miércoles, 23 de julio de 2008

Radio módems

Cualquier tipo de módem (MOdulador/DEModulador) se encarga de convertir un flujo de datos digitales banda base en una señal analógica apropiada para ser transmitida sobre el medio, y viceversa. La principal diferencia entre un radio módem y un módem de cable se refiere a la aplicación a la que se destina. De este modo, los módems de cable están preparados para conectarse a redes de cable como pueda ser la red telefónica conmutada o una red híbrida de fibra óptica y coaxial (HFC). Por su parte, los radio módems están destinados a aplicaciones en las cuales sea necesario transmitir la señal vía radio, como por ejemplo interconexión de ordenadores a través de LAN o MAN inalámbricas, sistemas MMDS o LMDS, envío y recepción de mensajes o faxes a través de GSM, telemetría, localización automática de vehículos, vending, etc. En la figura 1 se muestra una aplicación típica de acceso a Internet a través del sistema MMDS.

Fig. 1. Acceso inalámbrico a internet usando MMDS/MDS.


Así pues, los radio módems deben estar preparados para transmitir sobre un entorno más hostil que el cable, a menudo sujeto a desvanecimientos, propagación multicamino (multipath) o interferencias. Esto obliga a emplear mecanismos de modulación distintos a los empleados en los módems de cable. Al mismo tiempo, dado que en algunos casos es necesario dotar de movilidad al dispositivo, aparecen nuevos problemas como el tamaño o la autonomía del dispositivo. Para la transmisión, los radio módems disponibles comercialmente suelen utilizar las bandas ISM de 900 MHz (902-928 MHz), 2,4 GHz (2400-2483,5 MHz) y 5,8 GHz (5725-5850 MHz).

Características de un radio módem
Los módems de cable tienen su propio estándar, DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification), pero éste no incluye a los sistemas inalámbricos. Los radio módems requieren una serie de modificaciones y mejoras para que puedan funcionar correctamente. A continuación se comentan algunas de ellas:

1) Bandas de frecuencia:
Los módems típicos para transmitir sobre el par telefónico utilizan portadoras que se acomodan dentro de los 4 kHz de ancho de banda telefónico, si exceptuamos los modernos módems ADSL. Los módems de cable, por su parte, utilizan frecuencias que se solapan con los canales VHF y UHF de difusión de televisión. Sin embargo, los radio módems suelen utilizar frecuencias superiores que gozan de licencia para transmisiones inalámbricas. En la figura 2 se muestran precisamente cuáles son estas bandas de frecuencia. Normalmente, se emplea un conversor de frecuencia para colocar los canales de FI del radio módem en estas bandas. Además, son típicos esquemas de multiplexación conjuntos FDMA/TDMA de forma similar a como se realiza en el sistema de telefonía celular GSM para compartir de forma eficiente el espectro radioeléctrico entre un conjunto de usuarios. De este modo, sobre cada subcanal radio (FDMA) se transmiten diferentes slots de tiempo (TDMA).
Fig. 2. Bandas de frecuencia de sistemas inalámbricos.


2) Tolerancia de frecuencia y seguimiento de la portadora:
En un sistema de cable, la frecuencia de la señal del módem de cable es idéntica a la que debe demodularse en la cabecera de red. Si se produce una desviación de frecuencia de 30 ppm, lo cual supone 600 Hz para una portadora de 20 MHz, la señal todavía se encuentra lo suficientemente centrada y puede demodularse correctamente. Sin embargo, en un sistema inalámbrico las frecuencias se convierten a las bandas MDS, y una tolerancia de 30 ppm se traduce en un desplazamiento de hasta 64 kHz. Un modulador típico tendría dificultades para recuperar la señal, ya que el estándar DOCSIS especifica que la portadora debe encontrarse dentro de un ancho de banda de 30 kHz. Para corregir este problema, los radio módems implementan un mecanismo de búsqueda y seguimiento de la portadora por medio de bucles de enganche de fase, comúnmente conocidos como PLLs, y que siguen la señal en rangos de 30 a 150 kHz.

3) Potencia transmitida y margen dinámico:
Cualquier demodulador posee un margen dinámico limitado en el que puede funcionar correctamente. La señal del enlace de subida debe estar contenida dentro del margen dinámico del demodulador de cabecera. Esto incluye variaciones en el nivel de potencia de la señal debidas a la ganancia de las antenas, desvanecimientos por vegetación o precipitaciones y efecto multicamino. Los módems DOCSIS se especifican con un rango de 12 dB de tolerancia, mientras que los radio módems poseen un margen superior: típicamente 20 dB. Adicionalmente, es necesario ejecutar un algoritmo inicial para que el radio módem localice el nivel de potencia adecuado para comenzar a funcionar. Téngase en cuenta que este nivel es muy dependiente de las características del entorno donde vaya a trabajar.

4) Ecualización:
Como ya se ha comentado con anterioridad, durante la propagación, la señal radio sufre variaciones de amplitud y de fase que es necesario corregir en el receptor. Estos cambios deben corregirse y compensarse dinámicamente. Es por ello que los radio módems disponen de ecualizadores en tiempo real que modifican su ganancia o introducen retardos de forma dinámica en función de las condiciones del medio. Normalmente se implementan por medio de procesadores digitales de señal (DSPs). Para realizar las correcciones, es necesario disponer de alguna señal de referencia en el receptor. En el caso del estándar GSM, se transmite periódicamente una secuencia de bits conocida que se utiliza para calcular los coeficientes del filtro adaptativo del ecualizador.

5) Efecto multicamino:
La propagación multicamino no existe en los sistemas de cable, sin embargo, en los sistemas de radiocomunicaciones se convierte en uno de los principales problemas. Se produce como consecuencia de reflexiones de la señal que se combinan a la entrada de la antena y que dan lugar a degradaciones en el nivel de potencia o distorsión de la señal. En particular, un camino secundario de la señal ligeramente mayor puede ocasionar la cancelación completa del trayecto principal. En los radio módems aun es más perjudicial, puesto que como suelen disponer de movilidad, es posible que en ciertas posiciones se produzca la reflexión en algún obstáculo inesperado.

6) Esquemas de modulación:
Además de las distintas características mencionadas anteriormente, la principal diferencia de los radio módems se refiere a los esquemas y velocidades de modulación utilizados. Normalmente, se utiliza modulación QPSK para el enlace de subida y modulaciones 16QAM o 64QAM para el enlace de bajada. Conforme disminuye la complejidad de la modulación, se consigue una mayor inmunidad frente a desvanecimientos y efecto multicamino, aunque a costa de reducirse la tasa de transmisión. Lo mismo ocurre con la velocidad de modulación. Además, menores velocidades suponen anchos de banda inferiores, lo cual afecta a la sensibilidad de la cabecera y, por lo tanto, al alcance del sistema. En particular, las modulaciones de fase son más adecuadas para la propagación de señales sobre entornos radio. La modulación QPSK es la más robusta, necesitando únicamente de una relación señal a ruido de 13 dB. Por otro lado, la modulación 64QAM consigue una eficiencia espectral tres veces superior, aunque a costa de necesitar una relación señal a ruido de 27 dB para conseguir la misma probabilidad de error (BER). En la figura 3 se representan las constelaciones de las técnicas de modulación QPSK y 16QAM, junto con la codificación que corresponde a cada símbolo transmitido. Obsérvese que conforme aumenta el número de símbolos para una misma potencia transmitida, aumenta la probabilidad de error como consecuencia de que se encuentran más próximos entre sí y son más difíciles de discernir en presencia de ruido.

Fig. 3. Constelaciones de las modulaciones QPSK y 16QAM con codificación Gray.

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