Estudio y Simulacion Con Matlab de Interfaz de Radio Gsm Memoria de Titulo u Granada

UNIVERSIDAD DE GRANADA

ESTUDIOS DE INGENIERA ELECTRNICA

ESTUDIO Y SIMULACIN CON MATLAB DE LA INTERFAZ

DE RADIO DE GSM

REALIZADO POR:

RAFAEL CASAAS VILA

DIRIGIDO POR:

JOS LUS PREZ CRDOBA

DEPARTAMENTO:

ELECTRNICA Y TECNOLOGA DE COMPUTADORES

PALABRAS CLAVE: Sistemas Celulares, GSM, Arquitectura de Red GSM, Interfaz de

Radio, Codificacin de la Fuente, Codificacin del Canal, Cdigos Cclicos, Cdigos

Convolucionales, Modulacin Digital GMSK, Algoritmo de Viterbi.

RESUMEN: Con el presente trabajo se trata de tener una visin general de los sistemas

de telefona celulares y en particular de estndar GSM. Se va a profundizar en la Interfaz

de Radio de GSM fijndonos en las tcnicas especiales del procesado de voz, as como

de los sistemas de codificacin utilizados en GSM. Finalmente se realizarn algunas

simulaciones con el programa MATLAB, para ver implementadas algunos de los puntos

tratados en el trabajo.

Trabajo Final de Carrera

Rafael Casaas vila

Estudio y Simulacin con Matlab de

la Interfaz de radio de GSM

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INDICE

I.- ESPECIFICACIONES DEL PROYECTO

1.- MOTIVACIN ...................................................................................................

5

2.- OJETIVOS ..........................................................................................................

5

II.- DESARROLLO DEL PROYECTO

1.- Introduccin ........................................................................................................

6

1.1.- GSM: el nacimiento de un estndar ............................................................

6

1.2.- Elecciones Tcnicas ....................................................................................

8

1.3.- Nacida digital ..............................................................................................

10

2.- Sistemas Celulares ..............................................................................................

12

2.1.- Introduccin a los sistemas celulares ..........................................................

12

2.2.- Reutilizacin de frecuencias ........................................................................

14

2.3.- Estrategias de asignacin de canales ..........................................................

16

2.4.- Gestin de la interfaz de radio ....................................................................

17

2.5.- Consecuencias de la movilidad ..................................................................

18

2.5.1.- Gestin de la localizacin ...................................................................

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2.5.2.- Handover (funcin de traspaso) ..........................................................

20

2.6.- Roaming (funcin de seguimiento) ............................................................

22

2.7.- Interferencias y capacidad del sistema .......................................................

23

2.7.1.- Interferencia co-canal y capacidad del sistema .................................. 24

2.7.2.- Interferencia entre canales adyacentes ............................................... 26

2.7.3.- Control de Potencia para reducir las Interferencias ........................... 27

2.8.- Divisin de celdas (cell-splitting) .............................................................. 27

3.- Arquitectura de red en GSM ...................................................................................

29

3.1.- Introduccin a la arquitectura de red celular .................................................. 29

3.2.- Organizacin interna de GSM .........................................................................

31

3.3.- Subsistemas en GSM .......................................................................................

32

3.3.1.- La Estacin Mvil (MS) ...........................................................................

32

3.3.2.- El Subsistema de la Estacin Base (BSS) ................................................

33

3.3.3.- El Subsistema de Red (NSS) ....................................................................

36

3.3.4.- El Centro de Operaciones y Mantenimiento (OSS) ................................. 39

4.- La Interfaz de Radio ................................................................................................

39

4.1.- Introduccin .....................................................................................................

39

4.2.- Acceso a sistemas truncados ............................................................................

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4.2.1.- Acceso Mltiple por Divisin en Frecuencia (FDMA) ............................

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4.2.2.- Acceso Mltiple por Divisin en el Tiempo (TDMA) ............................ 41

4.2.3.- Acceso Mltiple por divisin del Espacio (SDMA) ................................

42

4.2.4.- Acceso Mltiple por Divisin de la Codificacin (CDMA) ..................... 42

4.2.5.- Acceso Mltiple por Saltos de Frecuencia (FHMA) .................................

45

4.2.6.- Operaciones Dplex ..................................................................................

45

4.2.6.1.- Dplex por divisin en Frecuencia (FDD) ........................................

46

4.2.6.2.- Dplex por Divisin en el Tiempo (TDD) ........................................

46

4.3.- El Canal de Radio .............................................................................................

46

4.3.1.- Caractersticas del Canal de Radio ...........................................................

46

4.3.2.- Condiciones Estticas ...............................................................................

47

4.3.3.- Condiciones Dinmicas ............................................................................

47

4.4.- Frecuencias y Canales Lgicos .........................................................................

49

4.4.1.- Canales de Trfico ....................................................................................

52

4.4.2.- Canales de Control ....................................................................................

54

4.4.2.1.- Canales Broadcast (BCH) .................................................................

55


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4.4.2.2.- Canales de Control Comunes (CCCH) .............................................

57

4.4.2.3.- Canales de Control Dedicados (DCCH) ...........................................

58

4.5.- Ejemplo de una llamada GSM .........................................................................

60

4.6.- Estructura de las tramas en GSM .....................................................................

62

5.- Procesado de Seal en GSM ....................................................................................

65

5.1.- Introduccin .....................................................................................................

65

5.2.- Codificacin de la fuente .................................................................................

65

5.2.1.- Requisitos para la codificacin de la voz en GSM .................................. 66

5.2.2.- Funcionamiento de la codificacin - descodificacin de la voz .............. 67

5.2.3.- Codificacin por Prediccin Lineal (LPC) y Anlisis por

Excitacin de Pulsos Regulares (RPE) ....................................................

69

5.2.4.- Anlisis por Prediccin de Periodo Largo (LTP) .....................................

71

5.2.5.- Transmisin Discontinua .........................................................................

72

5.3.- Codificacin del Canal ....................................................................................

75

5.3.1.- Introduccin a la codificacin del canal .................................................. 75

5.3.1.1- Chequeo de Redundancia Cclica (CRC) ......................................... 77

5.3.1.2- Cdigos Convolucionales .................................................................

79

5.3.1.3.- Descodificacin de cdigos convolucionales de mxima

probabilidad. El Algoritmo de Viterbi ............................................. 88


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5.3.1.4.- Entrelazado ("Interleaving") ............................................................

91

5.3.2.- Codificacin del Canal en GSM ..............................................................

91

5.3.2.1.- CRC en GSM ...................................................................................

91

5.3.2.2.- Cdigo convolucional en GSM ........................................................

92

5.3.2.3.- "Interleaving" en GSM .....................................................................

95

5.4.- Modulacin Digital en GSM ...........................................................................

96

5.4.1.- Modulacin MSK (Minimum Shift Keying) ........................................... 96

5.4.2.- Modulacin GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) ......................... 99

6.- Simulaciones con Matlab ......................................................................................

106

6.1.- Introduccin ...................................................................................................

106

6.2.- Codificacin de la fuente ...............................................................................

106

6.3.- Codificacin del canal ...................................................................................

109

6.4.- Modulacin digital ........................................................................................

111

6.5.- Demodulacin y Descodificacin .................................................................

117

6.6.- Resultados de las Simulaciones ....................................................................

122

III.- RESUMEN, CONCLUSIONES .........................................................................

125


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IV.- BIBLIOGRAFA .................................................................................................

127

V.- APENDICES.........................................................................................................

129

Apndice 1.- Uso del programa de codificacin "TOAST" .................................. 129

Apndice 2.- Programas en Matlab ......................................................................

136

Apndice 3.- Acrnimos y Abreviaturas .............................................................. 155


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I.- ESPECIFICACIONES DEL PROYECTO

1.- Motivacin

La realizacin de dicho trabajo surge como una propuesta de D. Jos Lus Prez Crdoba, Profesor Titular del Departamento de Electrnica y Tecnologa de Computadores de la Universidad de Granada, para la realizacin del Trabajo Final de Carrera de los estudios de Ingeniera Electrnica del alumno Rafael Casaas vila. Se decidi realizar este trabajo, por la gran importancia que han adquirido en nuestros das las comunicaciones mviles en general, y en particular el estndar GSM.

2.- Objetivos

Con este trabajo se pretende tener una visin general de las comunicaciones mviles terrestres, explicando cada uno de los conceptos fundamentales de la telefona inalmbrica. Una vez introducidos en la telefona celular, se explicar a grandes rasgos el estndar de comunicaciones mviles GSM, y posteriormente se profundizar en el estudio de su interfaz de radio, tratando de comprender tanto el canal de radio, como los mtodos de comunicacin de esta interfaz. Finalmente, se van a realizar algunas simulaciones con el programa Matlab, en las que se podrn apreciar mejor los conceptos explicados durante el desarrollo de este trabajo.


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II.- Desarrollo del Proyecto

1.- Introduccin

1.1.- GSM: el Nacimiento de un estndar

Desde el principio de los 80, despus de que el NMT ("Nordic Mobile Telephone"), sistema de telefona mvil analgico de cobertura escandinava, funcionara con xito, fue obvio para varios pases europeos que los sistemas analgicos existentes, tenan limitaciones [3]. Primero, la potencial demanda de servicios mviles fue mayor de la capacidad esperada de las existentes redes analgicas. Segundo, las diferentes formas de operacin no ofrecan compatibilidad para los usuarios de mviles: un terminal TACS (servicio de telefona mvil analgico puesto en funcionamiento en el Reino Unido en 1985) no poda acceder dentro de una red NMT, y viceversa. Adems, el diseo de un nuevo sistema de telefona celular requiere tal cantidad de investigacin que ningn pas europeo poda afrontarlo de forma individual. Todas estas circunstancias apuntaron hacia el diseo de un nuevo sistema, hecho en comn entre varios pases.

El principal requisito previo para un sistema de radio comn, es el ancho de banda de radio. Esta condicin haba sido ya prevista unos pocos aos antes, en 1978, cuando se

decidi reservar la banda de frecuencia de 900 25 MHz para comunicaciones mviles en Europa.

Este problema fue el mayor obstculo solucionado. Quedaba organizar el trabajo. El mundo de la telecomunicacin en Europa, siempre haba estado regido por la estandarizacin. El CEPT ("Confrence Europene des


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Postes et Tlcommunications") es una organizacin para la estandarizacin presente en ms de 20 pases europeos. Todos estos factores, llevaron a la creacin en 1982 de un nuevo cuerpo de estandarizacin dentro del CEPT, cuya tarea era especificar un nico sistema de radiocomunicaciones para Europa a 900 MHz. El recin Nacido "Groupe Spcial Mobile" (GSM) tuvo su primer encuentro en Diciembre de 1982 en Estocolmo, bajo la presidencia de Thomas Haug de la administracin sueca. Treinta y una personas de once pases estuvieron presentes en este primer encuentro. En 1990, por requerimiento del Reino Unido, se aadi al grupo de estandarizacin la especificacin de una versin de GSM a

la banda de frecuencia de 1800 75 MHz. A esta variante se

le llam DCS1800 ("Digital Cellular System 1800"). El significado actual de las siglas GSM se ha cambiado y en la actualidad se hacen corresponder con "Global System for Mobile communications".

La elaboracin del estndar GSM llev casi una dcada. Las principales metas alcanzadas a lo largo de esta dcada, se muestran en la tabla 1.1.

Fecha Logros

1982 Se crea el "Grupo Especial Mvil" dentro del CEPT

1986 Se crea un Ncleo Permanente

1987 Se escogen las principales tcnicas de transmisin de radio basadas en la evaluacin de un prototipo

1989 GSM se convierte en un comit tcnico del ETSI

1990 La fase 1 de las especificaciones del GSM900 se finalizan Se comienza con el estndar DCS1800

1991 Comienzan a funcionar los primeros sistemas (Telecom 91 de exhibicin)

1992 La mayora del los operadores europeos de GSM900 comienzan las operaciones comerciales

Tabla 1.1


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1.2.- Elecciones Tcnicas

Algunos de los propsitos del sistema estaban claros desde el principio: uno de ellos era que el sistema deba permitir la libre circulacin de los abonados en Europa ("roaming"). Prcticamente hablando, esto significa que un abonado de una determinada red nacional pueda acceder a todos los servicios cuando viaja entre varios pases. La propia estacin mvil GSM debe permitir al usuario el llamar o ser llamado donde quiera que se encuentre dentro del rea internacional de cobertura.

Estaba claro tambin que la capacidad ofrecida por el sistema debera ser mejor que las existentes redes analgicas.

En 1982, los requerimientos bsicos para GSM, estaban establecidos. stos fueros revisados ligeramente en 1985, quedando establecidos principalmente como siguen:

Servicios:

- El sistema ser diseado de forma que las estaciones mviles se puedan usar en todos los pases participantes. - El sistema debe permitir una mxima flexibilidad para otros tipos de servicios, p. ej. los servicios relacionados con la RDSI (Red Digital de Servicios Integrados. - Los servicios ofrecidos en las redes PSTN ("Public Switching Telephone Network") e ISDN ("Integrated Services Digital Networw"), as como otras redes pblicas deben ser posibles, en la medida de las posibilidades, en el sistema mvil. - Debe ser posible la utilizacin de las estaciones mviles pertenecientes al sistema a bordo de barcos, como extensin


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del servicio mvil terrestre. Se debe prohibir el uso aeronutico de las estaciones mviles GSM. - En lo referente a las estaciones, a parte de las montadas en vehculos, el sistema debe ser capaz de suministrar estaciones de mano as como otras categoras de estaciones mviles.

Calidad de los servicios y seguridad:

- Desde el punto de vista del abonado, la calidad de voz telefnica en el sistema GSM debe ser al menos tan buena como la que tena la primera generacin de sistemas analgicos a 900 MHz. - El sistema debe ser capaz de ofrecer encriptacin de la informacin del usuario pero debe permitir la posibilidad de que esto no influya en el coste de aquellos abonados que no requieran este servicio.

Utilizacin de la radio frecuencia:

- El sistema permitir un gran nivel de eficiencia espectral as como la posibilidad de servicios para el abonado a un coste razonable, teniendo en cuenta tanto las reas urbanas como rurales y el desarrollo de nuevos servicios. - El sistema permitir la operacin en el rango de frecuencias comprendido entre los 890-915 MHz y entre los 935-960 MHz.

- El nuevo sistema de 900 MHz para comunicaciones mviles del CEPT, debe coexistir con los anteriores sistemas en la misma banda de frecuencias.


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Aspectos de Red:

- El plan de identificacin debe estar basado en la recomendacin correspondiente del CCITT (Comit Consultivo Internacional de Telecomunicaciones). - La numeracin del plan estar basada en la recomendacin correspondiente del CCITT. - El diseo del sistema debe permitir diferentes estructuras de carga y velocidades para su utilizacin en diferentes redes. - Para la interconexin de los centros de conmutacin y los registros de localizacin, se usar un sistema de sealizacin internacionalmente estandarizado. - No se debe requerir ninguna modificacin significativa de las redes pblicas fijas. - El sistema GSM debe habilitar la implementacin de la cobertura comn de las redes pblicas mviles terrestres ( "Pblic Land Mobile Network" PLMN). - La proteccin de la informacin y el control de la informacin de la red debe ser proporcionada por el sistema.

Aspectos de costes:

- Los parmetros del sistema deben ser escogidos teniendo en cuenta un coste lmite del sistema completo, principalmente el de las unidades mviles.

1.3.- Nacida Digital

Desde el principio qued claro, de forma extraoficial, que el sistema deba estar basado en una transmisin digital, y que la voz debera estar representada por una cadena digital a una velocidad de 16 kbps. La decisin oficial, sin embargo, no fue tomada hasta 1987.


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Desde 1984 hasta 1986, el GSM se encarg de comparar las diferentes posibilidades tcnicas para la transmisin (digital o analgica), en particular en sus respectivas eficiencias espectrales (cul aprovechaba mejor el espectro de frecuencias). Se decidi comparar varias propuestas tcnicas de prototipos permitidos en la actual transmisin de radio. En 1985, las administraciones francesas y alemanas de Correos y Telgrafos unieron sus esfuerzos para realizar cuatro estudios que condujeran a otros tantos prototipos. El testeo comparativo de ocho prototipos, incluyendo estos cuatro ms los cuatro prototipos Escandinavos, se realiz en Diciembre de 1986 en los laboratorios del CNET ("Centre National d'Etudes des Tlcommunications") cerca de Pars, bajo el control del Ncleo Permanente. Todos estos prototipos hicieron uso de la transmisin digital, y la mayora fueron propuestos por compaas de telfonos.

Los resultados de las comparaciones se publicaron a comienzos de 1987. Hubo grandes discusiones sobre el modelo que iba a ser escogido, debido a que poda afectar al prestigio de la empresa que lo propuso. Slo se decidieron las caractersticas del mtodo de transmisin. stas fueron las siguientes:

Tamao medio de la banda de transmisin (200 KHz de separacin de portadoras), en comparacin con los sistemas de banda estrecha (12,5 25 KHz que existan en los sistemas analgicos) o con los sistemas de banda ancha (uno de los candidatos propuso una separacin de portadoras de 6 MHz);

Transmisin digital de voz a una velocidad no superior a 16 kbps;


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Multiplexacin en el tiempo de orden 8, con una evolucin en el futuro hacia la multiplexacin de orden 16 cuando se defina un codificador de voz a la mitad de velocidad;

"Hopping" de frecuencias lento. El "hopping", consiste en cambiar la frecuencia usada por un canal a intervalos regulares de tiempo. En GSM la frecuencia de transmisin permanece constante durante la transmisin de una trama completa. Esta tcnica procede de los sistemas de transmisin militares, y se decidi incluirla en las principales caractersticas de la transmisin de radio de GSM, adems de utilizarla por motivos de seguridad, tambin para conseguir una mayor diversidad de frecuencias, y para paliar los efectos de los desvanecimientos de tipo Rayleigh.

2.- Sistemas Celulares

En este apartado, vamos a repasar alguno de los conceptos fundamentales dentro de los sistemas celulares que no solo son propios de GSM, sino que sirven para cualquier sistema de comunicacin moderno inalmbrico.

2.1 Introduccin a los sistemas celulares

El concepto de sistema celular [1] fue un gran avance en la resolucin del problema de la congestin espectral y de la capacidad del usuario. ste ofreca una gran capacidad en una localizacin limitada del espectro sin grandes cambios tecnolgicos. La idea de un sistema celular consiste en un sistema basado en varios niveles de celdas: un transmisor de gran potencia (celda grande) con muchos transmisores de baja potencia (celdas pequeas) (Ver Figura 1), cada una proporcionando cobertura a slo una pequea porcin del rea de servicio. A cada estacin base se le asigna una porcin del nmero total de canales disponibles


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en el sistema completo, y a las estaciones base cercanas se les asignan diferentes grupos de canales de forma que los canales disponibles son asignados en un nmero relativamente pequeo de estaciones base vecinas. A las estaciones base vecinas se les asigna diferentes grupos de canales de forma que las interferencias entre las estaciones base (y entre los usuarios mviles bajo su control) se reducen. Espaciando sistemticamente las estaciones base y sus grupos de canales a travs de un mercado, los canales disponibles se distribuyen a travs de una regin y pueden ser reutilizadas tantas veces como sea necesario, siempre que la interferencia entre estaciones con el mismo canal se mantenga por debajo de unos niveles aceptables.

Figura 1.- Ejemplo de un sistema celular

Conforme crece la demanda de servicios, se debe incrementar el numero de estaciones base, proporcionando una capacidad de radio adicional sin incremento del espectro de radio. Este principio es el fundamento de todos los modernos sistemas de comunicaciones inalmbricos, y en particular de GSM.

2.2.- Reutilizacin de frecuencias


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Los sistemas de radio celulares se basan en la colocacin inteligente as como de la reutilizacin de los canales a travs de una regin de cobertura. Al proceso de diseo de seleccionar y colocar grupos de canales en todas las estaciones base dentro de un sistema, se le llama

reutilizacin de frecuencias o planificacin de frecuencias.

Figura 2.- Reutilizacin de frecuencias

La Figura 2 ilustra el concepto de reutilizacin de frecuencias, donde las celdas con la misma letra utilizan el mismo grupo de canales. La forma hexagonal de la celda mostrada en la figura es conceptual y es un modelo simple de la cobertura de radio para cada estacin base, pero ha sido universalmente adoptado dado que el hexgono permite un anlisis fcil y manejable de un sistema celular. La cobertura real de una celda se conoce como huella

("footprint") y se determina de los modelos de campo o de los modelos de prediccin de la propagacin.


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Cuando usamos hexgonos para modelar las reas de cobertura, los transmisores de las estaciones base pueden estar bien en el centro de las celdas o bien en tres de las esquinas de las seis de las celdas. Normalmente las antenas omni-direcionales se suelen colocar en el centro de las celdas, y las antenas de direccin selectiva se suelen colocar en las esquinas de las celdas.

Para comprender el concepto de reutilizacin de frecuencia, consideremos un sistema celular que tenga un

total de S canales dplex disponibles para su utilizacin. Si a cada celda se le colocan un grupo de k canales (k


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deseable usar el valor ms pequeo de N posible, para maximizar la capacidad dentro de un rea de cobertura.

2.3.- Estrategias de Asignacin de canales

Para la utilizacin eficiente del espectro de radio, se requiere un sistema de reutilizacin de frecuencias que aumente la capacidad y minimice las interferencias. Se han desarrollado una gran variedad de estrategias de asignacin de canales para llevar a cabo estos objetivos. Las estrategias de asignacin de canales se pueden clasificar en fijas o dinmicas. La eleccin de la estrategia de asignacin de canales va a imponer las caractersticas del sistema, particularmente, en cmo se gestionan las llamadas cuando un usuario pasa de una celda a otra (handover).

En una estrategia de asignacin de canales fija, a cada celda se le asigna un conjunto predeterminado de canales. Cualquier llamada producida dentro de la celda, slo puede ser servida por los canales inutilizados dentro de esa celda en particular. Si todos los canales de esa celda estn ocupados, la llamada se bloquea y el usuario no recibe servicio. Existen algunas variantes de sta estrategia. Una de ellas permite que una celda vecina le preste canales si tiene todos sus canales ocupados. El Centro de Conmutacin Mvil ("Mobile Switching Center" MSC) supervisa que estos mecanismos de presta no interfieran ninguna de las llamadas en progreso de la celda donadora.

En una estrategia de asignacin de canales dinmica, los canales no se colocan en diferentes celdas permanentemente. En su lugar, cada vez que se produce un requerimiento de llamada la estacin base servidora pide un canal al MSC. ste entonces coloca un canal en la celda que


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lo pidi siguiendo un algoritmo que tiene en cuenta diversos factores como son la frecuencia del canal a pasar, su distancia de reutilizacin, y otras funciones de coste.

Las estrategias de asignacin dinmicas aumentan las prestaciones del sistema, pero requieren por parte del MSC una gran cantidad de cmputo en tiempo real.

2.4.- Gestin de la interfaz de radio

Dado que el nmero de canales de radio es mucho menor que el nmero total de usuarios potenciales, los canales bidireccionales slo se asignan si se necesitan. Esta es la principal diferencia con la telefona estndar, donde cada terminal est continuamente unido a un conmutador haya o no haya llamada en progreso.

En una red mvil como GSM, los canales de radio se asignan dinmicamente. En GSM, as como en otros sistemas de telefona celular, el usuario que est en espera permanece atento a las posibles llamadas que se puedan producir escuchando un canal especfico. Este canal transporta mensajes llamados mensajes de bsqueda ("paging messages"): su funcin es la de advertir que un usuario mvil est siendo llamado. Este canal es emitido en todas las celdas, y el problema de la red es determinar en qu celdas llamar a un mvil cuando se le necesite.

El establecimiento de cualquier llamada, ya sea el mvil origen o destino de la llamada, requiere medios especficos por los cuales la estacin mvil pueda acceder al sistema para obtener un canal. En GSM, este procedimiento de acceso se realiza sobre un canal especfico del mvil a la base. Este canal, que enva adems de otra informacin, los mensajes de bsqueda, es


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conocido en GSM como canal comn dado que lleva informacin hacia y desde el mvil al mismo tiempo. Los canales asignados durante un periodo de tiempo a un mvil se les llaman canales dedicados. Basados en esta distincin se pueden definir dos macro-estados:

modo desocupado ("idle"), en el que el mvil escucha; la estacin mvil no tiene ningn canal para s misma.

modo dedicado, en el que se asigna un canal bidireccional a la estacin mvil para sus necesidades de comunicacin, permitindole a ste intercambiar informacin punto a punto en ambas direcciones.

El procedimiento de acceso es una funcin particular que permite a la estacin mvil alcanzar el modo dedicado desde el "idle".

2.5.- Consecuencias de la movilidad

2.5.1.- Gestin de la localizacin

La movilidad de los usuarios en un sistema celular es la fuente de mayores diferencias con la telefona fija, en particular con las llamadas recibidas. Una red puede encaminar una llamada hacia un usuario fijo simplemente sabiendo su direccin de red (p. ej. su nmero de telfono), dado que el conmutador local, al cual se conecta directamente la lnea del abonado, no cambia. Sin embargo en un sistema celular la celda en la que se debe establecer el contacto con el usuario cambia cuando ste se mueve. Para recibir llamadas, primero se debe localizar al usuario mvil, y despus el sistema debe determinar en qu celda est actualmente.


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En la prctica se usan tres mtodos diferentes para tener este conocimiento. En el primer mtodo, la estacin mvil indica cada cambio de celda a la red. Se le llama actualizacin sistemtica de la localizacin al nivel de celda. Cuando llega una llamada, se necesita enviar un

mensaje de bsqueda slo a la celda donde est el mvil, ya que sta es conocida. Un segundo mtodo sera enviar un mensaje de pgina a todas las celdas de la red cuando llega una llamada, evitndonos as la necesidad de que el mvil est continuamente avisando a la red de su posicin. El tercer mtodo es un compromiso entre los dos primeros introduciendo el concepto de rea de localizacin. Un rea de localizacin es un grupo de celdas, cada una de ellas pertenecientes a un rea de localizacin simple. La identidad del rea de localizacin a la que una celda pertenece se les enva a travs de un canal de difusin ("broadcast"), permitiendo a las estaciones mviles saber el rea de localizacin en la que estn en cada momento. Cuando una estacin mvil cambia de celda se pueden dar dos casos:

ambas celdas estn en la misma rea de localizacin: la estacin mvil no enva ninguna informacin a la red.

las celdas pertenecen a diferentes reas de localizacin: la estacin mvil informa a la red de su cambio de rea de localizacin.

Cuando llega una llamada solamente se necesita enviar un mensaje a aquellas celdas que pertenecen al rea de localizacin que se actualiz la ltima vez. GSM realiza ste mtodo.

2.5.2.- Handover (funcin de traspaso)


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En el apartado anterior se trataron las consecuencias de la movilidad en el modo idle. En el modo dedicado, y en particular cuando una llamada est en progreso, la movilidad del usuario puede inducir a la necesidad de cambiar de celda servidora, en particular cuando la calidad de la transmisin cae por debajo de un umbral. Con un sistema basado en clulas grandes, la probabilidad de que ocurra esto es pequea y la prdida de una llamada podra ser aceptable. Sin embargo, si queremos lograr grandes capacidades tenemos que reducir el tamao de la celda, con lo que el mantenimiento de las llamadas es una tarea esencial para evitar un alto grado de insatisfaccin en los abonados.

Figura 3.- Gestin del "handover" ("handoff")


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Al proceso de la transferencia automtica de una comunicacin (de voz o datos) en progreso de una celda a otra para evitar los efectos adversos de los movimientos del usuario se le llama "handover" (o "handoff"). Este proceso requiere primero algunos medios para detectar la necesidad de cambiar de celda mientras estamos en el modo dedicado (preparacin del handover), y despus se requieren los medios para conmutar una comunicacin de un canal en una celda dada a otro canal en otra celda, de una forma que no sea apreciable por el usuario (Ver Figura 3).


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2.6.- "Roaming" (funcin de seguimiento)

En los sistemas de telecomunicaciones accedidos a travs de un enlace fijo, la eleccin de qu red proporciona el servicio est hecha desde el principio. Cuando se introduce la movilidad, todo cambia. Diferentes servidores pueden proporcionar servicio a un usuario dado dependiendo de dnde est. Cuando cooperan diferentes operadores de red, pueden usar esta posibilidad para ofrecer a sus abonados un rea de cobertura mucho mayor que cualquiera de ellos pudiera ofrecer por s mismo. A esto es a lo que se llama "roaming", y es una de las caractersticas principales de la red pan-europea GSM.

El roaming se puede proporcionar slo si se dan una serie de acuerdos administrativos y tcnicos. Desde el punto de vista administrativo, se deben resolver entre los diferentes operadores cosas tales como las tarifas, acuerdos de abonados, etc.. La libre circulacin de las estaciones mviles tambin requiere de cuerpos reguladores que convengan el reconocimiento mutuo de los tipos de convenios. Desde el punto de vista tcnico, algunas cosas son una consecuencia de problemas administrativos, como las tarifas de la transferencia de llamadas o la informacin de los abonados entre las redes. Otras se necesitan para poder realizar el "roaming", como son la transferencia de los datos de localizacin entre redes, o la existencia de una interfaz de acceso comn.

Este ltimo punto es probablemente el ms importante. ste hace que el abonado deba tener un accesorio simple del equipo que lo habilite para acceder a las diferentes redes. Para hacer esto posible, se ha especificado una interfaz de radio comn de forma que el usuario pueda acceder a todas las redes con la misma estacin mvil.


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2.7.- Interferencias y Capacidad del Sistema

La interferencia es el principal factor que limita el desarrollo de los sistemas celulares. Las fuentes de interferencias incluyen a otras estaciones mviles dentro de la misma celda, o cualquier sistema no celular que de forma inadvertida introduce energa dentro de la banda de frecuencia del sistema celular. Las interferencias en los

canales de voz causan el "cross-talk", consistente en que el abonado escucha interferencias de fondo debidas a una transmisin no deseada. Sobre los canales de control, las interferencias conducen a llamadas perdidas o bloqueadas debido a errores en la sealizacin digital. Las interferencias son ms fuertes en las reas urbanas, debido al mayor ruido de radio frecuencia y al gran nmero de estaciones base y mviles. Las interferencias son las responsables de formar un cuello de botella en la capacidad y de la mayora de las llamadas entrecortadas. Los dos tipos principales de interferencias generadas por sistemas son las interferencias co-canal y las interferencias entre canales adyacentes. Aunque las seales de interferencia se generan frecuentemente dentro del sistema celular, son difciles de controlar en la prctica (debido a los efectos de propagacin aleatoria). Pero las interferencias ms difciles de controlar son las debidas a otros usuarios de fuera de la banda (de otros sistemas celulares, por ejemplo), que llegan sin avisar debido a los productos de intermodulacin intermitentes o a sobrecarcas del terminal de otro abonado. En la prctica, los transmisores de portadoras de sistemas celulares de la competencia, son frecuentemente una fuente significativa de interferencias de fuera de banda, dado que la competencia frecuentemente coloca sus estaciones base cerca, para proporcionar una cobertura comparable a sus abonados.


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2.7.1.- Interferencia co-canal y Capacidad del Sistema

La reutilizacin de frecuencias implica que en un rea de cobertura dada haya varias celdas que usen el mismo

conjunto de frecuencias. Estas celdas son llamadas celdas co-canales, y la interferencia entre las seales de estas

celdas se le llama interferencia co-canal. Al contrario que el ruido trmico, que se puede superar incrementando la relacin seal ruido ("Signal to Noise Ratio" SNR), la interferencia co-canal no se puede combatir simplemente incrementando la potencia de portadora de un transmisor. Esto es debido a que un incremento en la potencia de portadora de transmisin de una celda, incrementa la interferencia hacia las celdas co-canales vecinas. Para reducir la interferencia co-canal las celdas co-canales deben estar fsicamente separadas por una distancia mnima que proporcione el suficiente aislamiento debido a las prdidas en la propagacin.

En un sistema celular, cuando el tamao de cada celda es aproximadamente el mismo, la interferencia co-canal es aproximadamente independiente de la potencia de transmisin y se convierte en una funcin del radio de la celda (R), y de la distancia al centro de la celda co-canal ms prxima (D). Incrementando la relacin D/R, se incrementa la separacin entre celdas co-canales relativa a la distancia de cobertura. El parmetro Q, llamado factor de reutilizacin co-canal, est relacionado con el tamao del cluster N. Para una geometra hexagonal sera

Q

D

R

N= = 3


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Un valor pequeo de Q proporciona una mayor capacidad dado que el tamao del cluster N es pequeo, mientras que un valor de Q grande mejora la calidad de la transmisin, debido a que es menor la interferencia co-canal. Se debe llegar a un compromiso entre estos dos objetivos a la hora del diseo.

Tomemos i0 como el nmero de celdas con interferencia co-canal. Entonces la relacin Seal - Interferencia ("Signal to Interference Ratio" SIR) de un receptor mvil puede ser expresada como

S

I

S

I

i

i

i

=

=

1

0

donde S es la potencia de la seal deseada desde la estacin base deseada, e Ii es la potencia de la interferencia causada por la i-sima estacin base en una celda co-canal. Si se conocen los niveles de seal de las celdas co-canales, se puede calcular la SIR usando la frmula anterior.

Existe una relacin entre la S/I y el tamao del cluster N

S

I

N

i

n

o

=

( )3

en donde el exponente n nos indica las prdidas producidas por la propagacin y suele tomar valores tpicos entre 2 y 4 dependiendo del ambiente en el que estemos (4 para reas urbanas). Segn pruebas realizadas experimentalmente, se encuentra que se proporciona una suficiente calidad de voz con una S/I de unos 18 dB, con lo que se obtiene un valor


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de N de 6.49 asumiendo un exponente de prdidas de 4, con lo que un valor tpico para N sera de 7.

2.7.2.- Interferencia entre canales adyacentes

Entran en este apartado las interferencias procedentes de seales que son adyacentes en frecuencia a la seal deseada. Estas interferencias estn producidas por la imperfeccin de los filtros en los receptores que permiten a las frecuencias cercanas colarse dentro de la banda pasante. El problema puede ser particularmente serio si un usuario de un canal adyacente est transmitiendo en un rango muy prximo al receptor de un abonado, mientras que el receptor est intentando recibir una estacin base sobre el canal deseado. A esto se le suele llamar efecto "near-

far", donde un transmisor cercano (que puede ser o no del mismo tipo que el usado en el sistema celular) captura al receptor del abonado. Otra forma de producir el mismo efecto es cuando un mvil cercano a una estacin base transmite sobre un canal cercano a otro que est usando un mvil dbil. La estacin base puede tener dificultad para discriminar al usuario mvil deseado del otro debido a la proximidad entre los canales.

Este tipo de interferencias se pueden minimizar filtrando cuidadosamente, y con una correcta asignacin de frecuencias. Dado que cada celda maneja slo un conjunto del total de canales, los canales a asignar en cada celda no deben estar prximos en frecuencias.


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2.7.3.- Control de Potencia para reducir las Interferencias

En los sistemas celulares de radio, los niveles de potencia transmitida por cada unidad de los abonados, estn bajo un control constante por las estaciones base servidoras. Esto se hace para asegurar que cada mvil transmite la potencia ms baja necesaria. El control de potencia no slo hace que dure ms la batera, sino que tambin reduce mucho la S/I de canal inverso.

2.8.- Divisin de celdas ("cell-splitting")

Figura 4.- Cell-splitting

El "splitting" es el proceso de subdividir una celda congestionada en celdas ms pequeas (ver Figura 4), cada una con su propia estacin base y la correspondiente reduccin en la altura de la antena y de la potencia de transmisin. El "splitting" incrementa la capacidad de un


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sistema celular dado que incrementa el nmero de veces que se reutilizan los canales. Definiendo nuevas celdas que tengan un radio ms pequeo que las celdas originales instalando estas pequeas celdas entre las celdas existentes, se incrementa la capacidad debido al incremento de canales por unidad de rea.

Imaginemos que cada celda de la Figura 1 se reduce de forma que el radio de cada celda se hace la mitad. Para cubrir el rea entera de servicio con las celdas ms pequeas, se necesitaran aproximadamente cuatro veces ms celdas que antes. Esto se puede observar si suponemos una celda circular de radio R. El rea cubierta por ese crculo es cuatro veces mayor que el rea cubierta por un crculo de radio R/2. El incremento del nmero de celdas incrementar el nmero de clusters en la regin de cobertura, que a su vez incrementar el nmero de canales, y por lo tanto la capacidad en el rea de cobertura. El "cell-splitting" permite al sistema crecer sustituyendo las celdas grandes por otras ms pequeas, sin modificar el esquema de colocacin de canales para mantener una factor de reutilizacin co-canal mnimo entre celdas co-canales.

En la Figura 5 se muestra un ejemplo de "cell-splitting". En ella, las estaciones base se sitan en las esquinas de las celdas, y suponemos que el rea servida por la estacin base A est saturada de trfico. Por tanto necesitamos nuevas estaciones base en la zona para incrementar el nmero de canales en el rea y para reducir el rea servida por cada estacin base. Podemos observar en la Figura 5 que la estacin base original ha sido rodeada por tres nuevas micro-celdas con sus estaciones base. Las tres celdas ms pequeas se han aadido de forma que se mantenga el plan de reutilizacin de frecuencias del


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sistema. En este caso el radio de cada celda es la mitad que el de la celda original.

Figura 5.- Ejemplo de un cell-splitting

3.- Arquitectura de red en GSM

3.1.- Introduccin a la arquitectura de red celular

La demanda por parte de los usuarios de comunicaciones mviles que les permitan a stos moverse a travs de edificios, ciudades o pases, ha llevado al desarrollo de nuevas redes de comunicaciones mviles [1]. Consideremos el sistema de telefona celular de la Figura 6.


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Figura 6.- Diagrama de bloques de un sistema celular

El sistema de telefona celular es el responsable de proporcionar cobertura a travs de un territorio particular, llamado regin de cobertura o mercado. La interconexin de muchos de estos sistemas define una red inalmbrica capaz de proporcionar servicios a los usuarios mviles a travs de un pas o continente.

Para proporcionar comunicaciones inalmbricas dentro de una regin particular geogrfica (por ejemplo una ciudad), se debe emplear una red integrada de estaciones base para proporcionar la suficiente cobertura de radio a todos los usuarios mviles. Las estaciones base, a su vez, deben estar conectadas a un eje central llamado Centro de Conmutacin Mvil (MSC). El MSC proporciona conectividad entre la Red Telefnica de Conmutacin Pblica (PSTN) y las numerosas estaciones base, y por ltimo, entre todos los abonados mviles de un sistema. La PSTN forma la red de telecomunicaciones global que interconecta los centros de


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conmutacin de telefona convencional (terrestres), llamados oficinas centrales, con los MSCs de todo el mundo.

Para conectar a los abonados con las estaciones base, se establecen enlaces de radio usando un protocolo de comunicaciones cuidadosamente definido, llamado la interfaz

de radio que ser objeto de un estudio profundo a lo largo de este trabajo. La interfaz de radio (IR) debe asegurar una gran fiabilidad en el canal para asegurar que los datos se envan y se reciben correctamente entre el mvil y la estacin base, y es por ello por lo que se realizan una codificacin de la voz (de la fuente) y una codificacin del canal.

En la estacin base, los datos de sealizacin y sincronizacin se descartan, y el resto de informacin de voz (o datos), se pasan a travs del MSC hasta las redes fijas. Mientras que cada estacin base puede gestionar del orden de unas 50 llamadas simultneas, una MSC tpica es responsable de conectar hasta 100 estaciones base a la PSTN (hasta 5000 llamadas a la vez), y es por eso que la interfaz entre el MSC y la PSTN requiere una gran capacidad en cualquier instante de tiempo. Est claro que las estrategias de red y los estndares pueden variar mucho dependiendo si se est sirviendo a un circuito simple de voz, o a una poblacin metropolitana completa.

3.2.- Organizacin interna de GSM

Dentro de una breve descripcin de la organizacin interna de GSM [3], podramos identificar los siguientes subsistemas: la Estacin Mvil ("Mobile Station" MS) y el subsistema de la estacin base ("Base Station Subsystem" BSS) de los cuales ya hemos hablado algo. El Subsistema de Red ("Network Switching Subsystem" NSS) debe gestionar


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las comunicaciones y conectar las estaciones mviles a otro tipo de redes (como puede ser la PTSN), o a otras estaciones mviles. Adems tendramos el Centro de Operaciones y Mantenimiento ("Operation and Sevice Subsystem" u OSS), que no est muy detallado en las Especificaciones de GSM. Las MS, BSS y la NSS forman la parte operacional del sistema, mientras que el OSS proporciona los medios para que el operador los controle.

OSS

NSS BSS

REDES

EXTERNAS

USUARIOS

OPERADOR

GSM

Figura 7.- Organizacin de GSM

3.3.- Subsistemas en GSM

3.3.1.- La Estacin Mvil (MS)

La estacin mvil representa normalmente la nica parte del sistema completo que el usuario ve. Existen estaciones mviles de muchos tipos como las montadas en coche, y los equipos porttiles, pero quizs las ms desarrolladas sean los terminales de mano.

Una estacin mvil adems de permitir el acceso a la red a travs de la interfaz de radio con funciones de procesado de seales y de radio frecuencia, debe ofrecer


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tambin una interfaz al usuario humano (un micrfono, altavoz, display y tarjeta, para la gestin de las llamadas de voz), y/o una interfaz para otro tipo de equipos (ordenador personal, o mquina facsmil o fax).

Otra parte dentro de la estacin mvil es el Mdulo de Identificacin del Abonado ("Suscriber Identity Module" SIM), que es un nombre muy restrictivo para las diversas funciones que este permite. El SIM es bsicamente una tarjeta, que sigue las normas ISO que contiene toda la informacin relacionada con el abonado almacenada en la parte del usuario de la interfaz de radio. Sus funciones, adems de la capacidad de almacenar informacin, estn relacionadas con el rea de la confidencialidad.

3.3.2.- El Subsistema de la Estacin Base (BSS)

El BSS agrupa la maquinaria de infraestructura especficas a los aspectos celulares de GSM. El BSS est en contacto directo con las estaciones mviles a travs de la interfaz de radio. Por lo tanto, incluye las mquinas encargadas de la transmisin y recepcin de radio, y de su gestin. Por otro lado, el BSS est en contacto con los conmutadores del NSS. La misin del BSS se puede resumir en conectar la estacin mvil y el NSS, y por lo tanto, conecta al usuario del mvil con otros usuarios. El BSS tiene que ser controlado, y por tanto debe estar en contacto con el OSS.


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BSSMS NSS

OSS

Figura 8.- Ambiente externo de la BSS

De acuerdo con la estructura cannica de GSM, el BSS incluye dos tipos de mquinas: el BTS ("Base Transceiver Station" Transceptor de la Estacin Base), en contacto con las estaciones mviles a travs de la interfaz de radio, el BSC ("Base Station Controller" Controlador de la Estacin Base), en contacto con los conmutadores del NSS.

Un BTS lleva los dispositivos de transmisin y recepcin por radio, incluyendo las antenas, y tambin todo el procesado de seales especfico a la interfaz de radio, y que se ver con posterioridad. Los BTSs se pueden considerar como complejos modems de radio, con otras pequeas funciones. Un BTS tpico de la primera generacin consista en unos pequeos armarios (de 2 m de alto y 80 cm de ancho) conteniendo todos los dispositivos electrnicos para las funciones de transmisin y recepcin. Las antenas tienen generalmente unas pocas decenas de metros, y los


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armarios se conectan a ellas por unos cables de conexin. Un BTS de este tipo era capaz de mantener simultneamente 3 5 portadoras de radio, permitiendo entre 20 y 40 comunicaciones simultneas. Actualmente el volumen de los BTS se ha reducido mucho, esperndose un gran avance en este campo dentro de GSM.

Un componente importante del BSS, que est considerado en la arquitectura cannica de GSM como que forma parte del BTS, es la TRAU (Unidad Transcoder y Adaptadora de Velocidad). La TRAU es el equipo en el cual se lleva a cabo la codificacin y descodificacin de la voz (fuente), as como la adaptacin de velocidades en el caso de los datos.

El segundo componente del BSS es el BSC. Est encargado de toda la gestin de la interfaz de radio a travs de comandos remotos sobre el BTS y la MS, principalmente, la gestin de la localizacin de los canales de trfico y de la gestin del "handover". El BSC est conectado por un lado a varios BTSs y por otro al NSS (ms especficamente a un MSC).

Un BSC es en definitiva un pequeo conmutador con una gran capacidad de cmputo. Sus funciones principales, como ya hemos dicho son la gestin de los canales de radio y de los handovers. Un BSC tpico consiste en uno o dos armarios, y puede gestionar hasta algunas decenas de BTSs, dependiendo de su capacidad de trfico.

El concepto de la interfaz entre el BSC y el MSC (NSS) se le conoce como interfaz A, y se introdujo al principio de la elaboracin del Estndar GSM. Solamente despus se decidi estandarizar tambin la interfaz entre el BTS y el BSC, y se le llam interfaz Abis, sin tener nada que ver con la interfaz A.


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Figura 9.- Componentes e interfaces de la BSS

3.3.3.- El Subsistema de Red (NSS)

El NSS incluye las principales funciones de conmutacin en GSM, as como las bases de datos necesarias para los datos de los abonados y para la gestin de la movilidad. La funcin principal del NSS es gestionar las comunicaciones entre los usuarios GSM y los usuarios de otras redes de telecomunicaciones. Dentro del NSS, las funciones bsicas de conmutacin estn realizadas por el MSC (Centro de Conmutacin de servicios Mviles), cuya funcin principal es coordinar el establecimiento de llamadas hacia y desde los usuarios GSM. El MSC tiene interfaces con el BSS por un lado (a travs del cual est en contacto con los usuarios GSM), y con redes externas por el otro. La interfaz con las redes externas requiere un "gateway" para la adaptacin (Funciones de "Interworking"),


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cuya funcin es ms o menos importante dependiendo del tipo de datos y de la red a la que se accede.

MSMS

BSSNSS

PSTN

PSPDN

RDSI

OSS

Figura 10.- Ambiente externo de la NSS

El NSS tambin necesita conectarse a las redes externas para hacer uso de su capacidad de transportar datos o sealizacin entre entidades GSM. En particular el NSS hace uso de un tipo de sealizacin parcialmente externo a GSM, que sigue el sistema de sealizacin del CCITT n 7 (que usualmente se conoce como la red SS7); esta red de sealizacin habilita el trabajo interactivo entre mquinas del NSS dentro de una o varias redes GSM.

Como parte del equipo, un MSC controla unos cuantos BSCs y es normalmente bastante grande. Un MSC tpico de hace unos 5 aos era capaz de cubrir una capital mediana y sus alrededores, totalizando una cobertura de cerca de 1 milln de habitantes. Un MSC incluye cerca de media docena de armarios de conmutacin.

Adems de los MSCs, el NSS incluye las bases de datos. La informacin del abonado relativa al suministro de los servicios de telecomunicacin est situada en el Registro


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de Posiciones Base ("Home Location Register" HLR), independientemente de la posicin actual del abonado. El HLR tambin incluye alguna informacin relacionada con la posicin actual del abonado. Como una mquina fsica, un HLR es tpicamente una computadora independiente, sin capacidades de conmutacin, y capaz de manejar a cientos o miles de abonados. Una subdivisin funcional del HLR es el Centro de Autenticacin ("Authentication Center" AuC, cuya funcin se limita a la gestin de la seguridad de los datos de los abonados.

Figura 11.- Estructura interna de la NSS

La segunda funcin de bases de datos identificada en GSM es el VLR (Registro de Posiciones Visitado), asociado a uno o ms MSCs, y encargado del almacenamiento temporal de los datos para aquellos abonados situados en el rea de servicio del correspondiente MSC, as como de mantener los datos de su posicin de una forma ms precisa que el MSC.


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Pero el NSS contiene ms elementos que los MSCs, VLRs y HLRs. Para establecer una llamada hacia un usuario GSM, la llamada es primero encaminada a un conmutador-gateway llamado GMSC, sin ningn conocimiento de dnde est el abonado. Los GMSCs estn encargados de buscar la informacin sobre la posicin y encaminar la llamada hacia el MSC a travs del cual el usuario obtiene servio en ese instante.

3.3.4.- El Centro de Operaciones y Mantenimiento (OSS)

Como se mencion anteriormente, el OSS tiene varias tareas que realizar. Todas estas tareas requieren interacciones entre algunas o todas mquinas de la infraestructura que se encuentra en el BSS en el NSS y los miembros de los equipos de servicio de las distintas compaas comerciales.

4.- La interfaz de Radio

4.1.- Introduccin

Un canal de radio es un medio extraordinariamente hostil para establecer y mantener comunicaciones fiables. Todos los esquemas y mecanismos que usamos para hacer posible la comunicacin en el canal de radio, se agrupan en los procedimientos de la interfaz de radio. En este apartado vamos a interesarnos en todos los procesos que se llevan a cabo en la interfaz de radio, y que son la base de este trabajo.


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4.2.- Acceso a Sistemas Truncados

Vamos a ver varias formas de acceso a la interfaz de radio de una forma intuitiva [2].

Si el nmero de canales disponibles para todos los usuarios de un sistema de radio es menor que el nmero de posibles usuarios, entonces a ese sistema se le llama

sistema de radio truncado. El truncamiento es el proceso por el cual los usuarios participan de un determinado nmero de canales de forma ordenada. Los canales compartidos funcionan debido a que podemos estar seguros que la probabilidad de que todo el mundo quiera un canal al mismo tiempo es muy baja. Un sistema de telefona celular como GSM es un sistema de radio truncado, porque hay menos canales que abonados que posiblemente quieran usar el sistema al mismo tiempo. El acceso se garantiza dividiendo el sistema en uno o ms de sus dominios: frecuencia, tiempo, espacio o codificacin.

4.2.1.- Acceso Mltiple por Divisin en Frecuencia (FDMA)

FDMA ("Frecuency Division Multiple Access") es la manera ms comn de acceso truncado. Con FDMA, se asigna a los usuarios un canal de un conjunto limitado de canales ordenados en el dominio de la frecuencia. Los canales de frecuencia son muy preciados, y son asignados a los sistemas por los cuerpos reguladores de los gobiernos de acuerdo con las necesidades comunes de la sociedad. Cuando hay ms usuarios que el suministro de canales de frecuencia puede soportar, se bloquea el acceso de los usuarios al sistema. Cuantas ms frecuencias se disponen, hay ms usuarios, y esto significa que tiene que pasar ms sealizacin a travs del canal de control. Los sistemas muy grandes FDMA frecuentemente tienen ms de un canal de


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control para manejar todas las tareas de control de acceso. Una caracterstica importante de los sistemas FDMA es que una vez que se asigna una frecuencia a un usuario, sta es usada exclusivamente por ese usuario hasta que ste no necesite el recurso.

4.2.2.- Acceso Mltiple por Divisin en el Tiempo (TDMA)

TDMA ("Time Division Multiple Access") es comn en los sistemas de telefona fija. Las ltimas tecnologas en los sistemas de radio son la codificacin de la voz y la compresin de datos, que eliminan redundancia y periodos de silencio y decrementan el tiempo necesario en representar un periodo de voz. Los usuarios acceden a un canal de acuerdo con un esquema temporal. Aunque no hay ningn requerimiento tcnico para ello, los sistemas celulares, que emplean tcnicas TDMA, siempre usan TDMA sobre una estructura FDMA. Un sistema puro TDMA tendra slo una frecuencia de operacin, y no sera un sistema til. TDMA es un concepto bastante antiguo en los sistemas de radio.

En los sistemas modernos celulares y digitales, TDMA implica el uso de tcnicas de compresin de voz digitales, que permite a mltiples usuarios compartir un canal comn utilizando un orden temporal. La codificacin de voz moderna, reduce mucho el tiempo que se lleva en transmitir mensajes de voz, eliminando la mayora de la redundancia y periodos de silencio en las comunicaciones de voz. Otros usuarios pueden compartir el mismo canal durante los periodos en que ste no se utiliza. Los usuarios comparten un canal fsico en un sistema TDMA, donde estn asignado unos slots de tiempo. A todos los usuarios que comparten la misma frecuencia se les asigna un slot de tiempo, que se repite dentro de un grupo de slots que se llama trama. Un slot GSM es de 577 s, y cada usuario tiene uso del canal


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(mediante su slot) cada 4.615 ms (577 s 8 = 4.615 ms), ya que en GSM tenemos 8 slots de tiempo.

4.2.3.- Acceso Mltiple por divisin del Espacio (SDMA)

SDMA ("Space Division Multiple Access") se usa en todos los sistemas celulares, analgicos o digitales. Por tanto, los sistemas celulares se diferencian de otros sistemas de radio truncados solamente porque emplean SDMA. Los sistemas de radio celulares, como ya vimos en la introduccin a los sistemas celulares, permiten el acceso a un canal de radio, siendo ste reutilizado en otras celdas dentro del sistema. Como vimos, el factor que limita SDMA es el factor de reutilizacin de frecuencia (interferencia co-canal).

4.2.4.- Acceso Mltiple por Divisin de la Codificacin (CDMA)

CDMA ("Code Division Multiple Access") es nuevo en la tecnologa celular y no se usa en GSM, pero lo hemos incluido por la importancia que se prev que tenga en los sistemas celulares de la prxima generacin en los Estados Unidos. Por otra parte, hemos de decir que ltimos estudios realizados dicen que no es tan bueno, y que la calidad es peor que en GSM o en los sistemas analgicos.

CDMA pone a todos los usuarios que desean acceder a un recurso truncado en el mismo canal de radio frecuencia al mismo tiempo. La Figura 13 muestra cmo se pueden generar dos canales CDMA sencillos.

Empezamos con dos conjuntos de informacin binaria que son el Dato A y el Dato B (Figura 13). Queremos transmitir ambas cadenas de datos juntas sobre un canal y separarlas


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en el receptor, por lo que le hemos de dar a cada una un canal virtual. Para hacer esto, le damos a cada cadena de

datos, A y B, sumndole mdulo 2 su propia llave: la llave A y la llave B. En sus respectivos casos, obtenemos las seales A y B. Ahora miramos en el receptor (correlador) y vemos qu ocurre con las dos seales.

Figura 13.- Un ejemplo de CDMA

La composicin de las dos seales aparece en el receptor llamada "Composicin de la Seal A+B". La forma de


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onda es simplemente la suma algebraica, bit a bit, de las seales A y B. Recuperamos el Dato A de las seal compuesta, en dos pasos. Primero, multiplicamos las seal compuesta por una copia de la llave correspondiente, en este caso por la llave A. Obtenemos la seal llamada (A+B)*Llave A. Segundo, integramos esta seal bit a bit, obteniendo la Salida del Integrador. Se comprueba el signo de la seal de salida del integrador despus de 6 bits (ya que por cada bit de datos, le introdujimos 6 bits de llave). El signo de la seal nos da directamente el dato descodificado. Si el signo es negativo, el dato es un 0, y si es positivo, un 1. Con la seal B se operara lo mismo excepto que deberamos utilizar su llave correspondiente (Figura 14).

Figura 14.- Recuperacin de la seal B

Pero, qu ocurrira si intentamos recuperar el dato con una llave incorrecta. Se obtendra el resultado expuesto en la Figura 15. En ella podemos ver que a la salida del integrador se obtiene una seal que tiene una media de cero voltios.

El ejemplo que hemos expuesto, es slo un ejemplo ficticio de cmo podra operar un sistema CDMA. Este no es


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un ejemplo realizable, ya que la temporizacin y sincronizacin son crticos en un sistema de este tipo.

Figura 15.- Recuperacin usando una llave incorrecta

4.2.5.- Acceso Mltiple por Saltos de Frecuencia (FHMA)

FHMA [1] es un sistema de acceso mltiple digital, en el cual, las frecuencias de las portadoras de los usuarios individuales se varan de forma pseudoaleatoria dentro de un canal de banda ancha. Los datos digitales se dividen en rfagas de tamao uniforme que se transmiten sobre diferentes portadoras.

4.2.6.- Operaciones Dplex

Excepto en situaciones especiales, la informacin va radio se mueve en modo dplex, que significa que para cada transmisin en una direccin, se espera una respuesta, y entonces se responde en la otra direccin. Hay dos formas principales de establecer canales de comunicaciones dplex.

4.2.6.1.- Dplex por divisin en Frecuencia (FDD)

Debido a que es difcil y muy caro construir un sistema de radio que pueda transmitir y recibir seales al mismo tiempo y por la misma frecuencia, es comn definir un


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a canal de frecuencia con dos frecuencias de operacin separadas, una para el transmisor y otra para el receptor. Todo lo que se necesita es aadir filtros en los caminos del transmisor y del receptor que mantengan la energa del transmisor fuera de la entrada del receptor. Se podra usar una antena comn como un sistema de filtrado simple. Los sistemas de filtrado se llaman duplexores y nos permiten usar el canal (par de frecuencias) en el modo full-duplex; es decir, el usuario puede hablar y escuchar al mismo tiempo.

4.2.6.2.- Dplex por Divisin en el Tiempo (TDD)

Muchos sistemas de radio mviles, como los sistemas de seguridad pblicos, no requieren la operacin full-dplex. En estos sistemas se puede transmitir y recibir en la misma frecuencia pero no en el mismo tiempo. Esta clase de dplex se llama half-dplex, y es necesario que un usuario de una indicacin de que ha terminado de hablar, y est preparado para recibir respuesta de otro usuario.

4.3.- El Canal de Radio

4.3.1.- Caractersticas del Canal de Radio

Las buenas noticias son que el canal de radio mvil de 900 MHz es lineal [1]. Cualquier otra propiedad del canal a esas frecuencias es mala. Podemos ocupar el canal de radio mediante las alteraciones de la amplitud, frecuencia o fase de la portadora. Cualquiera de estos tres parmetros de la portadora se puede alterar, y estas alteraciones pueden llevar informacin que nosotros medimos en bits o smbolos por segundo. El espectro de radio es un recurso fijo y valioso con un valor incalculable. Los diseadores de sistemas deben basar su estudio en mandar la informacin en


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el segmento ms estrecho que se pueda del espectro asignado por cualquier cuerpo regulador. Hay dos fuentes de problemas dentro del canal: el ruido y las interferencias de las cuales ya hemos hablado anteriormente.

4.3.2.- Condiciones Estticas

Primero, vamos a considerar el caso en que ni el mvil se est moviendo, ni hay nada ms movindose cerca. El canal es en este caso inusual un canal con ruido blanco gausiano y aditivo (AGWN). Todos los datos adems, estn sujetos al efecto multipath, zonas con sombras, y retardos que pueden ser de incluso varios microsegundos. La ecualizacin del canal mediante filtros adaptativos se usa para eliminar la interferencia intersimblica a velocidades altas. Finalmente, el receptor local genera su propio ruido.

4.3.3.- Condiciones Dinmicas

Si suponemos que el mvil se mueve (como es evidente), aadimos los efectos de la propagacin terrestre, que est dominada por la influencia ms destructiva de todas: los desvanecimientos Rayleigh. Dado que las ondas de radio pueden seguir una variedad de caminos hasta el receptor mvil, pueden ocurrir cambios de fase, que son dependientes de la frecuencia. Este tipo de desvanecimientos ocurren con

una distribucin estadstica llamada distribucin Rayleigh. La distribucin tipo Rayleigh tiene una funcin de densidad de probabilidad dada por

p r

r r

r

r

( )

exp ( )

(

=

k a una velocidad de R/Rc bps, en donde el factor Rc es un valor adimensional llamado redundancia, y que es k/n (siempre va a ser menor que la unidad). Un cdigo convolucional implica el concepto de memoria, ya que se forma a partir de un registro de desplazamiento (mquina de estados finitos).


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En GSM se aplican estas dos tcnicas de codificacin, pero slo a unos determinados bits. Como vimos en el apartado anterior, la codificacin de la fuente a velocidad completa, da 260 bits cada 20 ms (13 kbps). Estos bits nos dan los diferentes parmetros del mtodo de codificacin de la fuente RPE/LPC-LTP, que vimos anteriormente. Pero no todos los bits de estos parmetros tenan la misma importancia. Como vimos en la tabla 5.1, estos se ordenaban en 3 clases de importancia. Pues bien, dependiendo de la clase de importancia, vamos a dar una proteccin mayor o no.

Figura 28.- Distintas codificaciones para los diferentes bits

A los 50 primeros bits (grupo Ia), que son los ms importantes, se les aplica un chequeo de paridad, mediante un cdigo cclico de 3 bits. Estos 53 bits as obtenidos, junto con los 132 bits siguientes (grupo Ib), ms 4 bits de cola, hacen un total de 189 bits a los que se les aplica un cdigo convolucional de razn 1/2 y de profundidad 5, con lo que obtenemos 378 bits de salida que sumados con los 78 bits que forman el grupo II, y que no llevan ninguna


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proteccin, hacen un total de 456 bits cada 20 ms, lo cual nos da una velocidad de salida de 22.8 kbps.

A continuacin vamos a pasar a describir en ms detalle cada una de las dos codificaciones de los que se componen la codificacin del canal.

5.3.1.1.- Chequeo de Redundancia Cclica (CRC)

El cdigo bloque utilizado es un CRC que aade 3 bits al final de la secuencia de 50 bits del grupo Ia [5].

El CRC es una de las herramientas ms comunes y potentes para la deteccin de errores. Dado un bloque de datos de k bits, el transmisor va a generar una secuencia de m bits, de forma que la trama resultante est formada por los k bits ms los m bits generados. Para generar este tipo de secuencias existen numerosos mtodos, como son la aritmtica mdulo 2 y los mtodos polinmicos, pero el que nos interesa a la hora de su implementacin software es la lgica digital, que es el que vamos a pasar a explicar.

El proceso CRC se puede representar como un circuito divisor consistente en elementos XOR y registros de desplazamiento. El registro de desplazamiento es una cadena de dispositivos de almacenamiento de 1 bit. Cada dispositivo tiene una salida, que indica el valor actualmente almacenado, y una entrada. A instantes discretos de tiempo, conocidos como ciclos de reloj, el valor almacenado se reemplaza por su valor de la entrada. El registro completo se desplaza simultneamente de bit en bit.


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El registro contiene tantos elementos de memoria como el grado del divisor que queramos menos uno, y tenemos tantos contactos XOR como bits de paridad queramos formar. Consideremos el ejemplo siguiente:

Sea el mensaje M(D) representando el siguiente polinomio: M(D)= D9 + D7 + D3 + D2 + 1 y sea el divisor: P(D) = D5 + D4 + D2 + 1

El registro de desplazamiento que implementa este ejemplo es el mostrado en la Figura 29 en donde cada Ci se corresponde con un elemento de memoria, y los mdulos sumadores son funciones XOR.

C3 C2 C0+ +C1+C4

Figura 29.- Implementacin del CRC del ejemplo

Primero suponemos que todos los dispositivos de memoria estn a 0. El mensaje, o el dividendo, se introduce, bit a bit, empezando por el ms significativo. En la Tabla 5.2 podemos observar todas las operaciones paso a paso. Cada fila de la tabla muestra los valores almacenados en los cinco elementos del registro. Finalmente, despus de introducir el mensaje, aadimos tantos bits como sea el grado el polinomio generador para limpiar los registros, y as si leemos finalmente obtenemos los 5 bits de paridad que debemos aadir al final del mensaje, que en este caso es la secuencia 01110.


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c4 c3 c2 c1 c0 c4+c3 c4+c1 c4+ent ent

Inicial 0 0 0 0 0 0 0 1 1

Paso 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0

Paso 2 0 0 0 1 0 0 1 1 1

Paso 3 0 0 1 0 1 0 0 0 0

Paso 4 0 1 0 1 0 1 1 0 0

Paso 5 1 0 1 0 0 1 1 1 0

Paso 6 1 1 1 0 1 0 1 0 1

Paso 7 0 1 1 1 0 1 1 1 1

Paso 8 1 1 1 0 1 0 1 1 0

Paso 9 0 1 1 1 1 1 1 1 1

Paso 10 1 1 1 1 1 0 0 1 0

Paso 11 0 1 0 1 1 1 1 0 0

Paso 12 1 0 1 1 0 1 0 1 0

Paso 13 1 1 0 0 1 0 1 1 0

Paso 14 0 0 1 1 1 0 1 0 0

Paso 15 0 1 1 1 0 1 1 0 -

Tabla 5.2.- estados en el CRC del ejemplo

En el receptor se usa la misma lgica. La cadena de bits transmitida se introduce en el mismo registro de desplazamiento. Si no se han producido errores, el registro contendr al final de la secuencia todo ceros si no se han producido errores.

5.3.1.2.- Cdigos Convolucionales

En los cdigos bloques, el codificador aceptaba un mensaje de k bits y generaba una palabra cdigo de n bits [6]. Es decir, las palabras cdigo se producen bloque a bloque por lo que debamos de introducir un bloque completo para generar la secuencia cdigo. Hay aplicaciones sin embargo, donde los bits mensaje entran en serie en lugar de en bloques, por lo que se deben de usar "buffers" de tamao considerable para almacenar momentneamente los bloques a codificar. En estas situaciones, el uso de la codificacin convolucional se convierte en el mtodo preferido. Un codificador convolucional opera sobre el mensaje de entrada de forma serie.


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El codificador de un cdigo convolucional binario de razn 1/n, se puede ver como una mquina de estados finitos que consiste en un registro de desplazamiento de M etapas con conexiones de sumadores mdulo 2 (XOR) como se ha visto antes, y un multiplexor que convierte en serie la salida de los sumadores. Una secuencia de mensaje de L bits produce una secuencia de salida codificada de longitud n(L + M) bits. La razn del codificador ("rate") viene dada por

r

L

n L M

bits simbolo=

+( )/

Normalmente, tenemos que L>>M. Por lo tanto, la

velocidad se simplifica como

r

n

1

La profundidad de un cdigo convolucional, expresado en trminos de los bits de mensaje, se define como el nmero de desplazamientos que puede influir un bit de mensaje en la salida codificada. Si un codificador tiene un registro de desplazamiento de M estados, la memoria del codificador es M, y se necesitan K = M + 1 desplazamientos para que un bit de mensaje entre y salga finalmente. Por lo tanto la profundidad del codificador es K.

Figura 30.- Esquema de un codificador convolucional


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La Figura 30 muestra un codificador convolucional con n = 2 y K = 3. Por tanto, la razn del codificador es 1/2. Este codificador opera sobre el mensaje de entrada a razn de un bit cada vez.

El comportamiento en el dominio del tiempo de un codificador convolucional binario de razn 1/n se puede definir en trminos de un conjunto de n respuestas impulsivas. El codificador simple de la Figura 30 tiene una razn de 1/2. Por tanto necesitamos 2 respuestas impulsivas para caracterizar su comportamiento en el dominio del tiempo. La secuencia (g0(1), g1(1),..., gM(1)) representa la respuesta impulsiva del sumador superior de la figura 30, y la secuencia (g0(2), g1(2),..., gM(2)) representa la respuesta impulsiva del sumador inferior de la Figura. Estas respuestas se obtienen como consecuencia de aplicar a la entrada la secuencia (1,0,0,0,0,0,....), y observar el valor de la salida.

Como su propio nombre indica, un codificador convolucional acta realizando la convolucin de la secuencia mensaje de entrada con la respuesta impulsiva. As para los dos caminos de nuestro ejemplo, obtendremos las dos secuencias siguientes:

x g m i

i l i l

l

M

( ) ( )1 1

0

= =

=

0, 1, 2, ...

x g m i

i l i l

l

M

( ) ( )2 2

0

= =

=

0, 1, 2, ...

donde mi-l = 0 para todo l > i.

Despus de la convolucin, las dos secuencias de salida se combinan por un multiplexor para producir la secuencia de salida expresada por


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{xi}={x0(1), x0(2), x1(1), x1(2), x2(1), x2(2),...}

En nuestro ejemplo, las respuestas impulsivas vienen dadas por

(g0(1), g1(1), g2(1)) = (1,1,1)

(g0(2), g1(2), g2(2)) = (1,0,1)

Si observamos, las secuencias impulsivas se pueden determinar fcilmente del diagrama de la Figura 30 sin ms que significar que un 1 equivale a una conexin entre el registro de desplazamiento y el sumador, y un 0 se determina por una ausencia de conexin.

Si por ejemplo introducimos el mensaje de entrada siguiente:

(m0, m1, m2, m3, m4) = (10011)

Usando las ecuaciones anteriores obtenemos que la secuencia de salida superior es (1111001), y la inferior viene dada por (1011111), por lo que la salida total del codificador viene determinada por

{xi}=(11, 10, 11, 11, 01, 01, 11) Observamos que el mensaje de longitud L=5 bits produce un mensaje de salida codificado de longitud n(L+K-1) = 14 bits. Observamos tambin que para restaurar de nuevo el registro de desplazamiento a su estado inicial, necesitamos una secuencia de finalizacin de K-1 = 2 ceros. La secuencia de finalizacin de K-1 ceros se conoce como la cola del mensaje.

Dado que un codificador convolucional es una mquina de estados finitos invariante en el tiempo, podemos simplificar el cmputo aplicando la transformada adecuada. Por tanto vamos a transformar la respuesta impulsiva de


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cada parte del codificador por un polinomio cuyos coeficientes se representan por los respectivos elementos de la respuesta impulsiva. Por lo tanto, para la parte superior del ejemplo de la Figura 30, se define el polinomio

g(1)(D) = g0(1) + g1(1)D + + gM(1)DM donde g0(1), g1(1),..., gM(1) son los elementos de la respuesta impulsiva de la parte superior del ejemplo. La variable D denota un operador de retardo unitario, mientras que el exponente de D define el nmero de unidades de tiempo que se retarda un bit respecto al primero. Para la parte inferior del ejemplo se obtendra una expresin similar obteniendo

g(2)(D) = g0(2) + g1(2)D + + gM(2)DM

Los polinomios g(1)(D) y g(2)(D) se llaman los polinomios generadores del cdigo.

Consideremos la siguiente secuencia mensaje {m0, m1, m0,..., mL-1}, para la cual se define el siguiente polinomio de mensaje:

m(D) = m0 + m1D + m2D2 ++ mL-1DL-1 donde L es la longitud de la secuencia mensaje. De a cuerdo a las expresiones vistas anteriormente las sumas de convolucin que vimos en el dominio temporal se pueden sustituir por multiplicacin de polinomios, por lo que tendramos que para los dos caminos del ejemplo:

x(1)(D) = g(1)(D)m(D) y

x(2)(D) = g(2)(D)m(D)

Una vez calculado los polinomios de salida x(1)(D) y x(2)(D), podemos obtener las secuencias de salida correspondientes simplemente leyendo los coeficientes de los polinomios de salida.


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En nuestro ejemplo, los polinomios generadores seran g(1)(D)= 1 + D + D2 g(2)(D)= 1 + D2

y nuestro mensaje ejemplo (10011) sera m(D) = 1 + D3 + D4

con lo que obtendramos las secuencias de salida siguientes:

x(1)(D)= 1 + D + D2 + D3 + D6 (1111001) x(2)(D)= 1 + D2 + D3 + D4 + D5 + D6 (1011111)

que son los mismos mensajes de salida que obtenamos en el caso del dominio temporal, pero con mucho menos cmputo.


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Figura 31.- rbol para el codificador convolucional de la Figura 30

Tradicionalmente, las propiedades estructurales de un codificador convolucional se han proyectado de forma grfica usando cualquiera de estos tres mtodos: rbol, trellis, o diagrama de estados. Vamos a seguir usando el


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ejemplo de la Figura 30 para ilustrar cada uno de estos tres tipos de representacin.

Figura 32.- Trellis para el codificador convolucional de la Figura 30

En la Figura 31 podemos observar el rbol del ejemplo. Cada rama del rbol representa un smbolo de entrada, con la pareja correspondiente de salidas binarias indicadas en cada rama. Se usa por convenio para distinguir la entrada como un 0 si tomamos la rama superior, y un 1 si tomamos la rama inferior.

En el diagrama de la Figura 31 observamos que el rbol se hace repetitivo despus de las tres primeras ramificaciones, debido a que en nuestro ejemplo el codificador tiene una memoria de M = K - 1 = 2 bits de

mensaje. Por lo tanto, podemos colapsar el rbol en una nueva forma mostrada en la Figura 32, llamada trellis. El convenio utilizado para representar los datos de entrada en el trellis es el siguiente: una rama producida como una entrada 0 se representa como una lnea continua, y la rama producida como una entrada 1 se representa con una lnea discontinua. El trellis nos muestra que un cdigo convolucional es una mquina de estados finitos. Un trellis contiene (L + K) niveles (numerados desde 0 hasta (L+K-1), donde L es la longitud del mensaje de entrada, y K es la profundidad del

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