Universidad Pública de Navarra - Nafarroako Univertsitate Publikoa

Módulo/Materia

Módulo: Formación específica común en Sistemas de Telecomunicación

Materia: Redes Cableadas e Inalámbricas

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Descripción/Contenidos

¿Fundamentos de Redes Inalámbricas¿, arranca con una revisión de las propiedades básicas y parámetros de antenas en transmisión y recepción como los diagramas de radiación, directividad, ganancia, eficiencia, impedancia, polarización, regiones de radiación, temperatura de ruido de antena, etc.

Se verán de manera descriptiva los tipos de antenas existentes en la actualidad y sus rangos de frecuencia y aplicaciones asociadas.

Posteriormente se procederá a la formulación de los conceptos necesarios para diseñar radioenlaces terrestres con los conceptos necesarios de propagación (reflexión, refracción y difracción en objetos que intervienen en el radioenlace), zonas de Fresnel, propagación en entornos complejos, espectro radioeléctrico, regulación y normativa.

La asignatura continuará con los principios de funcionamiento básicos de los sistemas de comunicaciones por satélite. En concreto se fundamentarán los principios físicos que gobiernan las órbitas, sus formas, periodos, leyes de Kepler, etc.; se analizan topologías y características especiales de los sistemas de comunicaciones por satélite, tanto del equipamiento terrestre como espacial.

Posteriormente se introducirá al alumno en los sistemas de comunicaciones inalámbricas más actuales; concretamente en las tecnologías basadas en el estándar IEEE 802.11 (Wi-Fi), 802.16 (WiMax) y similares (Bluetooth, ZigBee, UWB, RFID) que han conseguido unos altos niveles de implantación y penetración comercial, desbordando el ámbito de las aplicaciones y servicios para los que fueron inicialmente concebidas. Se revisará el estado actual de las redes de comunicaciones inalámbricas, y se analizarán los aspectos necesarios (técnicas, protocolos de acceso al medio, etc.) para el diseño y despliegue de este tipo de redes, requerimientos (tasa binaria, cobertura, consumo, QoS, etc.)

Por último, la asignatura terminará con un capítulo dedicado a las comunicaciones móviles celulares en el que se describirá el funcionamiento y las problemáticas asociadas a los sistemas móviles de comunicación en su concepción más general. Es destacable que la universalización que han alcanzado estos sistemas en la sociedad durante las últimas décadas, y su constante evolución tecnológica, obliga que este capítulo de la asignatura sea muy dinámico y adaptado permanentemente a constantes cambios. Se tratarán aspectos tales como la propagación en comunicaciones móviles, la caracterización del canal, los desvanecimientos, el dimensionamiento de celdas y reutilización de recursos, las relaciones cobertura/capacidad y se terminara con un repaso a los antiguos sistemas 2G (GSM/GPRS) y una introducción a los sistemas actuales 3G (UMTS/HSPA) y 4G (LTE), 5G y los sistemas futuros 6G.

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Competencias genéricas

G2. Trabajo en equipo
G3. Aprendizaje autónomo
G4. Eficacia en la comunicación oral y escrita con capacitación lingüística en inglés
G5. Eficacia en el manejo de recursos de información
G6. Compromiso ético y sostenibilidad
G7. Capacidad para concebir, diseñar, implementar y operar sistemas y servicios en el ámbito de las TIC.
CB2. Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio
CB3. Que los estudiantes tengan la capacidad de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética
CB4. Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado
CB5. Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía

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Competencias específicas

E1. Capacidad para construir, explotar y gestionar las redes, servicios, procesos y aplicaciones de telecomunicaciones, entendidas éstas como sistemas de captación, transporte, representación, procesado, almacenamiento, gestión y presentación de información multimedia, desde el punto de vista de los sistemas de transmisión.

E2. Capacidad para aplicar las técnicas en que se basan las redes, servicios y aplicaciones de telecomunicación tanto en entornos fijos como móviles, personales, locales o a gran distancia, con diferentes anchos de banda, incluyendo telefonía, radiodifusión, televisión y datos, desde el punto de vista de los sistemas de transmisión.

E3. Capacidad de análisis de componentes y sus especificaciones para sistemas de comunicaciones inalámbricas. 

E4. Capacidad para la selección de circuitos, subsistemas y sistemas de radiofrecuencia, microondas, radiodifusión, radioenlaces y radio-determinación. 

E5. Capacidad para la selección de antenas, equipos y sistemas de transmisión, propagación de ondas no guiadas, por medios electromagnéticos, de radiofrecuencia y la correspondiente gestión del espacio radioeléctrico y asignación de frecuencias.

Más en particular, la asignatura cubre los siguientes aspectos que son considerados básicos para el currículo de un Graduado en Ingeniería en Tecnologías de Telecomunicación. 

• Describir y explicar la función y parámetros principales de los componentes y subsistemas básicos de sistemas de comunicaciones vía radio.
• Explicar el funcionamiento, la arquitectura, la topología y los servicios de los distintos tipos de redes de comunicación vía radio (móviles, satélite¿) desde el punto de vista de los niveles inferiores del modelo OSI, particularmente del nivel físico.
• Explicar los mecanismos de degradación principales que afectan a la propagación de señales de radio, así como las técnicas que permiten mitigarlos.
• Explicar los conceptos de despliegue de redes inalámbricas, sus problemáticas y sus soluciones.
• Exponer ante un público especializado el diseño de una red sencilla vía radio, defendiendo las soluciones adoptadas (topología, componentes, etc.) con razonamientos técnicos y de mercado.
• Entender los parámetros fundamentales de las antenas como diagrama de radiación, directividad, ganancia, eficiencia, polarización, impedancia, área efectiva, etc. Fórmula de Friis en radioenlaces y radar. Temperatura de antena.
• Comprender el mecanismo de propagación. Comprender las condiciones especiales de las diferentes zonas de radiación. Asimilar el teorema de reciprocidad.
• Identificar las principales regulaciones aplicables al uso del espectro radioeléctrico y las entidades que lo regulan a nivel nacional e internacional.
• Comprender manuales y especificaciones de componentes, equipos y sistemas en inglés. Buscar información en libros y recursos on-line en inglés.
• Trabajar en grupo de forma efectiva, identificando los objetivos del grupo y planificando el trabajo para alcanzarlos, así como asumiendo las responsabilidades y compromisos asociados a la tarea asignada.
• Utilizar los recursos y servicios disponibles para ejecutar búsquedas simples de información. Clasificar y sintetizar la información recogida. Valorar la propiedad intelectual y citar adecuadamente las fuentes.
• Planificar las tareas recomendadas de forma que se realicen de acuerdo con las pautas marcadas por el profesor y en el tiempo previsto. Evaluar el grado de cumplimiento de los objetivos de aprendizaje y detectar problemas en el propio progreso formativo.
• Plantear y resolver problemas a partir de situaciones abiertas con requisitos incompletos.

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Resultados aprendizaje

Cuando termina la formación el estudiante es capaz de:

 

R1. Describir y explicar la función y parámetros principales de los componentes y subsistemas básicos de sistemas de comunicaciones vía radio.

R2. Explicar el funcionamiento, la arquitectura, la topología y los servicios de los distintos tipos de redes de comunicación vía radio (móviles, satélite,..) desde el punto de vista de los niveles inferiores del modelo OSI, particularmente del nivel físico.

R3. Explicar los mecanismos de degradación principales que afectan a la propagación de señales de radio, así como las técnicas que permiten mitigarlos.

R4. Identificar las principales técnicas de acceso múltiple empleadas en redes inalámbricas y determinar la más adecuada para una situación determinada.

R5. Explicar los conceptos de despliegue de redes inalámbricas, sus problemáticas y sus soluciones.

R6. Realizar diseños de redes inalámbricas sencillas en especial de redes de acceso.

R7. Exponer ante un público especializado el diseño de una red sencilla vía radio, defendiendo las soluciones adoptadas (topología, componentes, etc.) con razonamientos técnicos y de mercado.

R8. Identificar las principales regulaciones aplicables al uso del espectro radioeléctrico y las entidades que lo regulan a nivel nacional e internacional.

R9. Manejarse con los manuales y especificaciones de componentes, equipos y sistemas en inglés. Buscar información en libros y recursos on-line en inglés.

R10. Trabajar en grupo de forma efectiva, identificando los objetivos del grupo y planificando el trabajo para alcanzarlos, así como asumiendo las responsabilidades y compromisos asociados a la tarea asignada.

R11. Utilizar los recursos y servicios disponibles para ejecutar búsquedas simples de información. Clasificar y sintetizar la información recogida. Valorar la propiedad intelectual y citar adecuadamente las fuentes.

R12. Planificar las tareas recomendadas de forma que se realicen de acuerdo con las pautas marcadas por el profesor y en el tiempo previsto. Evaluar el grado de cumplimiento de los objetivos de aprendizaje y detectar problemas en el propio progreso formativo.

R13. Plantear y resolver problemas a partir de situaciones abiertas con requisitos incompletos.

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Metodología

Las clases expositivas/participativas serán más participativas que expositivas. Las clases teóricas se grabarán por adelantado y los estudiantes deberán ver videos antes de asistir a clases. De esta forma, las clases teóricas puras serán sustituidas por clases participativas donde se enfatizarán los detalles y se resolverán las dudas. Este método permitirá emplear más horas para ejercitar la resolución de problemas en el aula.

 

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Evaluación

 

Resultados de aprendizaje	Actividad de evaluación	Peso (%)	Carácter recuperable	Nota mínima requerida
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8	Examen final ordinario, prueba escrita que recoge los conceptos adquiridos en la totalidad de la asignatura	80 %	Si. Examen extraordinario	4 puntos sobre 10
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8	Examen final extraordinario, prueba escrita que recoge los conceptos adquiridos en la totalidad de la asignatura. Aquellos alumnos que quieran mejorar la calificación final pueden presentarse a subir nota, se conservará la nota más alta obtenida en los exámenes ordinario y extraordinario	80 %	No	4 puntos sobre 10
R9, R10, R11, R12, R13	Trabajo en grupo que resuelva un determinado proyecto de comunicaciones inalámbricas propuesto*	20 %	No	No
R9, R10, R12	Prácticas de laboratorio*	0 %	No	Es imprescindible para poder superar la asignatura haber asistido y realizado las prácticas de laboratorio correctamente

 

*El trabajo en grupo y las prácticas de laboratorio no pueden ser convalidados por haberlos hecho en años anteriores.

 

 

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Temario

Chapter 0: Introduction to the course on Wireless Network Fundamentals.

Contents:

0.1. Professor introduction.

0.2. Subject introduction.

0.2.1. General objectives of the subject.

0.2.2. Relation of the subject with other subjects in the Bachelor degree.

0.2.3. Agenda.

0.2.4. Subject planning.

0.2.5. Evaluation criteria.

0.2.6. Bibliography.

0.3. History of Electromagnetism and Telecommunications

0.4. Introduction to Wireless Communication Systems

Duración: 2 horas.

 

Chapter 1: Basic parameters of Antennas.

Contents:

1.1. Introduction, antenna definition.

1.2. Transmitting antenna parameters.

1.2.1. Impedance.

1.2.2. Fundamental parameters of radiation patterns.

1.2.3. Radiation intensity.

1.2.4. Directivity, gain and efficiency.

1.2.5. Bandwidth.

1.2.6. Polarization.

1.3. Receiving antenna parameters.

1.3.1. Impedance.

1.3.2. Effective area.

1.4. Friis transmission equation.

1.5. Reciprocity.

1.6. Antenna noise temperature.

1.7. Maxwell equations and general expression for the radiated fields.

1.8. Radiation regions (Fresnel and Fraunhofer regions).

1.9. Antenna types.

1.10. Exercises resolution.

Duración: 18 horas (3 horas de teoría, 15 horas de resolución de ejercicios)

 

Chapter 2: Terrestrial Radio Links.

Contents:

2.1. Free space and terrestrial environment propagation.

       2.1.1. Radioelectric spectrum.

       2.1.2. Methods and mechanisms of atmosphere propagation.

       2.1.3. Type of waves in the atmosphere.

2.2. Fundamentals of radio links and radio propagation.

2.2.1. Introduction.

2.2.2. Flat Earth reflection model.

2.2.3. Troposphere influence on propagation.

2.2.4. Curved Earth model.

2.2.5. Diffraction by obstacles.

2.2.6. Propagation by diffraction.

2.2.7. Attenuation and other effects of propagation in the atmosphere.

2.3. Terrestrial radio links.

      2.3.1. Radio link planning. Antenna height calculation.

      2.3.2. Diversity techniques.

      2.3.3. Basic configurations: block diagram.

2.4. Propagation in complex environments.

2.4.1. Introduction.

2.4.2. Empirical models for the mean value of propagation losses.

2.4.3. Statistical characterization of propagation losses.

2.4.4. Multichannel fast fading and diversity.

2.5. Exercises resolution.

Duración: 20 horas (4 horas de teoría, 16 horas de resolución de ejercicios)

  

Chapter 3: Satellite Communication Systems

Contents:

3.1. Introduction to satellite communications.

3.1.1. Introduction.

3.1.2. Historical perspective.

3.1.3. Space Services.

3.1.4. Features of a satellite link.

3.1.5. Configuration of a satellite communication system.

3.1.6. Organizations and operators.

3.2. Orbits and related issues.

3.2.1. Orbital mechanics.

3.2.2. Coordinate systems.

3.2.3. Orbit examples.

3.2.4. Orbit disturbances.

3.2.5. Eclipses and sun interferences.

3.2.6. Comparisons between types of orbits.

3.3. Design of satellite communication systems.

3.3.1. Frequencies.

3.3.1. Coverage footprint.

3.3.3. Power and noise profiles.

3.3.4. Space segment.

3.3.5. Ground segment.

3.4. Exercises resolution.

Duración: 9 horas (2 horas de teoría, 7 horas de resolución de ejercicios)

 

Chapter 4: Wireless Communications Systems WPAN, WLAN y WMAN

Contents:

4.1. WPAN standards (Wireless Personal Area Networks).

4.1.1. Bluetooth standard.

4.1.2. Zigbee standard (IEEE 802.15.4).

4.1.3. RFID standard.

4.1.4. NFC standard.

4.1.5. UWB standard.

4.2. WLAN standards (Wireless Local Area Networks).

4.2.1. 802.11 standard

4.3. WMAN standards (Wireless Metropolitan Area Networks).

4.3.1. 802.16 standard

4.4. Future trends in wireless networks.

Duración: 1 hora

 

Chapter 5: Cellular Communications Systems

Contents:

5.1. Principles of cellular mobile communications.

5.2. Propagation in mobile communications.

5.2.1. Channel characterization.

5.2.2. Propagation loss.

5.2.3. Empirical models for propagation losses.

5.2.4. Shadowing.

5.2.5. Short term fading.

5.3. Cellular Systems.

5.3.1. Cellular frequency reuse and capacity.

5.3.2. Cellular geometry study.

5.3.3. Co-channel interference.

5.3.4. Capacity increase.

5.3.5. Call forwarding (Hand-Off).

5.4. GSM/GPRS standards (2G)

5.5. UMTS/HSPA/LTE standards (3G/4G).

5.6. 5G technology.

5.7. On the verge of 6G, future of mobile networks.

Duración:  1 hora

 

 

 

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Programa de prácticas experimentales

Practice 1: Diffraction by Obstacles

P1.1. Fresnel zones.

P1.2. Diffraction over a single isolated obstacle: knife-edge.

Duración: 2 horas

 

Practice 2: Estimation of Coverage and Planning of DTT Reception in the Pamplona basin

P2.1. Objectives.

P2.2. What is it Radio Mobile?

P2.3. Installation and configuration of Radio Mobile.

P2.4. Practice development: Importing the map.

P2.5. Practice development: Configuration of our network.

P2.6. Practice development: Network Analysis.

P2.7. Exercises

Duración: 3 horas

 

Practice 3: Practical radiolink parameters and performance

P3.1. Equipment that composes a radiolink

P3.2. Performance of the radiolink at 38 GHz installed in the roof of Los Tejos building.

P3.3. Deployment of a 23 GHz radiolink in the laboratory.

P3.4. Performance of the 23 GHz radiolink depending of its parameters (ATPC and ACM)

Duración: 1 hora

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Bibliografía

Acceda a la bibliografía que el profesorado de la asignatura ha solicitado a la Biblioteca.

Bibliografía Básica:

1. Á. Cardama, L. Jofre, J. M. Rius, J. Romeu, S. Blanch, y M. Ferrando, "Antenas", Editorial UPC, 2ª edición, 2002.
2. C. A. Balanis, "Antenna Theory. Analysis and Design", 3^rd Edition, John Wiley & Sons, 2005.
3. José María Hernando Rábanos, Luis Mendo Tomás, José Manuel Riera Salís, "Transmisión por Radio", Editorial Universitaria Ramón Areces, 7ª edición, Madrid 2013
4. Recomendaciones de la ITU-R (Unión Internacional de Telecomunicaciones, sector de Radiocomunicaciones).
5. Gerard Maral y Michel Bousquet, "Satellite Communications Systems: Systems, Techniques and Technology", 5^th Edition, Wiley, 2009.
6. Theodore S. Rappaport. "Wireless Communications", 2^nd Edition, Prentice-Hall PTR, 2001.
7. Yang Xiao y Yi Pan, "Emerging Wireless LANs, Wireless PANs, and Wireless MANs", John Wiley & Sons, 2009.
8. Kaveh Pahlavan y Prashant Krishnamurthy. "Principles of Wireless Networks: A Unified Approach", Prentice-Hall, 2002.
9. P. Mohana Shankar, "Introduction to wireless systems", Wiley. 2002.
10. William C. Y. Lee, "Mobile Communications. Design Fundamentals",2^nd Edition, John Wiley & Sons. 1993.

 

Bibliografía Complementaria:

1. R. E. Collin, "Antennas and Radiowave propagation", McGraw-Hill, 1985.
2. William H. Hyat y John A. Back, "Teoría Electromagnética", Ed Mc Graw-Hill.
3. Gerard Barue, "Microwave Engineering: Land and Space Radiocommunications", Ed. Wiley, 2008.
4. Roger L. Freeman, "Radio System Design for Telecommunications", Ed. Wiley, 1997.
5. R. C. Johnson, and H. Jasik, "Antenna Engineering Handbook", 3^rd Edition, Mc¿Graw-Hill Professional Publishing, 1992.
6. J. D. Kraus, "Antennas", 2^nd Edition, Mac-Graw-Hill, 1988.
7. S. Drabowitch, A. Papiernik, H. Griffiths, J. Encinas, and B. L. Smith, "Modern Antennas", Chapman & hall, 1998.
8. R. S. Elliot, "Antenna Theory and Design, Revised Edition", Wiley, 2003.
9. Sophocles J. Orfanidis, "Electromagnetics Waves and Antennas", available online at: http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/
10. Dennis Roddy, "Satellite Communications", 2^nd Edition, McGraw Hill. 1995.
11. K. Fazel and S. Kaiser, "Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems", 2^nd Edition, Wiley, 2008.
12. Kaveh Pahlavan and Prashant Krishnamurthy. "Wireless Information Networks", Wiley, 2005.
13. R.A. Dayem. "Mobile Data and Wireless LAN technologies", Prentice Hall, 1997.
14. David Roldán. "Comunicaciones inalámbricas: un enfoque aplicado", Editorial Ra-Ma, 2004.
15. H. Vincent Poor, Gregory W. Wornell, editors, "Wireless Communications: Signal Processing Perspectives", Prentice-Hall PTR, 1998.
16. http://www.ieee802.org/
17. G. Riva, F. Vatalaro, F. Davide and M. Alcañiz. "Ambient Intelligence", IOS Press, 2005. http://www.emergingcommunication.com
18. Harri Holma and Antti Toskala, "WCDMA for UMTS", 3^rd Edition, John Wiley & Sons. 2004.

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Idiomas

La asignatura se imparte en castellano, pero prácticamente todo el material que se usa (presentaciones de teoría, guiones de prácticas, software que se usa en prácticas, etc.) y la mayor parte de la bibliografía, están en inglés, por lo que es muy recomendable un buen conocimiento del inglés para manejarse. Asignatura del tipo: "English friendly".

 

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Lugar de impartición

Aula asignada, las practicas serán impartidas en el Laboratorio "Luis Mercader" de Antenas y Microondas.

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