la transmisión del mensaje de banda base, causando distorsión en el receptor [10]..

(28) El tiempo de coherencia es inversamente proporcional al efecto Doppler, pero estos dos parámetros son los responsables de caracterizar si el desvanecimiento será rápido (fast fading) o lento (slow fading) [10].. 1.3.3 MODELOS DE PROPAGACIÓN Un modelo de propagación es un conjunto de expresiones matemáticas, algoritmos y diagramas que permiten dimensionar redes de comunicaciones inalámbricas, además permiten predecir pérdidas de potencia en dB en ambientes singulares [24]. Los resultados de pérdida de trayecto de los modelos de propagación se basan principalmente en tres fenómenos fundamentales: reflexión, difracción y dispersión. Los modelos de propagación se clasifican en modelos de propagación a gran escala y modelos de propagación de pequeña escala. También se pueden clasificar como modelos teóricos, empíricos y semiempíricos.. 1.3.3.1 Modelos de propagación a gran escala Los modelos de pérdida por trayecto se usan para predecir la intensidad de la señal recibida en un entorno donde no hay obstáculos entre el transmisor y el receptor [24]. La variación de la intensidad de la señal debida a la pérdida de trayectoria se produce en distancias muy grandes (100-1000m), mientras que la variación de la intensidad de la señal debida al sombreado se produce en distancias proporcionales a la longitud del objeto obstructor (10-100m en ambientes exteriores y menos en ambientes interiores) [24]. Dado que las variaciones debidas a la pérdida de trayectoria y el sombreado ocurren a distancias relativamente grandes, esta variación a veces se denomina efectos de propagación a gran escala. Entre los modelos de propagación a gran escala se tiene: a. Free Space El modelo teórico Free Space es el caso de propagación de onda directa más simple, es un caso especial de propagación LOS (Line Of Sight), donde no hay obstrucciones debido a la superficie de la tierra u otros obstáculos [19]. Si se asume que no se tiene pérdidas a nivel de hardware del sistema, la ecuación (1.20) permite determinar el Path Loss para el modelo Free Space. para antenas. no isotrópicas [19]: (1. 20).

(29) dónde. y. son las potencias de transmisión y recepción respectivamente,. son las ganancias de las antenas de transmisión y recepción, las antenas transmisora y receptora en m y. y. es la distancia entre. es la longitud de onda en m. Si. , se consideran antenas isotrópicas, por lo tanto (1.20) se reduce a (1.21) y se obtiene el Path Loss para el modelo Free Space (. ) con antenas isotrópicas: (1. 21). b. Log Distance Este modelo teórico es una modificación del modelo Free Space, el cual contiene en su ecuación un factor. que depende del ambiente de propagación, estos valores se. resumen en la Tabla 1.3 [19]. La ecuación (1.22) muestra el Path Loss para el modelo Log Distance. ) [19]: (1. 22). dónde. corresponde a la distancia de referencia a la cual el Path Loss adquiere las. características en el modelo Free Space o se aproxima a éstas (indoor: 1m, outdoor: 100m - 1Km). Tabla 1. 3 Valores de. para diferentes ambientes. Ambiente. Exponente. Espacio libre. 2. Radio celular en área urbana. 2.7 - 3.5. Radio celular urbano con sombra. 3-5. Edificios con línea de vista. 1.6 - 1.8. Edificios sin línea de vista. 4-6. Industrias o fábricas sin línea de vista. 2-3. ( ). c. Log Normal Shadowing El modelo teórico Log-Normal describe la atenuación de potencia en espacio libre, debido a los efectos de sombra que se producen aleatoriamente en diferentes puntos de medición que tienen la misma separación entre el transmisor y receptor, pero con diferentes niveles de ruido en toda la trayectoria, la ecuación (1.23) muestra la potencia en recepción para el modelo Log-Normal Shadowing (. : (1. 23).

(30) dónde. corresponde al Path Loss en el espacio libre,. referencia que se aproxima a las características en el espacio libre, que varía en el entorno de propagación y. es la distancia de es el exponente. es la variable aleatoria gaussiana con una. media de 0 dB y una desviación estándar . Los valores típicos de desviación estándar están entre 8 y 10 dB [7]. d. Two-Ray Ground Es un modelo teórico que determina la pérdida de trayectoria entre un transmisor y un receptor cuando la señal recibida tiene dos componentes o rayos, el que viaja en línea recta entre los nodos con línea de vista y el rayo que se refleja en tierra, (1.24) indica las pérdidas para el modelo Two. Ray Ground dado por ( ,. dónde. [25]: (1. 24). constituye el Path Loss para Two-Ray Ground.. La ecuación (1.25) es válida cuando. es mayor a la suma de las alturas de las. antenas y para distancias mayores a la distancia. . (1. 25). dónde. es la altura de la antena transmisora,. es la altura de la antena receptora.. Figura 1. 8 Modelo conceptual de reflexión del suelo que causa efectos de interferencia de señal constructivos y destructivos dependientes de la distancia en el receptor.. La distancia. se obtiene al igualar la ecuación (1.21) y la ecuación (1.25) [25]; y. está representada en (1.26). ,. (1. 26).

(31) Generalmente la antena transmisora y receptora tienen diferentes alturas, además la reflexión debe ser perfecta del rayo en la tierra y la diferencia en fase línea de vista. y el reflejado (. del rayo con. ) debe ser muy pequeño [26], como se observa. en la Figura 1.8 [25]. e. Tierra Plana Es un modelo propagación teórico en el espacio libre sobre el cuál se aplica un factor de atenuación del campo eléctrico [27]. Cuando el transmisor y receptor se encuentran a una distancia corta se puede ignorar la curvatura de la tierra y se considera que las señales de radio se propagan en una superficie plana conductora imperfecta; para efectos prácticos es imprescindible conocer la directividad de las antenas empleadas que dependen de su longitud ( ). Para un monopolo corto sobre tierra su directividad es de 3 o 4.77 dBi. Para un monopolo de longitud. sobre tierra la directividad es de 3.28 o 5.16 dBi.. La distancia del enlace ( ) cuando se usan los modelos de tierra plana se calcula a partir de (1.27) [10]. , dónde my. es la distancia del enlace en Km,. (1. 27). es la altura de la antena transmisora en. es la altura de la antena receptora en m.. El Path Loss por propagación con tierra plana (. ) se aproxima a (1.28) [12]. ,. f.. (1. 28). Okumura Es uno de los modelos empíricos más empleados en macroceldas urbanas de gran. tamaño. Mediante ciertas variaciones en sus condiciones de propagación, éste modelo empírico se convierte en uno de los más precisos al momento de realizar la planificación de un sistema inalámbrico [19]; debido a que permite evaluar el Path Loss en función de las características del entono de propagación [19]..

(32) Figura 1. 9 Factor medio de atenuación (. ). Figura 1. 10 Ganancia para el entorno de propagación en un área específica (. En (1.29) se indica el Path Loss para el modelo de Okumura (. ):. ).

(33) (1. 29). dónde. es el Path Loss en el espacio libre,. a la frecuencia ,. y. respectivamente y. es el factor medio de atenuación. son las ganancias de las antenas en recepción y transmisión es la ganancia para el entorno de propagación en el área. específica. Los valores de. y. se obtienen de las Figuras 1.9 y 1.10 [28]. respectivamente, Okumura obtuvo las gráficas empíricamente a partir de mediciones reales. Este modelo de propagación se emplea particularmente en los sistemas de comunicación móvil bajo los siguientes requerimientos [20]. Banda de frecuencia: 500-1500MHz. Altura de las antenas: 30-200m (Transmisor) y 1-10m (Receptor). Radio de cobertura: 1-100Km. g. Hata Este modelo considera una variante en el modelo Okumura, debido a que evalúa pérdidas por trayecto en función de diferentes ambientes de propagación sean estos entornos rurales, urbanos o suburbanos [19]. Adicionalmente, el modelo Hata considera parámetros como: Frecuencia de portadora. Altura y distancia de las antenas transmisora y receptora. Pérdida de difracción por obstáculos. Para determinar las pérdidas por trayecto se considera tres escenarios: 1. Ambiente urbano, la ecuación (1.30) indica el Path Loss debido al modelo Hata para ambientes urbanos. [19]: (1. 30). dónde. es la distancia entre las antenas hasta 1Km,. cuyo valor está comprendido entre 150 y 1500MHz,. es la frecuencia de portadora es la altura de la antena.

(34) transmisora y su valor está comprendido entre 30 a 200m, en recepción y su valor varía entre 1 a 10m y. es la altura de la antena. es el factor de correlación en dB. para diferentes tamaños de cobertura y se obtiene a partir de (1.31) y (1.32). Factor de correlación para ciudades grandes: depende del rango de frecuencia de portadora: (1. 31) Factor de correlación para ciudades pequeñas y medianas: (1. 32) 2. Ambiente suburbano, en la ecuación (1.33) se indica el Path Loss de Hata para ambiente suburbano (. ) (1. 33). 3. Ambiente rural-libre (1. 34). h. Walfish-Bertoni Este modelo semiempírico permite evaluar las pérdidas por trayecto en ambientes donde existen grandes edificaciones y espacios uniformes de construcción; para esto el modelo considera las pérdidas por difracción en los tejados de las edificaciones [29]. En la Figura 1.11 [29] se puede observar una representación para el modelo WalfishBertoni, en donde el rayo 1 y 2 constituyen el trayecto de la señal incidente difractada al chocar con el tejado y aproximarse al receptor. Este modelo de propagación precisa que los edificios tengan la misma altura y estén separados una distancia menor que el ancho de los mismos [30]. El modelo Walfish Bertoni toma en cuenta las pérdidas debido a la difracción por la propagación sobre las edificaciones y debido a la difracción por la propagación desde el tejado de los edificios hasta las cercanías del receptor; además toma en cuenta las pérdidas por Free Space..

(35) Figura 1. 11 Modelo Walfish-Bertoni.. La pérdida total debido a las difracciones constituye el parámetro. expresado en. dBs. (1. 35) dónde. define la difracción en las terrazas de las edificaciones, frecuencia comprendida entre 300MHz y 3GHz y. corresponde a la. es el ángulo en radianes. comprendido entre la señal incidente y la superficie horizontal de la calle. El parámetro. se define en (1.36). (1. 36). dónde. es la altura de los edificios,. corresponde a la altura de las antenas y. corresponde a la distancia media entre los edificios. El valor del ángulo. está dado por la ecuación (1.37). (1. 37). dónde. es la diferencia entre la altura de la estación base y la altura de las. edificaciones,. es la distancia entre las antenas de trasmisión y recepción, y. corresponde al radio efectivo de la tierra. Km [31].. Se combina la ecuación del Path Loss en el espacio libre ( difracción en las terrazas de los edificios ( Wlafish Bertoni (. ) y la pérdida total por. ) y se obtiene el Path Loss para el modelo. ) [31]: (1. 38).

(36) i.. Cost-231 Coopération Européenne dans le domaine de la recherche Scientifique et Technique: Este modelo semiempírico evalúa el modelo Hata para ambientes medianos y. ciudades pequeñas que operan entre 1500 y 2000MHz con distancias entre el transmisor y el receptor de hasta 20Km [21], la ecuación (1.39) muestra las pérdidas del modelo Cost-231 (. ). (1. 39). dónde. es el factor de correlación del modelo Hata,. transmisora,. es la altura de la antena. es la frecuencia de portadora que está comprendida entre 1.5GHz y. 2GHz. El factor de corrección es. 0dB cuando se tiene ciudades medianas en áreas. suburbanas o 3dB para ciudades grandes. j.. Ikegami El modelo Ikegami es un modelo semiempírico que considera las pérdidas debido a. las difracciones. Para determinar las pérdidas, este modelo considera dos ondas: una onda directa difractada desde el borde del edificio más cercano al móvil y una onda reflejada en el edificio del otro lado de la calle. Las trayectorias de los rayos entre el transmisor y el receptor se trazan utilizando un mapa detallado de las alturas, formas y posiciones de los edificios [32]. La ecuación (1.40) muestra el Path Loss para el modelo Ikegami (. ) [32]: (1. 40). dónde. es el ángulo entre la calle y la línea directa de la base al móvil,. por reflexión,. es el ancho de la calle,. es la altura del edificio y. antena.. Figura 1. 12 Representación para el modelo Ikegami. es la pérdida. es la altura de la.

(37) El análisis asume que el móvil se encuentra en la parte central de la calle y el modelo representa la situación ilustrada en la Figura 1.12 [32].. 1.3.3.2. Modelos de propagación a pequeña escala. Estos modelos constituyen la variación debido a la adición constructiva y destructiva de componentes de señal multitrayecto, la variación debida a este multitrayecto se produce a distancias muy cortas, en el orden de la longitud de onda de la señal, por lo que estas variaciones se refieren a veces como efectos de propagación a pequeña escala. a. Desvanecimiento Rayleigh El desvanecimiento Rayleigh es un modelo estadístico que describe el efecto que se produce en una señal de radio en función del ambiente y que sigue una distribución Rayleigh. Es aplicable en ambientes donde no hay línea de vista entre las antenas transmisora y receptora [10]. La señal que llega al receptor tiene variaciones rápidas que se deben a los aportes constructivos y destructivos de las diferentes componentes del multitrayecto [10]. La función de densidad de probabilidad (PDF) Rayleigh se muestra en la ecuación (1.41): (1. 41). dónde. es el valor rms de la señal de voltaje recibida antes de la detección de la. envolvente,. es la potencia instantánea y. es la potencia promedio en tiempo de la. señal de voltaje en recepción. b. Desvanecimiento Rician El desvanecimiento Rician describe la señal de radio que llega al receptor por varios caminos diferentes, pero existe una componente de la señal que va a predominar sobre las otras, la ruta de propagación de la señal predominante viaja en línea recta (LOS) entre el transmisor y receptor [10]. Este canal se comporta siguiendo una distribución Rician, que tiene una función de densidad de probabilidad (PDF) dada por la ecuación (1.42) [10]: (1. 42).

(38) dónde. es la amplitud pico de la señal dominante,. es la amplitud de la envolvente de. la señal recibida,. es la función de Bessel de primer tipo y orden cero,. potencia instantánea y. es la desviación estándar de la potencia local.. es la. c. Desvanecimiento Nakagami El desvanecimiento Nakagami toma a la señal como una suma de vectores con amplitud y fase aleatorias. La potencia de la señal sigue una distribución gamma que depende del parámetro. , que permite ajustar el rango de cobertura y la degradación. de la señal. Este desvanecimiento proporciona un ajuste a las medidas empíricas tomadas en varios entornos, la densidad de probabilidad de la amplitud de la envolvente se obtiene de la ecuación (1.43) [26]: (1. 43) dónde. es la función gamma de Euler, cuando: la distribución Nakagami coincide con la distribución Rayleigh. la distribución Nakagami es aproximadamente igual a la distribución. Rice. la distribución Nakagami no corresponde ni a Rayleigh ni a Rician, representa un canal con un rendimiento más bajo que el de la distribución Rayleigh. la distribución Nakagami corresponde a una distribución Gaussiana unilateral. A medida que el receptor se desplaza cambia el nivel de señal recibida debido a la combinación que ocurre entre el desvanecimiento multitrayecto y el desvanecimiento por sombra.. 1.3.4 ESTÁNDARES WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) Para el estudio del estándar IEEE 802.11p es necesario partir del análisis de WAVE, que consiste en un conjunto de estándares de acceso inalámbrico que rigen la comunicación entre las diferentes estructuras que tiene una red vehicular. WAVE soporta tráfico TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) y comprende en su totalidad las capas del protocolo DSRC (Dedicated Short Range Communications) [33], como se observa en la Figura 1.13 [33]..

(39) El conjunto de estándares WAVE se denominan estándares de acceso inalámbrico en entornos vehiculares y trabajan en diferentes capas del modelo OSI (Open System Interconnection) [34]. Estos estándares lo constituyen: el IEEE 1609 [34] y el IEEE 802.11p [33].. Figura 1. 13 Arquitectura del protocolo DSRC.. IEEE 802.11p cubre la capa física (PHY, Physical) y el nivel bajo de la capa de enlace (MAC, Media Access Control) del modelo OSI. Dentro de la pila de protocolos WAVE también se incluye una subcapa en el nivel dos de la capa OSI, dedicada a controlar la operación multicanal; esta subcapa (incluidas las funciones de gestión asociadas) se especifica en IEEE 1609.4 [34]. A continuación, dentro de la capa de enlace del modelo OSI se tiene el estándar IEEE 802.2 o LLC (Logical Link Control). En las capas tres y cuatro del modelo OSI se tiene IEEE 1609.3 [34], que explica cómo incorporar UDP (User Datagram Protocol), IPv6 (Internet Protocol versión 6) y TCP (Transmission Control Protocol) tradicionales en los sistemas mediante el protocolo WSMP (WAVE Short-Message Protocol). Finalmente se definen los estándares IEEE 1609.1 e IEEE 1609.2 que definen aspectos de administración de recursos y servicios de seguridad [34]. En este contexto, el estudio del rendimiento del estándar IEEE 802.11p radica en la aplicabilidad de las tecnologías actuales tanto en capa física como en capa MAC..

(40) La capa física consiste principalmente en la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM- Orthogonal Frecuency-Division Multiplexing). Mientras que, el acceso al canal se realiza por medio de EDCA (Enhanced Distributed Channel Access), mismas que permiten enfrentar el entorno de comunicación que cambia rápidamente y proporcionan QoS [35].. 1.3.4.1. Estándar IEEE 802.11p. En 2004, el grupo de tareas TGp (Task Group p) de la IEEE 802.11 desarrolló una enmienda para el estándar IEEE 802.11 que incluye entornos vehiculares. Dadas las diferencias entre el entorno operativo de una red WLAN (Wireless Local Area Network) IEEE 802.11 y un entorno vehicular, se requirió una enmienda que se conoce como IEEE 802.11p que fue publicada por primera vez en 2010, y está diseñada en función de las capas PHY y MAC de un sistema de comunicación vehicular denominado WAVE. La capa MAC de IEEE 802.11p utiliza un mecanismo de acceso de canal distribuido mejorado (EDCA), que se basa en IEEE 802.11e con algunas modificaciones de parámetros, para admitir las diferentes aplicaciones [36]. El estándar define las mejoras al estándar IEEE 802.11 para admitir las aplicaciones del ITS (Intelligent Transportation System); esto incluye el intercambio de datos entre vehículos de alta velocidad y entre los vehículos y la infraestructura de la carretera dentro [37]. Las enmiendas definidas en IEEE 802.11p tienen como objetivo garantizar la interoperabilidad entre dispositivos inalámbricos que interactúan en ambientes de comunicación que cambian rápidamente y manejar situaciones en las que las transacciones deben completarse en un determinado período de tiempo. El estándar IEEE 802.11p específica no solo la parte de transmisión de datos de los protocolos, sino también las funciones de administración asociadas con la capa correspondiente a PLME (Physical Layer Management Entity) y MLME (MAC Layer Management Entity) [34]. El estándar opera dentro del espectro de frecuencias de 5.850GHz a 5.925GHz y tiene un ancho de banda de 75MHz separado en 7 canales de 10MHz cada uno [38]. Un resumen de las características generales de 802.11p se observa en la Tabla 1.4 [34]..

(41) Tabla 1. 4 Aspectos generales del estándar IEEE 802.11p Enmienda IEEE802.11. IEE802.11p. Banda. 5.850GHz a 5.925GHz. Ancho de Banda del canal 10MHz Velocidades [Mbps]. 3, 4.5, 6, 9, 12, 18, 27 Mbps. Esquema de transmisión. OFDM. Modulación. BPSK,QPSK,16-QAM, 64-QAM. Acceso al medio. EDCA. Rango [m]. 100-300. Capa física IEEE 802.11p La capa física se encuentra dividida en tres subcapas: PLME (Physical Layer Management Entity), PLCP (Physical Convergence Procedure y PMD (Physical Medium Dependent).. Figura 1. 14 Subcapas de la capa física a. PLME (Physical Layer Management Entity) Administra la capa física mediante la comunicación entre SAPs (Service Access Points) de la PLME y la MLME (MAC Sublayer Management Entity) [35]; adicionalmente, maneja una base de datos denominada MIB (Management Information Base) [39]. b. PLCP (Physical Convergence Procedure) Estructura los bits agregando un encabezado al que se le conoce como signal, un preámbulo y una cola para crear PPDUs (PLCP Protocol Data Units) [40]. Signal: este campo emplea la modulación BPSK OFDM con codificación convolucional con R = 1/2 para transmitir la información. Esta constituido principalmente por los campos RATE y LENGTH. Cabe mencionar que este campo no interviene en el aleatorizador [35]. RATE: lleva información acerca del tipo de modulación y la tasa de codificación [35]..

(42) LENGHT: este campo está constituido por 12 bits que indican el número de octetos en la PSDU. Este valor será empleado por la capa PHY para dar a conocer el número de octetos que se están trasmitiendo entre la MAC y la PHY. Este campo interviene en la codificación [35]. Data: contiene los campos: SERVICE, PSDU, TAIL y PAD. Cabe mencionar que todos estos campos intervienen en el proceso de aleatorización [35]. SERVICE: conformado por 16 bits, donde los 7 primeros bits cumplen con la función de sincronizar el proceso de des aleatorización en el lado del receptor. El resto son bits reservados y que pueden ser ignorados en el lado del receptor [35]. PSDU: está constituido por 6 bits de ceros, y permite reestablecer al estado cero el codificador convolucional. Este campo se genera al reemplazar 6 bits de ceros codificados con 6 bits no codificados al final del mensaje. Este campo permite mejorar la probabilidad de error del decodificador convolucional [35]. PAD: este campo permite completar el número de bits del campo DATA, el cual debe ser múltiplo de. .Para lograr este objetivo se añade 6 bits al final del mensaje. Preámbulo: el preámbulo se utiliza para la sincronización, está conformado por 12 símbolos de entrenamiento de estructura fija y se divide en preámbulo corto y preámbulo largo. Construcción del preámbulo corto: se crea mediante la concatenación de 10 secuencias cortas. Se genera un arreglo de 53 elementos (52 subportadoras + DC) y se asigna al arreglo los valores de la Figura 1.15:. Figura 1. 15 Valores generadores del preámbulo corto en tiempo Estos valores deben multiplicarse por. y a continuación pasar por la IFFT.. Finalmente, se obtienen 64 muestras en tiempo que se multiplica por. (periodicidad). debido a que tenemos 12 valores diferentes de cero que van a estar de la otra 4 subportadoras; como resultado se tiene 16 muestras, que van a conformar la secuencia corta [35]..

(43) Construcción del preámbulo largo: se crea mediante la concatenación de 2 secuencias largas y su respectivo intervalo de guarda (. ). Se genera un arreglo de. 53 elementos (52 subportadoras + DC). La secuencia larga está constituida por los valores indicados a continuación, los que deben pasar por la IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) [35]:. Figura 1. 16 Valores generadores del preámbulo largo en tiempo El. está constituido por las últimas 32 muestras de la secuencia larga resultante.. En la Figura 1.17 se observa la estructura del PPDU PLCP con cada uno de sus campos y duración.. Figura 1. 17 Estructura del PPDU PLCP c. PMD (Physical Medium Dependent) Se encarga de transmitir los símbolos que proviene de la PLCP hacia el medio inalámbrico. Para ello especifica mecanismos de transmisión como: aleatorización, codificación, entrelazado, modulación, IFFT y agregación de prefijo cíclico. En recepción. se. cuenta. con:. desaleatorización,. decodificación,. deentrelazado,. demodulación, FFT y retiro de prefijo cíclico de datos y en conjunto con MLME se encargan de la gestión de funciones físicas locales. Las etapas de este proceso y de la PLCP se muestran en la Figura 1.18 [35]..

(44) Figura 1. 18 Esquema de un sistema OFDM. Scrambler (Aleatorización): evita una secuencia larga de 1s lógicos que pueden producir errores; para lo cual, a la secuencia generada por el scrambling se aplica un XOR, esto involucra solo al campo DATA del PPDU sin el tail y sin la cabecera; adicionalmente utiliza polinomios de secuencia pseudo-aleatoria binaria como se observa en la ecuación (1.44) [35]. (1. 44). .. Codificador Convolucional: brinda confiablidad a la transmisión al corregir errores añadiendo redundancia controlada. La codificación se realiza con el campo DATA para tasas como r= 1/2, 2/3 o 3/4. Las salidas del codificador consideran varios elementos como: los elementos de codificación de codificación de convolución. salidas y los. . Generalmente con. entradas, elementos de. registros de desplazamiento del codificador de , la relación. es la tasa de codificación ( ). que se indica en (1.45). .. (1. 45). Para la codificación se tiene el perforado (puncturing) que es un proceso que omite algunos de los bits codificados en el transmisor, permitiendo el aumento de la velocidad al tener una menor cantidad de bits a transmitir..

(45) Figura 1. 19 Datos codificados con puntura r=2/3.. Un ejemplo del proceso de codificación convolucional con punturing se observa en la Figura 1.19 [35] en donde el codificador convolucional con r=2/3 genera bits denominados "A" y "B" y a continuación emplea el punturing como mecanismo para aumentar la tasa de bits codificados y disminuir el número de bits transmitidos; para esto, retira ciertos bits y añade ceros a la salida del codificador convolucional dentro del proceso de codificación y decodificación, respectivamente. Interleaving (Entrelazado): se conoce como un barajador de bits debido a que permite corregir errores cuando se tiene desvanecimiento de canal y se presentan errores en ráfagas. El entrelazado se define mediante permutaciones que se indican en (1.46) y (1.47) [35]. En general el interleaving en la primera permutación evita que bits adyacentes sean asignados en subportadoras adyacentes; y la segunda permutación evita que bits adyacentes sean modulados en un mismo símbolo. (1. 46). , , donde,. representa el bit codificado antes de la primera permutación y. (1. 47) está. determinado por el número de bits codificados por subportadora. Modulación de subportadora: el proceso de modulación consiste en agrupar bits y representarlos a través de un número complejo. Esta conversión se realiza utilizando un diagrama de constelación, específicamente para IEEE 802.11p se usa diagramas de constelación de Gray..

(46) Tabla 1. 5 Parámetros empleados en la modulación y codificación.. Modulación. Tasa de codificación. Bits codificados por subportadora ( ). Bits codificados por símbolo OFDM ( ). Bits de datos por símbolo OFDM ( ). Tasa de datos (Mb/s)(Separación de canales de 10MHz). BPSK. 1/2. 1. 48. 24. 3. BPSK. 3/4. 1. 48. 36. 4.5. QPSK. 1/2. 2. 96. 48. 6. QPSK. 3/4. 2. 96. 72. 9. 16-QAM. 1/2. 4. 192. 96. 12. 16-QAM. 3/4. 4. 192. 144. 18. 64-QAM. 2/3. 6. 288. 192. 24. 64-QAM. 3/4. 6. 288. 216. 27. El estándar IEEE 802.11p usa modulaciones: BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16-QAM (16-Quadrature Amplitude Modulation) y 64-QAM (64-Quadrature Amplitude Modulation) que utilizan un factor de normalización de valor 1,1/. , 1/. y 1/. , respectivamente. La Tabla 1.5 [35] muestra los. parámetros que debe cumplir cada esquema de modulación.. 1.3.4.2. OFDM-Orthogonal Frequency Division Multiplexing. El mecanismo de OFDM permite incrementar la eficiencia espectral que a diferencia de FDM divide el ancho de banda en porciones que se superponen debido a la ortogonalidad entre subportadoras. Este contraste se representa en la Figura 1.20 [41]. OFDM juega un papel muy importante dentro del estándar IEEE 802.11p, debido a las ventajas que presenta en propagaciones multitrayecto que son comunes en ambientes outdoor como son las redes vehiculares.. Figura 1. 20 OFDM vs FDM.

(47) Ensamblado del símbolo OFDM El símbolo OFDM está conformado por 64 subportadoras: 11 subportadoras nulas, 4 subportadoras correspondientes a las piloto, 48 subportadoras de datos y una subportadora DC, esto se observa en la Figura 1.21 [35]. Subportadora Piloto: constituyen cuatro señales piloto dentro del símbolo OFDM correspondientes a las subportadoras -21, 21,-7 y 7. Utilizan modulación BPSK y permiten el control y sincronización de las compensaciones de frecuencia y ruido de fase. Para evitar la generación de líneas espectrales utilizan una secuencia pseudobinaria con modulación BPSK.. Figura 1. 21 Inserción de subportadoras.. Subportadoras de datos: conjunto de 48 subportadoras que portan la información y constituyen un flujo de números complejos. Subportadoras Nulas y DC: la subportadora DC corresponde a la subportadora 0 y la posición uno del símbolo, está asociada con la frecuencia central. Se tiene 11 subpotadoras nulas que se encargan de asignar la banda de guarda entre subcanales. Para generar el símbolo OFDM se toma los datos modulados correspondientes a la cadena de números complejos y se divide en grupos de. números complejos. [35]. Cada grupo es equivalente a un símbolo OFDM con un total de 64 subportadoras (. ); 1 subportadora DC, 11 nulas y 48 subportadoras de datos. Estas últimas, luego. de ser moduladas pasan por el conversor S/P para finalmente ser transmitidos. IFFT (Inverse Fast Fourier Transform)/ FFT (Fast Fourier Transform) La IFFT traslada los datos del domino de la frecuencia al domino del tiempo para que pueda ser enviada al canal inalámbrico, se aplica en el lado del transmisor evitando que las subportadoras en el dominio del tiempo se interfieran entre sí..

(48) La FFT (Fast Fourier Transform) se aplica en el lado del receptor y asigna subportadoras y flujo de datos a cada muestra de cada señal entrante Prefijo cíclico (CP) y banda de guarda El prefijo cíclico consiste en ampliar la duración del símbolo para reducir el efecto multitrayecto. Como se observa en la Figura 1.22 [35], se copian las 16 últimas muestras del símbolo OFDM en la banda de guarda que va al inicio de cada símbolo OFDM; este mecanismo permite mantener la ortogonalidad entre subportadoras, evitando el ISI (Inter-Symbol Interference) y aumentando la eficiencia espectral.. Figura 1. 22 Prefijo cíclico. Subcapa MAC IEEE 802.11p aplica las principales reglas del estándar IEEE 802.11 a nivel de capa MAC, pero simplifica las operaciones de autenticación y asociación gracias al uso de OCB (Outside the Context of the Basic Service Set) y el mecanismo de acceso EDCA.. Figura 1. 23 Esquema de categorías de acceso.. OBC es un mecanismo en donde la estación no utiliza los procesos de autenticación, asociación o confidencialidad de datos y tampoco es miembro de una BSS (Basic Service Set), lo que evita que los tiempos de configuración generen inconvenientes en el proceso de acceder al medio; lo cual es muy conveniente dentro de las redes vehiculares en donde se tiene topologías cambiantes causadas por la movilidad del vehículo, entornos de propagación severos y alta densidad de nodos..