curso urv 080513

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

• Introducción

• Canal Radioeléctrico

• Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricos

• Ejemplos de entornos inteligentes

http://4.bp.blogspot.com/-ynSV5ghDa1k/T-zN-RRbypI/AAAAAAAABOI/IWYdQV2oJLw/s1600/2006_10_25_llegar.jpg

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


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


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


En esta presentación: nos interesa el entorno inalámbrico!


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


• Introducción






• 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



Radioeléctricos


Esquema del Curso



http://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_Spectrum_Properties_edit.svg


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/EM_Spectrum_Properties_edit.svg


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



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



Radioeléctricos


Esquema del Curso



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


• Introducción





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


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)


Radioenlaces


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


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


http://es.youtube.com/watch?v=wGwSc6zVwvY

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


http://es.youtube.com/watch?v=wGwSc6zVwvY

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 S

1

HeNB

S1S1

Las futuras redes de comunicaciones móviles


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


Geolocalización


http://www.spaceandtech.com/spacedata/orgs/logos/gov-agency-logos/navstar-gps_logo.bmp

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


Redes WLAN


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)


Redes Sensores

Introducción



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..


Redes Sensores


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



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

NP

obp

r)1()//(

Pole-capacity f

NEGK

obp

)//(1max

Señal deseada

Interferencia intracelular (interna)

Interferencia intercelular (externa)


-125

-120

-115

-110

-105

0 5 10 15 20

Número de usuarios

Se

ns

ibili

da

d N

od

o-B

(d

Bm

)

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




-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

Eb

/No

(d

B)

Distance (Km)

Eb/No (user variation)

Eb/No (dB) (nº users = 1) Eb/No (dB) (nº users = 5)

Eb/No (dB) (nº users = 10)


• Introducción





• 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


Ejemplo: Luminarias


Ejemplo: Luminarias

P. Elejoste et al., “Easy to Deploy Street Light Control System based on Wireless Communication and Led Technology”,

Sensors, In Press


Measurement Points

0 5 10 15 20

Po

we

r (d

Bm

)-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


Ejemplo: Luminarias

P. Elejoste et al., “Easy to Deploy Street Light Control System based on Wireless Communication and Led Technology”,

Sensors, In Press


Ejemplo: Redes Vehiculares

A.J. Bermejo et al., “Ontology based Road Traffic Management in emergency situations”, Ad-Hoc and Sensor Wireless

Networks, In Press


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


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


Ejemplo: Salud

S. Led et al., “Analysis and Description of HOLTIN Service Provision for AECG monitoring in Complex Indoor

Environments”, Sensors, April 2013


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


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!


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!


curso urv 080513

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