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LABORATORIO Nº1 Comunicaciones Inalámbricas

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LABORATORIO DE COMUNICACIONES. FACULTAD DE INGENIERIA UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES. Curso de Especialización en Telecomunicaciones UDA - Abril-Mayo 2005. Escuela de Graduados en Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones. LABORATORIO Nº1 Comunicaciones Inalámbricas.

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Objetivo:Fijarlos conceptos aprendidos sobre comunicaciones inalámbricas y protocolos de acceso al medio. Familiarizase con el equipamiento.

Recurso Metodólogico:Realización de distintas experiencias en un banco instalado a los fines del Laboratorio el guiado de los docentes y participación activa en las configuraciones y mediciones por parte de los alumnos

Acciones:Introducción explicatoria de los recursos a utilizar, configuraciones y funcionamiento. Tiempo: 2hs. Experiencia Nº1: Configuración del sistema Tiempo: 1hs. Experiencia Nº1: Pta. en Marcha y mediciones de throughputTiempo: 1hs. Estudio de Caso Proyecto Wireless FIUBA Tiempo: 1hs. Cuestionario

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  • Introducción explicatoria de los recursos a utilizar, configuraciones y funcionamiento.
  • Se explicarán los siguientes tópicos:
    • Equipos a utilizar, facilidades, tipos, partes, configuración.
    • Topología a configurar.
    • Sistema de Medición a utilizar, facilidades, tipo, configuración.
    • Cables.
    • Sumario de conceptos básicos de Wireless.
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Wireless

Medios cableados y no cableados - wireless

Cobre – HFC – FO- Inalámbrico (fijos y móviles)

Multiplexing - Multiple Access

Frecuency Division (FDM – FDMA)

Time Division (TDM – TDMA)

Code Division (CDM – CDMA)

Space Division (SDMA)

Polarization Division (PDMA)

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  • Redes Inalámbricas
  • Baja inversión inicial, se dimensiona lo básico y se va creciendo de acuerdo a la
  • necesidad.
  • Implantación rápida.
  • Gran Cobertura.
  • Rápida recuperación de la invertido.
  • Carácterísticas de las redes inalámbricas
  • El Ancho de Banda (recurso) es limitado.
  • El Ancho de Banda puede ser asignado en forma:
  • Fija (FAMA: Fixed Assignment Multiple Access)
  • Dinámica (DAMA: Demand Assinment Multiple Access)
  • Tipos de acceso múltiple
  • FDMA: Acceso múltiple por división de frecuencia.
  • TDMA: Acceso múltiple por división de tiempo.
  • CDMA: Acceso múltiple por división de código.
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  • FDMA (Frecuency Division Multiple Access)
  • El ancho de banda disponible se divide en radiocanales con una
  • canalización L\f .
  • Las asignaciones son del tipo SCPC (Single Carrier Per Channel).
  • Los usuarios tienen disponible todo el tiempo el radiocanal, el canal es de uso exclusivo para cada usuario.
  • Los receptores deben ser sintonizados.
  • La modulación puede ser analógica o digital.
  • Adecuado para sistemas de mediana/baja capacidad de tráfico.
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  • TDMA ( Time Division Multiple Access )
  • Se usa una so la frecuencia.
  • La transmisión se divide en ranuras de tiempo T8 (Time 8lots).
  • El sistema dispone de un sistema de sincronización y direccionamiento
  • para que cada receptor reconozca su TS.
  • La base emite una señal TDM en difusión.
  • Las estaciones remotas emiten una señal TDMA.
  • Las estaciones remotas se sincronizan con estas ranuras.
      • - Las estaciones remotas emiten ráfagas en las ranurascorrespondientes.
  • - La estación base mide el tiempo de propagación de la estación
  • remota y le indica a la estación remota cuando trasmitir, lo que
  • evita el solapamiento de los datos.
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  • TDMA ( Time Division Multiple Access )
  • La transmisión es digital.
  • El tipo de modulación utilizada depende de la eficiencia
  • espectral y de la robustez requerida.
  • Las modulaciones típicas pueden ser QPSK ,8 PSK,8
  • QAM etc.
  • Generalmente se combinan ambos sistemas FDD/TDD, se
  • divide la banda en frecuencias y en cada frecuencia se
  • definen los TS.
  • En ambos sistemas se dedican recursos aunque el usuario
  • no trasmita nada
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  • CDMA (Code Division Multiple Access )
  • Es un sistema de espectro ensanchado por 10 que ocupa más ancho de banda (W) del necesario para transmitir la información.
  • Todos los usuarios trasmiten al mismo tiempo y en la misma frecuencia.
  • Utiliza para ensanchar el espectro un código que es independiente de los datos a transmitir.
  • En el receptor la seña] es desensanchada con un réplica sincronizada del código.
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  • Permite el uso de receptores tipo " Rake“
  • Aspectos fundamentales desde el punto de vista operativo y de diseño.
      • - Elección de los códigos
      • Habilitar mecanismos de sincronización.
  • Códigos:
    • - secuencias estrictamente ortogonales son reducidas
    • (limitación ).
      • - secuencias no estrictamente ortogonales en gran
    • cantidad.
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  • Problemas de la falta de ortogonalidad (efecto cerca lejos)
  • - En el entorno celular los transmisores pueden estar muy cerca de los receptores entonces la señal interferente es mayor que la deseada, con los códigos perfectamente ortogonales no hay problema pero con códigos cuasi ortogonales no puedo compensar la diferencia por lo que debe habilitarse un control de la potencia emitida por)os móviles.
  • El margen dinámico para el entorno celular es de 60
  • dB, en CDMA DS se logra un Gp. de 30 dB.
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  • Aplicaciones:
  • Determinación de distancia con alta resolución.
  • Canales con multitrayectos.
  • Utilización de la técnica de espectro ensanchado para el reuso de frecuencias
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  • Normas y Standars
  • El estándar 802.11a, es el que a pesar de que en el mercado estadounidense ya existen multitud de productos que lo utilizan, su operatividad no es posible en España, Italia, Portugal y Alemania, dentro de los países europeos, porque la banda en la que opera, los 5GHz, es de uso restringido militar.
  • En la Union Europea, el estandar 802.11b, con una banda de 2,4 GHz, hizo su aparición en 1999 y permite un índice de transferencia de datos de hasta 11Mbps.
  • Hay que contar también con el 802.11g, que es aún más rápido que el 802.11a pero que opera en la misma frecuencia que el 802.11b, de forma que puede ser utilizado por cualquier dispositivo que haya sido preparado para éste último.
  • Las letras no quedan sólo en esta tres, sino que hay otros estándares que se están desarrollando y que hacen referencia a la seguridad, como es el caso de 802.11i, que es como el 802.11g pero que integra medidas de seguridad relativas a una mayor encriptación de los datos y contraseñas.
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  • Después de años de lucha, Bluetooth ha entrado en el mercado y está teniendo un tremendo éxito, aunque no el que le auguraron sus más fieles defensores en el principio de sus tiempos, que veían oficinas conectadas de forma inalámbrica a través de esta tecnología. Finalmente, Bluetooth y Wi-Fi han sabido convivir en el mundo de la tecnología y cada una de ellas se propone con una solución inalámbrica específica.
  • Extensible Authentication Protocol (EAP) en smart cards, o tarjetas inteligentes, estándar para dispositivos que puedan divagar entre redes de telefonía móvil y redes Wi-Fi. Las tarjetas inteligentes, que se colocan por detrás de las baterías de los teléfonos móviles, almacenan la información sobre las cuentas de los suscriptores.
  • EAP proporciona una mayor seguridad que WPA, a través de una mejor encriptación o claves de un solo uso, por ejemplo. La tecnología EAP será mucho más utilizada en oficinas y otros entornos profesionales que hace mucho más hincapié en la seguridad de las redes.
  • Por otra parte, se espera que WPA sea algo temporal ya que en el horizonte ya existe un estándar más seguro, el 802.11i, aunque no estará disponible antes de finales de año y no se espera que los productos que lo soporten aparezcan antes de mediado de 2004.
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Conceptos de Seguridad

  • Protección contra Sniffing, Spoofing, Jamming, Man-in-the-middle, DOS
  • Seguridad tradicional: SSID, clave WEP, tipos de autenticación
  • IEEE 802.1X: utiliza EAP (Extensible Authenticate protocol)
  • IEEE 802.11i: Estandar definitivo. –Agrega TKIP
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Normas y Standars

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CALCULO DE ENLACE

Balance de Potencia

Ganancia de Antena

Potencia Isotrópica Radiada Equivalente

Atenuación de Espacio Libre

Ancho de Banda en Mhz

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What is MMDS?MMDS, which stands for multi-channel multi-point distribution system, is the latest in wireless internet technology. At speeds at over 100 times that of a standard dial-up modem, MMDS easily outstrips DSL or cable modems on speed and reliabilty. MMDS is a line-of-sight application, but a single transmitter can service a 35 mile radius. That's over 3000 square miles! Plus, unlike other wireless technology or satellite transmission, the signal performance of MMDS is very resistant to rain, snow or fog, ensuring smooth operation under the worst conditions.How does it work?MMDS uses a band of frequencies that's very close to television frequencies. In fact, one of the earliest uses was to transmit cable TV channels to locations that were not covered by standard cable. Once the FCC began allowing two way transmission on these frequencies, wireless internet was born.

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What are some benefits to MMDS?At greater than T1 speeds, MMDS can reach areas previously left out of broadband coverage. All too often, business have to pay for expensive T1's because of their distance from phone/cable equipment. With MMDS, the likelyhood of being in a non coverage is area is almost zero, and there aren't any local loop or line charges from your telephone company that accompany ISDN or T1s.

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What is LMDS?At its most basic level, LMDS uses microwave signals (actually millimeterwave signals) in the 28 GHz spectrum to transmit voice, video, and data signals within small cells 3-10 miles in diameter. A little more in depth, Local Multipoint Distribution Service (LMDS) is a microwave broadband service that will allow license holders to control up to 1.3 GHz of wireless spectrum in the 28 GHz Ka-band once FCC auctions have been completed. The 1.3 GHz can be used to carry digital data at speeds in excess of 1 Gbps. The extremely high frequency used and the need for point to multipoint transmissions limits the distance that a receiver can be from a transmitter. This means that LMDS will be a "cellular" technology, based on multiple, contiguous, or overlapping cells.

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What does the acronym LMDS mean? "Local Multipoint Distribution Service" sounds like another confusing acronym, but it is actually a surprisingly accuratedescription of the technology.* Local is appropriate because the low-powered millimeter waves lose strength quickly, and consequently are useful only over a limited distance, or small cells with a 2 - 7 km.* Multipoint accurately describes the physical structure of LMDS cells. Unlike most point-to-point microwave, LMDS permits two-way simultaneous communication between a multi-directional central hub (point) and dispersed businesses or homes (multipoints) and vice versa. * Distribution is purposefully vague because LMDS spectrum is expected to be lightly regulated and to allow simultaneous voice, data, and (digital as well as analog) video. The 1.3 GHz of bandwidth expected to be auctioned can carry a wide range of services and content types.* Service. Compared to most spectrum allocations to date, LMDS bandwidth is practically unconstrained.

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What services will LMDS provide?LMDS will provide customers with multichannel video programming, telephony, video communications, and two-way data services.Why should I be interested in LMDS? What are its advantages? LMDS incorporates an enormous amount of spectrum. The sheer size of the spectrum and the expectation that it will be lightly regulated are the most attractive aspect of LMDS. And since LMDS can be used for two-way transmission, it is seen as a way to provide interactive services without the problems encountered on fiber or coax lines. What passes as broadband speed now pales in comparison to the speeds promised by LMDS. Hewlett-Packard envisions throughputs as fast as 1.5 Gbps downstream, with upstream rates as high as 200 Mbps. That's enough bandwidth for most homes in a neighborhood to watch separate digital movies, teleconference, and surf the Internet at high speed all at the same time.

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How does LMDS fit into the Radio Frequency Spectrum?The Radio Frequency Spectrum is a small section of the electromagnetic spectrum which ranges from the high end of audible sound to the low end of Infrared. The electromagnetic spectrum is measured in Hertz which is simply shorthand for cycles per second. Radio, Light and Rays (e.g. x-rays, Gamma-rays) are all part of the Electromagnetic continuum. Cellular phones at 800 MHz are at the low end of microwaves. Direct Broadcast Services, MMDS wireless cable, point-to-point microwave, and LMDS systems all use microwaves. LMDS uses a specific band in the microwave spectrum, known as millimeter waves or the 28 GHz "Ka-band." More tangibly, if LMDS were used on a point-to-point basis the beam would be about as wide as a pencil lead (about a millimeter) and would have a frequency of approximately 28 billion cycles per second.What is the potential in LMDS?As with other analog transmission mediums, digital data can be modulated over LMDS spectrum. LMDS is a segment of analog Radio Frequency spectrum which is measured in Hertz. Using a conservative modulation scheme (QPSK), 1.3 GHz of LMDS spectrum can transport roughly 1 Gbps of digital data. 

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How would LMDS get to my home or business?Unless you live near New York City, the FCC will have to schedule auctions for the spectrum. The winner of that auctions for the Basic Trading Area in which you live/work would then construct an LMDS hub near your home/office. You would sign up for service and have an LMDS rooftop transceiver and downconverter installed. Direct line-of-sight between the transmitter and receiver is essential. Then, you would be able to use LMDS in your home/office. The number of homes and businesses served per cell is a function of cell size, cell density, and the power of the hub antenna.

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What is the necessary equipment for receiving LMDS in my home or business?The following is a list of the necessary equipment for receiving LMDS:* A roof mounted transceiver, or antenna, which receives/transmits the 28 GHz signal from/to the hub.* An up/downconverter which would change the frequency of the microwave signals to a lower intermediate frequency that the electronics in the home/office can more easily (and inexpensively) manipulate.* Network interface unit which controls the interaction of household or business devices with the transceiver.* A telephony interface, as LMDS has the potential to be used for second-line telephony.* An Ethernet computer interface which may be configured to be either a 10 Mbps or 100 Mbps Ethernet connection, and will allow for multiple computer devices to be connected.* A television set-top box. LMDS set-top boxes deployed in the future will most likely be digital. The digital set-top box will receive MPEG-2 video (already downconverted to an intermediate frequency), decode it, transform it back to an analog signal, and pass it to a connected television set. All of these services can be transported simultaneously using LMDS.

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What determines cell sizes?The main factors that play into the cell size decisions are: line-of-sight, analog vs. digital signals, overlapping cells vs. single transmitter cells, amount of local rainfall, transmission and receiver height, foliage density, and the specific transmission technology used (e.g. travelling wave tube vs. solid state).What about interference? Interference in the LMDS millimeterwave signals is a result of weather, physical objects, and overlapping signals.* Weather: A microwave oven uses microwaves to excite water molecules to a boil by transferring energy from the microwave to the water molecule. Just like microwaves in a microwave oven but with much less power, LMDS microwaves react with water molecules. Microwaves cause water to heat, and water causes microwaves to lose signal strength. This property is great for rapid food preparation, but is a drawback for high quality microwave communication. Communication engineers call this "rain fade." LMDS millimeterwaves experience rain fade as well. To overcome rain fade, LMDS transmitters are designed with sufficient "link margin" or excess power to overcome rain fade. Some designs also contemplate the inclusion of rain detection devices which will automatically boost the transmit power when it rains. Thus, a low powered, high frequency signal can withstand rain fade if the cell size is small enough. Therefore, for cells with radiuses of between 2 km and 5 miles rain fade is not a problem for LMDS.

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  • Shadow Areas: LMDS, like all microwave transmissions, is strictly a line-of-site technology. Lower frequency FM radio signals will penetrate trees, walls and even hills. Millimeterwave LMDS signals, on the other hand, are reflected by leafy trees, walls and hills. These objects therefore create shadow areas which do not receive direct signals. Hewlett-Packard (HP) studied this phenomenon in San Francisco and discovered with a single non-overlapping transmitter, 35% of potential LMDS customers will fall in shadow areas. To overcome this, HP proposes using a 4x (four times overlap) strategy. 
  • Does LMDS pose a threat to humans or the natural environment?No. LMDS signals use very low levels of power, that do not harm the environment.How much of the RF spectrum will the FCC designate for LMDS?All inter-state uses of the RF are licensed by the FCC. The FCC has already designated 1GHz of spectrum for LMDS at 28 GHz and an additional 300 MHz of spectrum in the 31 GHz band. (See the auction rules for specific bands.) The FCC hopes the spectrum will be used to compete with cable and local exchange companies with services such as multichannel video programming, telephony, video communications, and two-way data services.
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When will the FCC hold LMDS spectrum auctions?The FCC has scheduled the auctions to begin on December 10, 1997, and requires auction participant registration on or before November 10, 1997. There are, however, rampant rumors that the auctions may be delayed. The LMDS auctions have been pending for several years, but they were initially delayed because of conflicts between LMDS proponents and the backers of fixed and mobile satellite services. A current lawsuit from Ameritech with support from USTA may further delay the auctions. The FCC will use Simultaneous Multiple Round Auctions which will allow them to auction all BTA licenses simultaneously. Whenever they occur, the LMDS auctions will likely draw a great deal of attention.What are Basic Trading Areas (BTA) and how were they determined?There are 492 Basic Trading Areas across the U.S. and four territories of which the FCC has plans to auction LMDS spectrum (see map below). The BTA concept was licensed from Rand McNally and each BTA theoretically represents a somewhat homogeneous geographic market. The Trading Area boundaries are on a county-line basis because most statistics relevant to marketing are published in terms of whole counties. The boundaries were determined after intensive study of such factors as physiography, population distribution, newspaper circulation, economic activities, highway facilities, railroad service, suburban transportation, and field reports of experienced analysts. 

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What are the FCC's auction rules?On March 11, 1997, the FCC released the service and competitive bidding rules for LMDS spectrum in the 27.5-28.35 GHz, the 29.1-29.25 GHz, and the 31.0-31.3 GHz bands. The rules are summarized below:* 1,300 MHz of LMDS spectrum will be split into two licenses, one for 1150 MHz and one for 150 MHz, and will be licensed in Basic Trading Areas creating 984 authorizations.* Incumbent local exchange carriers and cable companies may not obtain the in-region 1150 MHz license for three years.* Within 10 years, licenses will be required to provide 'substantial service' in their service regions.* There are no restrictions on the number of licenses a given entity may acquire.* LMDS may be provided on a common carrier and/or a non-common carrier basis.* Bidding credits and installment payment plans will be available to small business and entities with average annual gross revenue less than $75 million.

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Who first developed LMDS?Bernard Bossard is generally recognized as the father of LMDS. Bossard, who had worked with microwaves for the military believed he could make point to multipoint video work in the 28 GHz band. Bossard wasn't interested in sending high powered, low frequency signals over long distances. Instead he focused on sending low powered, high frequency signals over a short distance. And it worked. LMDS was born. In 1986, he received funding from Shant Hovnanian and his father Vahak, the northeast seaboard real-estate moguls. Together, they formed CellularVision. CellularVision then spun off the technical rights to their techniques for LMDS into a separate subsidiary, CT&T, which would license CellularVision technologies.Is LMDS currently being commercially deployed anywhere in the US?Yes. Bernard Bossard and Shant Hovnanian's CellularVision was awarded a pioneer's license for Brighton Beach, NY for its role in developing LMDS. CellularVision currently operates the only commercial LMDS site in the US where they are providing over 40 analog channels of video programming to subscribers primarily in the Brighton Beach area of New York. CellularVision has recently been expanding the number of operating cells in the New York area and now claims more than 12,000 subscribers. 

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What is expected cost of LMDS service?A business case was compiled which evaluated an LMDS deployment in the Santa Clara Valley of California. (The primary uses for the LMDS network in this study were work at home and high speed Internet access.) This likely scenario assumes 7 business cells and 22 residential cells. Each cell is assumed to be 4 km x 4 km squared. There are an estimated 13,150 homes per cell. Copies of this analysis are unavailable. However, custom analyses are available from VIPC, which can be reached at 303-721-7830.* The cost to obtain LMDS spectrum is estimated to be $16 per household covered. * 10% of covered homes are assumed to have signed up by the third year for service costing $150 per month (which is expected to be paid by employers).* 60% of major employers are also assumed to have signed up by the third year for service costing $3,000 per month.* Customer premise equipment is expected to cost $650 per home. this includes a roof-mounted transceiver, a downconverter, and an Ethernet adapter.The cost of the LMDS hub is expected to be $370,000 and interconnection charges are expected to cost $10,000per hub.

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LABORATORIO DE COMUNICACIONES

FACULTAD DE INGENIERIA

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

Curso de Especialización en Telecomunicaciones

UDA - Abril-Mayo 2005

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How much revenue can LMDS operators expect to generate from deploying LMDSservice?A business case was compiled which evaluated an LMDS deployment in the Santa Clara Valley of California. (The primary uses for the LMDS network in this study were work at home and high speed Internet access.)* The 1st year of business shows revenue of $14.9 million with pre-tax profit of $6.2 million.* By the 3rd year, revenue is up to $42.5 million and pre-tax profit is $21.5 million.* By the end of the 5th year, revenue is $58.1 million and pre-tax profit is $32.1 million.

Why LMDS now?/Why is LMDS suddenly receiving so much attention?Three factors have all come together to make LMDS look Attractive after several years of relative obscurity. For years the physics of terrestrial 28 GHz communication looked unattractive, but the physics issues have largely been resolved. Additionally, the FCC has scheduled auctions for LMDS. And finally, probable demand for a very high capacity digital-capable transport system is growing as Internet use expands and businesses recognize their "need for speed."

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Physics Answer: * 28 GHz band was thought to be useless for terrestrial communications, used only for satellite to earth communication.* Millimeterwaves don't pass through buildings, they lose power rapidly, and aren't good for long distance broadcast.* BUT over short distances with line-of-sight, millimeter band is very effective.* AND Gallium Arsenide (GaAs) Integrated Circuits are now available.Regulatory Answer:* The FCC has scheduled auctions to begin on December 10, 1997.* The FCC resolved a multiple year dispute between LMDS interests and FSS/MSS satellite interests.* This will be the single largest block of spectrum ever available.* 30 MHz wide PCS band auctions raised $18 billion. LMDS is 1,300 MHz wide band, over 40 times larger than PCS (but unlike PCS, LMDS requires a stationary receiver).

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Business Answer:* Variable cost driven architecture - Pay for the spectrum, hub, and the backbone, then all other costs variable (no trenching required).* Viable at low take rates (e.g. in competitive markets)* Rapid Deployment.* Business and residential - true multimedia (data, voice, video).* Spectrum available internationally (Australia, Canada, Chile)The demand for bandwidth, even for residential, is escalating. Consumers and businesses are ready to pay for fast Internet and work at home. These factors have combined to create a fertile ground for a technology that has access to gargantuan bandwidth and can be deployed for low up-front costs. 

What are some of the risks involved with LMDS?* Cable Companies and RBOCs Challenge Their Bidding Limitations, Resulting in Possible Auction Delays.* Little Commercial Testing of Technologies.* Regulations Undefined.* Possible Royalty Conflicts.* Unknown Timeline for Production Quantities/Prices.