Tecnologa GSM.

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TECNOLOGA GSM.

Autores:

Enric Forner Clavijo.Carlos Torrent Cuevas.Rubn Mart Mateu.Francisco Cordobs Gil.Pablo Martnez Dimingo.

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ndice.

1. Introduccin.

1.1. Introduccin a los sistemas de comunicaciones mviles.

1.2. Topologa de un sistema celular.

1.3. Interferencias y Capacidad del Sistema

1.3.1. Interferencia co-canal y Capacidad del Sistema.

1.3.2. Interferencia entre canales adyacentes.

1.3.3. Control de Potencia para reducir las Interferencias

1.4. Tipos de sistemas celulares e impacto en el mercado.

2. GSM.

2.1. Inicios.

2.2. Componentes de GSM.

2.3. Enrutamiento de llamadas.

2.4. Actualizacin de ubicacin.

2.5. GSM 900/DCS 1800: Cimientos de PCS 1900 (TDMA).

2.6. Interfaces GSM.

3. La interfaz de Radio

3.1. Introduccin

3.2. Acceso a Sistemas Truncados.

3.2.1. Acceso Mltiple por Divisin en Frecuencia (FDMA).

3.2.2. Acceso Mltiple por Divisin en el Tiempo (TDMA).

3.2.3. Acceso Mltiple por divisin del Espacio (SDMA).

3.2.4. Acceso Mltiple por Divisin de Cdigo (CDMA).

3.2.5. Acceso Mltiple por Saltos de Frecuencia (FHMA).

3.2.6. Operaciones Dplex.

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3.2.6.1.Dplex por divisin en Frecuencia (FDD).

3.2.6.2. Dplex por Divisin en el Tiempo (TDD).

3.3. El Canal de Radio.

3.3.1. Caractersticas del Canal de Radio.

3.3.2. Condiciones Estticas.

3.3.3. Condiciones Dinmicas.

3.4. Frecuencias y Canales Lgicos.

3.4.1. Canales de Trfico.

3.4.2. Canales de Control.

3.4.2.1. Canales "Broadcast" (BCH).

3.4.2.2. Canales de Control Comunes (CCCH).

3.4.2.3. Canales de Control Dedicados (DCCH).

3.5. Estructura de las tramas en GSM.

3.6. Ejemplo de una llamada GSM.

4. Procesado de Seal en GSM.

4.1. Introduccin.

4.2. Codificacin de la fuente.

4.2.1. Requisitos para la codificacin de la voz en GSM.

4.2.2. Funcionamiento de la codificacin - descodificacin de la voz.

4.2.3. Codificacin por Prediccin Lineal (LPC) y Anlisis por Excitacin dePulsos Regulares (RPE).

4.2.4.Anlisis por Prediccin de Periodo Largo (LTP).

4.2.5. Transmisin Discontinua.

4.3.Codificacin del Canal. Deteccin de Errores.

4.3.1. Introduccin a la codificacin del canal.

4.3.1.1. Chequeo de Redundancia Cclica (CRC).

4.3.1.2.Cdigos Convolucionales.

4.3.1.3 Entrelazado ("Interleaving").

4.4. Modulacin Digital en GSM.

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4.4.1. Modulacin MSK ("Minimum Shift Keying").

4.4.2. Modulacin GMSK ("Gaussian Minimum Shift Keying").

5. SMS.

5.1. Definicin.

5.2. Caractersticas.

5.3. Evolucin.

5.4. Elementos de red y Arquitectura.

5.5. Operaciones para el envo de SMSs.

5.6. Elementos de Servicio.

5.7. Pasos para el envo. 5.8. Pasos para la recepcin.

5.9. Principales aplicaciones.

5.9.1. Aplicaciones Corporativas.

5.10. Clases de mensajes cortos.

5.11. Aplicacion SIM Toolkit.

5.12. Cell broadcast o mensajes de difusin.

5.13. USSD (Unstructured Supplementary Services Data). 6. Glosario de acrnimos. 7. Bibliografa.

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1. Introduccin.

1.1. Introduccin a los sistemas de comunicaciones mviles.

El propsito de un sistema de comunicaciones mvil es, como su nombre indica, prestarservicios de telecomunicaciones entre estaciones mviles y estaciones terrenas fijas, o entre dosestaciones mviles.

Existen dos formas de comunicaciones mviles: inalmbrica y celular.

- Comunicacin inalmbrica: El radio de accin de esta tecnologa es muy limitado.De hecho los equipos mviles y los de transmisin-recepcin deben estar situadosen zonas geogrficas muy cercanas, como por ejemplo, dentro de un mismoedificio.

- Comunicacin celular: Tiene una red totalmente definida que incluye protocolospara establecer y despejar llamadas as como rastrear las unidades mviles dentro dereas geogrficas definidas llamadas clulas, que dan nombre a la tecnologa. Dadoque los sistemas celulares operan con una potencia ms alta que los inalmbricos, elradio de accin de los primeros es mucho ms extenso, siendo el tamao de lasclulas del orden de kilmetros.

1.2. Topologa de un sistema celular.

Los componentes principales de un sistema celular son:- El centro de conmutacin mvil ( MSC, Mobile Switching Center), que es el

centro de control de los sistemas celulares; se encarga de conmutar las llamadas alas clulas, proporcionar respaldo, conectarse con las redes telefnicas, monitorizarel trfico para fines de cobro, realizar pruebas y diagnsticos, y realizar labores deadministracin de la red en general.

- Las clulas, que son las distintas reas geogrficas en las que se divide el rea totalque pretende cubrir el sistema.

- La unidad mvil, que es el transmisor-receptor mvil, casi siempre situado en unautomvil, camin, embarcacin, etc., y que contiene un mdem capaz de cambiarde frecuencia que le permite sincronizarse con una frecuencia dada, designada porel MSC:

- La estacin de transmisin-recepcin base (BTS, Base Transceiver Station).Existe una por cada clula y junto a sta es la interfaz entre la unidad mvil y elMSC.

Figura 1. Topologa representativa de un sistema celular.

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En reas urbanas muy pobladas, el volumen tan alto de trfico local puede agotar loscanales de radio disponibles. No obstante, es posible aumentar hasta cierto punto la capacidaddel sistema reduciendo continuamente el tamao de las clulas y la potencia transmitida de lasestaciones base. La reduccin en el radio de las clulas permite reutilizar las bandas disponiblesen clulas no contiguas. La estrategia permite al proveedor de portadora celular reducir yaumentar el tamao de las clulas para dar cabida al crecimiento o a la reduccin de laspoblaciones de esta base de suscriptores mviles.

Figura 2. Divisin de clulas.

Debe hacerse hincapi en que la particin de clulas requiere un diseo cuidadoso duranteel establecimiento inicial del sistema, a fin de minimizar la cantidad de ajustes que es precisohacer al sistema. Adems, si las clulas son pequeas se requieren transferencias de control msfrecuentes (cuando la unidad mvil pasa de una clula a otra), lo que aumenta el gasto extra dela red.

Figura 3. Ejemplo de reutilizacin de frecuencias.

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1.3. Interferencias y Capacidad del Sistema

La interferencia es el principal factor que limita el desarrollo de los sistemas celulares. Lasfuentes de interferencias incluyen a otras estaciones mviles dentro de la misma celda, ocualquier sistema no celular que de forma inadvertida introduce energa dentro de la banda defrecuencia 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 nodeseada. Sobre los canales de control, las interferencias conducen a llamadas perdidas obloqueadas debido a errores en la sealizacin digital. Las interferencias son ms fuertes en lasreas urbanas, debido al mayor ruido de radio frecuencia y al gran nmero de estaciones base ymviles. Las interferencias son las responsables de formar un cuello de botella en la capacidad yde la mayora de las llamadas entrecortadas. Los dos tipos principales de interferenciasgeneradas por sistemas son las interferencias co-canal y las interferencias entre canalesadyacentes. Aunque las seales de interferencia se generan frecuentemente dentro del sistemacelular, 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 labanda (de otros sistemas celulares, por ejemplo), que llegan sin avisar debido a los productos deintermodulacin intermitentes o a sobrecarcas del terminal de otro abonado. En la prctica, lostransmisores de portadoras de sistemas celulares de la competencia, son frecuentemente unafuente significativa de interferencias de fuera de banda, dado que la competenciafrecuentemente coloca sus estaciones base cerca, para proporcionar una cobertura comparable asus abonados.

1.3.1. Interferencia co-canal y Capacidad del Sistema.

La reutilizacin de frecuencias implica que en un rea de cobertura dada haya varias celdasque usen el mismo conjunto de frecuencias. Estas celdas son llamadas celdas co-canales, y lainterferencia entre las seales de estas celdas se le llama interferencia co-canal. Al contrario queel ruido trmico, que se puede superar incrementando la relacin seal ruido ("Signal to NoiseRatio" SNR), la interferencia co-canal no se puede combatir simplemente incrementando lapotencia de portadora de un transmisor. Esto es debido a que un incremento en la potencia deportadora de transmisin de una celda, incrementa la interferencia hacia las celdas co-canalesvecinas. Para reducir la interferencia co-canal las celdas co-canales deben estar fsicamenteseparadas por una distancia mnima que proporcione el suficiente aislamiento debido a lasprdidas en la propagacin.

En un sistema celular, cuando el tamao de cada celda es aproximadamente el mismo, lainterferencia co-canal es aproximadamente independiente de la potencia de transmisin y seconvierte en una funcin del radio de la celda (R), y de la distancia al centro de la celda co-canalms 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

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

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1.3.2. Interferencia entre canales adyacentes.

Entran en este apartado las interferencias procedentes de seales que son adyacentes enfrecuencia a la seal deseada. Estas interferencias estn producidas por la imperfeccin de losfiltros en los receptores que permiten a las frecuencias cercanas colarse dentro de la bandapasante. El problema puede ser particularmente serio si un usuario de un canal adyacente esttransmitiendo en un rango muy prximo al receptor de un abonado, mientras que el receptor estintentando recibir una estacin base sobre el canal deseado. A esto se le suele llamar efecto"nearfar", donde un transmisor cercano (que puede ser o no del mismo tipo que el usado en elsistema celular) captura al receptor del abonado. Otra forma de reducir el mismo efecto escuando un mvil cercano a una estacin base transmite sobre un canal cercano a otro que estusando un mvil dbil. La estacin base puede tener dificultad para discriminar al usuario mvildeseado del otro debido a la proximidad entre los canales.

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

1.3.3. Control de Potencia para reducir las Interferencias

En los sistemas celulares de radio, los niveles de potencia transmitida por cada unidad delos abonados, estn bajo un control constante por las estaciones base servidoras. Esto se hacepara asegurar que cada mvil transmite la potencia ms baja necesaria y as reducir lasinterferencias entre canales.

1.4. Tipos de sistemas celulares e impacto en el mercado.

Tabla 1.1. Resumen de sistemas celulares.

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Estos sistemas son incompatibles entre s, lo cual dio lugar a plantearse la implantacin deun sistema celular a nivel mundial. He aqu la razn de ser del modelo GSM.

2. GSM.

2.1. Inicios.

Los primeros trabajos con GSM los inici en 1982 un grupo dentro del Instituto Europeode Normas de Comunicaciones (ETSI, European Telecommunications Standards Institute).Originalmente, este organismo se llamaba Groupe Sociale Mobile, lo que dio pie al acrnimoGSM.

El objetivo de este proyecto era poner fin a la incompatibilidad de sistemas en el rea delas comunicaciones mviles y crear una estructura de sistemas de comunicaciones a niveleuropeo.

GSM se diseo para incluir una amplia variedad de servicios que incluyen transmisiones devoz y servicios de manejo de mensajes entre unidades mviles o cualquier otra unidad porttil.

2.2. Componentes de GSM.

Los componentes principales GSM son:

- El centro de conmutacin mvil ( MSC, Mobile Switching Center), es elcorazn de todo sistema GSM y se encarga de establecer, gestionar y despejarconexiones, as como de enrutar las llamadas a la clula correcta. El MSCproporciona la interfaz con el sistema telefnico y presta servicios de determinacinde cargos y contabilidad.

- La clula, cuyo tamao es de aproximadamente 35 km.

- La unidad mvil (MS, Mobile Station).

- El controlador de estaciones base (BSC, Base Station Controller). Es unelemento nuevo introducido por GSM. Se encarga de las operaciones detransferencia de control de las llamadas y tambin de controlar las seales depotencia entre las BTS y las MS, con lo cual releva al centro de conmutacin devarias tareas.

- La estacin de transmisin-recepcin base (BTS, Base Transceiver Station).Establece la interfaz a la unidad mvil. Est bajo el control del BSC.

- La HLR (Home Location Register) es una base de datos que proporcionainformacin sobre el usuario, su base de suscripcin de origen y los serviciossuplementarios que se le proveen.

- El VLR (Visitor Location Register) es tambin una base de datos que contieneinformacin sobre la situacin de encendido/apagado de las estaciones mviles y sise han activado o desactivado cualesquiera de los servicios suplementarios.

- El centro de validacin (AC o AUC, Authentication Center) que sirve paraproteger a cada suscriptor contra un acceso no autorizado o contra el uso de unnmero de suscripcin por personas no autorizadas; opera en relacin estrecha conel HLR.

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- El registro de identidad del equipo (EIR, Equipment Identity Register) quesirve para registrar el tipo de equipo que existe en la estacin mvil y tambinpuede desempear funciones de seguridad como bloqueo de llamadas que se hadeterminado que emanan de estaciones mviles robadas, as como evitar que ciertasestaciones que no han sido aprobadas por el proveedor de la res usen sta.

Figura 4. Esquema de componentes GSM.

2.3. Enrutamiento de llamadas.

En la figura 5 se muestra un ejemplo de enrutamiento de llamadas GSM. En el paso 1, unusuario de telfono llama a la unidad mvil a travs de la red telefnica pblica. La llamada seenruta a un MSC de puerta (paso 2), el cual examina los dgitos marcados y determina que nopuede enrutar la llamada ms lejos; por tanto, en el paso 3, interroga el registro de ubicacin deorigen (HLR) del usuario llamado a travs del SS7 TCAP (transation capabilities applicationpart). El HLR interroga el registro de ubicacin de visitante (VLR) que actualmente est dandoservicio al usuario (paso 4). En el paso 5, el VLR devuelve un nmero de enrutamiento al HLR,que lo devuelve al MSC de puerta. Con base en este nmero de enrutamiento, el MSC de puertaenruta la llamada al MSC terminal (paso 6). El MSC terminal consulta entonces el VLR paracomparar la llamada entrante con la identidad del suscriptor receptor (pasos 7 y 8). En el paso 9,la BSS recibe una solicitud de notificacin del MSC terminal y enva una seal de notificacin.Cuando la seal de usuario regresa, la llamada se completa (paso 10).

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Figura 5. Ejemplo de gestin de llamadas GSM.

2.4. Actualizacin de ubicacin.

La figura 6 muestra un ejemplo de cmo un suscriptor puede vagar de una clula a otra yde cmo el sistema sigue la posta de dicho suscriptor. Cuando una estacin mvil cruza unafrontera de una clula, la unidad mvil enva automticamente su solicitud de actualizacin deubicacin (que tambin contiene su identificacin) a la BSS. El mensaje se enruta al MSC de lanueva clula, que examina su VLR (VLR nueva en la figura 6). Si la VLR nueva no tieneinformacin acerca de la identidad del mensaje para este usuario (porque el usuario lleg hacepoco a esta rea), enva un mensaje de solicitud de actualizacin de ubicacin al registro deubicacin de origen del usuario (suceso 2). Este mensaje incluya la identidad del usuario ascomo la identidad del VLR que est enviando el mensaje. En el suceso 3, el HLR almacena lanueva ubicacin que est enviando el mensaje. En el suceso 3, el HLR almacena la nuevaubicacin del suscriptor como VLR nuevo y luego carga lnea abajo la base de datos desuscripcin del usuario en el nuevo VLR. Al recibir esta informacin, el nuevo VLR enva elacuse de recibo de la actualizacin de ubicacin a travs del nuevo MSC a la BSS y de vuelta alusuario mvil originador (suceso 4). Por ltimo, en el suceso 5, el HLR enva un mensaje decancelacin de ubicacin al VLR viejo para borrar los datos del suscriptor de su base de datos.

Importante, slo un VLR a la vez debe conocer al suscriptor mvil. En este ejemplo,cuando el suscriptor se ha movido a otra rea (otra clula), ha sido necesario actualizar el VLR.

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Figura 6. Actualizacin de ubicacin.

Es evidente que el HLR es el maestro de las bases de datos de suscriptores y por tantocoordina los cambios a los VLR y MSC conforme el suscriptor se mueve de una clula a otra.

2.5. GSM 900/DCS 1800: Cimientos de PCS 1900 (TDMA).

En Norteamrica, varios proveedores de servicios han escogido al PCS 1900 de accesomltiple por divisin en el tiempo (TDMA, Time Division Multiple Acces) como tecnologa desegunda generacin para las redes mviles-inalmbricas. PCS 1900 (TDMA) es muy similar aGSM 900/DCS 1800, y utiliza el mismo protocolo Um; opera en el espectro de 1900 MHz.

Estos sistemas mviles-inalmbricos de segunda generacin emplean tcnicas similarespara establecer los canales fsicos y lgicos en la interfaz de radio. Las diferencias principalesson las frecuencias que se usa para los canales fsicos, que se muestran en la tabla de la parteinferior de la figura 7. Los canales lgicos (las slots de tiempo) son muy similares y seclasifican como canales de trfico (TCH) o canales de control (CCH). Los canales fsicos sedesignan con n, donde n es el ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number, nmeroabsoluto de canal radiofrecuencia).

El sistema GSM 900 emplea dos bandas de 25 MHz para el enlace ascendente y el enlacedescendente. Dentro de ese espectro se asignan canales de 200 KHz. El enlace ascendente y eldescendente estn separados por un espaciado de 45 MHz. El ARFCN vara entre q y 124. Laasignacin de los canales de 100 KHz vara y depende de los patrones de trfico y del tamao declula del sistema.

El sistema DCS 1800 usa dos bandas de 75 MHz para el enlace ascendente y eldescendente. Al igual que en GSM 900, se asignan canales de 200 KHz dentro de esas bandas.El enlace ascendente y el descendente estn separados por un espaciado de 95 MHz. El ARFCNvara entre 512 y 885.

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En PCS 1900 (TDMA), el sistema usa dos bandas de 60 MHz para el enlace ascendente yel enlace descendente. Al igual que los otros sistemas, PCS 1900 usa canales de 200 KHz con elenlace ascendente y el descendente separados por un espaciado de 80 MHz.

Figura 7. Comparacin de los canales de GSM 900, DCS 1800 y PCS 1900.

Como se muestra en la parte inferior de la figura 7, los canales lgicos estn numerados del1-124, 512-885 y 512-810 para GSM 900, DCS 1800 y PCS 1900 respectivamente. Los valoresde AFRCN se basan en las bandas de frecuencia derivadas de la sencilla frmula que se muestraen la figura.

2.6. Interfaces GSM.Figura 8. Las interfaces GSM.

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GSM se dise de modo que permitiera la divisin en particiones funcionales. Dichasparticiones tienen sus fronteras en las diferentes interfaces que la componen. Estas son lassiguientes:

- La interfaz A. Un lado de la interfaz se ocupa de las operaciones de MSC, HLR yVLR, y el otro lado de ella se encarga de las operaciones de BSC y de radio.

- Una segunda interfaz llamada Abis, defines las operaciones entre el BSC y la BTS;se basa en un enlace de transmisin PCM-30 de 2 Mbit/s y LAPD.

- La interfaz de aplicacin mvil, MAP (Mobile Application Part) define lasoperaciones entre el MSC y la red telefnica, as como el MSC, el HLR, el VLR yel EIR. MAP se implementa encima de SS7.

- La interfaz de radio Um, a la cual dedicamos un completo apartado debido a sutranscendental importancia.

3. La interfaz de Radio

3.1. Introduccin

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

3.2. Acceso a Sistemas Truncados.

Si el nmero de canales disponibles para todos los usuarios de un sistema de radio esmenor que el nmero de posibles usuarios, entonces a ese sistema se le llama sistema de radiotruncado. El truncamiento es el proceso por el cual los usuarios participan de un determinadonmero de canales de forma ordenada. Los canales compartidos funcionan debido a quepodemos estar seguros que la probabilidad de que todo el mundo quiera un canal al mismotiempo es muy baja. Un sistema de telefona celular como GSM es un sistema de radiotruncado, porque hay menos canales que abonados que posiblemente quieran usar el sistema almismo tiempo. El acceso se garantiza dividiendo el sistema en uno o ms de sus dominios:frecuencia, tiempo, espacio o codificacin.

3.2.1. Acceso Mltiple por Divisin en Frecuencia (FDMA).

FDMA ("Frecuency Division Multiple Access") es la manera ms comn de accesotruncado. Con FDMA, se asigna a los usuarios un canal de un conjunto limitado de canalesordenados en el dominio de la frecuencia. Cuando hay ms usuarios que el suministro decanales de frecuencia puede soportar, se bloquea el acceso de los usuarios al sistema. Cuantasms frecuencias se disponen, hay ms usuarios, y esto significa que tiene que pasar mssealizacin a travs del canal de control. Los sistemas muy grandes FDMA frecuentementetienen ms de un canal de control para manejar todas las tareas de control de acceso. Unacaracterstica importante de los sistemas FDMA es que una vez que se asigna una frecuencia aun usuario, sta es usada exclusivamente por ese usuario hasta que ste no necesite el recurso.

3.2.2. Acceso Mltiple por Divisin en el Tiempo (TDMA).

TDMA ("Time Division Multiple Access") es comn en los sistemas de telefona fija. Lasltimas tecnologas en los sistemas de radio son la codificacin de la voz y la compresin dedatos, que eliminan redundancia y periodos de silencio y decrementan el tiempo necesario enrepresentar un periodo de voz. Los usuarios acceden a un canal de acuerdo con un esquema

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temporal. Aunque no hay ningn requerimiento tcnico para ello, los sistemas celulares, queemplean tcnicas TDMA, siempre usan TDMA sobre una estructura FDMA. Un sistema puroTDMA tendra slo una frecuencia de operacin, y no sera un sistema til.

En los sistemas modernos celulares y digitales, TDMA implica el uso de tcnicas decompresin de voz digitales, que permite a mltiples usuarios compartir un canal comnutilizando un orden temporal. La codificacin de voz moderna, reduce mucho el tiempo que selleva en transmitir mensajes de voz, eliminando la mayora de la redundancia y periodos desilencio en las comunicaciones de voz. Otros usuarios pueden compartir el mismo canal durantelos periodos en que ste no se utiliza. Los usuarios comparten un canal fsico en un sistemaTDMA, donde estn asignados unos slots de tiempo. A todos los usuarios que comparten lamisma frecuencia se les asigna un slot de tiempo, que se repite dentro de un grupo de slots quese llama trama. Un slot GSM es de 577 s y cada usuario tiene uso del canal (mediante su slot)cada 4.615 ms (577 s * 8 = 4.615 ms), ya que en GSM tenemos 8 slots de tiempo.

En GSM existen ciento veinticuatro pares de canales que operan en forma full dplexasignando al enlace ascendente y al descendente diferentes frecuencias portadoras. En elejemplo siguiente, un canal se asigna a la portadora de 935.2MHz y otro canal se asigna a laportadora de 890.2 MHz. De ah en adelante, estos canales multiplexados por divisin en lafrecuencia se multiplexan por divisin en el tiempo. Como ya hemos dicho, los slots TDMA seasignan con ocho slots por trama. En estos slots operan bits de informacin y de control. Cadaslot individual comprende 156.25 bits. Sin embargo, el usuario slo recibe 114 bits de este slot;el resto se usa para sincronizacin y otras funciones de control.

Figura 9. La interfaz Um.

Obsrvese que los canales de enlace ascendente y de enlace descendente tienen la mismaestructura. Adems, las portadoras se dividen en 124 pares de canales con un espaciado de 200KHz para evitar interferencias entre canales. De todos modos, estos conceptos se estudiarn conms detalle ms adelante.

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3.2.3. 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 radiotruncados solamente porque emplean SDMA. Los sistemas de radio celulares, como ya vimosen la introduccin a los sistemas celulares, permiten el acceso a un canal de radio, siendo stereutilizado en otras celdas dentro del sistema.

3.2.4. Acceso Mltiple por Divisin de Cdigo (CDMA).

El acceso Mltiple por Divisin de Cdigo (CDMA, Code Divisin Multiple Access) unparticipante relativamente nuevo en el mundo mvil-inalmbrico comercial. CDMA es muydiferente de TDMA. En primer lugar, CDMA usa un solo espectro de ancho de banda (norebanadas de ancho de banda) para todos los usuarios de la clula. CDMA transmite las sealesde todos los usuarios por el canal al mismo tiempo, lo que permite a las seales de los usuariosinterferir unas con otras.

Al igual que en TDMA, la conversacin analgica se codifica en seales digitales, pero, adiferencia de TDMA, a cada conversacin se le asigna un cdigo nico (una llave para cadatransmisin individual). La seal codificada puede extraerse en el receptor empleando un cdigocomplementario. Los cdigos de los diferentes usuarios del canal se disean de modo que seantan distintos unos de otros como sea posible.

Cada seal de conversacin se modula (dispersa) a lo ancho de toda una banda (p.ej., unabanda de 1.25 MHz). El respectivo receptor desmodula e interpreta la seal empleando elcdigo pertinente incorporado en la seal. La seal final slo contiene la conversacinpertinente. Cualquier otra seal (las seales codificadas de otros usuarios) se capta como ruido.

Muchas personas describen CDMA haciendo una analoga con el lenguaje. Por ejemplo,imaginemos que estamos sentados en una habitacin donde varias personas estn hablando unascon otras en diferentes idiomas. Nosotros, actuando como receptores, podemos distinguir ellenguaje o lenguajes que sabemos de los dems. Aunque todos los sonidos (seales) estnllegando a nuestros odos, la capacidad que tenemos para eliminar por filtrado lasconversaciones superfluas es anloga a la de un receptor CDMA que examina los cdigospertinentes de las seales y elimina por filtrado aquellos que no le ataen.

A continuacin presentamos un ejemplo de CDMA. Empezamos con dos conjuntos deinformacin binaria que son el dato A y el dato B.

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Figura 10. Ejemplo de CDMA.

Queremos transmitir ambas cadenas de datos juntas sobre un canal y separarlas en elreceptor, por lo que le hemos de dar a cada una un canal virtual. Para hacer esto, le damos acada cadena de datos, A y B, sumndole mdulo 2 su propia llave: la llave A y la llave B. Ensus respectivos casos, obtenemos las seales A y B. Ahora miramos en el receptor (correlador) yvemos qu ocurre con las dos seales.

La composicin de las dos seales aparece en el receptor llamada "Composicin de laSeal A+B". La forma de onda es simplemente la suma algebraica, bit a bit, de las seales A yB. Recuperamos el Dato A de las seal compuesta, en dos pasos. Primero, multiplicamos lasseal 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 integradordespus de 6 bits (ya que por cada bit de datos, le introdujimos 6 bits de llave). El signo de laseal nos da directamente el dato descodificado. Si el signo es negativo, el dato es un 0, y si espositivo, un 1. Con la seal B se operara lo mismo excepto que deberamos utilizar su llavecorrespondiente (Figura en pgina siguiente ).

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Figura 11. Recuperacin de la seal B.

Tal y como hemos dicho, si intentramos recuperar el dato con una llave incorrecta, seobtendra el resultado expuesto en la figura 12. En ella se aprecia que a la salida del integradorse obtiene una seal que tiene una media de cero voltios.

Figura 12. Recuperacin de una seal utilizando una llave incorrecta.

3.2.5. Acceso Mltiple por Saltos de Frecuencia (FHMA).

FHMA es un sistema de acceso mltiple digital, en el cual, las frecuencias de lasportadoras de los usuarios individuales se varan de forma pseudoaleatoria dentro de un canal debanda ancha. Los datos digitales se dividen en rfagas de tamao uniforme que se transmitensobre diferentes portadoras.

3.2.6. Operaciones Dplex.

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

3.2.6.1.Dplex por divisin en Frecuencia (FDD).

Debido a que es difcil y muy caro construir un sistema de radio que pueda transmitir yrecibir seales al mismo tiempo y por la misma frecuencia, es comn definir un canal defrecuencia con dos frecuencias de operacin separadas, una para el transmisor y otra para el

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receptor. Todo lo que se necesita es aadir filtros en los caminos del transmisor y del receptorque mantengan la energa del transmisor fuera de la entrada del receptor. Se podra usar unaantena comn como un sistema de filtrado simple. Los sistemas de filtrado se llaman duplexoresy nos permiten usar el canal (par de frecuencias) en el modo full-duplex; es decir, el usuariopuede hablar y escuchar al mismo tiempo.

3.2.6.2. Dplex por Divisin en el Tiempo (TDD).

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

3.3. El Canal de Radio.

3.3.1. Caractersticas del Canal de Radio.

El espectro de radio es un recurso muy valioso pero fijo. Por ello, los diseadores desistemas deben basar su estudio en mandar la informacin en el segmento ms estrecho que sepueda del espectro asignado. Hay dos fuentes de problemas dentro del canal: el ruido y lasinterferencias entre los distintos canales.

3.3.2. Condiciones Estticas.

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

3.3.3. Condiciones Dinmicas.

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

3.4. Frecuencias y Canales Lgicos.

GSM utiliza dos bandas de 25 MHz para transmitir y para recibir (FDD). La banda de 890-915 MHz se usa para las transmisiones desde la MS hasta el BTS ("uplink") y la banda de 935-960 MHz se usa para las transmisiones entre el BTS y la MS ("downlink"). GSM usa FDD yuna combinacin de TDMA y FHMA para proporcionar a las estaciones base y a los usuariosun acceso mltiple. Las bandas de frecuencias superiores e inferiores se dividen en canales de200 KHz llamados ARFCN ("Absolute Radio Frequency Channel Number" Nmeros deCanales de Radio Frecuencia Absolutos). El ARFCN denota un par de canales "uplink" y"downlink" separados por 45 MHz y cada canal es compartido en el tiempo por hasta 8 usuariosusando TDMA.

Cada uno de los 8 usuarios usan el mismo ARFCN y ocupan un nico slot de tiempo (TS)por trama. Las transmisiones de radio se hacen a una velocidad de 270.83 kbps usandomodulacin digital binaria GMSK ("Gaussian Minimum Shift Keying") con BT=0.3. El BT esel producto del ancho de banda del filtro por el periodo de bit de transmisin. Por lo tanto, la

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duracin de un bit es de 3.692 ms, y la velocidad efectiva de transmisin de cada usuario es de33.85 kbps (270.83 kbps/8 usuarios). Con el estndar GSM, los datos se envan actualmente auna velocidad mxima de 24.7 kbps. Cada TS tiene un tamao equivalente en un canal de radiode 156.25 bits, y una duracin de 576.92 s como se muestra en la figura 13 y una tramaTDMA simple en GSM dura 4.615 ms. El nmero de total de canales disponibles dentro de los25 MHz de banda es de 125 (asumiendo que no hay ninguna banda de guarda). Dado que cadacanal de radio est formado por 8 slots de tiempo, hacen un total de 1000 canales de trfico enGSM. En implementaciones prcticas, se proporciona una banda de guarda de la parte ms altay ms baja de espectro de GSM, y disponemos tan solo de 124 canales. La combinacin de unnmero de TS y un ARFCN constituyen un canal fsico tanto para el "uplink" como para el"downlink". Cada canal fsico en un sistema GSM se puede proyectar en diferentes canaleslgicos en diferentes tiempos. Es decir, cada slot de tiempo especfico o trama debe estardedicado a manipular el trfico de datos (voz, facsmil o teletexto), o a sealizar datos (desde elMSC, la estacin base o la MS). Las especificaciones GSM definen una gran variedad decanales lgicos que pueden ser usados para enlazar la capa fsica con la capa de datos dentro delas capas de la red GSM. Estos canales lgicos transmiten eficientemente los datos de usuario, aparte de proporcionar el control de la red en cada ARFCN. GSM proporciona asignacionesexplcitas de los slots de tiempo de las tramas para los diferentes canales lgicos.

Figura 13. Una trama de voz y la estructura multitrama.

Los canales lgicos se pueden separar en dos categoras principalmente:

- Los Canales de Trfico (TCH).

- Los Canales de Control.

Los TCHs llevan voz codificada digitalmente o datos y tienen funciones idnticas yformatos tanto para el "downlink" como para el "uplink". Los canales de control llevancomandos de sealizacin y control entre la estacin base y la estacin mvil. Se definen ciertostipos de canales de control exclusivos para el uplink o para el downlink. Hay seis clasesdiferentes de TCHs y un nmero an mayor de Canales de Control, que vamos a describirbrevemente a continuacin.

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3.4.1. Canales de Trfico.

Los canales de trfico en GSM pueden ser de velocidad completa ("full-rate") o develocidad mitad ("half-rate"), y pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario. Cuandotransmitimos a velocidad completa, los datos estn contenidos en un TS por trama. Cuandotransmitimos a velocidad mitad, los datos de usuario se transportan en el mismo slot de tiempo,pero se envan en tramas alternativas.

En GSM, los datos TCH no se pueden enviar en el TS 0 ("time slot 0") sobre ciertosARFCNs ya que este TS est reservado para los canales de control en la mayora de las tramas.Adems, cada trece tramas TCH se enva un canal de control asociado lento (SACCH) o tramas"idle". A cada grupo de 26 tramas consecutivas TDMA se le llama multitrama. De cada 26tramas, la decimotercera y la vigesimosexta se corresponden con datos SACCH, o tramas "idle".La 26 trama contiene bits idle para el caso cuando se usan TCHs a velocidad completa, ycontiene datos SACCH cuando se usa TCHs a velocidad mitad.

Los TCHs se usan para llevar voz codificada o datos de usuario. Se definen en GSM dosformas generales de canales de trfico:

- Canal de Trfico a Velocidad Completa (TCH/F). Este canal transportainformacin a una velocidad de 22.8 kbps.

- Canal de Trfico a Velocidad Mitad (TCH/H). Este canal transporta informacina una velocidad de 11.4 kbps.

Para transportar voz codificada se van a utilizar dos tipos de canales:

- Canal de Trfico a Velocidad Completa para Voz (TCH/FS). Lleva vozdigitalizada a 13 kbps. Despus de la codificacin del canal la velocidad es de 22.8kbps.

- Canal de Trfico a Velocidad Mitad para Voz (TCH/HS). Ha sido diseado parallevar voz digitalizada que ha sido muestreada a la mitad que la de un canal avelocidad completa. En este aspecto GSM se ha anticipado a la disponibilidad decodificadores normalizados de voz a velocidades de unos 6.5 kbps. Despus de lacodificacin del canal, la velocidad es de 11.4 kbps.

Para llevar datos de usuario se definen los siguientes tipos de canales de trfico:

- Canal de Trfico a Velocidad Completa para Datos a 9.6 kbps (TCH/F9.6).Lleva datos de usuario enviados a 9600 bps. Con la codificacin de correccin deerrores aplicada segn el estndar GSM, los datos se envan a 22.8 bps.

- Canal de Trfico a Velocidad Completa para Datos a 4.8 kbps (TCH/F4.8).Lleva datos de usuario enviados a 4800 bps. Con la codificacin de correccin deerrores aplicada segn el estndar GSM, los datos se envan a 22.8 bps.

- Canal de Trfico a Velocidad Completa para Datos a 2.4 kbps (TCH/F2.4).Lleva datos de usuario enviados a 2400 bps. Con la codificacin de correccin deerrores aplicada segn el estndar GSM, los datos se envan a 22.8 bps.

- Canal de Trfico a Velocidad Mitad para Datos a 4.8 kbps (TCH/H4.8). Llevadatos de usuario enviados a 4800 bps. Con la codificacin de correccin de erroresaplicada segn el estndar GSM, los datos se envan a 11.4 bps.

- Canal de Trfico a velocidad mitad para datos a 2.4 kbps (TCH/H2.4). Llevadatos de usuario enviados a 2400 bps. Con la codificacin de correccin de erroresaplicada segn el estndar GSM, los datos se envan a 11.4 bps.

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3.4.2. Canales de Control.

Se definen tres categoras de canales de control: difusin ("broadcast" BCH), comunes(CCCH) y dedicados (DCCH). Cada canal de control consiste en varios canales lgicosdistribuidos en el tiempo para proporcionar las funciones de control necesarias en GSM. Loscanales de control downlink BCH y CCCH se implementan slo en ciertos canales ARFCN y selocalizan en slots de tiempo de una forma especfica. Concretamente, stos canales se localizansolo en el TS 0 y se emiten slo durante ciertas tramas dentro de una secuencia repetitiva de 51tramas (llamada multitrama de control del canal) sobre aquellos ARFCNs que se disean comocanales "broadcast". Desde TS1 hasta TS7 se lleva canales de trfico regulares.

En GSM se definen 34 ARFCNs como canales "broadcast" estndar. Para cada canal"broadcast", la trama 51 no contiene ningn canal "downlink" BCH o CCCH y se consideracomo una trama idle. Sin embargo, el canal "uplink" CCH puede recibir transmisiones duranteel TS 0 de cualquier trama (incluso la trama "idle"). Por otra parte, los datos DCCH se puedenenviar durante cualquier slot de tiempo y en cualquier trama, y hay tramas completas dedicadasespecficamente para algunas transmisiones DCCH. Vamos a pasar a describir los diferentestipos de canales de control.

3.4.2.1. Canales "Broadcast" (BCH).

El BCH opera en el "downlink" de un ARFCN especfico dentro de cada celda, y transmitedatos slo en el primer slot (TS 0) de algunas tramas GSM. Al contrario que los TCHs que sondplex, los BCHs solo usan el "downlink". El BCH sirve como un canal gua para cualquiermvil cercano que lo identifique y se enganche a l. El BCH proporciona sincronizacin paratodos los mviles dentro de la celda y se monitoriza ocasionalmente por los mviles de celdasvecinas para recibir datos de potencia y poder realizar las decisiones de handover. Aunque losdatos BCH se transmiten en TS0, los otros siete slots de una trama GSM del mismo ARFCNestn disponibles para datos TCH, DCCH estn fijados por rfagas vacas ("dummy").

Dentro de los canales BCH se definen tres tipos de canales separados que tienen acceso alTS0 durante varias tramas de la multitrama de control formada por 51 tramas. La figura 14muestra cmo se colocan las tramas en un BCH. Vamos a describir los tres tipos de canalesBCH.

(a) Canal de Control de "Broadcast" (BCCH)- El BCCH es un canal downlink que seusa para enviar informacin de identificacin de celda y de red, as comocaractersticas operativas de la celda (estructura actual de canales de control,disponibilidad de canales, y congestin). El BCCH tambin enva una lista decanales que estn en uso en una celda. Desde la trama 2 a la 5 de una multitrama decontrol estn contenidos los datos BCCH. Debe notarse que en la Figura 19 el TS0contiene datos BCCH durante tramas especficas, y contiene otro tipo de canalesBCH, canales de control comunes (CCCHs), o tramas idle, en otras tramas hastacompletar las 51 tramas que forman la multitrama de control.

(b) Canal Corrector de Frecuencia (FCCH) - El FCCH es una rfaga de datos que ocupael TS0 para la primera trama dentro de la multitrama de control, y que se repite cadadiez tramas. El FCCH permite a cada estacin mvil sincronizar su frecuenciainterna de oscilacin a la frecuencia exacta de la estacin base.

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(c) Canal de Sincronizacin (SCH) - El SCH se enva en el TS0 de la tramainmediatamente despus del FCCH y se usa para identificar a la estacin baseservidora mientras que permite a cada mvil la sincronizacin de las tramas con laestacin base. El nmero de trama (FN), que oscila entre 0 hasta 2,715,647, se envacon el cdigo de identificacin de la estacin base (BSIC) durante la rfaga SCH. ElBSIC es asignado individualmente a cada BTS en un sistema GSM. Dado que unmvil puede estar hasta a 30 km de la BTS, es necesario frecuentemente ajustar latemporizacin de un usuario mvil particular de forma que la seal recibida en laestacin base se sincroniza con el reloj de la estacin base.

Figura 14. Mulitramas de control para el downlink (a) y para el uplink (b).

3.4.2.2. Canales de Control Comunes (CCCH).

En aquellos ARFCN reservados para BCHs, los canales de control comunes ocupan el TS0de cada trama que no est ocupada por los BCHs o por tramas idle. Un CCCH puede estarformado por tres tipos diferentes de canales: el canal de bsqueda (PCH) "downlink", el canalde acceso aleatorio (RACH) "uplink", y el canal de acceso concedido (AGCH) "downlink".Como vemos en la Figura 14, los CCCHs son los ms comunes dentro de los canales de controly se usan para buscar a los abonados, asignar canales de sealizacin a los usuarios, y recibircontestaciones de los mviles para el servicio. Vamos a describir estos tipos de canales.

(a) Canal de Bsqueda (PCH) - El PCH proporciona seales de bsqueda a todos losmviles de una celda, y avisa a los mviles si se ha producido alguna llamadaprocedente de la PTSN. El PCH transmite el IMSI (Identificacin de AbonadoMvil Internacional) del abonado destino, junto con la peticin de reconocimientode la unidad mvil a travs de un RACH. Alternativamente, el PCH se puede usarpara proporcionar envos de mensajes tipo ASCII en las celdas, como parte delservicio SMS de GSM.

(b) Canal de Acceso Aleatorio (RACH) - El RACH es un canal "uplink" usado por elmvil para confirmar una bsqueda procedente de un PCH, y tambin se usa paraoriginar una llamada. El RACH usa un esquema de acceso slotted ALOHA. Todoslos mviles deben de pedir acceso o responder ante una peticin por parte de unPCH dentro del TS0 de una trama GSM. En el BTS, cada trama (incluso la tramaidle) aceptar transmisiones RACH de los mviles durante TS0. Para establecer elservicio, la estacin base debe responder a la transmisin RACH dndole un canal

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de trfico y asignando un canal de control dedicado (SDCCH) para la sealizacindurante la llamada. Esta conexin se confirma por la estacin base a travs de unAGCH.

(c) Canal de Acceso Concedido (AGCH) - El AGCH se usa por la estacin base paraproporcionar un enlace de comunicaciones con el mvil, y lleva datos que ordenanal mvil operar en un canal fsico en particular (en un determinado TS y en unARFCN) con un canal de control dedicado. El ACCH es el ltimo mensaje decontrol enviado por la estacin base antes de que el abonado es eliminado delcontrol del canal de control. El ACCH se usa por la estacin base para responder aun RACH enviado por una MS en la trama CCCH previa.

3.4.2.3. Canales de Control Dedicados (DCCH).

Hay tres tipos de canales de control dedicados en GSM, y, como los canales de trfico, sonbidireccionales y tienen el mismo formato y funcin en el uplink y en el downlink. Como losTCHs, los DCCHs pueden existir en cualquier slot de cualquier ARFCN excepto en el TS0 delos ARFCN de los BCHs. Los Canales de Control Dedicados (SDCCH) se usan paraproporcionar servicios de sealizacin requeridos por los usuarios. Los Canales de ControlAsociados Lentos y Rpidos (SACCH y FACCH) se usan para supervisar las transmisiones dedatos entre la estacin mvil y la estacin base durante una llamada.

(a) Canales de Control Dedicados (SDCCH) - El SDCCH lleva datos de sealizacinsiguiendo la conexin del mvil con la estacin base, y justo antes de la conexin locrea la estacin base. El SDCCH se asegura que la MS y la estacin basepermanecen conectados mientras que la estacin base y el MSC verifica la unidadde abonado y localiza los recursos para el mvil. El SDCCH se puede pensar comoun canal intermedio y temporal que acepta una nueva llamada procedente de unBCH y mantiene el trfico mientras que est esperando que la estacin base asigneun TCH. El SDCCH se usa para enviar mensajes de autenticacin y de alerta (perono de voz). A los SDCCH se les puede asignar su propio canal fsico o puedenocupar el TS0 del BCH si la demanda de BCHs o CCCHs es baja.

(b) Canal de Control Asociado Lento (SACCH) - El SACCH est siempre asociado aun canal de trfico o a un SDCCH y se asigna dentro del mismo canal fsico. Portanto, cada ARFCN sistemticamente lleva datos SACCH para todos sus usuariosactuales. El SACCH lleva informacin general entre la MS y el BTS. En eldownlink, el SACCH se usa para enviar informacin lenta pero regular sobre loscambios de control al mvil, tales como instrucciones sobre la potencia a transmitire instrucciones especficas de temporizacin para cada usuario del ARFCN. En eluplink, lleva informacin acerca de la potencia de la seal recibida y de la calidaddel TCH, as como las medidas BCH de las celdas vecinas. El SACCH se transmitedurante la decimotercera trama (y la vigesimosexta si se usa velocidad mitad) decada multitrama de control (ver Figura 13), y dentro de esta trama, los 8 slots seusan para proporcionar datos SACCH a cada uno de los 8 usuarios ( 16) delARFCN.

(c) Canales de Control Asociados Rpidos (FACCH) - El FACCH lleva mensajesurgentes, y contienen esencialmente el mismo tipo de informacin que los SDCCH.Un FACCH se asigna cuando un SDCCH no se ha dedicado para un usuarioparticular y hay un mensaje urgente (como una respuesta de handover). El FACCHgana tiempo de acceso a un slot "robando" tramas del canal de trfico al que estasignado. Esto se hace activando dos bits especiales, llamados bits de robo("stealing bits"), de una rfaga TCH. Si se activan los stealing bits, el slot sabe quecontiene datos FACCH y no un canal de trfico, para esa trama.

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3.5. Estructura de las tramas en GSM.

Cada usuario transmite una rfaga de datos durante cada slot de tiempo asignado. Lasrfagas normales se usan para transmisiones TCH y DCCH tanto para el ascendente como parael descendente. La Figura 15 muestra los cinco tipos posibles de rfagas de datos usadas enGSM. Las rfagas normales se usan para transmisiones TCH y DCCH tanto para el "uplink"como para el "downlink". Las rfagas FCCH y SCH se usan en el TS0 de las tramas especficas(como se ha visto con anterioridad) para enviar los mensajes de control de frecuencia ysincronizacin temporal en el descendente. La rfaga RACH se usa por todos los mviles paraacceder al servicio desde cualquier estacin base, y la rfaga vaca se usa para rellenarinformacin en slots inutilizados en el descendente.

Figura 15. Tipos de rfagas de datos (slots de tiempo) en GSM.

La figura 16 muestra las estructura de datos dentro de una rfaga normal. Est formada por156.25 bits que se transmiten a una velocidad de 270.833333 kbps, de los cuales, 8.25 bitsproporcionan un tiempo de guarda al final de cada rfaga. Otros 114 son bits de informacinque se transmiten en dos secuencias de 57 bits al comienzo y al final de la rfaga. En el centrode la rfaga hay una secuencia de 26 bits de entrenamiento que permiten al ecualizadoradaptativo del mvil o de la estacin base analizar las caractersticas del canal de radio antes dedescodificar los datos. A cada lado de la secuencia de entrenamiento se encuentran los dos"stealing flags". Estos dos "flags" se usan para distinguir si el ST contiene datos de voz (TCH) ocontrol (FACCH), ambos con el mismo canal fsico. Durante una trama, el mvil usa un solo STpara transmitir, uno para recibir, y puede usar seis slots para medir la potencia de la seal decinco estaciones base adyacentes as como la de su propia estacin base.

Como se muestra en la figura 16, hay ocho slots por trama TDMA, y el periodo de trama esde 4.615 ms. Una trama contiene 8 x 156.25 = 1250 bits, aunque algunos periodos no se usan.La velocidad de las tramas es de 270.833 kbps/1250 bits/trama es decir 216.66 tramas porsegundo. Las tramas decimotercera y vigesimosexta no se usan para trfico, sino para tareas decontrol. Cada una de las tramas normales se agrupan en estructuras ms grandes llamadasmultitramas que a su vez se agrupan en supertramas y stas en hipertramas. Una multitramacontiene 26 tramas TDMA, y una supertrama contiene 51 multitramas, 1326 tramas TDMA.Una hipertrama contiene 2048 supertramas, o 2,715,648 tramas TDMA. Una hipertramacompleta se enva cada 3 horas, 28 minutos, y 54 segundos, y es importante en GSM dado quelos algoritmos de encriptacin relacionan este particular nmero de tramas, y slo se puedeobtener una suficiente seguridad si se usa un nmero suficientemente grande como el queproporciona la hipertrama.

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Figura 16. Estructura de trama.

Las multitramas de control ocupan 51 tramas (235.365 ms), a diferencia de las 26 tramas(120 ms) usadas por los canales de trfico o dedicados. Esto se hace intencionadamente paraasegurar que cualquier mvil (si est en la celda servidora o en la adyacente) recibir conseguridad las transmisiones del SCH y el FCCH del BCH.

3.6. Ejemplo de una llamada GSM.

Para comprender cmo se usan los diferentes canales de trfico y de control, consideremosel caso de que se origine una llamada en GSM [1]. Primero, la estacin mvil debe estarsincronizada a una estacin base cercana como se hace en un BCH. Recibiendo los mensajesFCCH, SCH y BCCH, el mvil se enganchar al sistema y al BCH apropiado. Para originar unallamada, el usuario primero marca la combinacin de dgitos correspondiente y presiona elbotn de "enviar" del telfono GSM. El mvil transmite una rfaga de datos RACH, usando elmismo ARFCN que la estacin base a la que est enganchado. La estacin base entoncesresponde con un mensaje AGCH sobre el CCCH que asigna al mvil un nuevo canal para unaconexin SDCCH. El mvil, que est recibiendo en la TS0 del BCH, recibe su asignacin deARFCN y su TS por parte del AGCH e inmediatamente cambia su sintonizacin a su nuevoARFCN y TS. Esta nueva asignacin del ARFCN y del TS es fsicamente el SDCCH (no elTCH). Una vez sintonizado al SDCCH, el mvil primero espera a la trama SDCCH que setransmite (la espera ser como mucho de 26 tramas cada 120 ms, como se muestra en la Figura13), que informa al mvil del adelanto de temporizacin adecuado y de los comandos depotencia a transmitir. La estacin base es capaz de determinar el adelanto de temporizacinadecuado y el nivel de seal del mvil gracias al ltimo RACH enviado por el mvil, y enva losvalores adecuados a travs del SACCH. Hasta que estas seales no le son enviadas yprocesadas, el mvil no puede transmitir rfagas normales como se requieren para un trfico devoz. El SDCCH enva mensajes entre la unidad mvil y la estacin base, teniendo cuidado de laautenticacin y la validacin del usuario, mientras que la PSTN conecta la direccin marcadacon el MSC, y el MSC conmuta un camino de voz hasta la estacin base servidora. Despus depocos segundos, la unidad mvil est dirigida por la estacin base a travs del SDCCH quedevuelve un nuevo ARFCN y un nuevo TS para la asignacin de un TCH. Una vez devuelto elTCH, los datos de voz se transfieren a travs del uplink y del downlink, la llamada se lleva acabo con xito, y el SDCCH es liberado.

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Cuando se originan llamadas desde la PSTN, el proceso es bastante similar. La estacinbase enva un mensaje PCH durante el TS0 en una trama apropiada de un BCH. La estacinmvil, enganchada al mismo ARFCN, detecta su bsqueda y contesta con un mensaje RACHreconociendo haber recibido la pgina. La estacin base entonces usa el AGCH sobre el CCCHpara asignar un nuevo canal fsico a la unidad mvil su conexin al SDCCH y al SACCHmientras la red y la estacin base estn conectadas. Una vez que el mvil establece sus nuevascondiciones de temporizacin y de potencia sobre el SDCCH, la estacin base gestiona unnuevo canal fsico a travs del SDCCH, y se hace la asignacin del TCH.

4. Procesado de Seal en GSM.

4.1. Introduccin.

La figura 17 nos muestra todas las operaciones que se realizan sobre la informacin atransmitir desde que sale del aparato transmisor hasta que llega al receptor.

Figura 17. Operaciones realizadas a la voz desde su entrada hasta la recepcin.

4.2. Codificacin de la fuente.

El servicio ms importante ofrecido al usuario de GSM es la transmisin de voz. Latelefona es el principal generador de beneficios para las compaas de mviles, y justifica losenormes esfuerzos e investigaciones que se necesitan para instalar estas redes.

El requerimiento tcnico general es simple: transmitir seales de voz con un nivelaceptable de calidad. En los sistemas analgicos de radio, la seal continua de baja frecuencia,tambin llamada como seal en banda base, modula la portadora de radio frecuencia. En elreceptor, se realiza la demodulacin de la seal de forma que se obtiene de nuevo la seal enbanda base ms el ruido introducido por el canal.

Debido a la reducida capacidad del canal de radio disponible, es deseable minimizar elnmero de bits que necesitamos transmitir. El dispositivo que transforma la voz humana en unacadena digital de datos que se puedan transmitir a travs de la interfaz de radio y genera unarepresentacin analgica audible de los datos recibidos es el codec de voz. El codec de vozforma parte de cada estacin mvil diseado para la transmisin de voz.

El codec de voz en GSM es el denominado RPE-LTP ("Regular Pulse Exciting - LongTerm Prediction"), que quiere decir excitacin de pulsos regulares y prediccin de periodo

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largo. Habr, se supone, un codec a velocidad mitad en un futuro. Este codec de velocidadmitad, necesitar la mitad de datos de los necesarios actualmente para representar los sonidos dela voz humana, y por tanto permitir el doble de usuarios de los actuales compartiendo la mismatrama TDMA.

4.2.1. Requisitos para la codificacin de la voz en GSM.

La forma ms sencilla para pasar una seal analgica a digital se implementa medianteconvertidores analgicos-digitales, y viceversa. Pero estas tcnicas de digitalizacin no son lasnicas empleadas en transformar las seales en banda base analgicas, en digitales y viceversa.

La codificacin de la voz en GSM debe tener los siguientes requisitos:

- La redundancia inherente a la seal de voz humana se reducir significativamente.Hay una gran cantidad de redundancia en los sonidos del lenguaje humano, y sieliminamos la mayora de esta redundancia, quedar una gran cantidad de tiempotil para otros usuarios en el canal. El proceso de la codificacin de voz se basa enquedarnos con la mnima cantidad de informacin necesaria para reconstruir laseal de voz en el receptor.

- La calidad de la transmisin de voz bajo la condiciones del canal de radio debe seral menos como la calidad ofrecida en los sistemas convencionales de telefonacelular bajo las mismas condiciones. - Las pausas en el flujo normal de lasconversaciones telefnicas se deben detectar para suspender (opcionalmente) latransmisin durante estos periodos. Esta caracterstica reducir el trfico, lainterferencia entre celdas y la duracin de las bateras de los mviles de mano. Estafuncin se llama transmisin discontinua (DTX).

4.2.2. Funcionamiento de la codificacin - descodificacin de la voz.

La Figura 18 nos muestra todos los componentes necesarios en el proceso de codificacin ydescodificacin de la voz en GSM.

Figura 18. Procesado de la seal de audio.

El sonido se convierte en una seal elctrica mediante el micrfono. Para digitalizar estaseal analgica, se tiene que muestrear. Si convertimos esta seal en datos directamente,forzamos al convertidor analgico digital (ADC) a hacer ms trabajo del realmente necesario.Para reducir el trabajo, las seal se filtra paso baja, de forma que slo contenga componentes enfrecuencia por debajo de unos 4 KHz. La seal en banda base de telefona se reduce al mnimoancho de banda entre 300 Hz y 3.4 KHz, suficientes para el reconocimiento correcto de la voz.Despus de filtrar, hemos de muestrear la seal. Muestreamos a una frecuencia de 8 KHz, ycuantizamos la seal en datos de 13 bits, por lo que la velocidad de transmisin en este primernivel es de 104 kbps. Esta interfaz en el proceso de codificacin de la voz se llama tambininterfaz de audio digital ("Digital Audio Interface" DAI). En el caso de una aplicacin de

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transcoder de voz en la parte de red (en el BTS o en el BSC) esto es posible, y adems prctico(ISDN). Pero, 104 kbps es una velocidad demasiado alta para ser transmitida a travs de lainterfaz de radio. El codificador de voz debe hacer algo para reducir significativamente estavelocidad extrayendo las componentes irrelevantes de la DAI.

4.2.3. Codificacin por Prediccin Lineal (LPC) y Anlisis por Excitacin dePulsos Regulares (RPE).

Cada 20 ms, 160 valores de muestras del ADC se toman y almacenan en una memoriaintermedia. Un anlisis del conjunto de muestras de datos produce ocho coeficientes de filtro yuna seal de excitacin para un filtro digital invariante en el tiempo. Este filtro se puede tomarcomo una imitacin digital del tracto bucal, donde los coeficientes del filtro representanmodificadores del tracto (como los dientes, lengua, faringe, etc.), y la seal de excitacinrepresenta el sonido ("pitch", sonoridad, etc.) o la ausencia de este que pasamos a travs deltracto bucal (filtro). Un conjunto correcto de coeficientes y una seal apropiada de excitacinnos dan el sonido tpico de la voz humana.

Este procedimiento, hasta ahora, no nos ha dado ninguna reduccin de datos. La reduccinse realiza en pasos posteriores, que toma las ventajas de ciertas caractersticas del odo humanoy del tracto bucal. Las 160 muestras, transformadas en los coeficientes del filtro, se dividen en 4bloques de 40 muestras cada uno. Cada bloque representa 5 ms de seal de voz. Estos bloquesse clasifican en 4 secuencias, donde cada secuencia contiene un cuarto de las muestras de las160 originales. La secuencia nmero 1 contiene las muestras 1, 5, 9, 13, ..., la secuencia nmero2 contiene las muestras 2, 6, 10, 14, ..., y as sucesivamente con las secuencias 3 y 4. La primerareduccin de datos viene cuando el codificador selecciona la secuencia con la mayor energa.

Esta codificacin por prediccin lineal y excitacin por pulsos regulares tiene una memoriamuy corta de aproximadamente 1 ms. Las consideraciones sobre una prediccin de periodolargo sobre los bloques vecinos o adyacentes, no se consideran aqu. Hay numerosascorrelaciones en la voz humana, especialmente en las vocales largas donde un mismo sonido serepite durante varias secuencias consecutivas. Esta segunda reduccin se lleva a cabo mediantela funcin LTP.

4.2.4. Anlisis por Prediccin de Periodo Largo (LTP).

La funcin LTP toma la secuencia seleccionada por el anlisis LPC/RPE. Una vez aceptadala secuencia, se mira a las secuencias que previamente pasaron (durante una memoria de 15 ms)y se busca la ltima secuencia que tuviera la correlacin ms alta con la secuencia actual.Podemos decir que la funcin LTP busca la secuencia ms similar de las recibidas a la actual.Ahora slo se necesita transmitir el valor representado por la diferencia entre estas dossecuencias.

El codificador de voz manda un bloque de 260 bits (una trama de voz) cada 20 ms(posicin B de la Figura 17). Por tanto se corresponde con una velocidad de 13 kbps, es deciruna reduccin en un factor 8 de los 104 kbps.

A los datos procedentes de la codificacin de la fuente (Ver figura 17), se les aplica lacodificacin del canal que estudiaremos ms adelante. La codificacin del canal, curiosamenteaade redundancia de nuevo a la seal, pero lo hace de forma que en el receptor se puedaneliminar ciertos errores causados por el canal. La codificacin del canal incrementa el bit rate a22.8 kbps.

Antes de la codificacin del canal los datos procedentes del codificador de voz, se ordenande acuerdo a su funcin e importancia, para aplicar una codificacin del canal selectiva.Tenemos 3 clases de importancia: la clase Ia, formada por los 50 primeros bits, la clase Ib

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formada por los bits siguientes hasta el 181, y finalmente, los 78 ltimos bits que forman laclase II.

4.2.5. Transmisin Discontinua.

Como mencionamos antes, otra caracterstica requerida en el transcoder de voz es ladeteccin de las pausas en las voz. Cuando se detecta una pausa, suspendemos la transmisin deradio durante la duracin de la pausa. El uso de esta caracterstica es una opcin de la red. Laopcin DTX tiende a reducir las interferencias entre celdas adyacentes y con las estacionesmviles cercanas a la base. Dado que el tiempo de transmisin se reduce, el consumo depotencia de la estacin mvil de mano se reduce, lo cual da a los usuarios la posibilidad de tenerbateras de menor tamao. Las pausas el una conversacin normal ocurren de forma queaparecen durante un 50% del tiempo aproximadamente. Esto significa que un canal de voz slose est usando la mitad del tiempo que el locutor lo usa.

La posibilidad de usar DTX han incluido dos caractersticas adicionales:

- Deteccin de la Actividad de Voz ("Voice Activity Detection" VAD) quedetermina la presencia o ausencia de voz en el telfono. Esto no es fcil deimplementar, dado que debe de funcionar bien incluso cuando haya un alto nivel deruido de fondo, como en un coche.

- La ausencia total de sonido puede molestar al usuario en el receptor del canal deradio; el terminal parece como estar muerto, y los usuarios tienden a hablardemasiado alto cuando no escuchan nada. Es necesario que haya un mnimo deruido convencional de fondo durante las pausas, y este ruido de fondo se le suelellamar presencia. Esto se suele hacer enviando un tipo especial de tramas cada 480ms llamadas tramas descriptoras de silencio (SID). Una vez que el receptor detectala llegada de una trama SID genera su propio ruido de fondo llamado ruido deconfort, que da al sistema la presencia.

Figura 19. Funciones de procesado de voz en GSM.

En la Figura 19 podemos ver los bloques implicados en la codificacin, transmisin ydescodificacin de la voz en GSM.

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4.3.Codificacin del Canal. Deteccin de Errores.

4.3.1. Introduccin a la codificacin del canal.

La codificacin del canal se basa en aadir redundancia a los datos generados por lacodificacin de la fuente de forma que se detecten e incluso se corrijan algunos erroresintroducidos por el canal que suponemos que contiene un ruido blanco gausiano aditivo.

Figura 20. Proceso de codificacin y descodificacin del canal.

En la Figura 20 podemos observar el de codificacin y descodificacin del canal. Elproceso de codificacin del canal normalmente se compone de dos codificaciones sucesivas.Primero se aplica un cdigo bloque y luego se aplica un cdigo convolucional. Para explicar agrandes rasgos en qu consiste un cdigo bloque, vamos a suponer que tenemos k bits deentrada en el codificador a R bps. A la salida de ste, vamos a tener n bits con n > k a unavelocidad de R/Rc bps, en donde el factor Rc es un valor adimensional llamado redundancia, yque es k/n (siempre va a ser menor que la unidad). Un cdigo convolucional implica el conceptode memoria, ya que se forma a partir de un registro de desplazamiento (mquina de estadosfinitos).

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 260bits cada 20 ms (13 kbps). Estos bits nos dan los diferentes parmetros del mtodo decodificacin de la fuente RPE/LPC-LTP, que vimos anteriormente. Pero no todos los bits deestos parmetros tenan la misma importancia. Como vimos en la tabla 5.1, estos se ordenabanen 3 clases de importancia. Pues bien, dependiendo de la clase de importancia, vamos a dar unaproteccin mayor o no.

Figura 21. Distintas codificaciones para los diferentes bits.

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A los 50 primeros bits (grupo Ia), que son los ms importantes, se les aplica un chequeo deparidad, mediante un cdigo cclico de 3 bits. Estos 53 bits as obtenidos, junto con los 132 bitssiguientes (grupo Ib), ms 4 bits de cola, hacen un total de 189 bits a los que se les aplica uncdigo convolucional de razn 1/2 y de profundidad 5, con lo que obtenemos 378 bits de salidaque sumados con los 78 bits que forman el grupo II, y que no llevan ninguna proteccin, hacenun 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 codificacionesde los que se componen la codificacin del canal.

4.3.1.1. Chequeo de Redundancia Cclica (CRC).

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

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 formaque la trama resultante est formada por los k bits ms los m bits generados. Para generar estetipo de secuencias existen numerosos mtodos, como son la aritmtica mdulo 2 y los mtodospolinmicos. En el caso de GSM se usa una funcin polinmica cuya frmula es

g(D)=D3+D+1.

4.3.1.2.Cdigos Convolucionales.

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

4.3.1.3 Entrelazado ("Interleaving").

En la vida real no se suele producir un error en un bit puntual sino que es mucho msprobable que afecten a un conjunto consecutivo de ellos. La codificacin del canal que hemosvisto hasta ahora es efectiva en la deteccin y correccin de pocos errores, pero no cuando lacantidad de informacin perdida consecutiva es grande. Para ello necesitamos un modo dedispersar los bits consecutivos que forman un mensaje. Esta es la misin del entrelazado.

En GSM, para minimizar el efecto de los desvanecimientos sbitos de los datos recibidos,el total de 456 bits bits codificados que se codifican cada 20 ms en una trama de voz o decontrol, se dividen en 8 sub-bloques de 57 bits. Estos 8 sub-bloques que forman una tramasimple de voz, se esparcen a travs de 8 slots TCH consecutivos ( es decir, 8 tramasconsecutivas para un TS especfico) [1]. Si se pierde una rfaga debido a las interferencias o alos desvanecimientos, la codificacin del canal asegura que disponemos de suficientes bits paradescodificar la secuencia correcta siempre y cuando tengamos una descodificacin como porejemplo el algoritmo de Viterbi. Cada slot TCH, como vimos, lleva dos bloque de datos de 57bits de dos segmentos de voz (o de control) diferentes (cada uno de los segmentos son losbloques de 456 bits).

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Figura 22. Interleaving en GSM.

La Figura 22 muestra exactamente como se produce el "interleaving" en las tramas dentrode los slots. Hemos de significar que el TS 0 contiene 57 bits de datos del subbloque 0 de la n-sima trama del codificador de voz (denominada como "a" en la figura) y 57 bits de datos de elsub-bloque 4 de la (n-1)-sima trama del codificador de voz (denominada como "b" en lafigura).

4.4. Modulacin Digital en GSM.

El esquema de modulacin usado en GSM es 0.3 GMSK, donde 0.3 describe el ancho debanda del filtro Gausiano con relacin al bit rate de la seal (BT=0.3). GMSK es un tipoespecial de modulacin FM. Los unos y ceros binarios se representan en GSM pordesplazamientos en frecuencia de 67.708 KHz. La velocidad de datos en GSM es de270.833333 kbps, que es exactamente cuatro veces el desplazamiento en frecuencia. Estominimiza el ancho de banda ocupado por el espectro de modulacin y por tanto mejora lacapacidad del canal. La seal MSK modulada se pasa a travs de un filtro Gausiano para atenuarlas variaciones rpidas de frecuencia que de otra forma esparciran energa en los canalesadyacentes.

4.4.1. Modulacin MSK ("Minimum Shift Keying").

MSK es un tipo especial de FSK ("Frecuency Shift Keying"), con fase continua y un ndicede modulacin de 0.5. El ndice de modulacin de una seal FSK es similar al de FM, y sedefine por kFSK= (2DF)/Rb, donde 2DF es el desplazamiento en frecuencia de pico a pico y Rb esel bit rate. Un ndice de modulacin de 0.5 se corresponde con el mnimo espacio en frecuenciaque permite dos seales FSK para ser ortogonales coherentes, y el nombre MSK implica lamnima separacin en frecuencia que permite una deteccin ortogonal. Dos seales FSK vH (t) yvL (t) se dice que son ortogonales si

MSK es una modulacin espectralmente eficiente. Posee propiedades como envolventeconstante, eficiencia espectral, buena respuesta ante los errores de bits, y capacidad deautosincronizacin. Una seal MSK genrica se puede expresar como

donde mI(t) y mQ(t) son los bits pares e impares de la cadena de datos bipolares que tienenvalores de +1 o de -1 y que alimentan los bloques en fase y en cuadratura del modulador.

La forma de onda MSK se puede ver como un tipo especial de FSK de fase continua ypor tanto la ecuacin anterior se puede reescribir usando las propiedades trigonomtricas como

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donde fk es 0 p dependiendo de si mI(t) es 1 -1. De la ecuacin anterior se puede deducirque MSK tiene amplitud constante. La continuidad de fase en los periodos de transicin de bitsse asegura escogiendo la frecuencia de la portadora como un mltiplo entero de un cuarto del bitrate. Con un estudio ms profundo, se puede ver de la ecuacin anterior que la fase de la sealMSK vara linealmente durante el transcurso de cada periodo de bit.

La Figura 23 muestra un modulador y demodulador tpico MSK. Multiplicando una sealportadora por cos[pt/2T] se producen dos seales coherentes en fase a las frecuencias fc+1/4T ya fc-1/4T. Estas dos seales FSK se separan usando dos filtros paso banda estrechos y secombinan apropiadamente para formar las dos seales en fase y en cuadratura x(t) e y(t)respectivamente. Estas portadoras se multiplican por las cadenas de bits impares y pares, mI(t) ymQ(t) para producir la seal modulada MSK sMSK(t).

Figura 23. Diagrama de bloques de un modulador y demodulador MSK.

En el receptor (demodulador), la seal recibida sMSK(t) (en ausencia de ruido einterferencias) se multiplica por las portadoras respectivas en fase y en cuadratura. La salida delos multiplicadores se integra durante dos periodos de bit y se introduce en un circuito dedecisin al final de estos dos periodos. Basado en el nivel de la seal a la salida del integrador,el dispositivo de decisin decide si la seal es 1 0. Las cadenas de datos de salida secorresponden con las seales mI(t) y mQ(t), que se combinan para obtener la seal demodulada.

4.4.2. Modulacin GMSK ("Gaussian Minimum Shift Keying").

GMSK es un esquema de modulacin binaria simple que se puede ver como derivado deMSK. En GMSK, los lbulos laterales del espectro de una seal MSK se reducen pasando losdatos NRZ modulantes a travs de un filtro Gausiano de premodulacin. El filtro gausianoaplana la trayectoria de fase de la seal MSK y por lo tanto, estabiliza las variaciones de la

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frecuencia instantnea a travs del tiempo. Esto tiene el efecto de reducir considerablemente losniveles de los lbulos laterales en el espectro transmitido.

El filtrado convierte la seal (donde cada smbolo en banda base ocupa un periodo detiempo (T) en una respuesta donde cada smbolo ocupa varios periodos. Sin embargo, dado queesta conformacin de pulsos no cambia el modelo de la trayectoria de la fase, GMSK se puededetectar coherentemente como una seal MSK, o no coherentemente como una seal simpleFSK. En la prctica, GMSK es muy atractiva por su excelente eficiencia de potencia y espectral.El filtro de premodulacin, por tanto, introduce interferencia intersimblica (ISI) en la sealtransmitida, y se puede mostrar que la degradacin no es grave si el parmetro BT del filtro esmayor de 0.5. Debido que en GSM tenemos que el BT es 0.3, vamos a tener algunos problemasde ISI y es por ello por lo que en GSM la seal no es totalmente de envolvente constante.

La manera ms simple de generar una seal GMSK es pasar una cadena de mensajes NRZa travs de un filtro gausiano paso baja, seguido de un modulador de FM. Esta tcnica demodulacin se muestra en la Figura 24 y se usa actualmente en una gran cantidad deimplementaciones analgicas y digitales, as como para GSM.

Figura 24. Diagrama de bloques de un transmisor GMSK usando generacin directade FM.

Vamos a utilizar los pasos mostrados en la Figura 25 para ver cmo se puede conseguir unaseal MSK.

Figura 25. Generacin de una seal MSK.

Las formas de onda de la Figura 25 estn todas alineadas en fase. Las pequeas escalasestn para ayudar a comprender mejor las relaciones de fase entre las formas de onda.Empezamos con una cadena de datos, que modular la portadora segn el esquema MSK.Supongamos una cadena de 10 bits de datos, que van a ser 1101011000. Ahora vamos a dividiresta cadena de datos en dos seales: una formada por los bits impares y otra formada por los bitspares. Vamos a mantener el valor de cada una de estas dos seales durante dos instantes detiempo. En el caso de GSM, como el bit rate es de 270.833 kbps, entonces el bit rate de lasseales impar y par ser de la mitad, es decir de 135.4165 kbps.

Las dos siguientes formas que onda que podemos ver en la Figura 25 son las sealesportadoras de frecuencia alta y baja, respectivamente. Dado que MSK es una forma de FSK,necesitamos dos versiones de nuestra portadora con dos frecuencias diferentes. Para crear la

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seal MSK, debemos empezar con el bit nmero 2, y debemos fijarnos en la tabla 4.1. Para eseinstante de tiempo, en el bit nmero 2, debemos fijarnos en el valor tanto de los bits imparescomo de los pares, y despus hemos de mirar a la tabla 4.2. y hacer lo que nos digan las reglasde decisin. La seal de salida MSK ser la que se nos indique teniendo en cuenta si la sealportadora tanto de frecuencia alta como de baja debe estar en fase o en contrafase.

Tabla 4.1.

Tabla 4.2. Tabla de decisin.

Para conseguir una seal GMSK de una seal MSK, necesitamos tan solo filtrar la sealMSK con un filtro gausiano de un ancho de banda definido por su BT=0.3, lo cual nos indicaque el ancho de banda B debe ser de 81.3 KHz aproximadamente dado que T=1/270833.

Las seales GMSK se pueden detectar usando detectores ortogonales coherentes como semuestran en la Figura 25 (parte superior), o con detectores no coherentes como losdiscriminadores normales de FM. Un mtodo no ptimo pero efectivo de detectar sealesGMSK es simplemente muestrear la salida de un demodulador de FM.

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Figura 26. Diagrama de bloques de un receptor GMSK (pgina anterior) y de uncircuito digital para la demodulacin de seales GMSK (pgina actual).

5. SMS.

5.1. Definicin.

SMS - Servicio de mensajes cortos. Es un sistema para enviar y recibir mensajes de textopara y desde telfonos mviles. El texto puede estar compuesto de palabras o nmeros o unacombinacin alfanumrica. SMS fue creado como una parte del estandar GSM fase 1. El primermensaje corto, se cree que fue enviado en Diciembre de 1992 desde un ordenador personal (PC)a un telfono mvil a travs de la red GSM Vodafone del Reino Unido. Cada mensaje puedetener hasta 160 caracteres cuando se usa el alfabeto latino, y 70 caracteres sise usa otro alfabetocomo el rabe o el chino.

5.2. Caractersticas.

Hay varias caractersticas nicas del servicio de mensajes cortos (SMS), segn lo definidodentro del estndar digital de telefona mvil GSM, un mensaje corto puede tener una longitudde hasta 160 caracteres. Esos 160 caracteres pueden ser palabras, nmeros o una combinacinalfanumrica. Los mensajes cortos basados en No-texto (por ejemplo, en formato binario)tambin se utilizan. Los mensajes cortos no se envan directamente del remitente al receptor,sino que se envan a travs de un centro de SMS. Cada red de telefona mvil que utiliza SMStiene uno o ms centros de mensajera para manejar los mensajes cortos. El servicio demensajes cortos se caracteriza por la confirmacin de mensaje de salida. Esto significa que elusuario que enva el mensaje, recibe posteriormente otro mensaje notificndole si su mensaje hasido enviado o no. Los mensajes cortos se pueden enviar y recibir simultneamente a la voz,datos y llamadas del fax. Esto es posible porque mientras que la voz, los datos y las llamadasdel fax asumen el control de un canal de radio dedicado durante la llamada, los mensajes cortosviajan sobre un canal dedicado a sealizacin independiente de los de trfico. Hay formas deenviar mltiples mensajes cortos:

- La concatenacin SMS (que encadena varios mensajes cortos juntos).

- La compresin de SMS (que consigue ms de 160 caracteres de informacin dentrode un solo mensaje corto).

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Para utilizar el servicio de mensajes cortos, los usuarios necesitan la suscripcin y elhardware especfico:

- Una suscripcin a una red de telefona mvil que soporte SMS.- Un telfono mvil que soporte SMS.- Un destino para enviar o recibir el mensaje, ya sea una mquina de fax, un PC, un

terminal mvil o un buzn de e-mail.

5.3. Evolucin.

No hay duda del xito conseguido por el Servicio de Mensajes cortos, ya que los ltimosdatos conocidos, hablan de 9 billones de mensajes por mes, y creciendo a un ritmo deaproximadamente 500.000 millones por mes. Repasemos un poco la evolucin de este servicio.En un principio, el operador de red incorpora Centros SMS de 1 generacin, como parte delplan de comisin de red. Estos primeros centros, pueden ser simples mdulos de la plataformade buzn de voz o alternativamente, un centro de SMS independiente. No es posible disponer demensajes cortos sin un SMSC (Centro de Mensajes Cortos), ya que todos los mensajes pasan atravs del mismo.

El operador de red, ve el SMS como algo para decir que lo tiene incorporado en su red.Ofrece el servicio SMS junto con las notificaciones del buzn de voz, las cuales abarcan las partes del trfico de SMS en la red. El operador de red lanza el servicio SMS, para dar al clientela capacidad de comunicacin en ambos sentidos. Los clientes experimentan con ello, yencuentran nuevas aplicaciones, lo que hace que incremente aproximadamente un 25% elvolumen total del SMSs.

Otro servicio aadido, son las direcciones de correo, los e-mails recibidos en el terminalmvil son tratados como mensajes cortos; este servicio, intenta hacerse popular en aquellosmercados donde la penetracin de Internet es baja y por tanto an no tienen direccin de correo.Este servicio incrementa aproximadamente un 20% el volumen total de SMSs. A lo anterior, sesuman los servicios de informacin noticias, viajes, el tiempo, deportes, horscopo, bromas ....Estos servicios crecen ms despacio, ya que es mucho el trabajo que implica la preparacin delos contenidos, incrementando aproximadamente un 10% el volumen total de SMSs.

El operador de red, comienza a ver compaas independientes experimentando conaplicaciones SMS y ofreciendo sus servicios a compaas o en regiones especficas. Para alentarestos desarrollos y fomentar su amplio despliegue, el operador de red designa a una personacuya nica responsabilidad es contactar con esas empresas y ayudarlas a conseguir el soportetcnico y comercial que necesitan. La finalidad, es que estas empresas desarrollen susaplicaciones usando obviamente sus servicios SMS en vez de usar los de la competencia. Laintroduccin de estos programas o aplicaciones conduce pronto al aumento de aproximadamenteun 20% del volumen total de SMSs.

El operador de red ha visto como gradualmente ha incrementado el trfico de SMSs, con loque en muchas ocasiones se encuentra con que la capacidad de su centro de SMS se quedapequea y precisa ser sustituido por otro de mayor capacidad. Esta sustitucin evita lasaturacin que en muchas ocasiones se produca, evitando el descontento de los clientes y porconsiguiente creciendo en aproximadamente un 10% sobre el volumen total de SMSs.La interoperatividad (interworking) entre operadoras que son competidoras en la misma reageogrfica, da al cliente la posibilidad de usar SMS de la misma forma que usa el servicio devoz. De igual manera que puede hacer una llamada de voz de un telfono a otro telfono,tambin puede enviar un mensaje corto de uno a otro telfono. Permitir esta capacidad hace queel volumen de destinos de mensajes cortos disponibles incremente, incrementando tambin elvalor y uso de SMS. Como consecuencia, el volumen total de SMS se eleva aproximadamenteun 50%.

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A estas Alturas el uso total de SMS en la red, ha alcanzado cifras crticas. El servicio SMSes ya una parte muy importante en el da a da de muchos clientes. Posibilitar el envo demensajes cortos desde el extranjero, es tambin muy importante, sobre todo en zonasfronterizas.

El siguiente incremento cuantitativo del volumen en el trfico de SMSs, es debido a laintroduccin de el SMS para clientes de prepago, constituyendo estos los principales usuarios deeste servicio. Elevando el volumen de SMSs en aproximadamente un 100%.Este uso masivo, origina la aparicin de algoritmos de texto predictivo como el T9 de Tegic,que facilitan la escritura de mensajes en los terminales mviles. Estos algoritmos estnincorporados en los propios terminales, y anticipan la palabra que el usuario pretende introducir,reduciendo de forma notable el nmero de teclas a pulsar, soportando adems mltipleslenguajes. La aparicin de estos logaritmos, incrementa en aproximadamente un 25% elvolumen de SMSs.

La introduccin de protocolos estandarizados como la aplicacin SIM ToolKit y el WAP(Wireless Application Protocol), contribuye a su vez al incremento en el uso de SMS,proporcionando el ambiente de desarrollo y despliegue de un servicio standar para losdesarrolladores de aplicaciones. Estos protocolos, tambin facilitan la respuesta por parte de losusuarios de SMS, y por otra parte el acceso al servicio de mensajes a travs del men de suterminal. De esta forma, aunque estos protocolos son slo un medio, no un nuevo servicio, sonlos responsables de un incremento de entre el 10-15% sobre el volumen total de SMS. .Contribuyendo tambin a este incremento el desarrollo de nuevos terminales ms fciles de usarcomo el smart y los ordenadores porttiles. Como resultado de la combinacin de todos estospasos dados por los operadores y desarrolladores de telefona mvil para la estimulacin del usode SMS, hemos llegado a un crecimiento de los mismos casi exponencial.

5.4. Elementos de red y Arquitectura.

La figura 27 muestra la estructura bsica de la red SMS.

Figura 27. Arquitectura de la red SMS.

- SME (Short Messaging Entity) : Entidad que puede enviar o recibir mensajescortos, pudiendo estar localizada en la red fija, una estacin mvil, u otro centro deservicio.

- SMSC (Shor Message Service Center): El SMSC, es el responsable de latransmisin y almacenamiento del un mensaje corto, entre el SME y una estacinmvil.

- SMS-Gateway/Interworking MSC (SMS-GMSC): es un MSC capaz de recibir unmensaje corto de un SMSC, interrogando al HLR (Home Location Register) sobrela informacin de encaminamiento y enviando el mensaje corto al MSC visitado de

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la estacin mvil receptora. El "SMS-Gateway/Interworking MSC" es un MSCcapaz de recibir un mensaje corto de la red mvil y enviarlo hacia el SMSCapropiado. El SMS-GMSC/SMS-IWMSC est normalmente integrado en el SMSC.

- HLR (Home Location Register): Es una base de datos usada para elalmacenamiento permanente y gestin de los usuarios y el perfil del servicio. Sobrela interrogacin del SMSC, el HLR le proporciona la informacin deencaminamiento para el usuario indicado. El HLR, tambin informa al SMSC, elcual previamente inici un intento de envo de SMS fallido a una estacin mvilespecfica, que ahora la estacin mvil es reconocida por la red y es accesible.

- MSC (Mobile Switching Center): Lleva a cabo funciones de conmutacin delsistema y el control de llamadas a y desde otro telfono y sistema de datos.

- VLR (Visitor Location Register): Es una base de datos que contiene informacintemporal de los usuarios. Esta informacin, la necesita el MSC para dar servicio alos usuarios de paso (que estn de visita).

- BSS (Base Statio System): Formada por el BSCs(base-station controllers) y porBTSs (base-transceiver strations), su principal responsabilidad es transmitir eltrfico de voz y datos entre las estaciones mviles.

- MS (mobile station): terminal sin hilos(wireless) capaz de recibir y originar tantomensajes cortos como llamadas de voz. La infraestructura de la red sin hilos estbasada en SS7 (signaling system 7). El SMS hace uso del MAP (mobile applicationpart), el cual define los mtodos y mecanismos de comunicacin en las redes sinhilos, y usa el servicio del SS7 TCAP (transation capabilities application part). Unacapa del servicio SMS hace u