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4.10: Multipaths y propagación de retardo

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    La multitrayectoria se discutió previamente en las Secciones 4.6.1 y 4.6.3 en el contexto de la reducción de la amplitud de la señal debido a la interferencia destructiva de una señal que viaja por varios caminos. Otro efecto del multitrayecto es que las instancias de una señal que viaja desde un transmisor a un receptor en diferentes trayectorias llegarán a un receptor con varios retardos. Estos retardos pueden diferir en decenas o miles de nanosegundos que es mucho más largo que el período de una señal de microondas, por ejemplo, una\(1\text{ GHz}\) señal tiene un período de\(1\text{ ns}\).

    4.7.1 Diferido de demora

    Cada una de las rutas soporta lo que se llama una instancia de señal. Para una señal de un solo tono el efecto de varios retardos es que las instancias de señal lleguen al receptor con fases muy diferentes. Además, las instancias de señal invariablemente tienen diferentes amplitudes, lo que resulta en una señal recibida compuesta que es una combinación impredecible de interferencia constructiva y destructiva. A veces la interferencia constructiva dará como resultado una señal compuesta recibida más fuerte pero esto no es tan importante. Lo que es mucho más significativo es la interferencia destructiva que resultará en desvanecimientos de señal con la señal recibida siendo muy pequeña a veces. Considere dos instancias de señal\(y_{1}(t)\) y\(y_{2}(t)\), viajando de un transmisor a un receptor en rutas\(1\) y\(2\) respectivamente. Si\(y_{1}(t)\) y\(y_{2}(t)\) tienen la misma amplitud y fase entonces la señal combinada solo se incrementará\(6\text{ dB}\) sobre una señal que viaja en una sola trayectoria. Sin embargo si\(y_{1}(t)\) y\(y_{2}(t)\) tienen la misma amplitud pero fases que difieren para\(180^{\circ}\) entonces habrá cancelación total y no se recibirá ninguna señal compuesta. Por lo tanto, la interferencia destructiva es mucho más significativa que la interferencia constructiva.

    Para la radio celular, en una zona rural puede haber dos o tres caminos significativos, generalmente tomados como caminos que tienen instancias de señal que están dentro\(20\text{ dB}\) de la instancia de señal más grande. En un entorno urbano puede haber decenas de caminos significativos porque hay muchos reflejos de los edificios y muchas veces no hay un camino LOS que de otro modo tendría la mayor instancia de señal. Con múltiples trayectorias es poco probable que haya una cancelación total de la señal recibida pero es muy probable que la señal recibida sea más pequeña que si hubiera una ruta.

    La radio celular temprana tenía anchos de banda estrechos, por ejemplo,\(200\text{ kHz}\) para el sistema celular GSM de 2G, y modulación de bajo orden, por ejemplo,\(2\) bits por símbolo y fue suficiente usar los conceptos basados en fases de interferencia constructiva y destructiva para comprender los efectos del multitrayecto. A medida que los anchos de banda de los canales aumentaban y el orden de modulación aumentaba, fue necesario considerar el efecto físico real de las trayectorias que tienen diferentes retardos.

    Si hay una ruta LOS, digamos sin construcción en el camino, entonces la instancia de señal LOS será más fuerte que una instancia de señal que viaja en cualquier otra ruta. También tendrá el menor retraso. Esto se debe en parte a que cada ruta no LOS (NLOS) viajará más lejos y, por lo tanto, se extenderá más, y también porque habrá pérdida de señal en las reflexiones. Si hay dispersión o difracción en una trayectoria, la amplitud de esta instancia de señal en esa trayectoria será aún menor. Incluso si hay una ruta LOS, si hay múltiples rutas NLOS, entonces las instancias de señal NLOS combinadas podrían ser de hecho más grandes que la instancia de señal LOS. Si no hay una ruta LOS, entonces una de las rutas NLOS se convertirá en

    Frecuencia\((\text{GHz})\) Distancia Tx-Rx\((\text{km})\) Medio Ambiente Retraso máx. exceso\(\tau_{d,\text{ max}}\text{ (ns)}\) mediana de retraso en exceso\(\tau_{d,\text{ med}}\text{ (ns)}\)
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.43\) \ ((\ texto {km})\) ">\(3.8^{†}\) urbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(1300\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(900\) [18]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(2.2\) rural \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(800\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(–\) [19]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(5\) rural \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(1900\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(–\) [20]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(2\) suburbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(3700\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(300\) [21]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(2.2\) suburbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(900\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(300\) [19]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(0.6\) urbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(700\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(200\) [22]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(3.5\) urbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(5000\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(1100\) [23]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(7.0\) urbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(15000\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(1900\) [24]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(1.0\) urbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(2000\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(700\) [21]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(13\) montaña\(^{$}\) \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(3800\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(–\) [25]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(0.90\) \ ((\ texto {km})\) ">\(6.0\) montaña\(^{$}\) \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(1800\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(–\) [26]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(1.35\) \ ((\ texto {km})\) ">\(3.8^{†}\) urbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(1400\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(850\) [18]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(2.26\) \ ((\ texto {km})\) ">\(3.8^{†}\) urbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(1400\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(800\) [18]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(5.75\) \ ((\ texto {km})\) ">\(3.8^{†}\) urbano \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(1000\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(300\) [18]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(28\) \ ((\ texto {km})\) ">\(0.052\) LOS urbanos \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(754\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(<200\) [27]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(28\) \ ((\ texto {km})\) ">\(0.097\) urbano NLOS \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(1388\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(200\) [27]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(38\) \ ((\ texto {km})\) ">\(0.2^{†}\) LOS urbanos \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(12\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(1.5\) [28]
    \ ((\ text {GHz})\) ">\(38\) \ ((\ texto {km})\) ">\(0.2^{†}\) urbano NLOS \ (\ tau_ {d,\ texto {max}}\ texto {(ns)}\) ">\(133\) \ (\ tau_ {d,\ texto {med}}\ texto {(ns)}\) ">\(14\) [28]

    Tabla\(\PageIndex{1}\): Retrasos excesivos medidos para diversas frecuencias portadoras, distancias Tx-Rx y entornos multitrayecto. Los datos se han normalizado donde sea necesario para que\(\tau_{d,\text{ max}}\), sea el exceso de retraso máximo que se supere solo\(1\%\) del tiempo. \(†d\)va desde\(0.04\text{ km}\) hasta\(3.8\text{ km}\) y aquí\(\tau_{d,\text{ max}}\) está el retraso máximo excedido solo\(10\%\) del tiempo. \(‡\)antenas dirigibles de alta ganancia. \($\)zona urbana rodeada de montañas

    la instancia de señal recibida más grande y puede que no tenga el retraso más corto. Generalmente solo se deben considerar las instancias\(20\text{ dB}\) de señal que están dentro de la instancia de señal más grande y luego el retardo, también conocido como 'delay (\(20\text{ dB}\)) ', lo que importa es el retardo excesivo\(\tau_{d}\), que es la diferencia entre las instancias de señal que llegan más tempranas y últimas dentro de esa \(20\text{ dB}\)ventana. Es esencial que un enlace de comunicaciones se mantenga un cierto porcentaje del tiempo, por ejemplo\(99\%\), para un determinado nivel de servicio. Esto minimiza el número de veces que los paquetes deben ser retransmitidos y asegura un funcionamiento aceptable de un sistema. Así, el retardo máximo en exceso,\(\tau_{d,\text{ max}}\) se convierte en una métrica importante y determina el intervalo para el cual la señal recibida no es válida, la banda de guarda requerida para evitar que las señales de un intervalo de símbolo anterior se superpongan con el intervalo de símbolos actual, y también el ancho de banda útil máximo de una señal.

    Se encuentra que la dispersión del retardo aumenta con la distancia entre el transmisor y el receptor, la distancia TX-Rx, aumenta con la frecuencia y aumenta con un entorno multitrayecto más rico. Por ejemplo, una zona rural tiene pocos caminos pero se utilizan tamaños de celdas grandes y la distancia Tx-Rx es relativamente grande, lo que resulta en un gran exceso de retraso pero una zona urbana densa tiene celdas pequeñas pero un rico entorno multitrayecto con muchas reflexiones de edificios. Los retrasos excesivos medidos para diversas situaciones se dan en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Hay mucha variación en los retrasos excesivos pero se reduce claramente con celdas más pequeñas y un entorno multipath menos rico.

    También se encuentra que a medida que una unidad móvil se mueve el exceso de retraso y el número de caminos significativos varía decenas o cientos de veces por segundo dependiendo del entorno pero también de la movilidad, por ejemplo, las velocidades peatonales frente a la carretera. Sin embargo, a lo largo de un milisegundo, se encuentra que la propagación se fija de manera efectiva y, en consecuencia, los sistemas se diseñan con datos enviados en paquetes que generalmente no superan un milisegundo.

    Examinando Tabla\(\PageIndex{1}\) adicionalmente se observa que las bandas celulares 2G y 3G están por debajo\(2\text{ GHz}\) y los diferenciales de retardo pueden ser de varios milisegundos e incluso mayores con mayores distancias Tx-Rx en una zona urbana. A las frecuencias de microondas más altas hasta\(6\text{ GHz}\) cubrir el rango de frecuencia de operación de 4G, la dispersión de retardo es menor.

    \(38\text{ GHz}\)Las bandas\(28\text{ GHz}\) y son donde 5G opera con distancias cortas Tx-Rx. Aquí el número de rutas anteriores\(20\text{ dB}\) está alrededor de\(4\) a\(8\) para las separaciones Tx-Rx de\(35\) a\(193\text{ m}\) [27, 28].

    Los diferenciales son relativamente bajos y esto es en gran parte el resultado del uso de antenas orientables de alta ganancia que son esenciales para el funcionamiento 5G. Las antenas de alta ganancia reducen la dispersión de las longitudes de trayectoria múltiple y, por lo tanto, reducen la dispersión de retardo en exceso, concentrando las rutas reflejadas cerca de las antenas de transmisión y recepción.

    Las discusiones previas sobre los efectos multitrayecto y el enlace RF consideran un tono de frecuencia único que se propaga desde una antena de transmisión y una antena de recepción. Cuando una señal de un solo tono viaja en múltiples trayectorias habrá interferencia destructiva y/o constructiva.

    4.7.2 Interferencia entre símbolos

    La interferencia entre símbolos (ISI) ocurre cuando un símbolo que viaja en una ruta interfiere con el símbolo que viaja en otra ruta. Esto es el resultado de que los caminos tienen diferentes retardos. El efecto del retardo en exceso sobre la señal compuesta recibida se indica en la Figura\(\PageIndex{1}\). Consideremos la situación en la que hay cuatro caminos\(1\) siendo\(0\) por definición el exceso de retraso de trayectoria, es decir\(\tau_{d, 1} = 0\), el exceso de retraso de camino\(2\)\(\tau_{d, 2} = 100\text{ ns}\), y así sucesivamente,\(\tau_{d, 3} = 200\text{ ns}\), y\(\tau_{d, 4} = 300\text{ ns}\). Los sistemas celulares 2G—5G transmiten una serie de símbolos, aquí\(\mathsf{A, B, C, D,}\) y\(\mathsf{E}\), que tienen una duración de símbolo que difiere según el estándar. En la Figura se consideran\(\PageIndex{1}\) cuatro trayectorias y las cuatro instancias de señal viajan cada una en una ruta diferente y se combinan en la antena del receptor para producir una señal recibida compuesta. Los símbolos de cada una de las instancias de señal se superponen causando ISI.

    Con el sistema GSM 2G las longitudes de símbolo son\(3690\text{ ns}\) y la primera\(300\text{ ns}\) de una instancia de símbolo que viaja en la primera ruta en llegar tiene interferencia del símbolo anterior viajando en las otras tres rutas, ver Figura\(\PageIndex{1}\) (a). En este caso el primero\(300\text{ ns}\) de los\(3690\text{ ns}\) del símbolo es ilusorio. En este ejemplo el spread del retraso es justo\(300\text{ ns}\) pero esto es conservador. Tabla\(\PageIndex{1}\) indica que en algunos entornos que el exceso\(1\%\) de propagación de retardo del tiempo puede ser tan largo como el intervalo de símbolos para 2G/GSM (operando a continuación\(2\text{ GHz}\)). Entonces, incluso si la intensidad de la señal es alta, la recepción puede no ser posible debido a ISI.

    Con 3G la longitud del paquete es\(260\text{ ns}\) así con una dispersión de retardo en exceso de\(300\text{ ns}\) para el ejemplo de cuatro rutas, la interferencia de símbolos es severa, véase la Figura\(\PageIndex{1}\) (b), y como\(300\text{ ns}\) se señaló es una estimación muy conservadora de la dispersión de retardo en exceso. Una de las características de 3G es un método para separar las instancias de señal individuales. Sólo cuando hay un número muy grande de rutas significativas el 3G tiene problemas. En una zona urbana a veces no se puede establecer un enlace de comunicación con 2G y 3G aunque la intensidad de la señal sea alta.

    El sistema 4G minimiza el problema de ISI al tener un intervalo de símbolo muy largo\(71.35\:mu\text{s}\) y un\(300\text{ ns}\) exceso de propagación de retardo es una pequeña fracción de la longitud del símbolo. El intervalo de símbolos es considerablemente más largo que cualquiera de los diferenciales de retardo máximos dados en la Tabla\(\PageIndex{1}\). También el estándar 4G

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    Figura\(\PageIndex{1}\): El efecto del retardo excesivo sobre la interferencia de símbolos cuando hay cuatro rutas. El exceso de retraso de cada camino,\(\tau_{d, x}\), aumenta en\(100\text{ ns}\). Se muestran cinco símbolos:\(\mathsf{A, B, C, D}\), y\(\mathsf{E}\). El estándar 2G GSM tiene una duración de símbolo de\(3.6928\:\mu\text{s}\), el estándar 3G WCDMA tiene una duración de símbolo de\(260\text{ ns}\), y el estándar 4G OFDM tiene una duración de símbolo de\(71.35\:\mu\text{s}\). La situación con 5G es similar a la de 4G.

    tiene una banda de tiempo de guardia conocida como prefijo cíclico. (El prefijo cíclico es un poco más que una banda de guarda, ya que implica repetir el final del símbolo, pero esta característica adicional se discutirá más adelante). El prefijo cíclico puede ser cualquiera\(4.7\:\mu\text{s},\: 5.2\:\mu\text{s},\: 16.7\:\mu\text{s}\), o\(33.3\:\mu\text{s}\) acomodando varios diferenciales de retardo en exceso. Esto es más que suficiente para evitar el problema de ISI ya que cualquiera de los retrasos máximos en exceso enumerados en la Tabla\(\PageIndex{1}\) son menores que la longitud máxima del prefijo cíclico. El intervalo de símbolos largo implica un ancho de banda o ancho de banda de subcanal muy estrecho. Un sistema 4G se comunica con un usuario usando una gran cantidad de subcanales, lo que admite altas velocidades de datos.

    4.7.3 Resumen

    Varios retrasos excesivos en diferentes rutas causan interferencia entre símbolos. Los altos niveles de interferencia entre símbolos resultan en la falla al establecer un enlace de comunicación. El exceso de retardo es una limitación fundamental con el sistema 2G/GSM y la única solución es utilizar celdas muy pequeñas en entornos urbanos que tienen muchas rutas de señal significativas. El sistema 3G emplea una técnica de codificación que permite resolver los primeros caminos diferentes, limitando así el problema del ISI pero no eliminándolo. El sistema 4G, y 5G opera de manera similar, emplea un tiempo de guarda largo, el prefijo cíclico, para evitar ISI por completo.


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