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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTIANCIA- UNAD
2011
Redes Y Sistemas Avanzados de Telecomunicaciones
Ingeniería De Telecomunicaciones
Hugo Orlando Perez Navarro
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA -UNAD REDES Y SERVICIOS AVANZADOS DE TELECOMUNICACIONES I-208003
OBJETIVO GENERAL DEL CURSO
Presentar las características más relevantes de los nuevos sistemas de
comunicaciones móviles GSM, GPRS, EDGE, UMTS; así como de los nuevos
sistemas (LTE, WIMAX) y las herramientas que permitirán a estos sistemas operar
en entornos multimedia basados en protocolos y aplicaciones derivadas de
internet.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL CURSO
• Introducir los conceptos básicos de las comunicaciones móviles: características
del canal móvil, técnicas de acceso múltiple, comunicaciones celulares.
• Describir la arquitectura de los sistemas básicos de comunicaciones móviles:
GSM, GPRS y UMTS.
• Presentar los aspectos básicos de los nuevos sistemas inalámbricos
emergentes.
COMPETENCIA GENERAL DE APRENDIZAJE
Al finalizar el curso el estudiante estará en capacidad de comprender los
conceptos necesarios para el desarrollo y estudio de sistemas de comunicaciones
móviles. Descripción de los sistemas de comunicaciones móviles más relevantes:
GSM, GPRS, UMTS y WIMAX
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA -UNAD REDES Y SERVICIOS AVANZADOS DE TELECOMUNICACIONES I-208003
UNIDAD 1: INTRODUCCION A LAS COMUNICACIONES MÓVILES
1. INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MOVILES
1.1 Historia de las comunicaciones móviles
La utilización de las ondas radioeléctricas se reveló desde hace tiempo como el
único medio eficaz de establecer comunicaciones con puntos móviles, y lo seguirá
siendo durante mucho tiempo, ya que las ondas de radio gozan de la propiedad de
salvar obstáculos, y el resto de las interacciones conocidas por la física actual no
puede propagarse a grandes distancias.
Desgraciadamente el espectro radioeléctrico es un recurso limitado cuya
utilización racional sólo ha sido posible mediante una reglamentación muy estricta
que permite la optimización de la asignación de frecuencias.
Los primeros sistemas diseñados en los años 20 para uso de la policía en EE.UU,
asignaban a cada vehículo policial un canal de radio, que permanecía permanente
ocupado pese a que los agentes no se estuvieran comunicando con la central.
Tal despilfarro de recursos fue posible porque la única ocupación del espectro, en
aquellos tiempos, era la que hacían las emisoras de radiodifusión. En los años 60,
con la proliferación de las cadenas de radio y televisión, el uso cada vez más
frecuente de los radio enlaces de microondas, los enlaces de satélite, etc., la
ocupación del espectro preocupaba ya de tal manera, que la telefonía móvil se vio
obligada a evolucionar hacia sistemas basados fundamentalmente en un
aprovechamiento mejor del espectro disponible.
El primer avance significativo fue la introducción del trunking automático. El
sistema trunking consiste en la asignación de un canal libre existente dentro de un
conjunto de canales disponibles, y que se mantiene solamente durante el tiempo
que el canal está siendo utilizado en la conversación, pasando al estado de
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disponible para otro usuario cuando haya terminado la conversación que se
desarrollaba a través de él. De este modo, el número de canales que hay que
instalar y que ocupar en el espectro se reduce notablemente.
Cuando el sistema gana inteligencia y la asignación de canal se realiza de manera
automática, sin la intervención de un operador humano, nos encontramos con el
trunking automático. El paso siguiente en el aprovechamiento del espectro
radioeléctrico es el concepto celular, propuesto por la "Bell South" a principios de
los años setenta.
1.2 Evolución de las comunicaciones móviles
1.2.1 Generaciones
La movilidad de los extremos de la comunicación excluye casi por completo la
utilización de cables para alcanzar dichos extremos. Por tanto utiliza básicamente
la comunicación vía radio.
Esta se convierte en una de las mayores ventajas de la comunicación vía radio: la
movilidad de los extremos de la conexión. Otras bondades de las redes
inalámbricas son el ancho de banda que proporcionan, el rápido despliegue que
conllevan al no tener que llevar a cabo obra civil.
Sin embargo el cable es más inmune a amenazas externas, como el ruido o las
escuchas no autorizadas, y no tiene que competir con otras fuentes por el espacio
radioeléctrico. Dos, tres y más cables pueden ser tendidos a lo largo de la misma
zanja, y tomando las medidas adecuadas, no han de producirse interferencias.
Imaginar cuatro o cinco antenas apuntando en la misma dirección.
Históricamente la comunicación vía radio se reservaba a transmisiones uno a
muchos, con grandes distancias a cubrir. También era útil en situaciones en las
que la orografía dificultase en exceso el despliegue de cables. Fundamentalmente
se utilizaba para transmitir radio y TV. Por el contrario, las comunicaciones
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telefónicas utilizaban cables. Todo esto nos lleva a la actual situación, en la que ya
no está tan claro cuando es mejor una u otra opción.
En cuanto a las comunicaciones móviles, no aparecen a nivel comercial hasta
finales del siglo XX. Los países nórdicos, por su especial orografía y demografía,
fueron los primeros en disponer de sistemas de telefonía móvil, eso sí, con un
tamaño y unos precios no muy populares. Radio búsquedas, redes móviles
privadas o Trunking, y sistemas de telefonía móvil mejorados fueron el siguiente
paso. Después llegó la telefonía móvil digital, las agendas personales,
miniordenadores, laptops y un sinfín de dispositivos dispuestos a conectarse vía
radio con otros dispositivos o redes. Y finalmente la unión entre comunicaciones
móviles e Internet, el verdadero punto de inflexión tanto para uno como para otro.
1.2.2 La evolución en datos
Si bien la digitalización resulta decisiva en las perspectivas de negocio de la
telefonía móvil, será la diversificación instrumental (respecto de los terminales) y
de servicios (respecto del acceso) la que, de manera un tanto inopinada, extraiga
a la telefonía móvil del ámbito estricto de la tecnología de voz para convertirla en
una tecnología de acceso a datos, iniciando así su proceso de mediatización.
En este sentido, la implantación de los mensajes cortos (SMS) constituye un hito
sociológico y comercial que sólo recientemente empieza a ser estudiado
(Fortunati, 2000; Eldridge y Grinter, 2001) y que ha sido señalado como epítome
de oportunidad de negocio sobrevenida (Mattinen, 2002; Telefónica Móviles,
2004). Desde su implantación en 1994, el SMS ha alcanzado una penetración de
entre el 70 y el 90 % entre los usuarios jóvenes (de 14 a 30 años) (Mattinen,
2002).
A las condiciones de ahorro en los costes de la comunicación (limita el tiempo de
conexión al momento del envío), seguridad de destino (más del 90 % de los
mensajes personales son respondidos inmediatamente o en un lapso de tiempo
breve) y discreción (el nivel de interferencia en la vida cotidiana es menor que el
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de la conversación), el SMS añade dos componentes clave: de un lado, la
configuración de su uso como ‗conector emocional‘ (uso generalizado del SMS en
grupos primarios como prueba de proximidad emocional y/o afectiva) (Eldridge y
Grinter, 2001; Lasen, 2002); por otro, su versatilidad como ‗conector institucional‘
(canal de comunicación comercial, empresarial-organizacional, etc.) (Fortunati,
2000). Pero, sobre todo, la importancia del SMS en la evolución de la telefonía
móvil reside en que implica una ruptura en la concepción de la tecnología (paso de
la transmisión de voz a la transmisión de datos), abriendo la puerta al desarrollo
del teléfono móvil como dispositivo de acceso a contenidos y publicidad (paso de
la conectividad interindividual a la conectividad medio/usuario).
La implantación masiva del SMS, por tanto, constituye el punto de inflexión por el
que la telefonía móvil pasa a ser, con pleno derecho, un factor relevante de la
Sociedad de la Información. En este sentido, la propia evolución tecnológica y de
uso del SMS se plantea como un correlato de la evolución de la telefonía móvil en
cuanto a aplicaciones y servicios:
Por una parte, el incremento y diversificación de formatos de datos demanda
un desarrollo coherente de estándares tecnológicos de intercambio: el EMS
(Enhanced Messaging Service) añade al envío de texto la posibilidad de transmitir
imágenes, animaciones y sonidos en soporte SMS para GSM y GPRS; y, a partir
de 2002, el MMS (Multimedia Messaging Service) hace posible el envío
de datos en forma de imágenes (JPEG), vídeo (MPEG), sonido (MP3, MIDI) y
aplicaciones (JAVA) para GPRS y 3G.
Finalmente, a partir de los estándares 3G, 3.5 G e iMode, el IMS incorpora la
transmisión de datos en formato IP, planteando el horizonte de una creciente
compatibilidad con los estándares de Internet.
1.2.3 Tercera Generación
La 3G o Tercera Generación de comunicaciones móviles representan el conjunto
de estándares diseñados con el objetivo de implantar unas redes completamente
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nuevas que soportaran mayor capacidad para la transmisión de datos en
movilidad frente a sistemas anteriores. El desarrollo de la 3G supone la llegada de
la banda ancha a las comunicaciones móviles.
Ya en 1985, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) comenzó a
definir la visión de lo que hoy se conoce como sistemas de comunicaciones
móviles de 3G, denominados por aquel entonces como Future Public Land Mobile
Telecommunications Systems (FPLMTS) y posteriormente International Mobile
Telecommunications-2000 (IMT-2000).
Desde entonces la ITU comenzó a dar los pasos necesarios hacia la 3G,
reservando las bandas frecuencias a nivel internacional que en el futuro
emplearían los sistemas 3G. Al mismo tiempo definió los principales objetivos de
la familia de estándares IMT-2000:
Mayor eficiencia y capacidad que las generaciones anteriores.
Nuevos servicios, tales como la conexión de PCs a través de redes móviles
y aplicaciones multimedia.
Ancho de banda dinámico, es decir, adaptable a las necesidades de cada
aplicación.
Mayor flexibilidad en términos de utilización de múltiples estándares,
bandas de frecuencia y compatibilidad con estándares predecesores.
Itinerancia entre redes basadas en estándares distintos.
Integración de las redes satélite y de acceso fijo inalámbrico en las propias
redes celulares.
Mayor velocidad de acceso, inicialmente de hasta 384 kbps para
comunicaciones móviles y de 2 Mbps para accesos fijos¸ hasta alcanzar en el
futuro los 20 Mbps.
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Con estas premisas en 1998 la ITU recibió 15 propuestas remitidas por diferentes
grupos y asociaciones para convertirse en estándares 3G. En este proceso
numerosas iniciativas se unieron para ofrecer candidaturas de mayor solidez,
hasta configurar finalmente la lista de estándares aceptada por la ITU en mayo de
2000.
Gracias al esfuerzo de armonización realizado a nivel internacional la lista de
estándares 3G englobados bajo las siglas IMT-2000 quedó del siguiente modo: W-
CDMA, Time División-CDMA (TD-CDMA) conocido también como Time División
Dúplex (TDD), Time Division-SynchronousCDMA (TD-SCDMA), CDMA2000 y
UWC-136.
W-CDMA es parte de una especificación más amplia conocida como Universal
Mobile Telecommunication System (UMTS), que contó con el apoyo de grupos de
Japón (Association of Radio Industries and Businesses, ARIB) y Europa (ETSI).
Se trata de un estándar compatible con el estándar GSM (nótese sin embargo que
el sistema GSM no es compatible con W-CDMA; se dice por tanto que W-CDMA
es compatible hacia atrás con GSM).
CDMA2000 contó por su parte con el apoyo de organizaciones de Estados Unidos
(Telecommunications Industry Association, TIA) y de Corea del Sur
(Telecommunications Technology Association, TTA), pensado para ser compatible
hacia atrás con el estándar IS-95B (CDMAOne).
La TIA propuso también otro estándar, UWC-136, finalmente adoptado para
garantizar la compatibilidad hacia atrás con los sistemas IS-136. Posteriormente el
Universal Wireless Communications Consortium (UWCC) denominó a este
estándar como TDMA-EDGE e IS-136HS. Cabe destacar que el estándar es
compatible hacia atrás con IS-136 y GSM.
En resumen, existen distintos sistemas y estándares 3G que han surgido en
diferentes áreas geográficas, todos ellos con características técnicas propias
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(rango de frecuencias del espectro y tecnologías de multiplexación,
principalmente).
Los sistemas de 3G suponen un paso definitivo en el proceso de convergencia en
servicios, ya que además de implementar una arquitectura abierta, dinámica y de
fácil interoperabilidad ofrecen unas velocidades de acceso suficientes para el
desarrollo de servicios multimedia en movilidad.
1.2.4 Cuarta Generación
Aunque parece aventurado hablar de una 4G (también llamada B3G, Beyond 3G)
cuando la 3G comenzó a comercializarse recientemente, antes incluso de que la
3G fuera lanzada ya había comenzado a gestarse el concepto de 4G e incluso de
una 5G.
De este modo, siguiendo el paradigma de evolución tecnológica por generaciones
móviles, se esperaba que la 4G siguiera a la 3G, apareciendo los primeros
sistemas comerciales entre 2010 y 2015, como una red de radio de banda ancha
de gran velocidad. Esta visión, conocida como evolución lineal de la 4G, no cuenta
con el consenso de todos los agentes de la industria del móvil y ha sido objeto de
numerosas críticas en diferentes foros organizados por la ITU o el WWRF entre
otros.
La visión lineal contempla el desarrollo de redes 4G que ofrecen velocidades de
acceso superiores a los 100 Mbps, y que se comercializarían una vez que los
sistemas 3G hubieran alcanzado todo su potencial tecnológico y de negocio.
Además, las redes 4G permitirían la interoperabilidad e interconexión completa
con otros dispositivos móviles. En cuanto a su topología, se confiaba en que el
diseño seguiría el patrón de una red celular al igual que las generaciones
precedentes.
Esta visión no es compartida por todo el mundo, existiendo la opinión de que la
evolución de las comunicaciones móviles se encuentra en un momento de ruptura
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del ciclo lineal al que hemos asistido en la última década. De este modo la 4G se
concibe como una evolución convergente, basada en la combinación de múltiples
redes y tecnologías móviles y de acceso inalámbrico, que complementarían a los
actuales sistemas 3G. Estas tecnologías complementarias tendrían su máximo
exponente en los sistemas de acceso fijo inalámbrico (que ofrecen movilidad
limitada) WiFi, WiMAX y sus sucesivas evoluciones.
En cualquier caso es pronto para conocer cuál será la configuración futura de la
4G, por lo que durante los sucesivos años se espera que convivan tanto sistemas
y estándares desarrollados con una filosofía continuista o lineal con respecto a las
generaciones anteriores, como sistemas híbridos que combinen las prestaciones
de los sistemas celulares actuales con los de acceso inalámbrico de banda ancha.
El mayor o menor éxito de ambas opciones es difícil de valorar y responderá a
complejas combinaciones de factores como la futura gestión del espectro
radioeléctrico, la evolución tecnológica de procesadores, baterías, terminales y
equipos de red, o la habilidad de los operadores para abstraer al usuario de las
complejidades técnicas y ofrecer al usuario los servicios y aplicaciones que
demanda.
2. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE COMUNICACIONES MOVILES
2.1 Composición de un sistema de comunicaciones móviles
Lo primero a lo que nos enfrentamos al diseñar la estructura de red para un
sistema de telefonía móvil es la limitación en el rango de frecuencias disponibles.
Cada "conversación" (o cada cliente de tráfico de datos) requiere un mínimo
de ancho de banda para que pueda transmitirse correctamente. A cada operador
en el mercado se le asigna cierto ancho de banda, en ciertas frecuencias
delimitadas, que debe repartir para el envío y la recepción del tráfico a los distintos
usuarios (que, por una parte, reciben la señal del otro extremo, y por otra envían
su parte de la ―conversación‖). Por tanto, no puede emplearse una sola antena
para recibir la señal de todos los usuarios a la vez, ya que el ancho de banda no
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sería suficiente; y además, deben separarse los rangos en que emiten unos y
otros usuarios para evitar interferencias entre sus envíos. A este problema, o más
bien a su solución, se le suele referir como reparto del espectro o división del
acceso al canal. El sistema GSM basa su división de acceso al canal en combinar
los siguientes modelos de reparto del espectro disponible. El primero es
determinante a la hora de especificar la arquitectura de red, mientras que el resto
se resuelve con circuitería en los terminales y antenas del operador:
Empleo de celdas contiguas a distintas frecuencias para repartir mejor las
frecuencias (SDMA, Space División Multiple Access o acceso múltiple por división
del espacio); reutilización de frecuencias en celdas no contiguas;
División del tiempo en emisión y recepción mediante TDMA (Time División
Multiple Access, o acceso múltiple por división del tiempo);
Separación de bandas para emisión y recepción y subdivisión en canales
radioeléctricos (protocolo FDMA, Frequency División Multiple Access o acceso
múltiple por división de la frecuencia);
Variación pseudoaleatoria de la frecuencia portadora de envío de terminal a
red (FHMA, Frequency Hops Multiple Access o acceso múltiple por saltos de
frecuencia).
La BSS, capa inferior de la arquitectura (terminal de usuario – BS – BSC),
resuelve el problema del acceso del terminal al canal. La siguiente capa (NSS) se
encargará, por un lado, del enrutamiento (MSC) y por otro de la identificación del
abonado, tarificación y control de acceso (HLR, VLR y demás bases de datos del
operador). Este párrafo con tantas siglas se explica a continuación con más calma,
pero sirve de resumen general de la arquitectura de red empleada.
Por otra parte, las comunicaciones que se establezcan viajarán a través de
distintos sistemas. Para simplificar, se denomina canal de comunicaciones a una
comunicación establecida entre un sistema y otro, independientemente del método
que realmente se emplee para establecer la conexión. En GSM hay definidos una
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serie de canales lógicos para el tráfico de llamadas, datos, señalización y demás
propósitos.
Capa de radio y control de radio: subsistema de estaciones base o BSS
Esta capa de red se ocupa de proporcionar y controlar el acceso de los terminales
al espectro disponible, así como del envío y recepción de los datos.
División en celdas: estaciones base o BS
Figura 1. Esquema general de una red GSM.
El sistema debe ser capaz de soportar una gran carga de usuarios, con muchos
de ellos utilizando la red al mismo tiempo. Si sólo hubiera una antena para todos
los usuarios, el espacio radioeléctrico disponible se saturaría rápidamente por falta
de ancho de banda. Una solución es reutilizar las frecuencias disponibles. En lugar
de poner una sola antena para toda una ciudad, se colocan varias, y se programa
el sistema de manera que cada antena emplee frecuencias distintas a las de sus
vecinas, pero las mismas que otras antenas fuera de su rango. A cada antena se
le reserva cierto rango de frecuencias, que se corresponde con un cierto número
de canales radioeléctricos (cada uno de los rangos de frecuencia en que envía
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datos una antena). Así, los canales asignados a cada antena de la red del
operador son diferentes a los de las antenas contiguas, pero pueden repetirse
entre antenas no contiguas.
Además, se dota a las antenas de la electrónica de red necesaria para
comunicarse con un sistema central de control (y la siguiente capa lógica de la
red) y para que puedan encargarse de la gestión del interfaz radio: el conjunto de
la antena con su electrónica y su enlace con el resto de la red se llama estación
base (BS, Base Station). El área geográfica a la que proporciona cobertura una
estación base se llama celda o célula (del inglés cell, motivo por el cual a estos
sistemas se les llama a veces celulares). A este modelo de reparto del ancho de
banda se le denomina a veces SDMA o división espacial.
El empleo de celdas requiere de una capa adicional de red que es novedosa en el
estándar GSM respecto a los sistemas anteriores: es el controlador de estaciones
base, o BSC, (Base Station Controller) que actúa de intermediario entre el
―corazón‖ de la red y las antenas, y se encarga del reparto de frecuencias y el
control de potencia de terminales y estaciones base. El conjunto de estaciones
base coordinadas por un BSC proporcionan el enlace entre el terminal del usuario
y la siguiente capa de red, ya la principal, que veremos más adelante. Como capa
de red, el conjunto de BSs + BSC se denomina subsistema de estaciones base, o
BSS (Base Station subsystem).
Una estación base GSM puede alcanzar un radio de cobertura a su alrededor
desde varios cientos de metros (en estaciones urbanas) hasta un máximo práctico
de 35 km (en zonas rurales), según su potencia y la geografía del entorno. Sin
embargo, el número de usuarios que puede atender cada BS está limitado por el
ancho de banda (subdividido en canales) que el BSC asigna a cada estación, y
aunque podría pensarse que las estaciones base deberían tener una gran
potencia para cubrir mayor área, tienen una potencia nominal de 320 W como
máximo (frente a las antenas de FM o televisión, que poseen potencias de emisión
de miles de Watts, un valor casi despreciable) y de hecho siempre emiten al
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menor nivel de potencia posible para evitar interferir con celdas lejanas que
pudieran emplear el mismo rango de frecuencias, motivo por el cual es raro que se
instalen modelos de más de 40 W. Es más, en zonas urbanas muy pobladas o
túneles se instala un mayor número de BSs de potencia muy limitada (menor que
2,5 W) para permitir la creación de las llamadas pico y microceldas, que permiten
mejor reutilización de las frecuencias (cuantas más estaciones, más reutilización
de frecuencias y más usuarios admisibles al mismo tiempo) o bien dan cobertura
en lugares que una BS normal no alcanza o precisan de gran capacidad (túneles
de metro o de carreteras, espacios muy concurridos, ciudades muy pobladas).
Por tanto, en zonas donde exista una gran concentración de usuarios, como
ciudades, debe instalarse un gran número de BSs de potencia muy limitada, y en
zonas de menor densidad de uso, como áreas rurales, puede reducirse el número
de estaciones y ampliar su potencia. Esto asegura además mayor duración de la
batería de los terminales y menor uso de potencia de las estaciones base.
Además, el terminal no se encuentra emitiendo durante el transcurso de toda la
llamada. Para ahorrar batería y permitir un uso más eficiente del espectro, se
emplea el esquema de transmisión TDMA (Time División Multiple Access, o
acceso múltiple por división del tiempo). El tiempo se divide en unidades básicas
de 4,615 ms, y éstas a su vez en 8 time slots o ranuras de tiempo de 577 μs.
Durante una llamada, se reserva el primer time slot para sincronización, enviada
por la BS; unos slots más tarde, el terminal emplea un slot para enviar de terminal
a BS y otro para recibir, y el resto quedan libres para el uso de otros usuarios en la
misma BS y canal. Así se permite un buen aprovechamiento del espectro
disponible y una duración de batería superior, al no usar el emisor del terminal
constantemente sino sólo una fracción del tiempo.
Handover: el controlador de estaciones base o BSC
Al mismo tiempo, la comunicación no debe interrumpirse porque un usuario se
desplace y salga de la zona de cobertura de una BS, deliberadamente limitada
para que funcione bien el sistema de celdas. Tanto el terminal del usuario como la
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BS calibran los niveles de potencia con que envían y reciben las señales e
informan de ello al controlador de estaciones base o BSC (Base Station
Controller). Además, normalmente varias estaciones base al mismo tiempo
pueden recibir la señal de un terminal y medir su potencia. De este modo, el
controlador de estaciones base o BSC puede detectar si el usuario va a salir de
una celda y entrar en otra, y avisa a ambas BSs y al terminal para el proceso de
salto de una BS a otra: es el proceso conocido como handover o traspaso entre
celdas, una de las tres labores del BSC, que en uso–. En ese caso el BSC remite
al terminal a otra estación contigua, menos saturada, incluso aunque el terminal
tenga que emitir con más potencia. Por eso es habitual percibir cortes de la
comunicación en zonas donde hay muchos usuarios al mismo tiempo. Esto nos
indica la segunda y tercera labor del BSC, que son controlar la potencia y la
frecuencia a la que emiten tanto los terminales como las BSs para evitar cortes
con el menor gasto de batería posible.
Señalización
Además del uso para llamadas del espectro, reservando para ello los canales
precisos mientras se estén usando, el estándar prevé que el terminal envíe y
reciba datos para una serie de usos de señalización, como por ejemplo el registro
inicial en la red al encender el terminal, la salida de la red al apagarlo, el canal en
que va a establecerse la comunicación si entra o sale una llamada, la información
del número de la llamada entrante... Y prevé además que cada cierto tiempo el
terminal avise a la red de que se encuentra encendido para optimizar el uso del
espectro y no reservar capacidad para terminales apagados o fuera de cobertura.
Este uso del transmisor, conocido como ráfagas de señalización, ocupa muy poca
capacidad de red y se utiliza también para enviar y recibir los mensajes cortos
SMS sin necesidad de asignar un canal de radio. Es sencillo escuchar una ráfaga
de señalización si el teléfono se encuentra cerca de un aparato susceptible de
captar interferencias, como un aparato de radio o televisión.
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En GSM se definen una serie de canales para establecer la comunicación, que
agrupan la información a transmitir entre la estación base y el teléfono. Se definen
los siguientes tipos de canal:
Canales de tráfico (Traffic Channels, TCH): albergan las llamadas en
proceso que soporta la estación base.
Canales de control.
Canales de difusión (Broadcast Channels, BCH).
Canal de control broadcast (Broadcast Control Channel, BCCH):
comunica desde la estación base al móvil la información básica y los
parámetros del sistema.
Canal de control de frecuencia (Frequency Control Channel, FCCH):
comunica al móvil (desde la BS) la frecuencia portadora de la BS.
Canal de control de sincronismo (Synchronization Control Channel,
SCCH). Informa al móvil sobre la secuencia de entrenamiento
(training) vigente en la BS, para que el móvil la incorpore a sus
ráfagas.
Canales de control dedicado (Dedicated Control Channels, DCCH).
Canal de control asociado lento (Slow Associated Control Channel,
SACCH).
Canal de control asociado rápido (Fast Associated Control Channel,
FACCH).
Canal de control dedicado entre BS y móvil (Stand-Alone Dedicated
Control Channel, SDCCH).
Canales de control común (Common Control Channels, CCCH).
Canal de aviso de llamadas (Paging Channel, PCH): permite a la BS
avisar al móvil de que hay una llamada entrante hacia el terminal.
Canal de acceso aleatorio (Random Access Channel, RACH):
alberga las peticiones de acceso a la red del móvil a la BS.
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Canal de reconocimiento de acceso (Access-Grant Channel, AGCH):
procesa la aceptación, o no, de la BS de la petición de acceso del
móvil.
Canales de Difusión Celular (Cell Broadcast Channels, CBC).
Subsistema de red y conmutación o NSS
El subsistema de red y conmutación (Network and Switching System o NSS),
también llamado núcleo de red (Core Network), es la capa lógica de enrutamiento
de llamadas y almacenamiento de datos. Notemos que, hasta el momento, sólo
teníamos una conexión entre el terminal, las estaciones base BS y su controlador
BSC, y no se indicaba manera de establecer conexión entre terminales o entre
usuarios de otras redes. Cada BSC se conecta al NSS, y es éste quien se encarga
de tres asuntos:
Enrutar las transmisiones al BSC en que se encuentra el usuario
llamado (central de conmutación móvil o MSC).
Dar interconexión con las redes de otros operadores.
Dar conexión con el subsistema de identificación de abonado y las
bases de datos del operador, que dan permisos al usuario para
poder usar los servicios de la red según su tipo de abono y estado de
pagos (registros de ubicación base y visitante, HLR y VLR).
Central de conmutación móvil o MSC
La central de conmutación móvil o MSC (Mobile Switching Central) se encarga de
iniciar, terminar y canalizar las llamadas a través del BSC y BS correspondientes
al abonado llamado. Es similar a una centralita telefónica de red fija, aunque como
los usuarios pueden moverse dentro de la red realiza más actualizaciones en su
base de datos interna.
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Cada MSC está conectado a los BSCs de su área de influencia, pero también a su
VLR, y debe tener acceso a los HLRs de los distintos operadores e interconexión
con las redes de telefonía de otros operadores.
Registros de ubicación base y visitante (HLR y VLR)
El HLR (Home Location Register, o registro de ubicación base) es una base de
datos que almacena la posición del usuario dentro de la red, si está conectado o
no y las características de su abono (servicios que puede y no puede usar, tipo de
terminal, etcétera). Es de carácter más bien permanente; cada número de teléfono
móvil está adscrito a un HLR determinado y único, que administra su operador
móvil.
Al recibir una llamada, el MSC pregunta al HLR correspondiente al número
llamado si está disponible y dónde está (es decir, a qué BSC hay que pedir que le
avise) y enruta la llamada o da un mensaje de error.
El VLR (Visitor Location Register o registro de ubicación de visitante) es una base
de datos más volátil que almacena, para el área cubierta por un MSC, los
identificativos, permisos, tipos de abono y localizaciones en la red de todos los
usuarios activos en ese momento y en ese tramo de la red. Cuando un usuario se
registra en la red, el VLR del tramo al que está conectado el usuario se pone en
contacto con el HLR de origen del usuario y verifica si puede o no hacer llamadas
según su tipo de abono. Esta información permanece almacenada en el VLR
mientras el terminal de usuario está encendido y se refresca periódicamente para
evitar fraudes (por ejemplo, si un usuario de prepago se queda sin saldo y su VLR
no lo sabe, podría permitirle realizar llamadas).
Tengamos en cuenta que el sistema GSM permite acuerdos entre operadores
para compartir la red, de modo que un usuario en el extranjero –por ejemplo—
puede conectarse a una red (MSC, VLR y capa de radio) de otro operador. Al
encender el teléfono y realizar el registro en la red extranjera, el VLR del operador
extranjero toma nota de la información del usuario, se pone en contacto con el
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HLR del operador móvil de origen del usuario y le pide información sobre las
características de abono para permitirle o no realizar llamadas. Así, los distintos
VLRs y HLRs de los diferentes operadores deben estar interconectados entre sí
para que todo funcione. Para este fin existen protocolos de red especiales,
como SS7 o IS-41; los operadores deciden qué estándar escoger en sus acuerdos
bilaterales de roaming (itinerancia) e interconexión.
2.2 Establecimiento de llamada telefónica en sistema celular
Una red convergente está formada por:
• Clientes, las estaciones de trabajo o dispositivos utilizados por los usuarios para
comunicarse con la red o con otros usuarios. Algunos ejemplos incluyen PC,
teléfonos y cámaras de video.
• Aplicaciones específicas para ambientes de estándares abiertos, como sistemas
de respuesta interactiva de voz (IVR, por sus siglas en inglés), centros de
llamadas multimedia y mensajería unificada, entre otras.
• Infraestructura, que en realidad es la red sobre la cual residen clientes y
aplicaciones. La red está basada en IP, utilizando la inteligencia inherente a las
plataformas para ofrecer flexibilidad y escalabilidad en el soporte a la
convergencia de diferentes medios.
En las redes de área amplia (WAN, por sus siglas en inglés), es importante
considerar varios puntos para tener una red perfecta, con un eficiente transporte
de datos, voz y video en un área amplia. Estas consideraciones incluyen:
• Calidad del Servicio (QoS):
— Encolamiento.
— Herramientas efectivas para los enlaces lentos.
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— Modelado del Tráfico.
• Control de Admisión.
• Compresión de voz y de encabezados IP.
• Grupos de servidores para procesamiento de señales digitales.
Si bien la creación de una red convergente tiene múltiples ventajas, algunos de los
sistemas de voz y video existentes en las empresas tendrán que pasar por un
proceso de migración al ―Nuevo Mundo‖. La infraestructura debe incluir interfaces
y características necesarias para integrar PBX existentes, correo de voz y
sistemas de directorio a la nueva red. Los productos típicos utilizados para crear
una infraestructura incluyen gateways de voz y de video, ruteadores, switches, y
sistemas de aplicaciones de voz.
2.3 Clasificación de los sistemas de comunicaciones móviles y Modo de
funcionamiento
2.3.1 Primera Generación
Los sistemas de comunicaciones móviles de primera generación o 1G representan
al conjunto de estándares celulares que emplean tecnologías analógicas, por lo
que comúnmente se habla indistintamente de sistemas analógicos o 1G.
Se trataba de sistemas pioneros que introducían por primera vez una
característica revolucionaria para los servicios de comunicación comerciales de los
años 80, como era la movilidad. Por ello a pesar de que sus prestaciones fueron
ampliamente superadas por sistemas más modernos (de 2G), significaron un
punto de partida de éxito para el posterior desarrollo de las comunicaciones
móviles.
La principal característica de estos sistemas era su capacidad para ofrecer
servicios de comunicación de voz sobre conmutación de circuitos. Además de la
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voz, permitían la transmisión de datos empleando módems analógicos
convencionales, aunque con una capacidad muy limitada (difícilmente superaban
los 4800 bps). Una de las limitaciones de esta tecnología es que la señalización se
realizaba "en banda", por lo que, además de ser perceptible por el usuario, no
permitía el uso de telefax y módems.
Dentro la familia genérica de sistemas 1G, cabe destacar los siguientes
estándares
AMPS (Advanced Mobile Phone System) operaba en 800 MHz y fue
utilizado en buena parte de América, África, Europa del Este y Rusia.
ETACS (Extended Total Access Communications System) fue desplegado
principalmente en Europa, y utilizaba la banda de 900MHz.
NMT (Nordic Mobile Telephone) operaba en los países escandinavos en la
banda de 900 MHz. Cuya versión, en la banda de 450 Mhz se utilizó en la
telefonía móvil pública de España, aún en la época de monopolio. Con dicho
motivo en 1983 se estableció en Zamudio, Vizcaya, un fabricante de terminales y
estaciones base, Indelec, que fabricó equipos NMT hasta que, cuando Philips
cesó su actividad de fabricante de equipos y estaciones base NMT, fue adquirido
por Ericsson.
2.3.2 Segunda Generación
La 2G o Segunda Generación de comunicaciones móviles representa al conjunto
de familias de estándares y sistemas de comunicaciones móviles digitales de
banda estrecha.
Desde el nacimiento de los primeros sistemas comerciales analógicos de 1G a
finales de la década de los setenta y hasta comienzos de los noventa, se
comprobó la necesidad de desarrollar estándares comunes a nivel regional, ya
que los sistemas 1G eran todos propietarios (desarrollados por empresas privadas
como AT&T, Motorola o Ericsson) y ello dificultaba el desarrollo de mercados de
mayor volumen de clientes.
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Esta situación desembocó en un proceso de estandarización que se desarrolló en
el ámbito de industrias regionales (EEUU, Canadá, Europa, Japón y Corea del Sur
principalmente), lo que por un lado mejoró la compatibilidad intrarregional pero
mantuvo las diferencias entre regiones.
Por ello la implantación de los estándares se ha realizado típicamente dentro de
las industrias de origen y sus áreas económicas de influencia. Esta regionalización
supuso también la utilización de diferentes bandas de frecuencia en función del
estándar
El fruto de este proceso fue un conjunto de sistemas 2G que supusieron un
importante salto cualitativo al introducir por primera vez la digitalización en los
servicios móviles de voz. Además estos sistemas permitían también la transmisión
de datos a baja velocidad (desde 9,6 kbps hasta 14,4 kbps) y el intercambio de
mensajes entre usuarios.
Las dos principales industrias impulsoras de los sistemas 2G, EEUU y Europa,
desarrollaron numerosos estándares, de los que destacaron los siguientes por su
gran presencia en el mercado:
IS-136 o D-AMPS, en EEUU.
GSM, Global System for Mobile Communications, principalmente en
Europa.
ITU IS-95, también conocido como CDMAOne, muy extendido en EEUU y
Asia.
2.3.3 Segunda y Media Generación 2.5G
El Grupo de Desarrollo CDMA, en colaboración con el Grupo de Trabajo TR-45.5
de la Telecommunications Industry Association estadounidense (TIA), completó
una propuesta de estándar conocida como Radio Transmission Technology (RTT)
en 1998. Dicha propuesta trazaba la línea de evolución desde el estándar
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CDMAOne (IS-95) hasta los futuros sistemas 3G, gracias a los estándares
intermedios IS-95 A, B y C. Esta transición era mucho más simple que la
equivalente de GSM a GPRS, ya que permitía la reutilización de la mayor parte de
la infraestructura de la red, quedando las mejoras basadas en actualizaciones de
software, lo que ofrecía importantes ahorros en el proceso de migración.
Así a finales de 1999, AirTouch Communications (actual Vodafone) y GTE
Wireless (actual Verizon Wireless) lanzaron un servicio de conmutación de
circuitos de 14,4 kbps basado en el estándar IS-95A sobre sus redes CDMA.
Posteriormente el siguiente paso en la evolución, el IS-95B, introducía velocidades
de 64 kbps, ya sobre conmutación de paquetes. Este estándar fue utilizado en
Corea del Sur y Japón desde finales de 1999.
Por su parte, el IS-95C (también conocido como 1xRTT o CDMA2000 1x) ofrecía
inicialmente velocidades de hasta 144 kbps. En enero de 2000, Qualcomm y
Hitachi anunciaron sus planes para desarrollar conjuntamente un estándar que
pudiera alcanzar velocidades de hasta 2,4 Mbps. Así Qualcomm diseñó el sistema
conocido como High Data Rate (HDR) para implementarse en sus redes basadas
en la modulación CDMA. Posteriormente el sistema HDR dio paso al TIA/EIA/IS-
856 ―CDMA2000, High Data Rate Air Interface Specifications‖, denominación
formal del estándar conocido como 1xEV, adoptado por el 3GPP2 en 2001.
1xEV permite acceso móvil a Internet, email y transmisión de datos (incluidas
aplicaciones multimedia), además de servicios de mensajería.
2.3.4 Tercera Generación
La 3G o Tercera Generación de comunicaciones móviles representa el conjunto de
estándares diseñados con el objetivo de implantar unas redes completamente
nuevas que soportaran mayor capacidad para la transmisión de datos en
movilidad frente a sistemas anteriores. El desarrollo de la 3G supone la llegada de
la banda ancha a las comunicaciones móviles.
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Ya en 1985, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) comenzó a
definir la visión de lo que hoy se conoce como sistemas de comunicaciones
móviles de 3G, denominados por aquel entonces como Future Public Land Mobile
Telecommunications Systems (FPLMTS) y posteriormente International Mobile
Telecommunications-2000 (IMT-2000).
Desde entonces la ITU comenzó a dar los pasos necesarios hacia la 3G,
reservando las bandas frecuencias a nivel internacional que en el futuro
emplearían los sistemas 3G. Al mismo tiempo definió los principales objetivos de
la familia de estándares IMT-2000:
Mayor eficiencia y capacidad que las generaciones anteriores.
Nuevos servicios, tales como la conexión de PCs a través de redes móviles
y aplicaciones multimedia.
Ancho de banda dinámico, es decir, adaptable a las necesidades de cada
aplicación.
Mayor flexibilidad en términos de utilización de múltiples estándares,
bandas de frecuencia y compatibilidad con estándares predecesores.
Itinerancia entre redes basadas en estándares distintos.
Integración de las redes satélite y de acceso fijo inalámbrico en las propias
redes celulares.
Mayor velocidad de acceso, inicialmente de hasta 384 kbps para
comunicaciones móviles y de 2 Mbps para accesos fijos¸ hasta alcanzar en el
futuro los 20 Mbps.
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2.3.5 Cuarta Generación
La 4G está basada totalmente en IP siendo un sistema de sistemas y una red de
redes, alcanzándose después de la convergencia entre las redes de cables e
inalámbricas así como en ordenadores, dispositivos eléctricos y en tecnologías de
la información así como con otras convergencias para proveer velocidades de
acceso entre 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, manteniendo una
calidad de servicio (QoS) de punta a punta (end-to-end) de alta seguridad para
permitir ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier
lugar, con el mínimo costo posible.
El WWRF (Wireless World Research Forum) define 4G como una red que funcione
en la tecnología de Internet, combinándola con otros usos y tecnologías tales
como Wi-Fi y WiMAX. La 4G no es una tecnología o estándar definido, sino una
colección de tecnologías y protocolos para permitir el máximo rendimiento de
procesamiento con la red inalámbrica más barata. El IEEE aún no se ha
pronunciado designando a la 4G como ―más allá de la 3G‖.
En Noruega y Japón ya se está experimentando con las tecnologías de cuarta
generación, estando TeliaSonera en el país escandinavo y NTT DoCoMo en el
asiático, a la vanguardia. Ésta última realizó las primeras pruebas con un éxito
rotundo (alcanzó 100 Mbps en un vehículo a 200 km/h) y espera poder lanzar
comercialmente los primeros servicios de 4G en el año 2010. En
España Yoigoespera poder empezar a desplegar su red 4G en 2011.
El concepto de 4G englobado dentro de ‗Beyond 3-G‘ incluye técnicas de
avanzado rendimiento radio como MIMO y OFDM. Dos de los términos que
definen la evolución de 3G, siguiendo la estandarización del 3GPP,
serán LTE (‗Long Term Evolution‘) para el acceso radio, y SAE (‗Service
Architecture Evolution‘) para la parte núcleo de la red. Como características
principales tenemos:
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Para el acceso radio abandona el acceso tipo CDMA característico
de UMTS.
Uso de SDR (Software Defined Radios) para optimizar el acceso radio.
La red completa prevista es todo IP.
Las tasas de pico máximas previstas son de 100 Mbps en enlace
descendente y 50 Mbps en enlace ascendente (con un ancho de banda en ambos
sentidos de 20Mhz).
Los nodos principales dentro de esta implementación son el ‗Evolved Node B‘
(BTS evolucionada), y el 'System Access Gateway', que actuará también como
interfaz a internet, conectado directamente al Evolved Node B. El servidor RRM
será otro componente, utilizado para facilitar la inter-operabilidad con otras
tecnologías.
Tanto WiMax como LTE son tecnologías rivales en el mercado de cuarta
generación de redes móviles, o 4G,
Sistemas Trunking
La radio Trunking recibió su nombre de la ' línea interurbana ' que se utiliza en
comunicaciones comerciales del teléfono.
Puesto simplemente, es un ' tronco ' una trayectoria de comunicación entre dos o
más puntos, típicamente entre sede de la compañía del teléfono y unos o más
usuarios.
La línea interurbana comparte el tiempo con varios y diversos usuarios, pero los
usuarios del servicio telefónico no necesitan estar enterados de este
compartimiento. Una parte pone una llamada a otra y se termina la llamada; el
funcionamiento interno del sistema de teléfono es transparente a los usuarios.
El excedente a de la comunicación por radio trunked el sistema es absolutamente
similar a tales sistemas de teléfono. Las unidades de radio que transmiten y de
reciben se pueden pensar en cómo las partes a llamar y de recibir, y el sistema
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trunking-radio se puede pensar en cómo el equipo de la compañía de teléfono. En
vez de las líneas telefónicas, el sistema de radio utiliza los canales de radio para
poner llamadas.
Como con el sistema de teléfono, los usuarios de radio no están enterados de qué
canal de radio particular están comunicando encima. Evidente es que una
trayectoria de comunicación se ha establecido entre los usuarios.
El trunking es un sistema de radio de varios canales aumenta la eficacia del
sistema de radio dinámicamente manejando el uso de un canal de radio.
Esto es logrado por el control de computadora de los canales de radio y la
eliminación virtual del retraso experimentado por las unidades del campo en la
obtención de un canal de radio claro.
Cada trunked las aplicaciones de radio del sistema son dos tipos de designaciones
de canal de radio: control (o datos) y canales del tráfico (o voz).
Un canal del control se debe señalar en cada sitio y los canales restantes se
utilizan como canales del tráfico.
El canal del control se utiliza para enviar la información digital entre las unidades
de radio y el material informático que controlan la operación del sistema.
Los canales del tráfico se utilizan para enviar las comunicaciones reales (voz o los
datos) entre las radios.
Un intercambio simplificado entre la unidad de radio y el equipo del sitio puede ser
descrito como sigue:
La unidad de radio escucha continuamente las instrucciones que esperan
del canal del control.
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Cuando una llamada debe ser colocada, el usuario presiona su "put to talk"
el interruptor (PTT); la radio después envía un mensaje digital corto sobre el canal
del control y dice a equipo del sitio que necesite un canal comunicarse.
El equipo del sitio oye el pedido un canal y asigna un canal de trabajo
disponible enviando un mensaje digital de vuelta sobre el canal del control.
La unidad de radio recibe la asignación de trabajo del canal y fija su
transmisor y recibe frecuencias al nuevo canal.
La unidad de radio y el canal de trabajo realizan una "conexión de alta
velocidad".
La radio señala audiblemente al operador que se ha asignado un canal y
que las comunicaciones pueden comenzar.
Este procedimiento se puede repetir varias veces durante una secuencia de las
comunicaciones, y las transmisiones subsecuentes durante secuencia de las
comunicaciones se pueden hacer sobre de los canales de trabajo disponibles.
Todo que es evidente es que un canal claro está disponible para las
comunicaciones. El usuario no tiene que estar enterado de qué radiofrecuencias
particulares toma la comunicación a lugares.
Un código único de la dirección se asigna a cada radio. Este código identifica una
radio el llamar al equipo del sitio, y permite que el equipo del sitio llame unidades
de radio específicas. Las unidades de radio se pueden también repartir en ' grupos
de la charla de modo que los usuarios de radio con requisitos similares de la
comunicación puedan comunicarse con uno a.
Si usted está interesado en los detalles técnicos, el sistema del trunking de
Motorola SmartNet está utilizando teóricamente hasta 760 frecuencias del canal,
espaciadas igualmente en los canales de transmisión 12.5kHz o 25kHz. Están en
la mitad inferior del número de canal total, y recibiendo los canales esté en el
superior. En el control (datos) acanale la estación baja transmite 84 paquetes en
3600 bit/s con la modulación directa de la frecuencia del portador usando ajuste
del cambio de la frecuencia (FSK). Estos paquetes contienen diversa información
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como: sistema identificación, datos y época actual, índice del canal que señala,
comando para la afiliación de radio a los grupos y grupos que trabajan
frecuencias. El formato del paquete es absolutamente complejo porque necesita
asegurar descifrar correcto en el punto de la destinación y un alto nivel de la
inmunidad de ruido. Encapsula la interpolación de los datos, un método error-
corrección circunvolucional y un CRC (control por redundancia cíclico) para la
detección de error final, si cualquiera se fue después del primer algoritmo error-
correcting. El Motorola SmartNet es actualmente el sistema lo más comúnmente
posible usado de la radio del trunking de Norteamérica. También se utiliza
extensamente en Europa, Australia y otros países.
El estándar MPT1327 para trunked que los sistemas de radio móviles se utilizan
principalmente en Europa, Australia, Canadá y otros países. Acomoda hasta 1024
canales, 12.5kHz o 25kHz aparte. El protocolo confía en el canal del control que
señala en 1200 bit/s usando el cambio rápido de la frecuencia que afina la
modulación del subcarrier (FFSK), con una detección de error simple de 15-bit
CRC. Las ' 0 ' frecuencias binaria son 1800Hz y el ' 1 binario ' es tiempo del canal
del control 1200Hz. se divide en ms de la duración 106,7 (128 paquetes), y un
mensaje que señala se puede enviar en cada ms.
3. CARACTERIZACIÓN DEL CANAL MÓVIL
3.1 Mecanismos y Aspectos básicos de propagación
El estudio de la transmisión de datos en sistemas móviles requiere, como paso
previo fundamental, la caracterización del entorno de propagación, es decir, el
canal radio móvil. Las redes móviles presentan características de transmisión muy
diferentes de las de las redes tradicionales fijas. Estas características tienen su
origen tanto en la propia naturaleza del medio físico utilizado (el canal radio) como
en los efectos debidos a la movilidad. Fundamentalmente son dos las
características diferenciales del canal radio móvil frente a la red fija: las altas tasas
de error y el ancho de banda reducido.
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Tasas altas de error
La información enviada a través del canal radio resulta, inevitablemente,
deteriorada. Algunas de las causas de este deterioro son:
Los obstáculos reducen el nivel de la señal captada por el receptor. Esta
atenuación, inherente al canal radio, es conocida como desvanecimiento lento o
ensombrecimiento (shadow fading o shadowing). La reducción en el nivel de la
señal por causa de este desvanecimiento es transitoria si el obstáculo en cuestión,
el emisor o bien el receptor, están en movimiento. La duración de la pérdida de
señal puede durar unos pocos milisegundos o, incluso, prolongarse varios
segundos dependiendo de factores como la naturaleza del obstáculo o la
velocidad del terminal.
La señal radio también puede verse sometida a reflexiones en obstáculos
presentes en el camino pero no necesariamente en la línea de visión del receptor.
Este fenómeno, conocido como propagación multicamino, puede ocasionar la
llegada al receptor de señales con diferencias de fase tales, que su suma dé lugar
a una interferencia destructiva cuyas consecuencias pueden llegar hasta la
cancelación mutua, es decir, la eliminación total de la potencia de señal en
recepción. La propagación multicamino da lugar a desvanecimientos rápidos o de
Rayleigh.
Las interferencias procedentes de transmisiones concurrentes pueden
degradar la relación señal/interferente.
La limitación de la potencia transmitida por los terminales móviles, debida
tanto a la necesidad de minimizar las interferencias como a consideraciones
relacionadas con su alimentación mediante baterías contribuye, también, a la
presencia de altas tasas de error en los enlaces radio.
El ruido ambiente es inevitable en un entorno abierto y frágil como el canal
radio. En núcleos urbanos, este factor es especialmente influyente.
Experimentalmente, se ha constatado que las tasas de error en los canales radio
móviles varían dentro del rango 10 a 10 dependiendo de las condiciones del
enlace. Las redes fijas de fibra óptica presentan, en cambio, tasas inferiores a 10.
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Hay que tener en cuenta, además, que el efecto combinado de los mecanismos
generadores de errores en la mayoría de canales es tal, que éstos se producen en
forma de ráfagas. Esto significa que los canales sufren periodos erráticos durante
los cuales toda comunicación a través de ellos resulta inviable. Existe, por tanto,
cierta dependencia estadística en la ocurrencia de los errores.
En concreto, el comportamiento de los canales radio está limitado por las
frecuentes ráfagas de error causadas por los desvanecimientos, atenuaciones e
interferencias. Durante los periodos de ráfaga, el terminal (o la estación base)
recibe sólo una señal muy débil de manera que todos los intentos de transmisión
de datos resultan fallidos con muy alta probabilidad. En este estudio se analizará
el efecto de las elevadas tasas de error sobre el comportamiento del protocolo de
transporte TCP.
Ancho de Banda reducido
El espectro de radiofrecuencia es un recurso extremadamente valioso y, como tal,
es gestionado celosamente por las administraciones. Esto supone que el ancho de
banda disponible para la comunicación entre el móvil y la estación base es,
siempre, limitado. Por lo tanto, un aspecto primordial en el diseño de los sistemas
móviles debe ser el uso eficiente del ancho de banda disponible. Así analizaremos
las ventajas e inconvenientes de incorporar métodos de reducción del tamaño de
los paquetes de información que viajan por los enlaces móviles que permitan
utilizar de forma más eficiente el ancho de banda disponible.
3.2 Aspectos básicos en la planificación
En las actividades relacionadas con la propagación en la planeación del proyecto
son:
1. Caracterización del canal móvil en banda estrecha
El objetivo es determinar la perdida básica de propagación entre el transmisor y
múltiples puntos situados en la zona de cobertura (métodos de predicción de
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perdidas). Para esto se requiere delimitar la región de cubierta por un transmisor y
el estudio de interferencias entre estaciones que utilicen las mismas frecuencias.
Perdida básica
2. Caracterización del canal móvil en banda ancha
El objetivo es analizar el efecto de la propagación multitrayecto en la tasa de
errores (BER) de las comunicaciones digitales, esto se debe a que el canal móvil
produce distorsión de la señal recibida, lo que produce errores en los bits
transmitidos.
Se logra con modelos teóricos los cuales son complejos y para la implementación
es mejor usar modelos de simulación.
3. Desarrollo de modelos de simulación
Se realiza en comunicaciones móviles de banda ancha y lo que se quiere es
estudiar la influencia de las pérdidas de propagación en la VER del enlace móvil
digital. Además se quiere ver y corregir los efectos correctivos como recepción por
diversidad, codificación del canal entre otros.
La forma es trabajar el canal como un modelo donde este se simula como un filtro
variable consistente en una red de varias etapas, cada una de las cuales simula
un trayecto. (Modelos HW y SW).
4. Realización de medidas radioeléctricas
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Los modelos de predicción de propagación y modelos de simulación deben
validarse. Las medidas se usan para:
- Resolver situaciones de cobertura dudosa
- Detectar interferencias
- Perfeccionar métodos de protección (ej. Microceldas)
Las medidas se realizan tanto en banda estrecha como en banda ancha.
3.3 Características básicas de la propagación
3.3.1 Variabilidad de la propagación
La señal del canal móvil tiene muchas variaciones de nivel, la causa es que el
nivel de la señal depende de la ubicación del móvil, el cual se mueve. Esto
produce variaciones de la señal en el tiempo.
Figura 2 Para una potencia transmitida fija, la potencia recibida es una variable
aleatoria.
3.3.2 Calculo de la perdida básica de propagación
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K: Constante. Depende del tipo de terreno, la frecuencia y la altura de las antenas.
Es la perdida para una distancia de referencia (K=lo).
N: Depende del medio de propagación y de la altura de la antena de referencia.
En dB:
Valor mediano de la pérdida de propagación.
Se debe introducir el efecto aleatorio:
a. Efecto de obstáculos, colinas, arboles, entre otros: Desvanecimiento
Lento o pos sombra (Shadow Fading).
b. Efecto del entorno inmediato al móvil (Circulo de radio 100λ) o
multitrayecto: Desvanecimiento rápido (Fast fading).
3.4 Modelos de propagación
Los tipos de modelos que existen son:
- Modelos Clásicos
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Utilizados hasta los años 60s y son aplicables a Propagación en áreas
rurales y grandes zonas de cobertura sin reutilización de frecuencias.
Algunos ejemplos son: Ábacos de Bullington, Primeras curvas de
propagación propuesta por CCIR, y ambos son aplicables a sistemas de
radiodifusión y sistemas móviles.
- Primera Métodos Informatizados
Se inició en los años 70s para medios rurales de la siguiente manera, se
obtienen datos perfiles del terreno a lo largo de radiales desde la estación
base y luego estos datos se introducen en los programas informáticos que
modelan la propagación para posteriormente caracterizar el terreno
mediante un parámetro de ondulación. Se utilizan las alturas efectivas de
las antenas como datos para programas basados en métodos empíricos
(modelo de Egli y Longely, Metodo Rice)
Para los modelos urbanos el modelo más usado es el de Hata. Este modelo
está basado en curvas de propagación de Okumura y es aplicable a una
amplia gama de frecuencias y alturas de estaciónes bases y estaciones
móviles. El modelo es sencillo de aplicar y es bastante exacto sin embargo
existen otros modelos que lo superan como el Walfisch-Bertoni. En la
siguiente figura se observa la diferencia.
Figura 3 Métodos Informatizados
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- Segunda Métodos Informatizados
Zonas Rurales
Usan bases de datos del terreno (BDT o GIS) y proporcionan resultados de
cobertura que se imprimen sobre los propios mapas.
Zonas Urbanas
Se emplean procedimientos semi-empiricos y usan BDT de ciudades, un
ejemplo es COST 231.
En la siguiente figura se observan las dos zonas.
Figura 4 Zonas Urbana y Rural
- Métodos Físicos y Empíricos
Usados en entornos Microcelulares y de interiores, los más destacados son los
basados en la teoría Geométrica de la Difracción (GTD). En ella se requiere gran
volumen de información obtenida de los BDT detalladas de ciudades y planos de
edificios.
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Deben ser bastantes precisos (si no lo son, los errores son del orden de una zona
de cobertura). A continuación se muestra una tabla donde se observa la
clasificación de las celdas.
Tabla1. Clasificación de las celdas
3.5. Modelos de propagación
3.5.1 Modelo de propagación tierra plana
Cuando una onda plana incide sobre la superficie terrestre sufre una reflexión,
caracterizada por el coeficiente de reflexión, que relaciona el vector de intensidad
decampo de la onda reflejada con el de la onda incidente. La intensidad de campo
total recibida es igual a la suma vectorial de las correspondientes a las ondas
incidente y reflejada.
El coeficiente de reflexión depende de un modo complejo de la conductividad y de
la permitividad del suelo, de la frecuencia y del ángulo de incidencia de la onda.
Con un suelo perfectamente reflector la onda reflejada es de igual magnitud que la
incidente, dependiendo las relaciones de fase de la polarización de la onda. Así,
teniendo en cuenta las condiciones de contorno en el suelo, las componentes con
polarización horizontal delos campos eléctricos incidente y reflejado se cancelan
en la superficie del reflector (suelo), en tanto que las componentes verticales se
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suman en dicha superficie cuando el ángulo de incidencia es pequeño. Por tanto,
en función de la distancia del trayecto y dela altura de las antenas, el rayo directo
y el rayo reflejado pueden verse total o parcialmente atenuados. Los efectos más
importantes de la tierra sobre la propagación de ondas se reflejan en la ecuación
siguiente.
3.5.2 Modelos de propagación para exteriores
La forma en que las ondas se propagan puede variar desde algo muy sencillo
hasta algo realmente complicado, las complicaciones en los medios de
propagación son debidas a los obstáculos ya sean naturales o artificiales que
provocan desviaciones de las ondas.
El modelado y predicción de la forma en que las ondas electromagnéticas se
propagan constituyen un campo de gran interés para el diseño de redes de
comunicaciones inalámbricas. Un modelo de propagación es una ecuación
normalmente dad en dB que trata de calcular y describir las pérdidas de una señal
en determinado ambiente de propagación.
La utilidad específica de los modelos está en predecir la potencia de la señal que
se transmite y que se recibe a determinada distancia, aunque también se toman
en cuenta las variaciones de la potencia en el punto receptor.
Los tipos de modelos que existen son:
Modelo de propagación para el espacio libre o Modelo de Friss
Este modelo no es tan útil para aplicaciones en las que existen obstáculos, se
requiere de una clara línea de vista entre el transmisor y el receptor para poder
modelar con ayuda de este modelo, así como las características del espacio libre.
Las ecuaciones para este modelo son:
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También puede ser expresada en decibeles
Modelo de Okumura-Hata
Este es un tipo de modelo empírico, que se basa en los datos de las pérdidas de
propagación provistos por Okumura y es válido para el rango frecuencias VHF y
UHF pero dentro de los límites de los 150Mhz hasta los 1500Mhz.
Las pérdidas en una área urbana fueron presentadas en una formula general en
un ambiente urbano, sin embargo existen caracterizaciones de esta ecuación para
distintos ambientes.
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Para la ecuación anterior se debe tomar en cuenta ciertas restricciones como:
De este modo para ciudades pequeñas y medianas se tiene
Para un ambiente suburbano se tendrá
Las áreas rurales tendrán la siguiente ecuación
3.5.3 Modelos de propagación para microceldas
Junto con los ambientes de cobertura macro celular y micro celular, para los que
ya hoy en día existen una planificación, existe otro tipo de ambiente de operación
de las redes celulares, el futuro de las comunicaciones celulares evoluciona hacia
escenarios pico celulares.
Estos ambientes se caracterizan, desde el punto de vista de la propagación, por
una presencia muy importante de obstáculos dispersores. Ello provoca una
varianza muy importante en los niveles de potencia media recibidos en distintos
emplazamientos y una fuerte dispersión temporal de la onda que llega al receptor.
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3.5.4 Modelos de propagación para interiores
Para estudiar la propagación de un ambiente inferior, se pueden considerar
configuraciones de los lugares donde ser realiza la comunicación y
configuraciones de las zonas de cobertura donde proporcionan los servicios de red
y de esta forma poder caracterizar físicamente el ambiente que puede variar con
respecto a la utilización del mismo.
La condición de no tener línea de vista provoca mayores problemas que la de
tenerla, así como la determinación de la capacidad de los canales y la calidad de
los en laces. En el caso de un ambiente interior, ambas condiciones existen,
independientemente de que las señales recorran distancias muy cortas esto es
debido a la gran cantidad de obstáculos presentes en el ambiente, como ya se
había mencionado.
La configuración de las zonas de cobertura se divide en 6 casos donde la división
obedece al tipo de enlace de comunicación entre las terminales y la estación de
base o repetidor.
Zona extragrande
Zona grande
Zona mediana
Zona pequeña
Microzona
Sistema distribuido
Los tipos de modelos son:
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Modelos electromagnéticos
Las características de radio de la propagación de los modelos electromagnéticos
se pueden derivar solucionando directamente las ecuaciones de Maxwell para la
propagación de la onda electromagnética. El método del tiempo-dominio de la
diferencia finita (FDTD) es probablemente el método más popular para una
solución numérica de las ecuaciones de Maxwell.
Modelos estadísticos
Este tipo de modelos no necesitan informaciones acerca de las paredes en las
construcciones. Lo único que se requiere para los cálculos en estos modelos es
una descripción del tipo de construcción, por lo cual con saber si se propagan las
señales en su oficina, en un hotel, un hospital, un edificio viejo, una casa, estos
modelos pueden dar resultados.
Modelos empíricos de trayectoria directa
Este tipo de modelos está basado en la trayectoria directa existen entre el
transmisor y el receptor, rayos futuros no son considerados en este tipo de
modelos. Estos modelos son en gran parte la base para el diseño y
caracterización de los últimos modelos desarrollados.
Modelos empíricos de multi-trayectoria
Este tipo de modelos principalmente se sostiene en cálculos necesariamente
realizados por computadoras, por lo que diferentes tipos de trayectorias son
calculadas y almacenadas en las computadoras, con estos datos se obtiene una
predicción de las perdidas
3.5.5 Cobertura de edificios desde el exterior
La extensión de la provisión de servicios celulares a entornos de interior de
edificios hace preciso considerar la penetración de señal hacia y desde dichos
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edificios. De este modo, es posible determinar niveles de interferencia no
deseados o incluso la posibilidad de extender el servicio proporcionado por
microcelulas en el exterior hacia el interior de determinados edificios.
Para penetración en edificios se toman en cuenta diversos aspectos, de estos, los
principales son las características de los materiales de los que está construido el
edificio. Con esto se puede tener en una idea de las perdidas, mediante
mediciones hechas para un edificio en específico o con modelos de propagación
que incluyan las características de los materiales de construcción.
3.6 Canal multitrayecto
Al receptor llegan varias componentes a través de diferentes caminos. Tales
componentes llegan en diferentes tiempos y con amplitud y fase aleatorias.
Figura 5. Multitrayecto
3.6.1 Caracterización del canal multitrayecto
Dispersión del retardo y Ancho de Banda de coherencia
Función de autocorrelación de h (t ;τ )
Si hacemos Δt=0,
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Figura 6. Función de Autocorrelación
En la práctica, en lugar de medir la respuesta al impulso de un canal, se utiliza el
perfil de potencia recibida, es decir υh(0;τk). Medimos los niveles de potencia
recibida en función del retardo.
Retardo medio:
Dispersión rms del retardo ―rms delay spread‖
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Figura 7. Dispersión de retardo
3.5.2 Tipos de desvanecimiento
Para adicionar el efecto del desvanecimiento lento en las pérdidas de la señal en
un punto (x,y), se agrega una función aleatoria g(x,y) así:
Tras numerosas mediciones experimentales se ha llegado a la conclusión de que
g(x,y) puede modelarse mediante una variable aleatoria gaussiana log-normal.
Desvanecimiento Lento
Las perdidas serán en dB
Siendo
σ caracteriza la variabilidad del desvanecimiento lento. Depende del tipo de medio
(rural o urbano), de la extensión de la zona y de la ondulación de terreno
circundante.
Desvanecimiento Rápido
El desvanecimiento rápido es significativo en recorridos con una longitud de 40λ
aproximadamente.
Se agrega a la pérdida de propagación un factor r(t,f) que depende de la distancia
(o el tiempo para una velocidad conocida del receptor) y de la frecuencia:
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r(t,f) es una variable aleatoria proporcional al cuadrado de una magnitud que sigue
una distribución Rayleigh.
3.7 Técnicas de diversidad y combinación
3.7.1 Diversidad
La diversidad de código, es una técnica empleada en un medio de transmisión con
el objetivo de enviar varias señales en un único canal en entornos MIMO dando
lugar al código espacio-tiempo. Este servicio proporciona altas tasas de
transmisión de datos con alta fiabilidad.
3.7.2 Técnicas de combinación
Las técnicas de diversidad explotan el canal para transmitir una versión del señal
original, con el objetivo de recibir éste con la mejor calidad posible, siendo
transmitidas por las diferentes antenas transmisoras.
Existen varios tipos de diversidad:
Diversidad de espacio
Diversidad de frecuencia
Diversidad de tiempo
Diversidad de polarización
Diversidad de ángulo
Diversidad por selección
Diversidad por conmutación
Diversidad por combinación de razón máxima
De todas ellas, la más destacable es un tipo de codificación con diversidad
espacio-temporal basada en principios de ortogonalidad: STBC ortogonal.
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UNIDAD 2: TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE Y COMUNICACIONES
CELULARES
4. TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE
4.1 Introducción
El diseño de cualquier sistema de comunicaciones está muy condicionado por la
interfaz radioeléctrica que utilice. En realidad la capacidad de los componentes y
elementos de la red fija, o de la red de transmisión, no suele ser una limitación ni
un problema fundamental en el diseño de los sistemas de comunicaciones
móviles. La interfaz radioeléctrica, sin embargo, ejerce una considerable influencia
en el diseño de todo el sistema, pudiendo llegar a condicionar su coste e incluso
muchas cualidades operacionales, entre ellas las eficiencia espectral
determinando el grado de aprovechamiento del espectro disponible.
Estando los sistemas celulares limitados por interferencia, el diseño de la interfaz
radioeléctrica tendrá como objetivo la maximización de la eficiencia espectral
manteniendo la interferencia dentro de valores razonables. Esto, además, unido al
hecho de la variedad de escenarios y servicio que los sistemas de comunicaciones
personales deben soportar, hace que no se haya encontrado, por ahora, una
solución óptima para todas las situaciones.
4.2 FDMA
La multiplexación por división de frecuencia (MDF) o (FDM), del inglés Frequency
División Multiplexing, es un tipo de multiplexación utilizada generalmente en
sistemas de transmisión analógicos. La forma de funcionamiento es la siguiente:
se convierte cada fuente de varias que originalmente ocupaban el mismo espectro
de frecuencias, a una banda distinta de frecuencias, y se transmite en forma
simultánea por un solo medio de transmisión. Así se pueden transmitir muchos
canales de banda relativamente angosta por un solo sistema de transmisión de
banda ancha.
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El FDM es un esquema análogo de multiplexado; la información que entra a un
sistema FDM es analógica y permanece analógica durante toda su transmisión.
Un ejemplo de FDM es la banda comercial de AM, que ocupa un espectro de
frecuencias de 535 a 1605 kHz. Si se transmitiera el audio de cada estación con el
espectro original de frecuencias, sería imposible separar una estación de las
demás. En lugar de ello, cada estación modula por amplitud una frecuencia
distinta de portadora, y produce una señal de doble banda lateral de 10KHz.
Hay muchas aplicaciones de FDM, por ejemplo, la FM comercial y las emisoras de
televisión, así como los sistemas de telecomunicaciones de alto volumen. Dentro
de cualquiera de las bandas de transmisión comercial, las transmisiones de cada
estación son independientes de las demás.
Una variante de MDF es la utilizada en fibra óptica, donde se multiplexan señales,
que pueden ser analógicas o digitales, y se transmiten mediante portadoras
ópticas de diferente longitud de onda, dando lugar a la denominada multiplexación
por división de longitud de onda, o WDM del inglés Wavelength Division
Multiplexing.
En la siguiente figura siguiente se representa, de forma muy esquematizada, un
conjunto multiplexor-demultiplexor por división de frecuencia para tres canales,
cada uno de ellos con el ancho de banda típico del canal telefónico analógico (0,3
a 3,4 kHz).
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Figura 8. Circuito simplificado del conjunto multiplexor-demultiplexor analógico
En esta figura, se puede ver como la señal de cada uno de los canales modula a
una portadora distinta, generada por su correspondiente oscilador (O-1 a O-3). A
continuación, los productos de la modulación son filtrados mediante filtros paso
banda, para seleccionar la banda lateral adecuada. En el caso de la figura se
selecciona la banda lateral inferior. Finalmente, se combinan las salidas de los tres
filtros (F-1 a F-3) y se envían al medio de transmisión que, en este ejemplo, debe
tener una de banda de paso comprendida, al menos, entre 8,6 y 19,7 kHz.
En el extremo distante, el demultiplexor realiza la función inversa. Así, mediante
los filtros F-4 a F-6, los demoduladores D-1 a D-3 (cuya portadora se obtiene de
los osciladores O-4 a O-6) y finalmente a través de los filtros paso bajo F-7 a F-9,
que nos seleccionan la banda lateral inferior, volvemos a obtener los canales en
su banda de frecuencia de 0,3 a 3,4 kHz.
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4.3 TDMA
Figura 9. TDMA
La multiplexación por división de tiempo (MDT) o (TDM), del inglés Time Division
Multiplexing, es el tipo de multiplexación más utilizado en la actualidad,
especialmente en los sistemas de transmisión digitales. En ella, el ancho de banda
total del medio de transmisión es asignado a cada canal durante una fracción del
tiempo total (intervalo de tiempo).
En la figura siguiente se representa, esquematizada de forma muy simple, un
conjunto multiplexor-demultiplexor para ilustrar como se realiza la multiplexación-
desmultiplexación por división de tiempo.
Figura10. Conjunto multiplexor-demultiplexor por división de tiempo
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En este circuito, las entradas de seis canales llegan a los denominados
interruptores de canal, los cuales se cierran de forma secuencial, controlados por
una señal de reloj, de manera que cada canal es conectado al medio de
transmisión durante un tiempo determinado por la duración de los impulsos de
reloj.
En el extremo distante, el desmultiplexor realiza la función inversa, esto es,
conecta el medio de transmisión, secuencialmente, con la salida de cada uno de
los seis canales mediante interruptores controlados por el reloj del demultiplexor.
Este reloj del extremo receptor funciona de forma sincronizada con el del
multiplexor del extremo emisor mediante señales de temporización que son
transmitidas a través del propio medio de transmisión o por un camino.
El Acceso múltiple por división de tiempo (Time Division Multiple Access o TDMA,
del inglés) es una técnica de multiplexación que distribuye las unidades de
información en ranuras ("slots") alternas de tiempo, proveyendo acceso múltiple a
un reducido número de frecuencias.
También se podría decir que es un proceso digital que se puede aplicar cuando la
capacidad de la tasa de datos de la transmisión es mayor que la tasa de datos
necesaria requerida por los dispositivos emisores y receptores. En este caso,
múltiples transmisiones pueden ocupar un único enlace subdividiéndole y
entrelazándose las porciones.
Esta técnica de multiplexación se emplea en infinidad de protocolos, sola o en
combinación de otras, pero en lenguaje popular el término suele referirse al
estándar D-AMPS de celular empleado en América.
Mediante el uso de TDMA se divide un único canal de frecuencia de radio en
varias ranuras de tiempo (seis en D-AMPS y PCS, ocho en GSM). A cada persona
que hace una llamada se le asigna una ranura de tiempo específica para la
transmisión, lo que hace posible que varios usuarios utilicen un mismo canal
simultáneamente sin interferir entre sí.
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Existen varios estándares digitales basados en TDMA, tal como TDMA D-AMPS
(Digital-Advanced Mobile Phone System), TDMA D-AMPS-1900, PCS-
1900 (Personal Communication Services), GSM(Global System for Mobile
Communication, en el que se emplea junto con saltos en frecuencia o frequency
hopping ), DCS-1800 (Digital Communications System) y PDC (Personal Digital
Cellular).
Características
- Se utiliza con modulaciones digitales.
- Tecnología simple y muy probada e implementada.
- Adecuada para la conmutación de paquetes.
- Requiere una sincronización estricta entre emisor y receptor.
- Requiere el Time advance.
4.4 SSMA
4.4.1 CDMA
Suele utilizarse popularmente para referirse a una interfaz de aire inalámbrica
de telefonía móvil desarrollada por la empresa Qualcomm, y aceptada
posteriormente como estándar por la TIA norteamericana bajo el nombre IS-95 (o,
según la marca registrada por Qualcomm, "cdmaONE" y su sucesora CDMA2000).
En efecto, los sistemas desarrollados por Qualcomm emplean tecnología CDMA,
pero no son los únicos en hacerlo.
Esta tecnología, luego de digitalizar la información la transmite a través de todo el
ancho de banda del que se dispone, a diferencia de TDMA y FDMA. Las llamadas
se sobreponen en el canal de transmisión, diferenciadas por un código de
secuencia único. Esto permite que los usuarios compartan el canal y la frecuencia.
Como es un método adecuado para la transmisión de información encriptada, se
comenzó a utilizar en el área militar. Esta tecnología permite comprimir de 8 a 10
llamadas digitales para que ocupen lo mismo que ocupa una llamada analógica.
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En CDMA, la señal se emite con un ancho de banda mucho mayor que el
precisado por los datos a transmitir; por este motivo, la división por código es una
técnica de acceso múltiple de espectro expandido. A los datos a transmitir
simplemente se les aplica la función lógica XOR con el código de transmisión, que
es único para ese usuario y se emite con un ancho de banda significativamente
mayor que los datos.
Figura 11 Señal de datos CDMA
A la señal de datos, con una duración de pulso Tb, se le aplica la función XOR con
el código de transmisión, que tiene una duración de pulso Tc. (Nota: el ancho de
banda requerido por una señal es 1/T, donde T es el tiempo empleado en la
transmisión de un bit). Por tanto, el ancho de banda de los datos transmitidos es
1/Tb y el de la señal de espectro expandido es 1/Tc. Dado que Tc es mucho
menor que Tb, el ancho de banda de la señal emitida es mucho mayor que el de la
señal original, y de ahí el nombre de "espectro expandido".
Cada usuario de un sistema CDMA emplea un código de transmisión distinto (y
único) para modular su señal. La selección del código a emplear para la
modulación es vital para el buen desempeño de los sistemas CDMA, porque de él
depende la selección de la señal de interés, que se hace por correlación
cruzada de la señal captada con el código del usuario de interés, así como el
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rechazo del resto de señales y de las interferencias multi-path (producidas por los
distintos rebotes de señal).
El mejor caso se presenta cuando existe una buena separación entre la señal del
usuario deseado (la señal de interés) y las del resto; si la señal captada es la
buscada, el resultado de la correlación será muy alto, y el sistema podrá extraer la
señal. En cambio, si la señal recibida no es la de interés, como el código
empleado por cada usuario es distinto, la correlación debería ser muy pequeña,
idealmente tendiendo a cero (y por tanto eliminando el resto de señales). Y
además, si la correlación se produce con cualquier retardo temporal distinto de
cero, la correlación también debería tender a cero. A esto se le
denomina autocorrelación y se emplea para rechazar las interferencias multi-path.
En general, en división de código se distinguen dos categorías básicas: CDMA
síncrono (mediante códigos ortogonales) y asíncrono (mediante secuencias
pseudoaleatorias).
Multiplexado por división de código (CDMA síncrono)
Figura 12 Multiplexado CDMA
El CDMA síncrono explota las propiedades matemáticas
de ortogonalidad entre vectores cuyas coordenadas representan los datos a
transmitir.
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Por ejemplo, la cadena binaria "1011" sería representada por el vector (1, 0, 1, 1).
Dos vectores pueden multiplicarse mediante el producto escalar (·), que suma los
productos de sus respectivas coordenadas. Si el producto escalar de dos vectores
es 0, se dice que son ortogonales entre sí. (Nota: si dos vectores se definen u =
(a, b) y v = (c, d); su producto escalar será u·v = a*c + b*d).
Algunas propiedades del producto escalar ayudan a comprender cómo funciona
CDMA. Si los vectores a y b son ortogonales, y representan los códigos de dos
usuarios de CDMA síncrono A y B, entonces:
Por tanto, aunque el receptor capte combinaciones lineales de los
vectores a y b (es decir, las señales procedentes de A y B al mismo tiempo,
sumadas en el aire), si conoce el código de transmisión del usuario de interés
siempre podrá aislar sus datos de los del resto de usuarios, simplemente mediante
el producto escalar de la señal recibida con el código del usuario; al ser el código
del usuario ortogonal respecto a todos los demás, el producto aislará la señal de
interés y anulará el resto. Este resultado para dos usuarios es extensible a todos
los usuarios que se desee, siempre que existan códigos ortogonales suficientes
para el número de usuarios deseado, lo que se logra incrementando la longitud del
código.
Cada usuario de CDMA síncrono emplea un código único para modular la señal, y
los códigos de los usuarios en una misma zona deben ser ortogonales entre sí. En
la imagen se muestran cuatro códigos mutuamente ortogonales. Como su
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producto escalar es 0, los códigos ortogonales tienen una correlación cruzada
igual a cero, y, en otras palabras, no provocan interferencias entre sí.
Este resultado implica que no es necesario emplear circuitería de filtrado en
frecuencia (como se emplearía en FDMA), ni de conmutación de acuerdo con
algún esquema temporal (como se emplearía en TDMA) para aislar la señal de
interés; se reciben las señales de todos los usuarios al mismo tiempo y se separan
mediante procesado digital.
En el caso de IS-95, se emplean códigos ortogonales de Walsh de 64 bits para
codificar las señales y separar a sus distintos usuarios.
CDMA asíncrono
Los sistemas CDMA síncronos funcionan bien siempre que no haya excesivo
retardo en la llegada de las señales; sin embargo, los enlaces de radio entre
teléfonos móviles y sus bases no pueden coordinarse con mucha precisión. Como
los terminales pueden moverse, la señal puede encontrar obstáculos a su paso,
que darán origen a cierta variabilidad en los retardos de llegada (por los distintos
rebotes de la señal, el efecto Doppler y otros factores). Por tanto, se hace
aconsejable un enfoque algo diferente.
Por la movilidad de los terminales, las distintas señales tienen un retardo de
llegada variable. Dado que, matemáticamente, es imposible crear secuencias de
codificación que sean ortogonales en todos los instantes aleatorios en que podría
llegar la señal, en los sistemas CDMA asíncronos se emplean secuencias únicas
"pseudo-aleatorias" o de "pseudo-ruido" (en inglés, PN sequences). Un código PN
es una secuencia binaria que parece aleatoria, pero que puede reproducirse de
forma determinística si el receptor lo necesita. Estas secuencias se usan para
codificar y decodificar las señales de interés de los usuarios de CDMA asíncrono
de la misma forma en que se empleaban los códigos ortogonales en el sistema
síncrono.
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Las secuencias PN no presentan correlación estadística, y la suma de un gran
número de secuencias PN resulta en lo que se denomina interferencia de acceso
múltiple (en inglés, MAI, múltiple access interference), que puede estimarse como
un proceso gaussiano de ruido que sigue el teorema central del límite estadístico.
Si las señales de todos los usuarios se reciben con igual potencia, la varianza (es
decir, la potencia del ruido) de la MAI se incrementa en proporción directa al
número de usuarios. En otras palabras, a diferencia de lo que ocurre en CDMA
síncrono, las señales del resto de usuarios aparecerán como ruido en relación con
la señal de interés, y provocarán interferencia con la señal de interés: cuantos más
usuarios simultáneos, mayor interferencia.
Por otra parte, el hecho de que las secuencias sean aparentemente aleatorias y
de potencia distribuida en un ancho de banda relativamente amplio conlleva una
ventaja adicional: son más difíciles de detectar en caso de que alguien intente
captarlas, porque se confunden con el ruido de fondo. Esta propiedad ha sido
aprovechada durante el siglo XX en comunicaciones militares.
Todos los tipos de CDMA aprovechan la ganancia de procesado que introducen
los sistemas de espectro extendido; esta ganancia permite a los receptores
discriminar parcialmente las señales indeseadas. Las señales codificadas con el
código PN especificado se reciben, y el resto de señales (o las que tienen el
mismo código pero distinto retardo, debido a los diferentes trayectos de llegada)
se presentan como ruido de banda ancha que se reduce o elimina gracias a la
ganancia de procesado.
Como todos los usuarios generan MAI, es muy importante controlar la potencia de
emisión. Los sistemas CDMA síncrono, TDMA o FDMA pueden, por lo menos en
teoría, rechazar por completo las señales indeseadas (que usan distintos códigos,
ranuras temporales o canales de frecuencia) por la ortogonalidad de estos
esquemas de acceso al medio. Pero esto no es cierto para el CDMA asíncrono; el
rechazo de las señales indeseadas sólo es parcial. Si parte (o el total) de las
señales indeseadas se reciben con potencia mucho mayor que la de la señal
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deseada, ésta no se podrá separar del resto. Para evitar este problema, un
requisito general en el diseño de estos sistemas es que se controle la potencia de
todos los emisores; se busca asegurar que la potencia captada por el receptor sea
aproximadamente la misma para todas las señales entrantes. En los sistemas de
telefonía celular, la estación base emplea un esquema de control de potencia por
bucle cerrado (fast closed-loop power control, en inglés) para controlar
estrictamente la potencia de emisión de cada teléfono.
4.4.2 FHMA
FHMA es un sistema de acceso múltiple digital, en el cual, las frecuencias de las
portadoras de los usuarios individuales se varían de forma pseudoaleatoria dentro
de un canal de banda ancha. Los datos digitales se dividen en ráfagas de tamaño
uniforme que se transmiten sobre diferentes portadoras.
4.5 SDMA
El Acceso múltiple por división de espacio (Space Division Multiple
Access o SDMA, del inglés) es una tecnología que segmenta el espacio en
sectores utilizando antenas unidireccionales.
Se utiliza generalmente en comunicaciones por satélite, pero también en redes
celulares para reducir el número de estaciones base.
SDMA ("Space Division Multiple Access") se usa en todos los sistemas celulares,
analógicos 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 introducción a los sistemas celulares,
permiten el acceso a un canal de radio, siendo éste reutilizado en otras celdas
dentro del sistema. Como vimos, el factor que limita SDMA es el factor de
reutilización de frecuencia (interferencia co-canal).
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4.6 Técnicas híbridas
Los sistemas híbridos usan una combinación de métodos de espectro ensanchado
para beneficiarse de las propiedades más ventajosas de los sistemas utilizados.
Dos combinaciones comunes son secuencia directa y salto de frecuencia. La
ventaja de combinar estos dos métodos está en que adopta las características que
no están disponibles en cada método por separado.
Figura 13 Espectro Ensanchado
Comparación de una señal en banda estrecha con una señal modulada
en secuencia directa. La señal en banda estrecha se suprime al transmitir el
espectro ensanchado.
Sistemas de secuencia directa
La secuencia directa es quizás uno de los sistemas de espectro ensanchado más
ampliamente conocido, utilizado y relativamente sencillo de implementar.
Una portadora en banda estrecha se modula mediante una secuencia
pseudoaleatoria (es decir, una señal periódica que parece ruido pero que no lo
es). Para la secuencia directa, el incremento de ensanchado depende de la tasa
de bits de la secuencia pseudoaleatoria por bit de información. En el receptor, la
información se recupera al multiplicar la señal con una réplica generada
localmente de la secuencia de código.
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Sistemas de salto de frecuencia
En los sistemas de salto de frecuencia, la frecuencia portadora del transmisor
cambia (o salta) abruptamente de acuerdo con una secuencia pseudoaleatoria. El
orden de las frecuencias seleccionadas por el transmisor viene dictado por la
secuencia de código. El receptor rastrea estos cambios y produce una señal de
frecuencia intermedia constante.
El espectro ensanchado (también llamado espectro esparcido, espectro
disperso, spread spectrum o SS) es una técnica de modulación empleada en
telecomunicaciones para la transmisión de datos digitales y por radiofrecuencia.
El fundamento básico es el "ensanchamiento" de la señal a transmitir a lo largo de
una banda muy ancha de frecuencias, mucho más amplia, de hecho, que el ancho
de banda mínimo requerido para transmitir la información que se quiere enviar. No
se puede decir que las comunicaciones mediante espectro ensanchado son
medios eficientes de utilización del ancho de banda. Sin embargo, rinden al
máximo cuando se los combina con sistemas existentes que hacen uso de la
frecuencia. La señal de espectro ensanchado, una vez ensanchada puede
coexistir con señales en banda estrecha, ya que sólo les aportan un pequeño
incremento en el ruido. En lo que se refiere al receptor de espectro ensanchado, él
no ve las señales de banda estrecha, ya que está escuchando un ancho de banda
mucho más amplio gracias a una secuencia de código preestablecido.
Spread Spectrum ('espectro disperso')
Es una técnica de comunicación que por los altos costes que acarrea, se aplicó
casi exclusivamente para objetivos militares, hasta comienzos de los años
noventa. Sin embargo, comienza a surgir lentamente un mercado comercial.
Seguramente mucha gente ha escuchado alguna vez nombrar a LAN (Local Área
Networks: Área de redes locales). Estas son redes que comunican ordenadores
entre sí a través de cables, lo que hace posible que por ordenador se pueda enviar
correo dentro de un edificio determinado, por ejemplo. Actualmente se venden
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también 'Radio LAN' (RLAN), que constituyen una comunicación inalámbrica entre
una cantidad determinada de ordenadores.
Para poder captar un programa radial hay que sintonizar con un emisor que está
en una determinada frecuencia. Emisores diferentes están en diferentes
frecuencias. Cada emisor ocupa un pequeño trozo de la banda emisora dentro de
la cual se concentra la potencia de emisión irradiada. Ese trocito, también llamado
ancho de banda, tiene que ser lo suficientemente grande como para que los
emisores cercanos no sean interferidos. A medida que el ancho de banda es más
estrecho, pueden funcionar más emisores en una banda de frecuencia.
Un ejemplo: la banda emisora FM cubre la zona de frecuencia de 88-108 Mhz. Si
el ancho de banda de un emisor es 1 Mhz, entonces pueden caber (108-88)/1 = 20
emisores en la banda emisora FM. Si el ancho de banda de un emisor es 0,2 Mhz
(= 200 KHz), entonces pueden caber (108-88)/0,2 = 100 emisores en la banda
emisora FM.
Si ahora, por ejemplo, quisiéramos colocar 200 emisores en la banda emisora FM,
eso sólo se podría si el ancho de banda de cada emisor disminuyera hasta 100
kHz. Sin embargo, esto ocasiona problemas porque las emisiones FM cuentan con
un ancho de banda de 200 KHz, por lo que un menor ancho de banda produce
una menor transmisión de información (la calidad obtenida en recepción
disminuiría). Este principio no es sólo válido para la banda emisora FM, sino
también para otras bandas de frecuencia como la banda emisora AM, bandas de
radioaficionados, bandas de la policía, etc.
La radio-receptora se puede sintonizar siempre en una frecuencia. Esa frecuencia
es retransmitida por el emisor con un ancho de banda lo menor posible, pero lo
suficientemente grande como para transmitir la información deseada. Este tipo de
receptores se llama receptores de banda estrecha.
Por el contrario, en espectro ensanchado no se elige por un ancho de banda lo
más pequeño posible, sino justamente por lo contrario. El ancho de banda es
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mayor de lo que se necesita estrictamente para la transmisión de la información.
Este mayor ancho de banda puede obtenerse de dos maneras. La primera es
codificar la información con una señal pseudo-aleatoria. La información codificada
se transmite en la frecuencia en que funciona el emisor para lo cual se utiliza un
ancho de banda mucho mayor que la que se usa sin codificación (secuencia
directa). La segunda posibilidad es codificar la frecuencia de trabajo con una señal
pseudo-aleatoria, por lo que la frecuencia de trabajo cambia permanentemente. En
cada frecuencia se envía un trocito de información (técnica conocida como salto
en frecuencia).
Esta difusión a través del espectro ensanchado puede ser tan grande que un
receptor-radio de banda estrecha sólo capta ruido añadido. Para poder captar la
señal dispersa se necesita receptores con ancho de banda especial que
transformen el zumbido recibido en información. Este receptor de banda ancha
tiene que disponer del decodificador apropiado para transformar la señal del
emisor en información.
4.7 Técnicas aplicables a transmisión de datos
Las facilidades de transmisión son caras y, a menudo, dos equipos terminales de
datos que se comunican por cables coaxiales, enlaces por microondas, o satélite,
no utilizan la capacidad total del canal, desperdiciando parte de la anchura de
banda disponible. Este problema se soluciona mediante unos equipos
denominados multiplexores, que reparten el uso del medio de transmisión en
varios canales independientes que permiten accesos simultáneos a los usuarios,
siendo totalmente transparente a los datos transmitidos.
En un extremo, los multiplexores son equipos que reciben varias secuencias de
datos de baja velocidad y las transforman en una única secuencia de datos de alta
velocidad, que se transmiten hacia un lugar remoto. En dicho lugar, otro
multiplexor realiza la operación inversa obteniendo de nuevo los flujos de datos de
baja velocidad originales. A esta función se la denomina demultiplexar.
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do que se efectuarán varias transmisiones distintas por la misma línea, la tasa de
eficiencia del canal se ve notablemente mejorada.
Existen dos técnicas fundamentales para llevar a cabo la multiplexación:
Division de Frecuencia (MDF)
División en el Tiempo (MTC)
Multiplexación por División en Frecuencia (MDF)
La multiplexación por división en frecuencia es una técnica que consiste en dividir
mediante filtros el espectro de frecuencias del canal de transmisión y desplazar la
señal a transmitir dentro del margen del espectro correspondiente mediante
modulaciones, de tal forma que cada usuario tiene posesión exclusiva de su
banda de frecuencias (llamadas subcanales).
En el extremo de la línea, el multiplexor encargado de recibir los datos realiza la
demodulación la señal, obteniendo separadamente cada uno de los subcanales.
Esta operación se realiza de manera transparente a los usuarios de la línea. Se
emplea este tipo de multiplexación para usuarios telefónicos, radio, TV que
requieren el uso continúo del canal.
Figura 14 Multiplexacion por división en frecuencia
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Este proceso es posible cuando la anchura de banda del medio de transmisión
excede de la anchura de banda de las señales a transmitir. Se pueden transmitir
varias señales simultáneamente si cada una se modula con una portadora de
frecuencia diferente, y las frecuencias de las portadoras están lo suficientemente
separadas como para que no se produzcan interferencias. Cada subcanal se
separa por unas bandas de guarda para prevenir posibles interferencias por
solapamiento.
La señal que se transmite a través del medio es analógica, aunque las señales de
entrada pueden ser analógicas o digitales. En el primer caso se utilizan las
modulaciones AM, FM y PM para producir una señal analógica centrada en la
frecuencia deseada. En el caso de señales digitales se utilizan ASK, FSK, PSK y
DPSK.
En el extremo receptor, la señal compuesta se pasa a través de filtros, cada uno
centrado en una de las diferentes portadoras. De este modo la señal se divide otra
vez y cada componente se demodula para recuperar la señal.
La técnica de MDF presenta cierto grado de normalización. Una norma de gran
uso es la correspondiente a 12 canales de voz, cada uno de 4.000 Hz (3.100 para
el usuario y el resto para la banda de guarda) multiplexado en la banda de 60-108
KHz. A esta unidad se le llama grupo. Muchos proveedores de servicios
portadores ofrecen a sus clientes una línea alquilada de 48 a 56 Kbps, basada en
un grupo.
Se pueden multiplexar cinco grupos (60 canales de voz) para formar un super
grupo. La siguiente unidad es el grupo maestro, que está constituido por cinco
super grupos (de acuerdo con las normas del UIT) o por diez grupos (de acuerdo a
Bell System).
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Multiplexación por División en el Tiempo (MDT)
La multiplexación por división de tiempo es una técnica para compartir un canal de
transmisión entre varios usuarios. Consiste en asignar a cada usuario, durante
unas determinadas "ranuras de tiempo", la totalidad del ancho de banda
disponible. Esto se logra organizando el mensaje de salida en unidades de
información llamadas tramas, y asignando intervalos de tiempo fijos dentro de la
trama a cada canal de entrada. De esta forma, el primer canal de la trama
corresponde a la primera comunicación, el segundo a la segunda, y así
sucesivamente, hasta que el n-esimo más uno vuelva a corresponder a la primera.
El uso de esta técnica es posible cuando la tasa de los datos del medio de
transmisión excede de la tasa de las señales digitales a transmitir. El multiplexor
por división en el tiempo muestrea, o explora, cíclicamente las señales de entrada
(datos de entrada) de los diferentes usuarios, y transmite las tramas a través de
una única línea de comunicación de alta velocidad. Los MDT son dispositivos de
señal discreta y no pueden aceptar datos analógicos directamente, sino
demodulados mediante un módem.
Los MDT funcionan a nivel de bit o a nivel de carácter. En un MDT a nivel de bit,
cada trama contiene un bit de cada dispositivo explorado. El MDT de caracteres
manda un carácter en cada canal de la trama. El segundo es generalmente más
eficiente, dado que requiere menos bits de control que un MDT de bit. La
operación de muestreo debe ser lo suficientemente rápida, de forma que cada
buffer sea vaciado antes de que lleguen nuevos datos.
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Figura 15 Multiplexacion por división en tiempo
Los sistemas MIC, sistema de codificación digital, utilizan la técnica MDT para
cubrir la capacidad de los medios de transmisión. La ley de formación de los
sucesivos órdenes de multiplexación responde a normalizaciones de carácter
internacional, con vista a facilitar las conexiones entre diversos países y la
compatibilidad entre equipos procedentes de distintos fabricantes.
El UIT/UIT recomienda, como primer escalón de la jerarquía de multiplexación por
división en el tiempo, 24 ó 32 (30 + 2) canales telefónicos, sistemas utilizados en
Estados Unidos y Japón el primero y en Europa, el segundo. Según la
recomendación G-732 del UIT, el sistema MIC primario europeo multiplexa a nivel
de muestra 30 canales de voz, además de un canal de alineación y otro de
señalización, formando una trama de 256 bits (32 canales, una muestra por canal
y 8 bits por muestra) a una frecuencia de 8 KHz (doble ancho de banda que el
canal telefónico), de lo que resulta una velocidad de 2.048 kbps.
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En los equipos múltiplex MIC secundario, terciario, etc., se lleva a cabo una
multiplexación en el tiempo (MDT) por entrelazado de impulsos (bit a bit) a
diferencia de los equipos MIC primarios.
El UIT ha recomendado cuatro jerarquías de multiplexación para equipos MIC. El
equipo múltiplex digital que combina las señales de salida de cuatro equipos
múltiplex primarios MIC se denomina equipo múltiplex digital de segundo orden.
Los equipos múltiplex digitales de tercer orden combinarían las señales de salida
de cuatro equipos múltiplex de segundo orden, etc.
Así, el segundo nivel de multiplexación acepta cuatro señales digitales a 2.048
kbps para formar una señal a 8.448 kbps. El tercer nivel agrupa cuatro señales de
8.448 kbps en una de 34.368 kbps. El cuarto nivel agrupa cuatro señales de nivel
tres en una señal de 13.9264 kbps. Por último, en la misma proporción, el quinto
nivel produce una señal de 565 Mbps.
Multiplexación estadística
En situaciones reales, ningún canal de comunicaciones permanece continuamente
transmitiendo, de forma que, si se reserva automáticamente una porción del
tiempo de transmisión para cada canal, existirán momentos en los que, a falta de
datos del canal correspondiente, no se transmita nada y, en cambio, otros canales
esperen innecesariamente. La idea de esta multiplexación consiste en transmitir
los datos de aquellos canales que, en cada instante, tengan información para
transmitir.
Los multiplexores MDT estadísticos (MDTE) asignan dinámicamente los intervalos
de tiempo entre los terminales activos y, por tanto, no se desaprovecha la
capacidad de la línea durante los tiempos de inactividad de los terminales.
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Figura 16 Multiplexores MDT
El funcionamiento de estos multiplexores permite que la suma de las velocidades
de los canales de entrada supere la velocidad del canal de salida. Si en un
momento todos los canales de entrada tienen información, el tráfico global no
podrá ser transmitido y el multiplexor necesitará almacenar parte de esta
información.
Los multiplexores estadísticos han evolucionado en un corto período de tiempo
convirtiéndose en máquinas muy potentes y flexibles. Han acaparado
prácticamente el mercado de la MDT y constituyen actualmente una seria
competencia a los MDF. Estos proporcionan técnicas de control de errores y
control del flujo de datos. Algunos proporcionan la circuitería de modulación para
realizar la interfaz con redes analógicas.
De otra forma, sería necesario usar módem separados. El control de flujo se
emplea para prevenir el hecho de que los dispositivos puedan enviar datos a un
ritmo excesivo a las memorias tampón buffer de los multiplexores.
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5. COMUNICACIONES CELULARES
Es aquella telefonía en la cual el área de cobertura es dividida en celdas y
sectores. El medio de Tx/Rx entre el abonado y la central es inalámbrico, a través
de canales de radiofrecuencia.
El requerimiento principal de una red en el concepto celular es encontrar una
manera de que cada estación distribuida distinga la señal de su propio transmisor
de la señal de otros transmisores. Hay dos soluciones a esto, acceso múltiple por
división de frecuencias (FDMA del inglés Frequency Division Multiple Access) y
multiplexación por división de código (CDMA del inglés Code Division Multiple
Access).
Estas redes ofrecen varias ventajas comparadas con soluciones alternativas:
- Incrementan la capacidad
- Reducen el uso de energía
- Tienen mejor cobertura
- Tienen acceso a internet
Figura 17.Red Celular
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5.1 Concepto de Tráfico Telefónico
El tráfico telefónico se asocia al concepto de ocupación. Se dice que un circuito
telefónico está cursando trafico cuando esta ocupado, nunca si esta libre.
Cuando se produce una comunicación telefónica entre 2 abonados se ocupan los
aparatos de los dos abonados, y además una serie de órganos o circuitos
intermedios tanto en las centrales como en las uniones entre las mismas. Estos
órganos o circuitos también cursan tráfico cuando están ocupados.
El tráfico telefónico es medible en términos de tiempo (entendido como tiempo de
ocupación) y que depende del número de comunicaciones y de la duración de las
mismas.
5.2 ¿Por qué necesitamos comunicaciones celulares?
Los tiempos actuales han convertido a la comunicación en lugar estratégico. ¿Por
qué? Porque en esta época de la información, la comunicación ha devenido en el
"modelo" de organización de un nuevo tipo de sociedad.
En una cultura como la nuestra en la que la imagen es el elemento central, se
producen representaciones y nuevos discursos en los que la distinción social es
reinventada constantemente. Esta ―sociedad del espectáculo‖ es pues, un aparato
integrado y difuso de ideas e imágenes, que regulan los discursos y las opiniones
públicas, y en donde los medios de comunicación actuales juegan un papel
definitorio en los mecanismos de conformación de las opiniones y de las
identidades sociales. En esta sociedad, solamente existe lo que aparece, lo que se
hace visible. Nos encontramos en una sociedad de lo inmediato, donde las cosas
solo existen hasta que desaparecen, su presencia depende de su ausencia.
La cultura se politiza en la medida que la producción de sentido, las imágenes, los
símbolos, íconos, conocimientos, unidades informativas, modas y sensibilidades,
tienden a imponerse según cuáles sean los actores hegemónicos en los medios
que difunden todos estos elementos, estamos ante el paradigma de la
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comunicación en texto, imagen y sonido. ―Cada época tiene su lengua materna. El
ídolo se ha explicado en griego; el arte en italiano; lo visual en americano.
Por tales motivos, los mismos medios de comunicación deben abrirse a gustos de
distintos grupos para simpatizar con audiencias cada vez más segmentadas. La
cultura de la diferencia aparece entonces como la otra cara de la fragmentación
cultural que produce la globalización. Los medios de producción y de
comunicación se alzan como creadores del imaginario global y cultural, en el cual
la ciudad virtual toma espacios y se expande cada vez más. Hay una
personalización de los gustos.
Si nos ubicamos en el proceso de circulación del trabajo y el consumo, en la
actualidad, estamos en una transición del concepto de fábrica al de empresa,
prestadora de servicio, en donde el trabajo inmaterial, el conocimiento y la
comunicación, son elementos con los cuales se producen no solamente nuevas
mercancías, sino también nuevas subjetividades. Las economías de todo el
mundo se han hecho interdependientes a escala global y el sistema capitalista ha
sufrido un proceso de reestructuración, descentralizándose, flexibilizándose y
trabajando con la interconexión de empresas. (Castells).
5.3 Concepto celular
1. Dispositivo electrónico que permite realizar múltiples operaciones
de forma inalámbrica en cualquier lugar donde tenga señal. Entre las múltiples
operaciones se incluyen la realización de llamadas
telefónicas, navegación por internet, envío de mensajes
de texto (SMS), captura de fotos y sonidos, reloj, agenda, realización de pagos,
entre otros.
2. El nombre celular proviene de la red de antenas repetidoras organizadas en
red, donde cada antena es una célula interconectada en forma de malla, que
realizan el enlace entre los aparatos y las estaciones de base. Las estaciones
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receptan las frecuencias y las transmiten de unas células o estaciones a otras,
hasta llegar al destino requerido.
5.4 Características y planificación sistemas celulares
El requerimiento principal de una red en el concepto celular es encontrar una
manera de que cada estación distribuida distinga la señal de su propio transmisor
de la señal de otros transmisores. Hay dos soluciones a esto, acceso múltiple por
división de frecuencias (FDMA del inglés Frequency Division Multiple Access) y
multiplexación por división de código (CDMA del inglés Code Division Multiple
Access). FDMA funciona usando frecuencias diferentes entre celdas vecinas.
Encontrando la frecuencia de la celda elegida las estaciones distribuidas pueden
descartar las señales de las celdas vecinas. El principio de CDMA es más
complejo, pero consigue el mismo resultado; los transceptores distribuidos pueden
seleccionar una celda y escucharla. Otros métodos disponibles de multiplexación
como la de acceso múltiple por división de polarización (PDMA del
inglés Polarisation Division Multiple Access) y acceso múltiple por división de
tiempo (TDMA del inglés Time Division Multiple Access) no pueden ser usados
para separar las señales de una celda con la de su vecina ya que los efectos
varían con la posición y esto hace que la separación de la señal sea prácticamente
imposible. TDMA sin embargo es usado en combinación con FDMA o CDMA en
algunos sistemas para otorgar múltiples canales entre el área de cobertura de una
sola celda.
Prácticamente todos los sistemas celulares tienen algún mecanismo de mensajes
de difusión. Éste puede ser usado para distribuir información a muchos móviles,
por ejemplo, en los sistemas de telefonía, el uso más importante de los mensajes
de difusión es para configurar el canal para las comunicaciones uno a uno entre el
transceptor móvil y la estación base. Esto es llamado paginación.
Los detalles del proceso de paginación varían de red a red, pero normalmente se
conoce un número limitado de celdas donde el teléfono se encuentra (este grupo
de celdas es llamado área de localización en los sistemas GSM o área de ruteo en
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los UMTS). La paginación comienza enviando mensajes de difusión en estas
celdas. Los mensajes de paginación pueden ser usados para transferir
información. Esto se usa, por ejemplo, en los sistemas CDMA para él envió de
mensajes SMS.
Reutilización de frecuencias
El incremento en la capacidad de una red celular, comparando con una red con un
solo transmisor, viene con el hecho de que la misma radiofrecuencia puede ser
usada en un área diferente para una transmisión completamente diferente. Si
hubiera un solo transmisor, solo una transmisión puede ser realizada en cualquier
frecuencia dada. Desafortunadamente es inevitable cierto nivel de interferencia en
la señal producida por las otras celdas que usan la misma frecuencia. Esto
significa que en un sistema estándar FDMA habrá al menos un hueco entre celdas
que utilicen la misma frecuencia.
Figura 18 Reutilización de frecuencias en una red celular
El factor de reutilización de frecuencia es que tan seguido se puede utilizar la
misma frecuencia en una red. Esto es 1/n donde n es el número de celdas que no
pueden utilizar una frecuencia para transmisión.
Los sistemas CDMA usan una banda de frecuencia mayor para alcanzar la misma
tasa de transmisión que FDMA, pero compensan esto y que poseen un factor de
reutilización de 1. En otras palabras, cada celda usa la misma frecuencia y los
diferentes sistemas están separados por códigos en lugar de frecuencias.
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5.5. Geometría celular
El principal propósito de definir células es delinear zonas en las cuales cada canal
es usado. Es necesario un grado de confinación geográfica del canal para evitar la
interferencia co-canal.
Las zonas amorfas mostradas en la Figura 19 podrían ser aceptables para
sistemas que no se modifiquen. En la práctica, es necesaria una estructura
geométricamente que facilite la adaptación al crecimiento del tráfico.
Si una celda está cubierta por una antena isotrópica ubicada en el centro, se
puede pensar la célula como de forma circular. A este tipo de células se las
conoce como células omnidireccionales En este caso, existe solapamiento o bien
zonas sin cobertura, tal como se muestra en la Figura 1. 3.
Figura 19 Celdas formadas con antenas isotrópicas.
Un sistema podría estar diseñado con células en forma de cuadrados o triángulos
equiláteros pero, por razones de dibujo y relaciones geométricas los diseñadores
de sistemas de los Laboratorios Bell adoptaron la forma de hexágono. En este
caso, en una matriz de celdas no existe solapamiento ni espacios vacíos.
Al área formada por K celdas adyacentes que utilizan canales diferentes, se lo
llama cluster. Tal como se muestra en la siguiente Figura.
Figura 20 Ejemplo de cluster
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5.6. Arquitectura de redes celulares
Un sistema de telefonía celular consta de cuatro elementos:
TERMINAL CELULAR MÓVIL
Es el equipo electrónico que permite a un abonado hacer o recibir llamadas, está
compuesto por : unidad de control, fuente de alimentación, transmisor/receptor,
antena. Es portátil, transportable, movible de un lugar a otro. Realiza una
actualización periódica de la señal recibida de la estación base, envía información
para registrarse en la estación base.
ESTACIÓN BASE (BTS)
Es la estación central dentro de una celda, conocida como BTS (Base Tranceiver
Station), realiza el enlace de RF a los terminales celulares, transmite información
entre la celda y la estación de control y conmutación, monitorea la comunicación
de los abonados. Está conformado por : unidad de control, unidad de
energía, antenas sectoriales (que utilizan métodos de diversidad para captar la
mejor señal), TRAU (unidad encargada de adaptar y hacer la conversión
de código y velocidad de las señales), y terminal de datos.
ESTACIÓN DE CONTROL Y CONMUTACIÓN
Conocido comúnmente como MTSO (Mobile telephony switching office), cuando
aplica tecnología GMS se denomina MSC (Mobile switching center), y
para redes Wireless Local Loop se denomina XBS.
Es el elemento central del sistema, sus funciones principales son:
Coordina y administra todas las BTS
Coordina las llamadas entre la oficina de telefonía fija y los abonados, así
como las llamadas entre los terminales celulares y los abonados, a través de las
BTS
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Se encarga de la facturación (billing)
Dirige el Hand off entre cell site
Tiene un sotfware de gestión : network management system
Se interconecta a centrales TANDEM para comunicarse con otras redes
telefónicas.
Puede ser de 2 tipos (de acuerdo al área geográfica y cantidad de tráfico) :
Centralizado : una única central para toda el área de concesión del
operador, usa topología estrella,.
Descentralizado: más de una central, distribuido en el área de concesión.
Las BTS, Central y TANDEM se interconectan vía enlaces de fibra óptica, o vía
microondas (enlaces de datos de alta velocidad - SDH).
RADIO CANALES
Se entiende por Radio Canal al par de frecuencias portadoras más un time slot,
que van a servir como canales de tráfico en una comunicación. De estas 2
frecuencias una va a ser la frecuencia de Tx de la estación base y Rx del terminal,
la otra frecuencia va a ser la de Rx de la estación base y Tx del terminal.
Transportan datos y voz entre el abonado y las estaciones base, cada abonado
sólo puede usar un canal a la vez.
5.7. Transferencia de llamadas
Cuando se deteriora la calidad de transmisión durante una llamada en progreso,
se realiza un cambio automático de estación base. La conmutación de una
llamada en progreso de una estación base a otra se conoce como handoff . (Es de
destacar que una vez que una llamada es establecida el canal de set-up no es
usado nuevamente durante el período que dure la llamada, por lo tanto el handoff
es implementado siempre en el canal de voz).
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Básicamente el handoff es requerido en dos situaciones en las cuales la estación
base recibe señales débiles desde la unidad móvil:
- Cuando el móvil llega al límite de la celda, en donde el nivel de señal cae
por debajo de un límite aceptable, típicamente -100dBm en un ambiente
con ruido limitado.
- Cuando la unidad móvil entra dentro de alguno de los pozos de intensidad
de señal que se encuentran dentro de la celda, como se muestra en la
Figura.
Este procedimiento es esencial, ya que de no existir en cualquiera de las
situaciones mencionadas anteriormente la comunicación se perdería, por lo que el
usuario debería restablecerla manualmente re-discando.
Figura 21 Ocurrencia de handoff.
Para poder implementar este mecanismo, durante una llamada en progreso el
equipo del canal de voz (RX y CU) en la estación base está supervisando
continuamente la calidad de la radio transmisión. Se pueden efectuar los
siguientes chequeos:
- Intensidad de la señal de radio frecuencia
- Relación portadora / interferencia en la señal de supervisión de audio (SAT)
y su retardo.
En base a estas mediciones se pueden diferenciar dos tipos de handoff
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Tipos de handoff
El basado en la intensidad de la señal.
En este caso el nivel del umbral de la intensidad de señal para que ocurra un
handoff es de –100dBm en un sistema con ruido limitado y de –95dBm en un
sistema con interferencia limitada. Este tipo de handoff tipo es fácil de
implementar. El localizador del receptor mide todas las intensidades de señal de
todos los receptores en la estación base.
No obstante la intensidad de la señal recibida (Received Signal Strength RSS)
incluye interferencia.
RSS = C + I
donde C es la potencia de la señal portadora e I la interferencia.
Supongamos que se establece un nivel de umbral para RSS, entonces puede
suceder que RSS esté por encima del umbral debido a la componente I en la señal
recibida, la cual en ciertas ocasiones puede ser muy potente, en esta situación el
handoff teóricamente debería ocurrir pero no es así.
Ahora bien, supongamos otra situación donde I es de poca intensidad pero
también lo es RSS, en esta situación la calidad de voz es usualmente buena aun
cuando el nivel de RSS sea bajo, pero debido a la baja intensidad de RSS ocurre
un handoff innecesario.
Por lo tanto se puede deducir que es una cota fácil de manejar pero no da un
método muy certero para determinar cuándo deben ocurrir los handoffs.
El basado en la relación portadora interferencia (C/I).
En este caso el valor de C/I para que ocurra un handoff debe ser de 18dB
(usualmente en el límite de la celda) de modo tal de tener una buena calidad de
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voz. Algunas veces un valor menor de C/I puede ser usado por razones de
capacidad La unidad de canal de voz genera un tono continuo, SAT, el cual es
adicionado a la voz transmitida (El SAT no interferirá con la voz transmitida porque
su frecuencia está por encima de las frecuencias de voz). En algunos sistemas se
usa la información de SAT (Supervisori Audio Tone) junto con el nivel de la señal
recibida para determinar cuándo debe ocurrir el handoff. El handoff puede ser
controlado mediante el uso de la relación C/I, que se obtiene de:
Se puede establecer un nivel basado en C/I, dado que C decae en función de la
distancia pero I es independiente de la ubicación. Si el handoff depende de C/I, y
C/I disminuye, esto puede ser en respuesta al incremento en la distancia de
propagación o en la interferencia. En ambos casos el handoff debe ocurrir.
5.8. Técnicas de mejora de la capacidad de sistemas celulares
Existen tres técnicas ampliamente usadas para ello, denominadas cell splitting,
sectoring y coverage zone approaches.
Cell splitting es el proceso de subdividir una celda congestionada en pequeñas
celdas.
• Cada nueva celda tendrá su estación base y una correspondiente disminución de
altura y potencia.
• Aumenta la capacidad pues aumenta las veces que se reusan las frecuencias.
• Se mantiene constante la razón D/R.
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Figura 22 Cell splitting
Sectoring Se pretende mantener el radio de las celdas y decrementar la razón
D/R. Con
esto, aumentaríamos la capacidad pues:
– Reducimos el número de celdas en un cluster.
– Así, Incrementamos la reutilización de frecuencias.
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Figura 23. Sectoring
Para conseguir ello debemos reducir la interferencia relativa sin disminuir la
potencia. La interferencia entre co-canales se decrementa si cambiamos las
antenas omni-direccionales de las bases por varias direccionales.
Este sistema para aumentar la capacidad se denomina ―Sectoring‖. Normalmente
se crean tres sectores (120°) o seis sectores (60°). En este sistema los canales
originales de las celdas se dividen en grupos que serán usados en cada sector.
Así se disminuye el número de antenas que interfieren, como se verá en el
siguiente ejemplo con una división de 120°, se disminuyen las interferencias de 6 a
2. Además se reduce el área cubierta por un grupo de canales, disminuyendo la
eficiencia del entroncado. Aumenta también el número de handoffs. Actualmente
existen estaciones bases que permiten que los móviles pasen de sector en sector
dentro de la misma celda sin necesidad de intervenir la MSC.
Coverage zone approaches El problema de aplicar sectoring es el aumento de
handoffs entre otros. Para solucionar ello, se creó esta propuesta.
• Está basada en el concepto de microceldas con un f.r.f. de 7
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Figura 24 Coverage zone approaches
Como se ilustra en la figura anterior, cada una de las tres zonas ( pueden ser más
), son conectadas a una única estación base y comparten el mismo equipo de
radio.
• Las zonas son conectadas por fibra óptica, coaxial o enlace microondas a la
estación base múltiple
• Mientras un móvil se mueva entre las zonas de una misma celda mantiene el
mismo canal.
Los canales son distribuidos en tiempo y espacio por las tres zonas y también son
re-usados en co-canales, de la forma normal. Se cambia una gran antena central
por varios transmisores zonales, que solo estarán activos cuando corresponda,
disminuyendo la interferencia intercanal, aumentando la calidad de la señal, por lo
que aumenta la capacidad sin degradarla.
Información que mejoraría el handoff
• posición relativa del móvil respecto de estación base
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• Velocidad del móvil (handoff más rápido para vehículos más veloces)
• En un sistema celular análogo cada estación base dedica un receptor de
ubicación para monitorear canales de voz en sentido opuesto de todos los móviles
dentro y cerca de la celda informando de la potencia de la señal recibida al MTSO
cuando se alcanza el umbral Pho, el MTSO supervisa un handoff
• La generación actual de sistemas celulares incorpora al móvil en el
procedimiento de handoff asistido por el móvil (MAHO) el móvil monitorea la
potencia de señal de la estación base cercana.
5.9. Cálculos de interferencias
Interferencia co-canal
La interferencia es el factor que en mayor medida limita el rendimiento de los
sistemas celulares. Hay varias fuentes de interferencia, pero la más relevante es la
denominada co- canal, Es consecuencia del reuso de frecuencias: hay células que
trabajan en el mismo conjunto de canales.
Figura 25. Distancia de Reuso
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No se puede reducir incrementando la potencia de transmisión. También se
incrementaría la de las BS interferentes. Depende de la distancia de reuso (D), a
la que se encuentran las células interferentes (entre las localizaciones de las
estaciones base)
Figura 26. Ejemplo Distancia Reuso
En un hexágono
Figura 27 Hexágono (Célula)
Por el teorema del coseno (triángulo O1AO2)
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Luego (α = 120º):
Alternativamente:
Teniendo en cuenta que β = 60º
Al cociente D/R (Q) a veces se le denomina como cociente de reuso co-canal.
Se supone que se trabaja con antenas omnidireccionales, la potencia de la señal
de interés (portadora) será
La interferencia de una de las células co-canal será
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La interferencia total vendrá dada por
Figura 27. Solo se considera la Primera Corona
Teselación hexagonal. Sólo se considerará la primera corona interferente, hay 6
células interferentes.
Se asume que Dn es la misma para todas las células interferentes, igual a la
distancia de reuso
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En el peor caso, la distancia interferente es, aproximadamente, D-R
Figura 28 Distancia D-R
Asumiendo que todos las BS están a la misma distancia, se tendría…
Se trata de una aproximación pesimista, ya que asume la peor de las condiciones
para todas las células interferentes: Diseño conservador. Hay otras
aproximaciones menos pesimistas: Se calcula la interferencia de las diferentes
estaciones base (1ª corona) cuando el móvil se sitúa en el vértice de la célula bajo
análisis; Las distancias con las BS interferentes se aproximan tal y como se
muestra en la figura
Figura 29. Interferencias de las diferentes estaciones base (Primera Corona)
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Utilizando geometría hexagonal es posible encontrar una solución exacta para la
C/I cuando el móvil está en un vértice de la célula. También es posible realizar
análisis estadísticos de la C/I (C e I se tratan como variables aleatorias).
Valores de C/I para γ = 3.7
La aproximación optimista se comportante razonablemente bien. La opción
pesimista (diseño conservador) se puede emplear para tener en cuenta un margen
de seguridad.
Figura 29. Factor de Reuso
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5.10 Dimensionamiento del interfaz radio
Parámetros del sistema:
• Pérdidas entre móviles y bases.
• Probabilidad de cobertura requerida (con márgenes que garanticen
el servicio en zonas de sombra e interiores)
• Tipo de área. Aplicación de distintos modelos.
Factores de carga:
• Básicamente limitados por interferencia.
• Factor = Factor (Eb/No, W, Rb, factor actividad )
Capacidad:
• Aumento de capacidad:
• Más potencia en los amplificadores.
• Más portadoras.
• Diversidad de transmisión (segundo amplificador por sector).
• Paramétricas: Capacidad vs. PathLoss@Pot.
• SoftCapacity Se deduce la densidad de tráfico por Erlang modificado
6. SISTEMA GSM
6.1 Comunicaciones móviles digitales frente a las analógicas
El principal problema de los sistemas analógicos es que presentan un límite para
el número de usuarios que pueden contener. Esto significa que por cada usuario
se asigna una frecuencia y debido al ancho de banda limitado para la transmisión,
se tiene un límite de frecuencias por área que pueden existir al mismo tiempo, lo
cual por efecto, limita el número de usuarios que se puede soportar en simultáneo.
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Esta viene a ser una de las razones principales por las que el sistema analógico
viene siendo reemplazado por los sistemas digitales.
Actualmente, los proveedores de redes celulares se encuentran investigando dos
tecnologías que permitan el ingreso a la era digital. Estas tecnologías son el
TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo) y el CDMA (Acceso Múltiple por
División 1de Código). De estas dos, la técnica más popular es la del CDMA debido
a que es capaz de manejar mayores transmisiones por frecuencia, puede generar
velocidades de transmisión de datos más altas y transmisiones más seguras que
el TDMA. Además, el sistema CDMA proporciona un control adicional de los
niveles de potencia de transmisión, lo cual permite que una mayor vida a las
baterías de los terminales celulares y menos interferencia entre cada celda.
Sin embargo, algunos sistemas analógicos todavía son utilizados
internacionalmente debido a que muchas redes no han sido convertidas al formato
digital. En muchos países es mucho menos costoso proporcionar servicios
celulares que servicios alámbricos. Los sistemas analógicos internacionales son el
NMT (Telefonía Móvil Nórdica) y el TACS (Sistemas de Comunicación de Acceso
Total), los cuales se emplean en su mayoría fuera de Europa.
Ahora, en cuanto al estándar digital más usado internacionalmente, se tiene el
GSM. Este estándar europeo ha sido adoptado por muchas regiones del mundo
incluidas algunas zonas de los Estados Unidos. El GSM proporciona una solución
celular netamente digital a través de su interfas de aérea TDMA. Existen
diferencias entre el GSM Norteamericano y el global. Estas diferencias son
básicamente el número de transmisiones por canal (8 para el GSM global y 2 para
el de Estados Unidos) y el espaciamiento en frecuencia entre canales.
6.2 Desarrollo y especificaciones del sistema GSM
La red GSM (Sistema global de comunicaciones móviles) es, a comienzos del
siglo XXI, el estándar más usado de Europa. Se denomina estándar "de segunda
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generación" (2G) porque, a diferencia de la primera generación de teléfonos
portátiles, las comunicaciones se producen de un modo completamente digital.
En 1982, cuando fue estandarizado por primera vez, fue denominado "Groupe
Spécial Mobile" y en 1991 se convirtió en un estándar internacional llamado
"Sistema Global de Comunicaciones Móviles".
En Europa, el estándar GSM usa las bandas de frecuencia de 900MHz y 1800
MHz. Sin embargo, en los Estados Unidos se usa la banda de frecuencia de 1900
MHz. Por esa razón, los teléfonos portátiles que funcionan tanto en Europa como
en los Estados Unidos se llaman tribanda y aquellos que funcionan sólo en Europa
se denominan bibanda.
El estándar GSM permite un rendimiento máximo de 9,6 kbps, que permite
transmisiones de voz y de datos digitales de volumen bajo, por ejemplo, mensajes
de texto (SMS, Servicio de mensajes cortos) o mensajes multimedia
(MMS, Servicio de mensajes multimedia).
6.3 Arquitectura del sistema GSM
En una red GSM, la terminal del usuario se llama estación móvil. Una estación
móvil está constituida por una tarjeta SIM (Módulo de identificación de abonado),
que permite identificar de manera única al usuario y a la terminal móvil, o sea, al
dispositivo del usuario (normalmente un teléfono portátil).
Las terminales (dispositivos) se identifican por medio de un número único de
identificación de 15 dígitos denominado IMEI (Identificador internacional de
equipos móviles). Cada tarjeta SIM posee un número de identificación único (y
secreto) denominado IMSI (Identificador internacional de abonados móviles). Este
código se puede proteger con una clave de 4 dígitos llamada código PIN.
Por lo tanto, la tarjeta SIM permite identificar a cada usuario independientemente
de la terminal utilizada durante la comunicación con la estación base. Las
comunicaciones entre una estación móvil y una estación base se producen a
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través de un vínculo de radio, por lo general denominado interfaz de aire (o en
raras ocasiones, interfaz Um).
Figura 30 Sistema GSM
Todas las estaciones base de una red celular están conectadas a un controlador
de estaciones base(o BSC), que administra la distribución de los recursos. El
sistema compuesto del controlador de estaciones base y sus estaciones base
conectadas es el Subsistema de estaciones base (o BSS).
Por último, los controladores de estaciones base están físicamente conectados
al Centro de conmutación móvil (MSC) que los conecta con la red de telefonía
pública y con Internet; lo administra el operador de la red telefónica. El MSC
pertenece a un Subsistema de conmutación de red (NSS) que gestiona las
identidades de los usuarios, su ubicación y el establecimiento de comunicaciones
con otros usuarios.
Generalmente, el MSC se conecta a bases de datos que proporcionan funciones
adicionales:
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El Registro de ubicación de origen (HLR): es una base de datos que
contiene información (posición geográfica, información administrativa, etc.) de
los abonados registrados dentro de la zona del conmutador (MSC).
El Registro de ubicación de visitante (VLR): es una base de datos que
contiene información de usuarios que no son abonados locales. El VLR
recupera los datos de un usuario nuevo del HLR de la zona de abonado del
usuario. Los datos se conservan mientras el usuario está dentro de la zona y se
eliminan en cuanto abandona la zona o después de un período de inactividad
prolongado (terminal apagada).
El Registro de identificación del equipo (EIR): es una base de datos que
contiene la lista de terminales móviles.
El Centro de autenticación (AUC): verifica las identidades de los usuarios.
La red celular compuesta de esta manera está diseñada para admitir movilidad a
través de la gestión detrás pasos (movimientos que se realizan de una celda a
otra).
Finalmente, las redes GSM admiten el concepto de roaming: el movimiento desde
la red de un operador a otra.
6.3.1 Subsistema radio o Bases BSS
Esta capa de red se ocupa de proporcionar y controlar el acceso de los terminales
al espectro disponible, así como del envío y recepción de los datos.
El sistema debe ser capaz de soportar una gran carga de usuarios, con muchos
de ellos utilizando la red al mismo tiempo. Si sólo hubiera una antena para todos
los usuarios, el espacio radioeléctrico disponible se saturaría rápidamente por falta
de ancho de banda. Una solución es reutilizar las frecuencias disponibles. En lugar
de poner una sola antena para toda una ciudad, se colocan varias, y se programa
el sistema de manera que cada antena emplee frecuencias distintas a las de sus
vecinas, pero las mismas que otras antenas fuera de su rango. A cada antena se
le reserva cierto rango de frecuencias, que se corresponde con un cierto número
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de canales radioeléctricos (cada uno de los rangos de frecuencia en que envía
datos una antena). Así, los canales asignados a cada antena de la red del
operador son diferentes a los de las antenas contiguas, pero pueden repetirse
entre antenas no contiguas.
Además, se dota a las antenas de la electrónica de red necesaria para
comunicarse con un sistema central de control (y la siguiente capa lógica de la
red) y para que puedan encargarse de la gestión del interfaz radio: el conjunto de
la antena con su electrónica y su enlace con el resto de la red se llama estación
base (BS, Base Station). El área geográfica a la que proporciona cobertura una
estación base se llama celda o célula (del inglés cell, motivo por el cual a estos
sistemas se les llama a veces celulares). A este modelo de reparto del ancho de
banda se le denomina a veces SDMA o división espacial.
Figura 31. Estructura del BSS
El empleo de celdas requiere de una capa adicional de red que es novedosa en el
estándar GSM respecto a los sistemas anteriores: es el controlador de estaciones
base, o BSC, (Base Station Controller) que actúa de intermediario entre el
―corazón‖ de la red y las antenas, y se encarga del reparto de frecuencias y el
control de potencia de terminales y estaciones base. El conjunto de estaciones
base coordinadas por un BSC proporcionan el enlace entre el terminal del usuario
y la siguiente capa de red, ya la principal, que veremos más adelante. Como capa
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de red, el conjunto de BSs + BSC se denomina subsistema de estaciones base, o
BSS (Base Station subsystem).
6.3.2 Subsistema NSS
El NSS es el centro de procesamiento de la red GSM y es el responsable de
gestionar una comunicación confiable entre la red GSM y la las otras redes. Lo
más importante es la conexión con la Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN).
Todas las llamadas entre subscriptores, sean estas llamadas originadas hacia el
PSTN, originadas en el PSTN y terminadas en un subscriptor móvil, o llamadas
entre subscriptores móviles, todas son gestionadas y enrutadas por medio del
NSS.
Los elementos fundamentales del NSS son: el Centro de Conmutación Móvil que
contiene integrados el Registro de Ubicación de Visitantes (MSC/VLR) y el
Registro de Ubicación Local con el Centro de Autenticación (HLR/AuC) integrado.
El MSC/VLR controla todas las llamadas hacia y desde el PSTN, así como dentro
de la red móvil. El HLR almacena y provee la identidad y derechos de acceso de
servicio de los usuarios. Este almacena la ubicación de los subscriptores, para
permitir el roaming. El AuC se encarga de la integridad de los subscriptores, así
como de la seguridad de los datos en la red.
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Figura 32 Estructura NSS
6.3.3 Subsistema OSS
Los OSS se conectan a diferentes NSS y MSC para controlar y monitorizar toda la
red GSM. La tendencia actual en estos sistemas es que dado que el número de
BSS se está incrementando se pretender delegar funciones que actualmente se
encarga de hacerlas el subsistema OSS en las BTS de manera que se reduzcan
los costes de mantenimiento del sistema.
Las acciones de operación y mantenimiento se llevan a cabo con el fin de
conseguir el buen funcionamiento del sistema GSM en su conjunto, ya sea
solucionando los problemas y fallos que aparezcan o monitorizando y mejorando
la configuración de los equipos para un mayor rendimiento.
6.4 Servicios ofrecidos en red GSM
Las necesidades que cubre GSM son las limitaciones de la primera generación de
telefonía móvil como se describen a continuación:
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Uso más eficiente de la banda de frecuencias: uso radio frecuencia digital
en vez de analógica.
Mayor calidad de voz usando en este caso digitalización de 13 bits
muestreada a 8KHz y empleando complejos codificadores de voz.
Más confiabilidad: eficiente control de errores durante la transmisión por
aire, usando codificación por bloque para el 20% más importante de bits,
seguida de codificación convencional al 70% dejando el 30% restante sin
codificar.
Seguridad: necesidad de tener una comunicación libre de interferencias sin
pérdidas en la cobertura minimizando posibles inconvenientes propios de
un enlace en movimiento.
Mejorar el proceso de traspaso de la transmisión de una celda a otra
(Handoff): el teléfono envía constantemente datos acerca de la recepción
de su celda y de las celdas vecinas proporcionando información para
evaluar mejor el traspaso y hacerlo más confiable, independiente de la
velocidad del móvil.
Los servicios básicos de telecomunicación que GSM ofrece a los usuarios se
dividen en dos categorías principales:
Teleservicios: aquellos que permiten al abonado comunicarse con otro
abonado.
Servicios portadores: permite al abonado móvil el envío de datos.
1. Servicios básicos
Algunos de los Teleservicios básicos que la red GSM pueden ser:
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Voz: capacidad de recibir y de enviar llamadas hacia o desde todo el mundo
tanto con abonados fijos como con abonados móviles.
Llamadas de emergencia: posibilita al abonado hacer llamadas de
emergencia pulsando un botón aún sin contar con la tarjeta SIM.
Fax
Servicios de mensajes cortos: es posible enviar un mensaje de hasta 160
caracteres desde y hacia un terminal móvil. Si el móvil no está conectado o
fuera de cobertura, el mensaje se almacena en la central de mensajes
hasta que el abonado se conecte, avisándoles de la existencia de dicho
mensaje.
Buzón de voz: consiste en un contestador incorporado en la red y
controlado por el abonado. Las llamadas pueden ser desviadas al buzón del
abonado accediendo posteriormente a él con un código personal.
Buzón de fax: permite al usuario recibir mensajes de fax en cualquier
máquina a través de su móvil.
Voz y fax alternados: permite que durante una llamada el abonado
intercambie entre voz y fax. Se pueden conmutar varias veces.
Entre los servicios portadores básicos; que soportan la transmisión de datos
síncronos y asíncronos a velocidades de hasta 9.6Kbit/seg, se pueden distinguir
los siguientes:
Tráfico hacia la red telefónica (PSTN): para enviar el tráfico de datos hacia
la red pública es necesario seleccionar un módem.
Tráfico hacia la Red Digital de Servicios Integrados (ISDN)
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Acceso a otras redes de datos asíncronos: soporta tráfico hacia las redes
públicas de conmutación de paquetes y conmutación de circuitos ,
necesitando un interfaz en función de cada propósito.
2. Servicios suplementarios
Los servicios elaborados ya sean completando o modificando los teleservicios y
los servicios portadores se denominan servicios suplementarios, de los que se
pueden destacar:
Desvío de llamada: facilidad para desviar llamadas entrantes a otro número
según sea la situación (móvil apagado, ocupado, no contesta…) todo sin
necesidad de apagar el móvil.
Restricción de llamadas salientes: se puede activar o desactivar desde el
terminal, pudiendo restringir todas las llamadas salientes, las llamadas
salientes internacionales o bien las llamadas salientes internacionales de la
propia red PLMN (Res Pública Móvil).
Restricción de llamadas entrantes: se pueden restringir todas las llamadas
o solo aquellas que procedan de la red PLMN propia. Esto permite al
usuario no pagar por las llamadas entrantes sin apagar el equipo.
Aviso de tarifa: proporciona información de la tarifa de llamada en progreso
ya que hay algunos tramos que paga el abonado que recibe la llamada.
Llamada en espera: notificar al usuario a través del móvil que tiene una
llamada que puede rechazar, contestar o ignorar.
Multiconferencia: permite al abonado establecer una conversación desde
tres a seis abonados al sistema.
3. Módulo de Identificación de Abonado (SIM)
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Excepto por las llamadas de emergencia, las estaciones móviles sólo se pueden
utilizar si contienen la tarjeta SIM válida. La estación móvil debe contener una
función de seguridad para la autentificación de la identidad del usuario. La tarjeta
almacena tres tipos de información relacionada con el abonado:
Datos fijos que se almacenan antes que se venda la suscripción; por
ejemplo la clave de autentificación y algoritmo de seguridad.
Datos de red temporales
Datos relativos al servicio. Por ejemplo preferencia de idioma y aviso de
tarifa.
La tarjeta SIM (Subscriber Identity Module) contiene información para los
operadores dentro de la red GSM. Esta información puede estar relacionada con
el abonado, con los servicios contratados a él, e información relativa a la red móvil,
como la localización. Existen almacenamientos de tipo obligatorio y opcional.
En el almacenamiento obligatorio la tarjeta SIM contiene información
administrativa para el funcionamiento del equipo. Como el modo de operación,
identidad internacional del abonado, información sobre localización, medidor de
tiempo, preferencias de idioma y por supuesto, el número de identificación del
equipo en la red.
La tarjeta SIM permite bloquear y prohibir las operaciones en la red GSM. Para
desbloquearla, el usuario debe introducir la clave de desbloqueo.
6.5 Interfaz radio del sistema GSM
El interfaz Um es el interfaz de interconexión entre los terminales móviles y la red
GSM. Se trata del interfaz radio que define la disposición de los canales lógicos de
funcionamiento del sistema GSM sobre los canales físicos o radiofrecuencias
utilizadas.
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6.5.1 Multiacceso
El acceso múltiple usado es TDMA con 8 intervalos de tiempo por trama. La
duración de cada intervalo es de 0,577ms. La trama comprende 8 canales físicos
que transportan lo canales lógicos de tráfico y señalización (control). Se dispone
también de un sistema de multiramas: uno que consta de 26 tramas con intervalos
de 120ms, y otra que consta de 51 tramas con intervalos de 236ms.
Tiene dos canales de tráfico para voz y datos respectivamente. El primero de ellos
se definió el denominado canal de velocidad completa que hace uso de un
codificador vocal que proporciona una señal digital de13Kb/s. Tras la codificación
de canal, la velocidad binaria bruta es de 22,8Kb/s. El segundo de los canales se
sustenta sobre el canal de tráfico a velocidades de 2,4 4,8 y 9,6 Kb/s con
diferentes procedimientos de adaptación de la velocidad, codificación de canal y
entrelazado. También se admiten servicios de datos naturaleza no transparente
con una velocidad binaria de 12Kb/s.
6.5.2 Canales lógicos
GSM distingue entre canales físicos y canales lógicos. Vamos a describir la
estructura de los canales físicos en la banda GSM-900, siendo esta similar a la de
las otras dos bandas.
Canal Físico
Cada canal radio está dividido en 8 ranuras en el tiempo (slots), denominadas time
slots (TS) y con una duración de 0.577 ms. En la Figura podemos ver un
esquema.
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Figura 32 Canal Físico
Los datos transmitidos en un TS se denominan ráfaga. Existen cinco tipos distintos
de ráfagas:
•Normal
•Ráfaga de acceso
•Ráfaga de corrección de frecuencia
•Ráfaga de sincronización
•Ráfaga dummy
El formato y la información de cada una, depende del tipo de canal al que
pertenezca.
En cada ráfaga se transmiten 156.25 bits. Sabiendo que esto ocurre en 0.577
milisegundos, las tasas que se alcanzan en esta interfaz son:
•33.9 kbps por time-slot
•270.8 kbps por portadora
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La modulación usada en GSM es GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)
Canales Lógicos
Si el canal físico se refería a un time-slot perteneciente a una portadora, el canal
lógico no es más que la información portada por dicho time-slot. No existe una
correspondencia exacta entre canales físicos y canales lógicos, muchos de éstos
últimos son mapeados o multiplexados en uno o diferentes time-slots para
transmitir información tanto de señalización como de usuario.
Existen dos tipos de canales lógicos en GSM: los canales de tráfico (TCH – Traffic
Channels), que transportan información (voz o datos) del usuario y los canales de
control (CCH – Control Channels), que transportan señalización y sincronización
entre la estación base y la estación móvil.
Los canales de tráfico que transportan paquetes de datos se denominan PDTCH
(Packet Data Traffic Channel).
6.5.3 Medicion de señal en la MS
TA (Timing Advance): Procedimiento por el cual una estación base es capaz de
calcular la distancia a la que se encuentra una MS del propio nodo (o viceversa).
Para ello se miden los retardos de propagación de las señales radioeléctricas que
intervienen en la comunicación entre BS-MS. Sabiendo que dichas señales viajan
a una velocidad cercana a la de la luz podemos estimar (con mala precisión) dicha
distancia, para trazar una circunferencia sobre la cual se ubicaría el MS.
DOA (Time Difference Of Arrival): Método para estimar la diferencia entre los
tiempos de llegada de una misma señal radioeléctrica a un conjunto de antenas
receptoras. No es necesario en este caso conocer los tiempos de llegada; tan sólo
basta con conocer la diferencia de dichos tiempos. Para ello partimos del principio
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que defiende que debido a la diferencia de distancias que existe entre las antenas
respecto al punto de medición, los tiempos de retardo de las señales captadas por
el terminal emisor son diversos.
Para calcular dichas diferencias de tiempo, una de las técnicas aplicables consiste
en medir las diferencias de fase de la señal en cada una de las antenas
receptoras.
TOA (Time Of Arrival): Magnitud que representa el tiempo absoluto que tarda en
llegar una señal de radio de un origen a su destino.
AoA (Angle of Arrival): Método para determinar el ángulo de llegada de una
señal a una antena receptora. Se basa en mediciones TDOA capturadas en
diversas antenas.
6.5.4 Salto en frecuencia
El principio de salto de frecuencia en GSM es que ráfagas sucesivas TDMA de
una conexión son transmitidas vía diferentes frecuencias que pertenecen a las
respectivas celdas de acuerdo al planeamiento de la red. Este método es llamado
Salto de Frecuencia Lento (SFH) puesto que la frecuencia de transmisión
permanece constante durante una ráfaga. (En contraste al salto de frecuencia
rápido donde la frecuencia de transmisión cambia en una ráfaga).
La calidad de enlace puede cambiar de ráfaga a ráfaga por el desvanecimiento en
plazo corto y el nivel de interferencia son diferentes en frecuencias diferentes.
Puesto que la información para una trama de voz es intercalada sobre 8 ráfagas
sucesivas y la decodificación exitosa de la trama de voz depende del promedio de
la tasa de bit error de estas 8 ráfagas, una trama de voz puede ser decodificada
aún si hubieran algunas ráfagas con mala calidad. Sin salto en general las 8
ráfagas serán buenas o malas. De aquí el beneficio del salto de frecuencia, que es
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una clase de ecualización de la calidad del enlace de todas las conexiones por
diversidad de frecuencia (promediando los desvanecimientos en plazo corto) y por
diversidad de interferencia (promediando la interferencia).
6.5.5 Transmisión discontinua (DTX)
La meta es reducir el consumo de potencia de la MS y reducir la interferencia en la
celda. En una conversación normal los participantes hablan sólo alrededor del
50% del tiempo4 , usando cada dirección de transmisión sólo el 50%. La
transmisión discontinua (DTX) es un modo de operación donde las transmisiones
son conmutadas sólo para aquellas tramas que contienen información útil. La
dificultad es encontrar una técnica que distinga la voz del ruido real aún en un
ambiente ruidoso. Estos algoritmos son implementados en la función VAD (Voice
Activity Detection).
6.5.6 Control de potencia
Es el mecanismo que permite adaptar la potencia de transmisión de la MS de
acuerdo a las condiciones de recepción de la BTS. Existen dos ventajas con este
procedimiento: la reducción del consumo de potencia promedio (especialmente en
la MS) y la reducción de la interferencia experimentada por usuarios cocanal.
Existen dos tipos de control de potencia disponibles:
Clásico.- El tamaño de los pasos son fijados (2, 4, 6 dB) independiente de los
valores actuales de RXLEV y RXQUAL 3 . Después un comando suspende el
proceso por cierto tiempo.
Adaptivo.- El tamaño de los pasos depende de los valores actuales de RXLEV y
RXQUAL. El tiempo entre dos decisiones de CP es minimizado.
6.5.7 Alineación temporal
Alineación temporal adaptativa.
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– El acceso TDMA requiere una excelente sincronización.
– Las MS obtienen la sincronización de las señales recibidas de las BTS
que transmiten en intervalos sucesivos TDM.
– Las MS envían sus ráfagas aisladas, una por trama.
– El tiempo de propagación depende de la separación MS-BTS.
– Puede suceder que ráfagas adyacentes emitidas por dos MS distantes
entre sí, se superpongan parcialmente en la BTS.
GSM. TA (time Alignment). La BTS ordena a las MS distantes que inicien el envió
de sus ráfagas con cierto adelanto respecto al instante teórico. 6 bits. (0-63
periodos de bit). (0-233 μs). 35Km. Máximo radio celular (Señalización ida y
vuelta).
– Adelanto lo evalúa la BTS cuando el móvil accesa al RACH.
– El espacio de guarda de la ráfaga de acceso (68,25 bits o 252 μs) permite
una distancia MS-BTS de hasta 37 Km sin traslape.
– Datos de corrección del TA (1 bit up/down) lo envía la BTS a través del
SACCH.
6.5.8 Codificación de voz en GSM
La voz requiere de más bits por segundo si se desea aumentar su calidad, la
codificación de voz permite reducir la cantidad de bits usando algoritmos
matemáticos, en GSM los codificadores híbridos reducen en 8 veces la cantidad
de bits por segundo y sin perder información al eliminar redundancias.
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6.5.9 Codificación de canal en GSM
Para evitar que la pérdida de algunos bits durante la transmisión introduzca
errores en la información, se efectúan procesos de codificación agregando
bloques de bits de redundancia y también codificación de convolución. En la
recepción a través de decodificadores y verificadores de paridad se pueden
reconstruir mensajes, evitando así la repetición del mensaje incompleto y erróneo.
6.5.10 Modulación
La modulación presenta las siguientes características
GMSK. BbT=0,3. Velocidad de modulación=270,83 Kbps. η=1,35 bps/Hz.
Modulación GMSK.
– Una vez conformada la ráfaga a 270,833 Kbps.
– Modulación digital de frecuencia con fase continua y
prefiltrado gaussiano.
– Envolvente de la onda modulada constante.
– Puede utilizarse amplificadores de potencia no lineales
(alto desempeño)
– Generación mediante modulación directa de frecuencia
o en cuadratura.
– Posibilidad de diferentes métodos de detección:
coherente, no coherente, diferencial.
6.6 Movilidad y gestión de llamadas
El nivel de movilidad de los usuarios condiciona las posibles estrategias de
handover entre sistemas. De forma simplificada se podría clasificar en los
siguientes grupos:
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Usuarios estáticos. Aquellos que no van cambiar de celda a lo largo de los
periodos de actividad.
Usuarios con bajo nivel de movilidad. Aquellos que únicamente pueden hacer
handover a una nueva celda durante el periodo de actividad, no debido a su
movilidad, sino por razones de cobertura (por ejemplo, al encontrarse en el borde
de una celda).
Usuarios con alto nivel de movilidad. Los que presentan alta probabilidad de
realizar handover o reselección en el curso de una llamada.
El inconveniente es que la red no proporciona información para deducir el grado
de movilidad de los usuarios. Ocasionalmente, se tienen mecanismos que
permiten estimar el nivel de movilidad en algunos casos. El principal es la
definición de las áreas de registro de usuario UMTS y GPRS en zonas de frontera.
6.7 Algoritmo de traspaso de llamada
La red GSM autentifica la identidad del abonado utilizando un mecanismo de
"desafio-respuesta"(La misma palabra lo dice. Se envía a la estación móvil un
número aleatorio de 128 bits (RAND). La estación móvil (MS) calcula la respuesta
firmada de 32 bits (SRES) basándose en el cifrado del numero aleatorio (RAND)
con el algoritmo de autenticación (A3) utilizando la clave individual de
autenticación de abonado (Ki). Al recibir del abonado la respuesta firmada
(RAND), la red GSM repite el cálculo para verificar la identidad del abonado.
Fíjese que la clave individual de autenticación de abonado (Ki) nunca se transmite
sobre el canal de radio. Está presente en el SIM del abonado, así como en las
Bases de Datos del AUC, HLR y VLR. Si el RAND recibido coincide con el valor
calculado, la estación móvil ha sido autentificada con éxito y puede continuar. Si
los valores no coinciden la conexión se termina y se indica un fallo de
autenticación a la estación móvil. El cálculo de la respuesta firmada (RAND) se
realiza dentro del SIM :). Esto proporciona mayor seguridad, debido a que la
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información del abonado confidencial como la IMSI o la clave individual de
autenticación del abonado (Ki) nunca salen del SIM durante el proceso de
autenticación.
6.8 Señalización en la red GSM
La interfaz radio, um, es una de las componentes específicas y de mayor relieve
en GSM, sus objetivos básicos son:
Proporcionar un acceso estándar para los diferentes tipos de estaciones
móviles.
Permitir una evolución ¨libre¨ de los equipos móviles y de la red en
tecnologías y configuraciones sin ataduras mutuas.
Posibilitar que las llamadas se realicen a un número único, con
independencia de la ubicación del terminal.
Asegurar una elevada calidad de fidelidad de la señales de voz y datos.
Flexibilidad de operaciones, que permita al usuario la elección por cada
llamada o globalmente, de parámetros de la comunicación tales como
velocidad de información y tipos de conmutación.
Los protocolos de la interfaz Um se han especificado siguiendo el modelo
de referencio OSI y constan de la capa física, las capas de red y la capa de
enlace.
Capa física
La capa física contiene las funciones necesarias para la transferencia de
trenes de bits sobre los canales físicos radioeléctricos.
En GSM se utilizan para el acceso radio, dos portadoras radioeléctricas
para los enlaces ascendentes(MS –BTS) y descendente(BTS-MS),
respectivamente. Al conjunto de las dos portadoras suele llamársele
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radiocanal. Cada radiocanal es compartido por varios usuarios mediante la
técnica de acceso múltiple por división de tiempo, TDMA(time división
múltiple Access).
La capa física está organizada de canales lógicos y canales físico. Los
canales lógicos son estructuras de datos y protocolos que realizan
funciones de intercambio necesaria para:
para seguimientos de los móviles y aviones a estos.
Establecimiento de las llamadas.
Mantenimiento de las llamadas.
Supervisando y control de la calidad.
Los canales lógicos se clasifican en dos grandes grupos:
Canales de comunicación.
Canales de control.
Los canales de comunicación comprenden las estructuras necesarias para
sustentar las llamadas establecidas y su señalización asociada y se divide en:
Canales de tráficos, TCH(Trafflc channels), por los que se intercambian las
informaciones de los usuarios(voz y datos). Los hay de dos clases, de
velocidad total, TCH/F y de velocidad mitad, TCH/H.
Canales de señalización asociada, ACCH(Associated control cannel), que
van siempre unidos a un TCH y se utilizan para la supervisión y el control
de la llamada en curso. Se subdividen en dos: canales lentos, SAC (Slow
Associated Control Channel) y rápidos, FAC( Fast Associated Control
Channel), que se utilizan en función de las urgencia de los mensajes de
señalización.
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Los canales de control se emplean para señalización, aunque por ellos se prestan
también servicios de difusión de mensajes. Se clasifican como sigue:
Canales de difusión. En el sentido descendente, se tiene el canal
BCH(Broadcasting Channel). Se usa para difusión de información general
de la red, por ejemplo identificación de las estaciones base y sincronización
de estaciones móviles.
Canales comunes. En sentido ascendente, se tiene el canal RACH(Random
Access Channel) que se utiliza para el acceso de las HS a la red. En
sentido descendente, se usan los canales: PCH(Paging Channel) Y AGCH(
Access Grant Channel) para aviso y concesión de recursos a los móviles.
Canales dedicados, SDCCH (Stand-alone Dedicated control channel). Son
canales bidireccionales que se asignan a un móvil de forma exclusive, pero
transitoria, durante el proceso de registro y en la fase de establecimiento de
las llamadas para intercambio de datos de identificación del móvil y el
numero llamado.
Para la difusión de mensajes desde una célula, se usa el canal de difusión,
CBCH(Cell Broadcast Channel) realizado como estructura independiente de los
canales anteriores.
En la capa 1, los canales lógicos se ponen en correspondencia con los canales
físicos del modo siguiente: como se ha indicado, en GSM se utiliza multiacceso
TDMA el tiempo se divide en segmentos iguales llamados intervalos. Un conjunto
de 8 intervalos(numerados de 0 a 7) forma una trama. Las tramas se repiten
periódicamente. Un canal físico es discontinuo, en forma de ráfagas de bits
alojadas en los intervalos de tiempo. En consecuencia, los recursos de la capa
física son radiocanales e intervalos de tiempo.
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Capa de red
La capa de red tiene por objeto el establecimiento de un enlace de señalización
fiable y seguro entre la MS y la red. Se han diseñado entidades de protocolos
específicos para los diferentes canales lógicos.
Los protocolos básicos de la capa de red son: el protocolo LAPD hacia la red y el
protocolo LAPDm hacia la interfaz radio.
Capa de enlace
La capa de enlace se encarga de la señalización entre la MS y la red y se
subdivide en tres subcapas:
Gestión de los recursos de radio, RR (radio resources Management).
Gestión de la movilidad, MM (Mobillity Management).
Gestión de la conexión, CM(Call Management)
6.9 QoS en el sistema GSM
La tercera generación de sistemas de comunicaciones móviles van a aparecer en
la red básica y la tecnología IP de cerca y evolucionando gradualmente a todas las
tendencias de su red IP: 3G de conmutación de circuitos red básica en la que el
principal núcleo de la red existente (3GMSC (M11) la evolución, y 3Gred de
paquetes básicos principalmente de la red GSM / GPRS básico evolución de la
red, por lo tanto, calidad de la red de servicio (QoS) ha presentado mayores
requerimientos. cómo aprovechar al máximo la calidad de servicio de red para
asegurarse que los clientes reciban un servicio satisfactorio, mientras que el uso
eficiente de los recursos de la red una construcción de la red 3G es una cuestión
importante.
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QoS de diferentes servicios como control de tráfico, garantizar en tiempo real de
ancho de banda de negocios, una latencia baja, baja tasa de pérdida de paquetes;
a medida para el ancho de banda de operaciones correspondiente diferentes,
reducir los paquetes de red tasa de pérdida; el tráfico de red sin problemas y
mejorar la utilización de ancho de banda, ajustar la interfaz física de velocidad, etc.
Dirección IP de voz QoS basado en las principales las siguientes cuestiones: la
red entre dos nodos en un negocio específico de solicitud, la tasa media de flujo;
paquetes de datos entre dos nodos de la red media de los viajes redondos de
tiempo de transmisión, en tiempo real de retraso y los cambios demora; red la
transmisión de la tasa de pérdida de paquetes; disponibilidad de la red, para
completar la configuración del tiempo de atención continuada proceso. La
sensibilidad de la demora para una variedad de requerimientos de negocio
diferente, la arquitectura 3GPP especificaciones QoS en general se dividen en
cuatro categorías: Requisitos clase para asegurar la continuidad del flujo de datos,
requieren una latencia baja, baja tasa de pérdida de paquetes; medios de
transmisión de tipo para garantizar la continuidad, al mismo tiempo reducir la
demora; Web y otro tipo interactivo sobre la latencia y la precisión de los datos,
existen requisitos estrictos. Servicios en segundo plano-tipo para asegurar la
exactitud de los datos.
UNIDAD 3: SISTEMAS AVANZADOS DE COMUNICACIONES MÓVILES
7. SISTEMA GPRS
7.1 Características principales de GPRS
GPRS (General Packet Radio System), que básicamente provee acceso a la
transmisión de datos en forma de paquetes, a usuarios de sistemas TDMA y GSM.
En términos de arquitectura, GPRS puede pensarse como una red de datos
superpuesta a una red 2G GSM. Esta red superpuesta permite la transmisión de
paquetes de datos a velocidades que van de 9.6 a 171 Kbps.
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Los principales beneficios del GPRS consisten en reservar recursos (canales de
RF GSM) cuando tiene datos para enviar, y reducir la dependencia en las redes
tradicionales de conmutación de circuitos. La mayor funcionalidad de GPRS,
reduce el costo incrementar de proveer servicios de datos, lo que a su vez,
permite una cada vez mayor penetración de los servicios de datos entre los
usuarios corporativos y residenciales. Por otro lado, GPRS permite una mayor
calidad en los servicios de datos, medido en términos de confiabilidad, tiempo de
respuesta, y sobre todo, en las prestaciones que permite ofrecer.
Las aplicaciones desarrolladas en base a GPRS, llegarán a una creciente base
instalada de clientes, y permitirán -esto ya se está verificando en nuestro mercado
a los diferentes operadores diferenciarse a partir de los servicios, que es lo que en
definitiva percibe el usuario.
El servicio GPRS, por tanto, está dirigido a aplicaciones que tienen las siguientes
características:
Transmisión poco frecuente de pequeñas o grandes cantidades de datos
(por ejemplo, aplicaciones interactivas).
Transmisión intermitente de tráfico de datos bursty (por ejemplo,
aplicaciones en las que el tiempo medio entre dos transacciones consecutivas
es de duración superior a la duración media de una única transacción.)
Como por ejemplo:
RTI (Road Traffic Informatics)
Telemetría
Tele alarma
Control del tráfico ferroviario
Acceso a internet usando la WWW (World Wide Web)
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7.2 Arquitectura de red
Para la realización de un servicio de datos por paquetes en la red celular GSM se
pueden seguir dos inicializaciones diferentes:
Inicialización de sistema integrado
Inicialización de sistema separado
La primera inicialización prevé que toda la infraestructura necesaria para el
soporte del servicio sea añadida a la de la red GSM, mientras que la segunda
prevé el añadido de la funcionalidad necesaria para el soporte del GPRS a las
entidades que componen la infraestructura de la red GSM. En realidad, también la
inicialización de sistema integrado requiere la introducción de nuevas entidades,
garantizando de todos modos, desde el punto de vista económico, un impacto
menos vistoso sobre los costos necesarios para la implementación del servicio.
Las entidades que tienen que ser añadidas, desde el punto de vista de
la integración del servicio GPRS en la red GSM, son:
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Figura 33 Modelo de red GPRS
Los nodos GSN pueden verse como entidades en las que está localizada gran
parte de las funciones necesarias para soportar el GPRS. En el GPRS PLMN
(Public Land Mobile Network), generalmente hay más nodos GSN y la
infraestructura que los conecta, denominada backbone network (ruta de enlace),
permite el routing de los paquetes transmitidos por los usuarios de la red o
dirigidos a éstos. En relación con la localización de la estación móvil genérica
GPRS, se usan los HSN (Home Support Node) y el VSN (Visited Support Node).
El HSN es el nodo de la backbone network al que llegan los paquetes dirigidos al
móvil en base al valor de su dirección de la red; además, cuando el móvil es
localizado en el área gestionada por otro nodo de la ruta de enlace, el HSN vuelve
a mandar hacia ese nodo los paquetes destinados al móvil.
EL VSN es el nodo de la backbone network en cuya área se encuentra
normalmente el móvil.
La backbone network puede ser una red pública de datos de paquetes, lo que
permite limitar los costos de realización, o bien una red de datos de paquetes
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dedicada optimizada para el soporte del servicio. La primera solución determina,
con respecto a la segunda, mayores retrasos de transmisión cuando los paquetes
se intercambian entre usuarios de la GPRS PLMN y usuarios de otra red, mientras
que la segunda presenta unos costos de realización más elevados. A la backbone
network también están conectadas las entidades de inter-trabajo, que garantizan
la interconexión de la GPRS PLMN a otras redes de datos como, por ejemplo, la
red Internet, las redes PSPDN (Public Switched Packet Data Network), las redes
privadas de paquetes y otras.
Las principales funciones desempeñadas por estas entidades son: la conversión
de los protocolos y el mapeo de las direcciones de red de las entidades envueltas
en la comunicación de datos. Otra nueva entidad necesaria para el soporte del
servicio es el GPRS register, que no tiene que verse necesariamente como una
nueva entidad física, en cuanto que se puede pensar en ampliar el conjunto de las
funciones de los VLR/HLR de la red GSM.
Las funciones llevadas a cabo por un GPRS register son esencialmente las de
memorizar informaciones relativas al servicio GPRS; en particular cada GPRS
register contiene:
Información necesaria para el routing de los paquetes dirigidos a un móvil
GPRS; por ejemplo, la dirección de red del móvil para un determinado
protocolo de red y el tipo de protocolo de red a cuya dirección se refiere.
Información relativa al perfil de suscripción del abonado; por ejemplo,
informaciones características de la calidad del servicio solicitada por el usuario
(QoS = Quality of Service).
La llave de acceso a estas informaciones relativas al abonado genérico GPRS es
el IMSI (International Mobile Subscriber Identity). La introducción de nuevas
entidades a la red GSM lleva a la definición de nuevos interfaces; entre éstas, la
Gr soporta sólo señalación, mientras que todas las demás soportan tanto
señalación como datos.
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7.3 Pila de protocolos GPRS
El protocolo GPRS es un protocolo de nivel tres, transparente para todas las
entidades de red comprendidas entre el terminal móvil MT y el nodo GSN al que el
móvil está, lógicamente, conectado; las entidades entre las que se establece una
conexión a este nivel están, de hecho, localizadas en el terminal móvil MT y en el
nodo GSN. Este protocolo soporta tanto el intercambio de informaciones de control
como de paquetes PDP-PDU (Packet Data Protocol - Protocol Data Unit) entre el
móvil y el nodo al que éste está conectado (los PDP-PDU son, de hecho,
encapsulados en las tramas GPRS).
El formato de una trama GPRS prevé los siguientes campos:
identificador del protocolo GPRS
identificador del protocolo de los PDU (identificador de PDP)
mensaje GPRS
El identificador del protocolo GPRS es una información numérica cuyo objetivo es
el de distinguir los burst que contienen paquetes GPRS, de los burst que
contienen informaciones GSM.
El identificador del protocolo de los PDU encapsulados en las tramas GPRS es
necesario para direccionar éstos en cuanto son desencapsulados, hacia el
correcto SAP (Service Access Point); también esta información es de tipo
numérico. Se tendrá, por tanto, un valor que define los paquetes X25, uno que
define los paquetes IP (Internet Protocol), uno que define los paquetes CLNP
(Connectionless Network Protocol) y así sucesivamente. Además, dicha
información permite la interpretación del GPRS contenido en la trama GPRS; de
hecho, como ya se anticipaba, las tramas GPRS son utilizadas tanto para el
transporte de mensaje de control como para el transporte de paquetes de datos,
por lo tanto, se hace necesario el uso de un indicador que permita distinguir a cuál
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de las dos categorías posibles pertenece el mensaje GPRS. Los mensajes GPRS
de control son definidos por un valor preestablecido del identificador de PDP.
Algunos de los posibles mensajes de control se enumeran a continuación:
petición de log-on (LOG-ON REQUEST)
respuesta a una petición de log-on (LOG-ON RESPONSE)
activación del modo de transmisión cifrado (SET GPRS CIPHERING
MODE)
petición de actualización de las informaciones de routing (ROUTING
UPDATE REQUEST)
respuesta a una petición de actualización de las informaciones de routing
(ROUTING UPDATE RESPONSE)
petición de actualización del indicador de routing área (área de
encaminamiento) (GPRS RA UPDATE REQUEST)
respuesta a una petición de actualización del indicador de routing área
(GPRS RA UPDATE RESPONSE)
Figura 34 Arquitectura del Protocolo
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El nodo GSN, antes de encaminar en la backbone network los PDU de nivel tres
desencapsulador de las tramas GPRS recibidos a través del interfaz Gb, los
encapsula (como SDU - Service Data Unit) en PDU del protocolo de red utilizado
en la backbone network para el transporte de paquetes del usuario.
7.4 Interfaz Radio
7.4.1 Canales lógicos y físicos de GPRS
Canales lógicos
El estándar define canales lógicos de que traza un mapa el MAC a canales físicos.
Estos canales lógicos incluyen tanto canales de tráfico para datos como discurso y
controlan canales para control, sincronización, e información señalada. Varios
canales lógicos pueden ser multiplexed en el canal físico downlink. Del mismo
modo, varios canales lógicos pueden sermultiplexed en el canal físico uplink. Ya
que GPRS es construido sobre la base del GSM, algunos canales lógicos son
heredados del GSM. Además, GPRS introdujo algunos nuevos canales lógicos
para apoyar servicios de conmutación de paquete. El nombramiento de tales
canales lógicos comienza con la palabra "el paquete", como el Paquete Canal de
Control Común (PCCCH) y Canal de Control de Emisión de Paquete (PBCCH).
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Figura 35 Datos de Paquete Canales Lógicos
Tabla 2 resumen de los canales lógicos de GPRS.
Canal de Control
Los canales de control llevan el control, la sincronización, y la información
señalada. Hay tres clases de canales de control: común, dedicado, y emisión.
Los canales de control comunes incluyen también el Paquete Canales de Control
Comunes (PCCCHs) aquella transmisión de paquete de apoyo. Ellos incluyen el
paquete que página canales, canales de acceso aleatorio, canales de subvención
de paquete, y canales de notificación de paquete. El PCCCH es opcional para la
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red. Por si PCCCH no sea asignado, la información de control será transmitida en
los canales de control de GSM.
Los canales de control dedicados apoyan operaciones en DBPSCH. Ellos incluyen
el Canal de Control Lento Asociado (SACCH) para medidas de radio y datos. El
SACCH también es usado para la transferencia de SMS durante llamadas. Ellos
también incluyen el Canal de Control Rápido Asociado (FACCH) para
un TCH en DBPSCH y Canal de Control Dedicado Independiente (SDCCH). Los
canales de control que apoyan SBPSCH incluyen control uplink y
actividades downlink usando el Paquete Canal de Control Asociado (PACCH), y
Paquete que Calcula Canales de Control de Avance (PTCCHs) para calcular la
valoración.
Los canales de emisión incluyen 1) canales de corrección de frecuencia que son
usados para corregir la frecuencia de la estación móvil (SRA.), 2) los canales de
sincronización que sincronizan la frecuencia de SRA. con aquella de la estación
baja, 3) transmiten canales de control que transmiten la información general en la
estación baja, y 4) canales de emisión de paquete que transmiten parámetros que
la SRA. necesita a fin de tener acceso a la red para la transmisión de paquete.
Canal de Trafico
Los canales de tráfico (TCHs) llevan discurso codificado o datos de usuario. Estos
canales son multiplexed en una manera predeterminada o en dinámicamente
por el MAC. El TCH puede ser precio lleno (TCH/F) o mitad precio (TCH/H). Los
canales de tráfico también son distinguidos por la técnica de modulación usada
como GMSK y 8-PSK. El Canal de Tráfico de Datos de Paquete (PDTCH) es para
la transferencia de datos tanto en canales físicos SBPSCH (Canal de Suscripción
Físico Básico Compartido como en DBPSCH (Canal de Suscripción Físico Básico
Dedicado). El PDTCH es un canal temporal proporcionado a una estación móvil
sola o a un grupo en caso de la transmisión de multimolde. Sin embargo, una
estación móvil puede usar varios PDTCHs en la paralela. El PDTCH permite que
vario MANUSCRITO sea multiplexed en mismo SBPSCH. El PDTCH también
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permite que varias clases de tráfico sean multiplexed en el mismo canal
compartido o dedicado. En una transmisión de multimolde una estación móvil
puede usar varios PDTCHs para la transferencia de paquete individual. El
PDTCH está en la direcciónuplink (PDTCH/U) o
dirección downlink (PDTCH/D). Un PDTCH puede ser precio lleno (PDTCH/F) o
mitad precio (PDTCH/H) según si es transmitido en un Canal de Datos de Paquete
/ Lleno (PDCH/F) o Canal/Mitad de Datos de Paquete (PDCH/H), respectivamente.
7.4.2 Codificación de canal
Existen 4 tipos de codificación en GPRS cada una con sus características, tanto
de carga útil que se codifica como el número de bits codificados. Todos los tipos
siguen prácticamente los mismos pasos:
Figura 36 Canal de datos
Las dos etapas iniciales añaden información a la carga útil:
BCS: secuencia de chequeo de bloque.
USF: Uplink state flag, ya comentada en el punto anterior.
Una vez obtenida la codificación se puede hacer el diezmado que son bits que se
quitan de forma no arbitraria.
Las 4 formas de codificación de GPRS son:
El CS-1 coincide con el SDCCH de GSM.
El 2 y 3 son versiones perforadas del 1º.
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El 4 no utiliza código convolucional.
Tabla 3 Codificación GPRS
7.4.3 Gestión de recursos radio
En una red GSM/GPRS los dos tipos de servicios, voz y datos, compiten por los
mismos recursos de la red inalámbrica, ambos servicios tienen diferentes
necesidades de calidad de servicio, y por lo tanto, el esquema utilizado al
compartir los recursos de radio juega un importante papel en el dimensionamiento
de la red.
Asignación de recursos en GPRS
La mejor decisión que podría tomar un operador GSM que desee ofrecer servicios
GPRS en una red GSM es compartir el espectro existente entre ambos servicios
dado que en condiciones de tráfico pico, la utilización media del canal en GSM es
bastante modesta. Por esta razón, se asume siempre que se utilizarán de forma
compartida los recursos de radio existentes para ambos servicios. La distribución
de canales entre los servicios de conmutación de circuitos (GSM) y de
conmutación de paquetes (GPRS) puede ser llevada a cabo dinámicamente con
base en la demanda de capacidad, carga actual de tráfico y prioridad del servicio.
Acceso múltiple y ganancia de multiplexación estadística
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GSM asigna de forma permanente un canal a un usuario durante la duración de la
llamada mientras que GPRS asigna los canales cuando los paquetes son
enviados o recibidos y se liberan después de la transmisión. Con este principio,
múltiples usuarios pueden compartir un mismo canal físico (multiplexación
estadística) que provoca un mejor aprovechamiento de los recursos de radio y un
incremento en la capacidad del sistema. El estándar GSM 05.02 del ETSI define
dos modos diferentes de acceso al medio que deberían ser soportados por todas
las estaciones móviles: la asignación fija y la asignación dinámica. En la
asignación fija, los recursos asignados a un móvil son suficientes para transmitir
los datos que ya tiene listos para la transmisión y éstos son fijos durante un tiempo
denominado período de asignación, desde esta perspectiva, un móvil GPRS
diferente, puede ser multiplexado en el tiempo en el mismo canal de paquete de
datos dependiendo de la duración del período de asignación. En la asignación
dinámica se utiliza una bandera denominada USF:Uplink State Flag en dirección
de bajada para reservar los canales de paquetes de datos de subida a diferentes
móviles. El mensaje de «asignación de paquete de subida» incluye la lista de los
canales de paquetes de datos asignados al móvil y los correspondientes valores
de USF para cada canal. El móvil monitorea los flags en los canales de paquetes
de datos asignados y transmite bloques de radio en los que mantiene actualizados
los valores reservados de los USF para el uso del móvil. Este esquema
proporciona una utilización más flexible de los recursos de radio en general.
Uso asimétrico de los recursos radio de subida y de bajada
En el caso de transmisiones de conmutación de circuitos, los canales son
reservados simétricamente a pares. Sin embargo, en transmisiones de
conmutación de paquetes, los canales de subida y de bajada se utilizan como
recursos independientes. Esto quiere decir que en cierta ranura TDMA, un canal
de subida PDCH puede contener datos de un móvil, mientras que los datos a otro
móvil pueden ser transmitidos en el PDCH de bajada. La justificación para este
comportamiento es la naturaleza asimétrica del tráfico de datos.
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7.5 Calidad de Servicio en redes GPRS
Cuando se habla de calidad de servicio, QoS, sólo se hace referencia a un
conjunto de parámetros de prestaciones que pueden ser observados directamente
y medidos desde el punto de acceso al servicio utilizado por el usuario. Los
criterios que se usan para valorar la calidad de una prestación de servicio son
principalmente:
velocidad
cuidado
fiabilidad
La velocidad con que es servida una petición de servicio puede ser valorado en
términos de bit rate con que las informaciones son transportadas o bien en
términos de intervalo de tiempo para terminar la petición de servicio.
El cuidado se refiere, sin embargo, al grado de corrección con el que se atiende
una petición de servicio.
La fiabilidad del servicio sintetiza la disponibilidad del servicio sin tener en cuenta
la velocidad ni el cuidado con que se atienden las peticiones de servicio.
En relación a cada uno de estos tres criterios de valoración es posible distinguir
diferentes clases de servicio:
servicios de altas prestaciones (en relación al criterio de valoración
utilizado) en los que la variación del parámetro prestacional medido es
irrelevante (guaranteed service)
servicios caracterizados por buenas prestaciones (en relación al criterio de
valoración utilizado) y por un valor preciso de la variación del parámetro
prestacional (predictive service)
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servicios caracterizados por discretas prestaciones (en relación al criterio
de valoración utilizado) y por un valor no precisado de la variación del
parámetro prestacional (best effort service)
Los parámetros significativos de la valoración prestacional, en términos de
velocidad, son los siguientes:
velocidad neta del flujo binario (throughput)
tiempo de transferencia de las informaciones
La caracterización del throughput en un canal puede hacerse en base al ritmo
binario medio y al ritmo binario más alto ofrecido a todos los usuarios que acceden
a él.
El tiempo necesario para la transferencia de las informaciones del usuario es la
suma del tiempo necesario para acceder al canal radio, del tiempo necesario para
la propagación en el canal radio (irrelevante) y del tiempo necesario para la
transferencia a través de la red. Los parámetros característicos en la valoración
prestacional en términos de cuidado son los siguientes:
probabilidad de pérdida de un paquete
probabilidad de recepción de paquetes equivocados
probabilidad de duplicación de un paquete
probabilidad de secuencia equivocada en la recepción de los paquetes
Los parámetros característicos en la valoración prestacional en términos de
fiabilidad son los siguientes:
probabilidad de fallo en la negociación de la QOS entre el usuario y la red
probabilidad de que la QOS establecida en fase de negociación no sea
garantizada durante la terminación de la petición de servicio.
disponibilidad del servicio
tiempo medio entre dos back out sucesivos del servicio
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duración media de un back out del servicio
Por lo que respecta a los servicios orientados a la conexión de parámetros
prestaciones son constituidos por el tiempo medio necesario para establecer una
conexión y por el tiempo medio necesario para la finalización de la misma.
7.6 Gestión de la movilidad
La movilidad en GPRS es gestionada de la misma manera que en GSM salvo con
ciertos cambios. Varias celdas conforman un área de nominada routing área, la
cual es un subconjunto de un área de localización (location area) que es la unidad
básica de localización en GSM. Cada routing area es servida por un nodo SGSN.
Un móvil conectado y operando en la red GPRS puede estar en dos estados:
STAND BY y READY. En el primer caso, la localización del móvil se conoce a
nivel de routing area, en el segundo caso a nivel de celda.
Existen tres estados posibles. El estado IDLE es usado para usuarios pasivos (no
conectados a la red GPRS). El estado STAND BY es usado cuando el usuario
acaba de salir de una fase activa. Un móvil está en una fase activa (estado
READY) cuando está transmitiendo o acaba de transmitir. Las transiciones de un
estado a otro tienen lugar cuando se completa una actividad, o cuando un
determinado contador expira.
Estado IDLE:
El usuario no está conectado a la red GPRS. El MS sólo puede recibir datos point-
to-multipoint (PTM). El usuario no posee un contexto válido. Para cambiar de
estado, el móvil tiene que realizar el proceso GPRS attach.
Estado STAND BY:
El usuario está conectado a la red GPRS y su localización es conocida a nivel de
routing area. El MS puede recibir datos PTM y pagging para datos PTP (Point To
Point). La red posee un contexto de movilidad para el usuario. Si el MS envía
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datos, pasa al estado READY. El MS, o la red, puede iniciar el proceso detach
para pasar al estado IDLE. El MS tiene la posibilidad de usar la recepción
discontinua (DRX) para ahorrar batería.
Estado READY:
El usuario está conectado a la red GPRS y su localización es conocida a nivel de
celda. El MS puede recibir datos PTM y PTP. El SGSN puede enviar datos al MS
sin la necesidad de hacer pagging y el MS puede enviar datos al SGSN en
cualquier instante. La red mantiene el contexto para ese usuario. Si el timer expira,
el MS pasa al estado STAND BY. Si el MS lleva a cabo el proceso detach, éste
pasa al estado IDLE y el contexto asociado es eliminado. Un MS en estado
READY no tiene la necesidad de tener reservados recursos radio.
Figura 37 Muestra gráficamente los estados de Gestión de la Movilidad en GPRS.
Procesos GPRS attach y detach
Attach y detach son procesos que gestionan la movilidad GPRS, estableciendo y
terminando, respectivamente una conexión con la red GPRS.
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En el proces attach, el MS pasa al estado READY y se crea un contexto de
movilidad, el MS es autentificado, se generan claves de cifrado y se le asigna al
MS un identificador lógico de enlace temporal. El SGSN obtiene la información del
HLR. Para transmitir datos, el MS tiene que activar primero un contexto PDP.
Figura 38 Proceso attach
7.7 Gestión de la sesión
Se incluye en esta pila de protocolos aquellos encargados del control y
mantenimiento de las funciones del plano de transmisión, conexión desconexión,
activación de contexto, control de caminos de routing y localización de los
recursos de la red.
GMM/SM: GPRS MOBILITY MANAGEMENT/SESSION MANAGEMENT. Es el
protocolo que se encarga de la movilidad y la gestión de la sesión en momentos
de la ejecución de funciones de seguridad, actualizaciones de rutas, etc.
La señalización entre SGSN y los registros HLR, VLR, y EIR utilizan los mismos
protocolos que GSM con ciertas funciones ampliadas para el funcionamiento con
el GPRS
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FIGURA 39 PLANO SESION
7.8 Sistema EDGE
La tecnología EDGE (Datos Mejorados para Evolución Global) nace con el objetivo
de mejorar la capacidad de transmisión de datos para telefonía móvil de las redes
GSM y TDMA. Con estas mejoras, el mercado abre las puertas a la llamada
'telefonía de tercera generación'.
Las mejoras se basan en dos puntos principales. Por un lado, el uso de técnicas
de modulación de frecuencias diferentes a las que se aplicaban hasta el momento.
En concreto la anterior GSMK (Gaussian Minimum Phase Keying), queda
sustituida por la nueva 8PSK (8 Phase Shift Keying), la cual produce una palabra
de 3 bit por cada cambio en la fase de la portadora. Con ello se triplica la
capacidad de datos disponibles con respecto a la anterior modulación,
alcanzándose los 384 Kbit/s.
El segundo punto de mejora consiste en la utilización de nuevos protocolos de
comunicación por radio.
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La implementación de estas mejoras permite en global un uso más eficiente de los
espectros de 800, 900 y 1800 MHz, abriendo el mercado a la telefonía 3G.
Un nombre alternativo para la tecnología EDGE es EGPRS (Enhanced General
Packet Radio Service).
8. UMTS
8.1 Introducción
Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (Universal Mobile
Telecommunications System - UMTS) es una de las tecnologías usadas por los
móviles de tercera generación (3G, también llamado W-CDMA), sucesora
de GSM, debido a que la tecnología GSM propiamente dicha no podía seguir un
camino evolutivo para llegar a brindar servicios considerados de Tercera
Generación.
Aunque inicialmente esté pensada para su uso en teléfonos móviles, la red UMTS
no está limitada a estos dispositivos, pudiendo ser utilizada por otros.
Sus tres grandes características son las capacidades multimedia, una velocidad
de acceso a Internet elevada, la cual también le permite transmitir audio y video en
tiempo real; y una transmisión de voz con calidad equiparable a la de las redes
fijas. Además, dispone de una variedad de servicios muy extensa.
8.2 Necesidad y objetivos de la 3G
Tras la implantación del sistema UMTS, el concepto de teléfono móvil ha
cambiado radicalmente, pasando de ser un simple instrumento de comunicación
para convertirse en un terminal multimedia con múltiples capacidades para la
comunicación y el ocio, gracias a la gran cantidad de servicios ofertados y que
crecen día a día. Como la capacidad de conectarse a Internet, transferencia y
reproducción de audio y video, videoconferencias y demás.
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Además, para zonas a las que la telefonía fija no llega o lo hace de una manera
deficiente, como zonas de extrarradio de las ciudades, pueblos alejados de
grandes núcleos o países en vías de desarrollo; la tecnología UMTS habilita la
posibilidad de llevar servicios de telecomunicaciones avanzados a todas las
personas que se encuentran en esas zonas de poca cobertura a nivel de
telecomunicaciones. Por poner un ejemplo, la tecnología UMTS permite
administrar un negocio desde un lugar carente de telefonía fija ya que el
propietario puede mantenerse en contacto con los clientes y proveedores
mediante la red UMTS.
Objetivos de 3G
Los servicios asociados con la tercera generación proporcionan la posibilidad de
transferir tanto voz y datos (una llamada telefónica o una videollamada) y datos
no-voz (como la descarga de programas, intercambio de email, y mensajería
instantánea). Aunque esta tecnología estaba orientada a la telefonía móvil, desde
hace unos años las operadoras de telefonía móvil ofrecen servicios exclusivos de
conexión a Internet mediante módem usb, sin necesidad de adquirir un teléfono
móvil, por lo que cualquier computadora puede disponer de acceso a Internet.
Existen otros dispositivos como algunos ultrapórtátiles (netbooks) que incorporan
el módem integrado en el propio equipo, pero requieren de una tarjeta SIM (la que
llevan los teléfonos móviles) para su uso, por lo que en este caso sí es necesario
estar dado de alta con un número de teléfono.
Los sistemas de 3G ofrecen:
• Transmisión simétrica/ asimétrica de alta fiabilidad.
• Uso de ancho de banda dinámico, en función de la aplicación.
• Velocidades binarias mucho más altas: 144 kbit/s en alta movilidad, 384 kbit/s en
espacios abiertos y 2 Mbit/s en baja movilidad.
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• Soporte tanto de conmutación de paquetes (IP) como de circuitos.
• Soporte IP para acceso a Internet (navegación WWW), videojuegos, comercio
electrónico, y vídeo y audio en tiempo real.
• Diferentes servicios simultáneos en una sola conexión.
• Calidad de voz como en la red fija.
• Soporte radioeléctrico flexible, con utilización más eficaz del espectro, con
bandas de frecuencias comunes en todo el mundo.
• Personalización de los servicios, según perfil de usuario.
• Incorporación gradual en coexistencia con los sistemas actuales de 2G.
• Itinerancia (roaming), incluido el internacional, entre diferentes operadores y tipos
de redes.
• Ambientes de funcionamiento marítimo, terrestre y aeronáutico.
• Capacidad de terminales telecargables, multibanda y multientorno.
• Economías de escala y un estándar global y abierto que cubra las necesidades
del mercado de masa.
• Provisión de un ―ambiente local virtual‖ VHE: el usuario podrá recibir el mismo
servicio independiente de su ubicación geográfica.
8.3 Servicios y QoS en UMTS
Características y Servicios
UMTS permite introducir muchos más usuarios a la red global del sistema, y
además permite incrementar la velocidad a 2 Mbps por usuario móvil.
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Figura 40 Comparación GPRS y UMTS
Está siendo desarrollado por 3GPP (3rd Generation Partnership Project), un
proyecto común en el que colaboran: ETSI (Europa), ARIB/TIC (Japón), ANSI T-1
(USA), TTA (Korea), CWTS (China). Para alcanzar la aceptación global, 3GPP va
introduciendo UMTS por fases y versiones anuales. La primera fue en 1999,
describía transiciones desde redes GSM. En el 2000, se describió transiciones
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desde IS-95 y TDMA. ITU es la encargada de establecer el estándar para que
todas las redes 3G sean compatibles.
UMTS ofrece los siguientes servicios:
Facilidad de uso y bajos costes: UMTS proporcionará servicios de uso fácil
y adaptable para abordar las necesidades y preferencias de los usuarios,
amplia gama de terminales para realizar un fácil acceso a los distintos servicios
y bajo coste de los servicios para asegurar un mercado masivo. Como
el roaming internacional o la capacidad de ofrecer diferentes formas de
tarificación.
Nuevos y mejorados servicios: Los servicios de voz mantendrán una
posición dominante durante varios años. Los usuarios exigirán a UMTS
servicios de voz de alta calidad junto con servicios de datos e información. Las
proyecciones muestran una base de abonados de servicios multimedia en
fuerte crecimiento hacia el año 2010, lo que posibilita también servicios
multimedia de alta calidad en áreas carentes de estas posibilidades en la red
fija, como zonas de difícil acceso. Un ejemplo de esto es la posibilidad de
conectarse a Internet desde el terminal móvil o desde el ordenador conectado
a un terminal móvil con UMTS.
Acceso rápido: La principal ventaja de UMTS sobre la segunda generación
móvil (2G), es la capacidad de soportar altas velocidades de transmisión de
datos de hasta 144 kbit/s sobre vehículos a gran velocidad, 384 kbit/s en
espacios abiertos de extrarradios y 7.2 Mbit/s con baja movilidad (interior de
edificios). Esta capacidad sumada al soporte inherente del protocolo de
Internet (IP), se combinan poderosamente para prestar servicios multimedia
interactivos y nuevas aplicaciones de banda ancha, tales como servicios de
video telefonía y video conferencia y transmisión de audio y video en tiempo
real.
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8.4 Arquitectura del sistema UMTS
La estructura de redes UMTS está compuesta por dos grandes subredes: la red de
telecomunicaciones y la red de gestión. La primera es la encargada de sustentar la
transmisión de información entre los extremos de una conexión. La segunda tiene
como misiones la provisión de medios para la facturación y tarificación de los
abonados, el registro y definición de los perfiles de servicio, la gestión y seguridad
en el manejo de sus datos, así como la operación de los elementos de la red, con
el fin de asegurar el correcto funcionamiento de ésta, la detección y resolución de
averías o anomalías, o también la recuperación del funcionamiento tras periodos
de apagado o desconexión de algunos de sus elementos. Dentro de este apartado
vamos a analizar sólo la primera de las dos subredes, esto es, la de
telecomunicaciones.
UMTS usa una comunicación terrestre basada en una interfaz de radio W-CDMA,
conocida como UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA). Soporta división
de tiempo duplex (TDD) y división de frecuencia duplex (FDD). Ambos modelos
ofrecen ratios de información de hasta 2 Mbps.
Una red UMTS se compone de los siguientes elementos:
Núcleo de red (Core Network). El núcleo de red incorpora funciones de
transporte y de inteligencia. Las primeras soportan el transporte de la
información de tráfico y señalización, incluida la conmutación. El
encaminamiento reside en las funciones de inteligencia, que comprenden
prestaciones como la lógica y el control de ciertos servicios ofrecidos a través
de una serie de interfaces bien definidas; también incluyen la gestión de la
movilidad. A través del núcleo de red, el UMTS se conecta con otras redes de
telecomunicaciones, de forma que resulte posible la comunicación no sólo
entre usuarios móviles UMTS, sino también con los que se encuentran
conectados a otras redes.
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Red de acceso radio (UTRAN). Desarrollada para obtener altas velocidades
de transmisión. La red de acceso radio proporciona la conexión entre los
terminales móviles y el Core Network. En UMTS recibe el nombre de UTRAN
(Acceso Universal Radioeléctrico Terrestre) y se compone de una serie de
subsistemas de redes de radio (RNS) que son el modo de comunicación de la
red UMTS. Un RNS es responsable de los recursos y de la transmisión /
recepción en un conjunto de celdas y está compuesto de un RNC y uno o
varios nodos B. Los nodos B son los elementos de la red que se corresponden
con las estaciones base. El Controlador de la red de radio (RNC) es
responsable de todo el control de los recursos lógicos de una BTS (Estación
Base Transmisora).
UE (User Equipment). Se compone del terminal móvil y su módulo de
identidad de servicios de usuario/suscriptor (USIM) equivalente a la tarjeta
SIM del teléfono móvil.
Parte también de esta estructura serían las redes de transmisión empleadas para
enlazar los diferentes elementos que la integran. Como los protocolos UU y IU.
Un ejemplo de una conexión a la red UMTS desde un terminal sería el que se
explica con el siguiente diagrama:
Partimos de nuestro dispositivo 3G ya sea un teléfono móvil o una tarjeta para
ordenadores compatible con esta red, nuestros datos llegan al NodoB que es el
encargado de recoger las señales emitidas por los terminales y pasan al RNC para
ser procesadas, estos dos componentes es lo que llamamos UTRAN, desde el
UTRAN pasa al núcleo de la red que está dividido en conmutadores que
distribuyen los datos por los diferentes sistemas, según vayan a uno u otro
seguirán un camino pasando por el MSC (Mobile services Switching Center), o por
el SGSN (Serving GPRS Support Node) y posteriormente por el GGSN (Gateway
GPRS Support Node).
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8.5 Estructura general del protocolo de la interfaz radio
Iu: Radio Acces Network Application Part (RANAP)
Este protocolo provee de una señalización específica y de control de UTRAN
sobre Iu, un subconjunto de funciones de RANAP son las siguientes:
RAB (Overall radio acces bearer) incluye su instalación y el mantenimiento.
Manejo de las conexiones de Iu.
Transport of nonaccess stratum(NAS): información entre el UE y el CN, por
ejemplo, NAS contiene el control de la movilidad su señalización y el control
del broadcast de la información.
Realiza el cambio de información de UE entre RNC y CN
Pasa los reconocimientos desde CN hasta UE
Maneja la situación de error y sobrecarga.
Iur: Radio Network Sublayer Application Part (RNSAP)
La señalización sobre UTRAN y su control sobre esta interface contiene:
Manejo de los enlaces de radio tanto físicos como los recursos de los
canales de transporte.
Paging
Resituación SRNC
Medición de los recursos ocupados.
Figura 41. Iur (RNSAP)
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Iub: Nodo B Pare de Aplicación (NBAP)
Incluye las siguientes características:
Manejo de los canales, recursos comunes y de los radio enlaces.
Configuración como celdas
Medición, manejo y control
Sincronización (TDD)
Trata situaciones de error
Uu: Radio Resource Control (RRC)
Esta capa maneja el control de las señales sobre Uu entre UE y UTRAN, alguna
de las funciones ofrecidas son
Broadcast de la información
Manejo de las conexiones entre el UE y UTRAN que incluye su
establecimiento mantenimiento y relaciones.
Manejo de las radio ―bearears‖ las cuales incluyen su
establecimiento, mantenimiento, relaciones y la correspondiente
conectividad.
Control del ciphering
Control de potencia (Outer loop)
Protección de la integridad del mensaje
Timing advance en el modo TDD
Medición de UE para evaluaciones
Paging y Notificaciones
Hay dos modos de operación definidos por UE el modo IDLE y el dedicado.
En el modo IDLE, la entidad de UE‘s RCC es el Nodo B, mientras que en el modo
dedicado es el SRNC. Protocolos de capas superiores conforman las tareas de
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control y señalización en la parte alta de RCC. EL (MM) mobility management y el
control de las llamadas (CC) están definidos en las especificaciones de GSM.
8.6 Interfaz radio de WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - Acceso Múltiple por División
de Código de Banda Ancha) , es la tecnología de interfaz de aire en la que se
basa la UMTS(Universal Mobile Telecommunication System), que, a su vez, es un
estándar europeo de Tercera Generación (3G) para los sistemas inalámbricos.
La tecnología WCDMA está altamente optimizada para comunicaciones de alta
calidad de voz y comunicaciones multimedia, como pueden ser las
videoconferencias. También es posible acceder a diferentes servicios en un solo
terminal, por ejemplo, podemos estar realizando una videoconferencia y al mismo
tiempo estar haciendo una descarga de archivos muy grande y entre otros.
Puede soportar completamente varias conexiones simultáneas como puede ser
una conexión a internet, una conversación telefónica, videoconferencia y entre
otros.
En esta plataforma se emplea estructuras de protocolos de red similares a la
usada en GSM (Global System for Mobile communications), por lo tanto está en la
capacidad de utilizar redes existentes
8.6.1 Espectro ensanchado y CDMA
Espectro ensanchado
Los sistemas de espectro ensanchado que surgieron como medio para poder
transmitir información de una forma segura; aunque la transmisión pueda ser
interceptada la información contenida es muy difícil de obtener. Esto se consigue
mediante el aumento del espectro utilizado.
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Las ventajas del empleo de esta técnica de modulación es palpable en
determinados tipos de comunicaciones, El uso de técnicas de espectro
ensanchado nos lleva a un mejor aprovechamiento del espectro, gracias a la
posibilidad que ofrecen de acceso múltiple al medio por división del código sistema
que tiene las siglas CDMA. Además los sistemas de espectro ensanchado ofrecen
una mejor resistencia frente a interferencias de banda estrecha y permite reducir el
efecto multicamino. Los sistemas de espectro ensanchado que surgieron como
medio para poder transmitir información de una forma segura; aunque la
transmisión pueda ser interceptada la información contenida es muy difícil de
obtener. Esto se consigue mediante el aumento del espectro utilizado. Las
ventajas del empleo de esta técnica de modulación es palpable en determinados
tipos de comunicaciones, El uso de técnicas de espectro ensanchado nos lleva a
un mejor aprovechamiento del espectro, gracias a la posibilidad que ofrecen de
acceso múltiple al medio por división del código sistema que tiene las siglas
CDMA. Además los sistemas de espectro ensanchado ofrecen una mejor
resistencia frente a interferencias de banda estrecha y permite reducir el efecto
multicamino. Los sistemas de espectro ensanchado que surgieron como medio
para poder transmitir información de una forma segura; aunque la transmisión
pueda ser interceptada la información contenida es muy difícil de obtener. Esto se
consigue mediante el aumento del espectro utilizado. Las ventajas del empleo de
esta técnica de modulación es palpable en determinados tipos de comunicaciones,
El uso de técnicas de espectro ensanchado nos lleva a un mejor aprovechamiento
del espectro, gracias a la posibilidad que ofrecen de acceso múltiple al medio por
división del código sistema que tiene las siglas CDMA.
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Espectro ensanchado con CDMA
Figura 42 Señales de datos y de espectro ensanchado
Figura 43 Diagrama de Bloques para CDMA con Espectro Ensanchado
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Figura 44 Señal Multiplexada y Codificada
8.6.2 Interfaz radio WCDMA
Los parámetros básicos para la interfaz radio WCDMA son:
•Acceso múltiple DS-CDMA
•Dos modos: FDD y TDD
•Velocidad de chip: 3.84 Mchip/s
•Ancho de banda por portadora: 5 MHz
•Modulación QPSK
•Secuencias código:
Canalización: códigos ortogonales de factor de ensanchamiento variable
(OVSF)
Aleatorización: varios tipos de códigos pseudoaleatorios
Trama de 10 ms dividida en 15 intervalos
•Factor de ensanchamiento variable entre 4 y 256.
•Conmutación de circuitos y paquetes
•Velocidad binaria variable estática y dinámicamente
•Posibilidad de múltiples conexiones simultáneas
•Incorporación de nuevas tecnologías:
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Turbo-códigos
Antenas adaptativas
Detección multiusuario
Características
- Diversidad de interferencia
- Necesidad de control de potencia muy preciso
- Compromiso capacidad-cobertura
-Traspaso con continuidad (soft handover)
-Aprovechamiento de la actividad discontinua de fuente
-Protección frente a multitrayecto (receptorRak e)
-Codificación de canal de muy baja tas
9. SISTEMA WIMAX (WORLDWIDE INTEROPERABILITY FOR MICROWAVE
ACCESS)
WiMAX, siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access
(Interoperabilidad mundial para acceso por microondas), es una norma de
transmisión de datos que utiliza las ondas de radio en las frecuencias de 2,5 a
3,5 Ghz.
Es una tecnología dentro de las conocidas como tecnologías de última milla,
también conocidas como bucle local que permite la recepción de datos
por microondas y retransmisión por ondas. El protocolo que caracteriza esta
tecnología es el IEEE 802.16. Una de sus ventajas es dar servicios de banda
ancha en zonas donde el despliegue de cable o fibra por la baja densidad de
población presenta unos costos por usuario muy elevados (zonas rurales).
9.1 Características Básicas
El estándar 802.16 puede alcanzar una velocidad de comunicación de más de 100
Mbit/s en un canal con un ancho de banda de 28 MHz (en la banda de 10 a 66
GHz), mientras que el 802.16a puede llegar a los 70 Mbit/s, operando en un rango
de frecuencias más bajo (<11 GHz). Es un claro competidor de LMDS.
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WiMAX
802.16
Wi-Fi
802.11
Mobile-Fi
802.20
UMTS y
cdma2000
Velocidad 124 Mbit/s 11-54 Mbit/s 16 Mbit/s 2 Mbit/s
Cobertura 40-70 km 300 m 20 km 10 km
Licencia Si/No No Si Si
Ventajas Velocidad y
Alcance
Velocidad y
Precio
Velocidad y
Movilidad
Rango y
Movilidad
Desventajas Interferencias Bajo alcance Precio alto Lento y caro
Tabla 4 Características en las redes
Figura 45 Estructura WIMAX
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9.2 Capa Física
El estándar 802.16 de la IEEE está siendo desarrollado para un amplio rango de
frecuencias, un primer rango es el de las bandas licenciadas entre 10 y 66 [GHz].
El otro incluye bandas de libre uso y bajo licencia, comprendiendo frecuencias
entre 2 y 11 [GHz].
Para el primer rango de frecuencias, 10 a 66 [GHz], la necesidad de LOS es
prácticamente necesaria. El primer tipo de modulación implementado fue el SC
(single carrier), con lo cual la interfaz fue llamada WirelessMAN-SC. Para
aumentar la flexibilidad del uso del espectro, este tipo de interfaz soporta
duplexación en el tiempo y en la frecuencia (TDD y FDD respectivamente), ambos
tipos de transmisión a su vez soportan modulación y esquemas de codificación
adaptivos para cada SS. En el caso de FDD se provee de la capacidad de
comunicación full y half duplex.
El método de acceso de esta interfaz está basado en una combinación de TDMA y
DAMA. Esto porque en el enlace UL se divide en un número de time slots, el cual
es controlado por la capa MAC en la BS, y pudiendo variar para mejorar el
desempeño. Por otro lado el enlace DL usa TDM, la BS multiplexa la información
de todos los SSs dentro de un flujo de datos, por lo tanto la información de todos
los SSs es recibido por todos los SSs dentro del sector cubierto por la BS.
El desarrollo de interfaces aéreas en el rango de 2 a 11 [GHz] nació de la
necesidad de operar en condiciones de NLOS. Esto porque se espera llegar al
usuario residencial, por lo tanto el techo de éstos, donde se ubicara la antena del
CPE, puede estar demasiado bajo como para que exista LOS. Las interfaces de
aire especificadas son WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM, WirelessMAN-
OFDMA y WirelessHUMAN.
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La interfaz WirelessMAN-SCa corresponde a la versión que soporta NLOS de la
WirelessMAN-SC, el estándar 802.16-2004 define que debe soportar TDD o FDD;
uso de TDMA en ambos enlaces, UL y DL; uso de codificación FEC en los enlaces
UL y DL, entre otras especificaciones.
La interfaz WirelessMAN-OFDM está basado en OFDM, ver sección F.1 del
anexo, con 256 puntos. Usa acceso TDMA y su uso es obligatorio en bandas no
licenciadas. Se planea utilizar principalmente para el despliegue de accesos fijos,
donde los SSs están desplegados dentro de hogares y empresas. Esta interfaz
soporta subcanalización, 16 subcanales, en el enlace UL; también tiene la
capacidad de realizar transmisiones TDD y FDD; soporta distintos niveles de
modulación, desde BPSK hasta 64QAM; por último, en forma opcional, soporta
diversidad de transmisión en el enlace DL a través del uso de STC (Space Time
Coding) y AAS con SDMA.
En el caso de WirelessMAN-OFDMA se utiliza, como lo dice su
nombre, OFDMA con 2048 puntos como técnica de acceso. En esta interfaz se
asignan grupos de subportadoras a cada SS. Por requerimientos de propagación
este tipo de interfaz soporta AAS. Esta interfaz además de las características de la
interfaz anterior tiene la capacidad de utilizar sistemas MIMO (Multiple Input
Multiple Output). En [1] se específica que para las bandas licenciadas los anchos
de banda no podrán ser menor a 1 [MHz].
Por último está la interfaz WirelessHUMAN, la cual está centrada en el uso de
bandas de frecuencias entre los 5 y 6 [GHz], su creación responde a la necesidad
de reglamentar el uso de esta banda y poder hacerla compatible con el estándar
802.11a. Las características son básicamente las mismas a las mencionadas en
las interfaces anteriores, salvo que sólo soporta transmisiones TDD.
9.3 Capa MAC (Medium Access Control)
Esta capa provee la función de interfaz de medio independiente para la capa
Física. Dado que la capa Física de WiMAX es inalámbrica, la capa MAC se centra
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en administrar en forma eficiente los recursos de la interfaz de aire. El protocolo
MAC fue diseñado, desde un principio, para soportar aplicaciones punto a
multipunto (PMP) de banda ancha, tanto en el enlace DL como en el UL, y
modelos con arquitectura mesh. Además soporta servicios de distintos
requerimientos, desde voz sobre IP (VoIP) hasta transmisión de datos sobre IP, a
los cuales se les exigirán distintos niveles de QoS.
A la vez el protocolo MAC debe soportar diversas tecnologías en el backhaul, que
conectará las BS con el núcleo de la red, incluyendo ATM y protocolos basados en
el concepto de paquetes. Es por esto que en la parte superior de la capa MAC se
encuentra una subcapa de convergencia.
La seguridad es un elemento importantísimo en cualquier tipo de comunicación, y
más aún en redes inalámbricas en donde el medio de propagación no se puede
controlar y puede ser fácilmente intervenido, es por lo cual dentro de la capa MAC
existe una subcapa de seguridad que permite la autentificación, tanto para el
acceso a la red como para el establecimiento de una conexión, permitiendo
además la encriptación de datos.
9.4 Calidad de Servicio y Gestión de la Movilidad
Tiene un mecanismo para soportar secure seamless (continuas) handovers para
aplicaciones móviles tolerables a retardo como VoIP. El sistema también tiene
mecanismo de soporte que extiende el tiempo de batería de dispositivos portátiles
Las estaciones bases son las encargadas de proveer el control, y principalmente
se establecen 5 conexiones distintas mostradas en la tabla.
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Tabla 5 Servicio y Calidad QoS
Estándar 802.16
Este fue el estándar original y fue completado en diciembre del 2001. Utiliza un
espectro licenciado en el rango de 10 a 66 GHz. Necesita Línea de visión directa
(LOS) entre antena y equipo suscriptor y soporta Calidad de Servicio.
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BIBLIOGRAFÍA
ROLDÁN, David. ―Comunicaciones Inalámbricas‖, Editorial: Alfaomega-Ra-Ma
Edición: 2005.ISBN: 970-15-1078-X
Tranter, William H., "Principles of communication systems simulation with wireless
applications",Upper Saddle River [New Jersey] Prentice Hall cop. 2004
William C. Y. Lee , "Mobile Communications Engineering: Theory and
Applications", McGraw-Hill Professional; (ISBN: 0-0703-7103-2)
Rappaport, Theodore S., "Wireless communications principles and practice",
Upper Saddle River[New Jersey] Prentice Hall cop. 2002
Jeffrey Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed, "Fundamentals of WiMAX",
Pearson (ISBN:978-0-132-22552-6)