“SUBSISTEMA DE RADIO DEL SISTEMA MOVIL GLOBAL”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA P R E S E N T A N:
JORGE PINEDA ROMERO ADAN RIVERA SENIL
MÉXICO, D.F. 2008
Agra Agra Agra
Agrade de de decimientos: cimientos: cimientos: cimientos:
Esta tesina está dedicada a mis Padres Manuel Pineda Bazan y Maria del Manuel Pineda Bazan y Maria del Manuel Pineda Bazan y Maria del Manuel Pineda Bazan y Maria del Refugio Romero Montaño,
Refugio Romero Montaño, Refugio Romero Montaño,
Refugio Romero Montaño, quienes agradezco de todo corazón su cariño e infinito apoyo.
Agradezco a mis hermanos Luis Manuel, Alberto, Leticia y Maricarmen, Luis Manuel, Alberto, Leticia y Maricarmen, Luis Manuel, Alberto, Leticia y Maricarmen, por la Luis Manuel, Alberto, Leticia y Maricarmen, compañía y la comprensión que me brindan. Sé que cuento con ellos siempre.
Agradezco a Dios por llenar mi vida de dicha y bendiciones.
Agradezco a los amigos por su confianza y lealtad.
Agradezco a mis maestros por su disposición y ayuda brindada.
Agradezco a todas aquellas personas que colaboraron directa o indirectamente en la elaboración de esta tesina.
Jorge Pineda Romero
Jorge Pineda Romero
Jorge Pineda Romero
Jorge Pineda Romero
A mis padres, a mis amigos, a mis profesores,…,a la vida.
El llegar al final de un proceso es difícil, unos dicen que se necesita capacidad, otros dicen que se necesita tenacidad, pero hoy que culmino mi Ingeniería agradezco infinitamente a:
Adán Rivera Jurado (mi padre).
Silvia Senil Cortés (mi madre).
Si ellos no me hubieran concebido, no conocería la educación, la moral, la ética,… la vida.
Brenda Yazmín Rivera Senil (mi hermana).
Ismael Lara López (mi amigo).
Jorge Pineda Romero (mi amigo).
Guillermo Nuñez Rea (mi amigo)
Mis confidentes, mis paños de lágrimas…
Víctor Flores García (profesor).
Efrén Pérez Carmona (profesor).
Rosa Virgen Sánchez Maya (profesora).
Osvaldo López (profesor) Ricardo Vázquez (profesor).
Los catedráticos que me mostraron el fantástico mundo de la telefonía celular...
Agradezco a todas y cada una de las personas que han estado conmigo durante estos 25 años, desafortunadamente son pocas líneas y tantas emociones…
Adán Rivera Senil
Índice temático
Capítulo 1. Antecedentes de la telefonía celular.
1.1. La primera generación de la telefonía móvil ...9
1.1.1 Advanced Mobile Phone System (AMPS) ...11
1.1.2 Nordic Mobil Telecommunications (NMT) 450/900 ...11
1.1.3 Total Access Communications System (TACS) 900 ...13
1.2. La segunda generación de la telefonía móvil ...14
1.2.1 Global System for Mobile communications (GSM) ... 15
1.2.2 Digital - AMPS ...15
1.2.3 Code Division Multiple Access Interim Standard-95 (CDMA IS-95) ...17
1.3. Evolución de la segunda generación de la telefonía móvil ...12
1.3.1 General Packet Radio Service (GPRS – 2.5G) ... 18
1.3.2 Enhanced Data rates for GSM of Evolution (EDGE – 2.75G) ... 20
1.4. Evolución de cdmaOne hacia 3G ... 21
1.5. La tercera generación de la telefonía móvil ... 21
1.5.1 International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) ... 23
1.5.2 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) ... 24
Capítulo 2. Arquitectura de la red celular.
2.1 Características básicas de los sistemas celulares ... 26
2.2 Rehusó de frecuencias ...27
2.2.1 Interferencia co-canal ... 30
2.2.2 Interferencia entre canales adyacentes ...31
2.3 Técnicas de acceso múltiple ...31
2.3.1 Frequency Division Multiple Access (FDMA) ... 32
2.3.2 Time Division Multiple Access (TDMA)... 33
2.3.3 Code Division Multiple Access (CDMA) ... 33
2.4 Movilidad de los abonados ... 35
2.4.1 Handoff ... 35
2.4.1.1 Hard Handoff ... 36
2.4.1.2 Soft Handoff ... 36
2.5 Roaming ... 36
Capítulo 3. Subsistema de radio del sistema GSM.
3.1 Arquitectura de la red GSM ...38
3.1.1 Mobile Station (MS)...39
3.1.2 Base Transceiver Station (BTS) ...43
3.1.3 Base Station Controller (BSC) ...43
3.1.4 Mobile Switching Center (MSC) ...44
3.1.5 Home Location Register (HLR) ...44
3.1.6 Visitor Location Register (VLR) ...45
3.1.7 Authentication Center (AuC) ...46
3.1.8 Equipment Identity Register (EIR) ...46
3.2 Subsistemas de la red GSM ...47
3.3 Subsistema de radio del sistema GSM ...48
3.3.1 Interfaz de radio Um ...49
3.3.2 Interfaz A-bis entre la BSC y la BTS ...60
3.3.3 Interfaz A entre la MSC y el BSS ...64
Capitulo 4. Conclusiones ... 68
Acrónimos ... 69
Bibliografía ... 73
Índice de figuras
Tabla 1.1 Tecnologías de la 1er. generación de la telefonía móvil...14
Tabla 1.2 Velocidades y tipo de conmutación en los sistemas 2G y 3G ...22
Figura 2.1 Célula de un sistema móvil ...26
Figura 2.2 Reuso de frecuencia ...26
Figura 2.3 Distancia de reuso ...29
Figura 2.4 Interferencia co-canal ...30
Figura 2.5 Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA) ...32
Figura 2.6 Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) ...33
Figura 2.7 Acceso Múltiple por División de Códigos (CDMA) ...34
Figura 3.1 Arquitectura de la red GSM ...39
Figura 3.2 Elementos de una estación móvil para GSM ...39
Figura 3.3 Subsistemas de la red GSM ...47
Tabla 3.1 Interfaces del sistema GSM ...48
Figura 3.4 Pila de protocolos usada en el subsistema de radio de GSM ...49
Figura 3.5 Estructura del mensaje RIL3 ...50
Figura 3.6 Trama LAPDm ...52
Figura 3.7 Campo de direccionamiento de la trama LAPDm ...52
Tabla 3.2. Valores de C/R para LAPD ...51
Figura 3.8 Estructura de la trama TDMA ...56
Figura 3.9 Estructura del Time Slot ...56
Figura 3.10 Estructura del TCH ...57
Figura 3.11 Estructura de la interfaz A-bis ...61
Figura 3.12 Estructura del protocolo RSM ...61 Figura 3.13 Estructura de la trama LAPD ...62 Figura 3.14 Conexiones del BSSAP ...65
Capítulo 1
“Antecedentes de la telefonía celular”
En 1971, la industria de la computación entra a una nueva era. Los microprocesadores eran capaces de realizar cualquier tipo de tarea, por compleja que esta sea.
La tecnología de los circuitos integrados a grande escala logra reducir el enorme tamaño de los transceptores móviles haciendo posible que éstos puedan caber en un automóvil. Todos estos avances ayudaron a desarrollar sistemas de telefonía móvil más avanzados permitiendo el consumo masivo, al reducir el costo y tamaño de los teléfonos celulares.
A finales de la década de los sesenta, se tenían sistemas en las bandas de 150MHZ y 450 MHz con operación en ambos sentidos, búsqueda automática de canales y marcación hacia la estación móvil.
En 1978 la FCC (Federal Communications Commision-Comisión Federal de Comunicaciones) seleccionó la banda de 800MHz para los sistemas celulares, debido a que el espectro en las bandas de más baja frecuencia se encontraba ocupado por servicios como la televisión, radio en FM (Frequency Modulation-Modulación en Frecuencia), radiocomunicación móvil, entre otros.
Todos los sistemas celulares tienen en común la utilización de una interfaz de radio analógica, que se rige bajo ciertas especificaciones públicas.
En Estados Unidos el primer sistema celular utilizado fue el AMPS (Advanced Mobile Phone System-Sistema Telefónico Móvil Avanzado), mientras que en los países europeos se han utilizado el NMT (Nordic Mobil Telecommunications-Telecomunicaciones Móviles Nórdicas) y el TACS (Total Access Communications System-Sistema de Comunicaciones de Acceso Total).
El sistema NMT450 surge como un servicio normalizado en los países escandinavos (Suecia- Noruega-Dinamarca-Islandia) en el año 1981, fue un sistema ideal para cubrir una gran extensión de terreno con poca inversión. El NMT900 utiliza la banda de frecuencias de 900MHz y permitía un mayor número de canales.
El sistema TACS900 deriva del AMPS y fue adoptado en Inglaterra en el año 1985.Mediante éste se obtenía una mejor calidad del servicio, al mismo tiempo que mejoraba la relación señal/ruido por tener una mayor anchura del canal.
1.1 Primera generación de la telefonía móvil.
Los primeros sistemas analógicos están dentro de la primera generación de los sistemas de telefonía móvil. Antes de que toda la telefonía móvil fuera pensada, las primeras redes comerciales ya estaban instaladas en Estados Unidos en los años 40 mientras que en Europa no estuvieron disponibles hasta los años 50. La mayoría de los procesos no eran automáticos, se operaban con diferentes áreas de llamadas y los terminales requerían de un alto poder de transmisión. Estos sistemas tenían una baja capacidad y eran muy caros de usar, así que el número de usuarios era muy selecto. El punto de inflexión llegó a finales de los años 70 y principios de los años 80 con la introducción de la concepción celular y la introducción de la telefonía móvil llegando a estar disponible para un número mayor de usuarios. A partir de aquí numerosos estándares fueron surgiendo a nivel mundial pero con un cierto desorden porque cada país o grupo de pequeños países tenían su propio estándar.
Los sistemas celulares fueron creados por los laboratorios Bell (AT&T) hace unos cincuenta años.
Un sistema celular se forma al dividir el territorio al que se pretende dar servicio, en áreas pequeñas o celdas (normalmente hexagonales), de menor o mayor tamaño, cada una de las cuales está atendida por una estación de radio. A su vez las células se agrupan en “clústers” o grupos, de forma que el espectro de frecuencias se pueda utilizar en cada célula nueva, teniendo cuidado de evitar las interferencias.
Las estructuras que permiten la cobertura de una zona determinada son configuraciones a modo de panal de abejas basadas en un número variable de células como pueden ser 4, 7, 12 o 21 células. El número total de canales por célula se obtiene con la siguiente fórmula:
Al ser menor el tamaño de las células mayor será el número de canales que soporte el sistema. El desarrollo de la primera generación tiene su fin en 1994 a partir del cual se comenzó con el desarrollo de la segunda generación.
1.1.1 Advanced Mobile Phone System (AMPS)
El origen de AMPS data de 1974, cuando la FCC asignó 40 MHz (20-20) del espectro para comunicaciones móviles celulares. AT&T obtuvo la licencia para operar el servicio de manera experimental. En 1989 la FCC añadió 10MHz resultando los 25+25 MHz, lo que permitió 166 nuevos canales para voz.
AMPS emplea la técnica FDMA (Frequency Division Multiple Access-Acceso Múltiple por División de Frecuencia) con una separación dúplex de 45MHz y canales de 30KHz, consiguiendo un total de 666 canales dúplex, de los cuales 624 se usaban para conversación y los otros 42 para control.
Posteriormente, el rango de frecuencias se amplió para conseguir 832 canales (790+42).
Los 832 canales de AMPS eran dobles, es decir se tenían 832 canales simples para el enlace de bajada (del móvil a la estación base) y otros 832 canales simples para el enlace de subida (de la estación base al móvil). Los canales que transmitían hacia la radiobase operaban en el rango de 824-849 MHz y los canales que recibían de la radiobase operaban en el rango de 869-894MHz.
AMPS y los sistemas telefónicos móviles del mismo tipo, dividen el espacio geográfico en celdas, de tal forma que las celdas adyacentes nunca usan las mismas frecuencias, para evitar interferencias. La estación base de cada celda emite con una potencia relativamente pequeña, frente a las centenas de watts de los sistemas telefónicos mejorados. La potencia emitida es más pequeña si las celdas son más pequeñas. Un pequeño tamaño de celda favorece también la reutilización de frecuencias y aumenta la capacidad del sistema. Sin embargo, también se requiere mayor número de estaciones base y por tanto mayor inversión.
Un problema muy común se presenta cuando el usuario cambia de celda mientras está hablando.
AMPS logra mantener la comunicación activa siempre y cuando haya canales disponibles en la celda en la que se entra. Esta transferencia de celda o handoff se basa en analizar la potencia de la señal emitida por el móvil y recibida en las distintas estaciones base y es coordinada por la MTSO (Mobile Telephone Switching Office – Oficina de Conmutación de Telefonía Móvil).
El Advanced Mobile Phone Service fue ampliamente utilizado en Estados Unidos, Canadá y varios países de Sudamérica, Australia y China. AMPS no estaba diseñado para manejar las demandas de gran capacidad del mundo moderno.
A principios de la década de los 90 Motorola desarrolla NAMPS (Narrowband AMPS) que es una variante de AMPS. El espacio de canal es reducido lo que incrementa la eficiencia en frecuencia en un factor de 3. Este estándar es compatible con AMPS así que hace posible que se siga usando las redes existentes y las infraestructuras instaladas El uso de NAMPS fue limitado porque la reducción del canal incrementó el precio de los terminales. Las redes de este tipo estaban en uso a finales de 1996 con más de un millón de subscriptores. Sin embargo la mayoría de las redes son combinadas AMPS/NAMPS en las que solo una pequeña proporción de los canales han sido en realidad convertidos a NAMPS.
1.1.2 Nordic Mobil Telecommunications (NMT) 450/900
El servicio fue especificado hacia 1970 y entró en operación el 1 de Septiembre de 1981 en Arabia Saudita. Se desarrolló debido a los problemas de congestión de las redes de telefonía móvil existentes, como ARP (AutoRadioPuhelin-Teléfono de Radio para el Carro) en Finlandia.
El ARP fue la primera red de telefonía móvil comercial finlandesa. Dicho sistema se propuso en 1968 y se comenzó a construir en 1969. Fue lanzado en 1971 y tuvo una cobertura del 100% de Finlandia con 140 radiobases en 1978. ARP operaba en la frecuencia de los 150 MHz (80 canales en la banda de 147.9MHz-154.875MHz). La red fue cerrada en el año 2000.
El sistema NMT tiene dos versiones, una conocida como NMT 450 que opera en la banda de 450MHz, y otra llamada NMT 900 que lo hace en la de 900 MHz y proporciona mayor número de canales. La separación entre canales es de 25KHz (canalización banda estrecha) y la distancia dúplex de 10 MHz.
El NMT 450 es un sistema analógico multiplexado en frecuencia (FDMA) de banda estrecha, lo que significa que el ancho de banda disponible se divide en porciones de 25KHz constituyendo un semicanal. Hay que tener en cuenta que un canal completo dúplex consta de un semicanal estación base-móvil y de otro canal móvil-estación base. Es necesario que cada estación base use un juego de frecuencias diferente al de su colateral.
La norma NMT-900 fue introducida en 1986 porque podía utilizar más canales y más llamadas que la norma 450. Los principios técnicos de NMT estaban listos hacia 1973 y las especificaciones de las estaciones base hacia 1977. Las especificaciones eran gratuitas y abiertas, permitiendo a todas las compañías que lo desearan producir equipo NMT y bajar los precios.
El éxito de NMT significó para Mobira (el ancestro de Nokia) y Ericsson su despegue como compañías de la rama de telecomunicaciones.
Al principio, los teléfonos NMT eran transportables pero no portables, su utilización natural era a bordo de autos. Sin embargo los modelos más recientes eran tan pequeños que pesaban solamente 100gr. y medían apenas 100mm.
La red fue inaugurada en Suecia y Noruega en 1981, y en Dinamarca y Finlandia en 1982. Islandia se unió en 1986. La red NMT fue usada en Escandinavia, Holanda, Hungría, Eslovenia, Croacia, Bosnia, Rusia, Oriente medio y Asia.
La introducción de las redes digitales como GSM (Global System for Mobile communications – Sistema Global para comunicaciones Móviles) ha significado el ocaso de NMT. En algunos países todavía opera esta red debido a sus propiedades de propagación superiores a las de GSM ya que a más baja frecuencia sufre menos atenuación la onda radioeléctrica.
Las celdas de las redes NMT son de igual o mayor tamaño que las de GSM: de 2 a 30 Km, en vez de cinco. Cabe recordar que entre más pequeña sea la celda mas usuarios se pueden atender.
NMT era un sistema full-duplex por lo que era posible transmitir y recibir al mismo tiempo.
Las versiones para automóvil usaban potencias de 15W (NMT-450) o bien 6W (NMT-900).
NMT tenía algunas propiedades como el discado automático y el handover (pasaje automático de una estación base a otra sin intervención del usuario). NMT especificaba la facturación y permitía usar las redes de otros operadores en el extranjero (roaming).
NMT no tenía cifrado de las comunicaciones, lo que era una desventaja ya que cualquier persona equipada de un scanner podía escuchar las conversaciones de los clientes. NMT también podía transferir datos en un modo llamado DMS (Data Messaging Service); o bien NMT-Text, que usaba el canal de señalización (digital) para transferir datos; es el ancestro del SMS, las velocidades iban entre 600 y 1200 bits por segundo utilizando modulación FSK (Frequency Shift Keying-Modulación por desplazamiento de frecuencia).
Otro método de transferencia de datos, el NMT Mobidigi, permitía velocidades de transferencia de 380 bits por segundo y necesitaba equipo externo.
1.1.3 Total Access Communications System (TACS) 900
El gobierno inglés anunció un sistema celular conocido como TACS (Total Access Communications System) en Junio de 1982. El sistema TACS 900 es analógico multiplexado en frecuencia (FDMA), pero tiene mejor calidad de audio así como una mejor conmutación al pasar de una a otra célula, ya que la señalización se realiza fuera de banda.
TACS 900 emplea la banda de 900MHz y cada MHz del ancho de banda se divide en 40 semicanales de 25KHz, resultando 1000 o 1320 canales que son útiles para cubrir áreas urbanas de los cuales 600 ya estaban asignados y 400 funcionaban bajo reservación.
La E/Extensión implica una ampliación del rango de frecuencias empleado. Las comunicaciones son analógicas, pero el control de la red es digital ya que cuenta con señalización FSK, 20Kbits, tonos de supervisión de audio SAT (Supervisory Audio Tone-Tono de Supervisión de Audio) y de señalización SAT de 8kHz.
Otros sistemas celulares fueron implementados en diversos países con características similares a los mencionados, pero los sistemas celulares más utilizados de esa época fueron el AMPS, TACS, NMT y NTT. Todos estos sistemas forman parte la primera generación de la telefonía celular.
La tabla 1 muestra las características de los diferentes sistemas celulares implementados dentro de la primera generación de la telefonía móvil.
Tabla 1.1 Tecnologías de la 1er generación de la telefonía móvil.
Parámetros AMPS TACS NMT NTT
Frecuencia de transmisión (MHz) Base
Móvil
870-890 825-845
935-960 890-915
463.5-467.5 453-457.5
870-885 925-940 Espacio entre frecuencias Tx/Rx (MHz) 45 45 10 55
Espacio entre canales (KHz) 30 25 25 25
Número de canales 882 1000 180 600
Cobertura radiobase (km) 2-25 2-20 1.8-40 5-10 Velocidad de transmisión (Kbps) 10 8 1.2 0.3
1.2 La segunda generación de la telefonía móvil.
Debido a las ineficiencias del FDMA empleado en la primera generación (1G) de la telefonía celular, se propusieron nuevas alternativas para incrementar la cantidad de usuarios simultáneos en una celda.
Aparece diez años después TDMA (Time Division Multiple Access-Acceso Múltiple por División de Tiempo) y CDMA (Code Division Multiple Access-Acceso Múltiple por División de Código) como tecnologías predominantes de esta segunda generación (2G). La 2G se caracteriza por ser digital, en vez de analógica como la 1G, es decir, digital porque los aparatos móviles y las radio bases eran capaces de modular y codificar de manera digital, aunque las señales en el aire siguen y seguirán siendo analógicas. La digitalización trajo consigo la reducción del tamaño, costo y consumo de potencia en los dispositivos móviles, esto permitió que las baterías que alimentan a los celulares tengan más horas de duración. Otros de los beneficios de la digitalización en la telefonía celular, son nuevos servicios tales como identificador de llamada, envío de mensajes cortos (SMS), mensajes de voz, conferencia tripartita, etc.
Una nueva banda de frecuencias fue abierta para permitir estos servicios y nuevos competidores.
La banda de 1.9 GHz (1850-1990MHz) conocida como PCS (Personal Communications Service- Servicio de Comunicaciones Personales) abrió nuevas expectativas para los usuarios y muchas
compañías telefónicas tomaron dicho término para sus campañas publicitarias. En PCS están encasilladas tres tecnologías básicamente: GSM, TDMA IS-136 y CDMA IS-95.
1.2.1 Global System for Mobile communications (GSM)
Europa comenzó la era de la telefonía con 5 interfaces de aire analógicas e incompatibles entre sí.
Para estandarizar todos estos sistemas en uno sólo, con roaming transparente en todos los países, se crea GSM (Global System for Mobile communications) por el organismo CEPT (Conférence Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications-Conferencia Europea de Administraciones de Correos y Telecomunicaciones). En 1982 la comisión europea emite una orden en la cual sugiere a los países miembros reservar la banda de 900 MHz para GSM. En 1985, el CCITT creó una lista de recomendaciones técnicas para el sistema GSM. En la actualidad las especificaciones GSM son responsabilidad de la ETSI (European Telecommunications Standards Institute-Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones).
La mayoría de los sistemas basados en GSM operan en la banda de 900 MHz y 1.8 GHz excepto en Norteamérica donde se opera en la banda de 1.9 GHz. El sistema celular GSM 1900 ha estado operando en los Estados Unidos desde 1996.
GSM usa una combinación de FDMA y TDMA en un espectro total de 25 MHz. FDMA divide esos 25 MHz en 124 frecuencias portadoras de 200 KHz cada una. Cada canal de 200 KHz es entonces dividido en 8 ranuras de tiempo utilizando TDMA. Bajo este esquema los sistemas GSM soportan velocidades de hasta 9.6 Kbps.
En la actualidad GSM es la tecnología celular con mayor penetración a nivel mundial, con mas de 400 operadores en más de 170 países y superando los 650 millones de usuarios.
1.2.2 Digital – AMPS
En 1990 nace D-AMPS (Digital AMPS) conocido ADC (American Digital Cellular), NADC (North American Digital Cellular) o USDC (U.S. Digital Cellular). D-AMPS es el nombre comercial de los sistemas digitales IS-54 (Interim Standard-54) e IS-136 (Interim Standard-136); éste último opera
en la banda de 1900 MHz asignada a los sistemas PCS. Ambos sistemas de telefonía celular se emplearon en América como evolución y sustitución del sistema analógico AMPS. TDMA IS-54 fue liberado por la TIA (Telecommunications Industry Association-Asociación de la Industria de Telecomunicaciones) a principios de 1991. IS-54 emplea la misma banda de frecuencias y la misma separación de canales (30KHz) que AMPS, pero emplea TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo) en lugar de FDMA y usa codificadores de 8kbps que ofrecen 6 veces más capacidad que su antecesor. Con TDMA cada canal se divide en tres intervalos de tiempo. Los suscriptores con unidades móviles sólo pueden mantener un canal mientras lo están usando ya que durante las pausas u otras interrupciones normales de una conversación, otras unidades móviles pueden usar el canal.
La arquitectura de D-AMPS se compartió con el servicio analógico de AMPS, ya que ambos operaban en la banda de 800 MHz, por lo que las estaciones base y las unidades móviles se podían equipar con canales tanto AMPS como USDC. Cabe hacer mención que D-AMPS introdujo la posibilidad de transmitir datos y facsímil, además de que utiliza sistemas de cifrado (encriptación) y codificación CMEA o LPC. LPC (Linear Predictive Coders) es útil para señales que pueden modelarse como un sistema lineal ya que se basa en la estimación lineal de la fuente.
En 1994, la FCC anunció la asignación de espectro para PCS en la banda de 1900 MHz. TDMA IS-136 es basado en la especificación IS-136, la cual es una revisión de la versión original IS-54.
TDMA IS-136 divide el ancho de banda de canal de 30 KHz en tres ranuras de tiempo. El estándar IS-136 añadió nuevas capacidades como el servicio de mensajes cortos SMS, el establecimiento de circuitos de datos CSD y mejoras en el protocolo de compresión, que permitieron velocidades de hasta 9.6 Kbps. Las redes IS-136 más destacadas fueron las de AT&T y U.S. Cellular en los Estados Unidos y la de Roger Wireless en Canadá.
La arquitectura y las prestaciones del sistema D-AMPS son similares a la de GSM y todos los componentes como el MSC/VLR, HLR, BSC, BTS, etc., son los mismos.
D-AMPS ha finalizado su vida comercial para dar paso a sistemas como GSM, IS-95 o UMTS (Universal Mobile Telecommunications System-Sistema de Telecomunicaciones Móviles Universales).
1.2.3 Code Division Multiple Access Interim Standard-95 (CDMA IS-95)
CDMA es una forma particular de la tecnología conocida como espectro esparcido (spread spectrum) y data de los años 40’s y era usada para comunicaciones militares por su inmunidad a la interferencia y alta seguridad. En los 70’s y 80’s fue creciendo el interés en aplicaciones comerciales, principalmente en telefonía celular. A finales de los 80’s y principios de los 90’s, la compañía Qualcomm desarrolló un sistema celular basado en CDMA. En 1993 el sistema de Qualcomm fue modificado y adoptado por la TIA bajo el nombre Interim Standard 95 (IS-95) conocido también como cdmaOne. Muchos operadores adoptaron este estándar en las bandas de 800 y 1900 MHz. En 1995 finalmente fue el lanzamiento del primer sistema comercial basado en CDMA IS-95A en Hong Kong por el operador Hutchison Telecom. CDMA IS-95 (cdmaOne) soporta servicios de datos en conmutación de circuitos a velocidades de 9.6 Kbps a 14.4 Kbps. El protocolo IS-95A soporta velocidades de hasta 14.4 Kbps. El protocolo IS-95B (basado en conmutación de paquetes), el cual es un paso transicional hacia la siguiente generación, ofrece velocidades de datos de hasta 64 Kbps manteniendo compatibilidad hacia atrás con los sistemas existentes de IS-95A. Con CDMA se incrementa la capacidad del sistema de 10 a 15 veces comparado con AMPS y más de tres veces comparado con los sistemas basados en TDMA, ya que utiliza un espectro de 1.25 MHz que es compartido para todos los usuarios. A parte de la eficiencia en espectro, CDMA ofrece capacidades de seguridad y privacidad al incorporar un sistema criptográfico de autenticación. En la actualidad los usuarios de CDMA suman más de 100 millones en el mundo.
1.3 Evolución de la segunda generación de la telefonía móvil
Fabricantes y operadores celulares han estado trabajando intensamente para desarrollar nuevas tecnologías para la siguiente generación de los sistemas inalámbricos. La decisión inicial de escoger la tecnología de acceso múltiple es muy importante, ya que de esta depende la rápida implantación de la tecnología al menor costo.
El moverse de una generación a otra (2G a 3G, por ejemplo) implica en la mayoría de los casos una nueva infraestructura de red para la nueva interfaz de aire, planeación de radio bases y modificaciones al corazón y espina dorsal de la red. Esto implica el desembolso de grandes sumas
de dinero por parte de los inversionistas y cuya recuperación retornará en muchos años, si es que los planes de negocios son los adecuados. Los operadores cuya tecnología está basada en CDMA comentan que su migración a la siguiente generación será menos costosa que los sistemas basados en TDMA/GSM. Es por eso que los operadores bajo TDMA optaron por hacer una transición más suave al implementar servicios de datos con redes de conmutación de paquetes a velocidades de 115 Kbps (GPRS, General Packet Radio Service-Servicio General de Radio por Paquetes) y 384 Kbps (EDGE, Enhanced Data rates for GSM of Evolution-Tasas de Datos Mejoradas para la evolución de GSM). A esta transición suave se le conoce como generación 2.5G y 2.75G respectivamente. Estos sistemas pueden aprovechar mucha de la infraestructura existente de la 2G para ofrecer nuevos servicios de datos.
1.3.1 General Packet Radio Service (GPRS – 2.5G)
Es un servicio de datos móvil orientado a paquetes. Está disponible para los usuarios del Sistema Global para Comunicaciones móviles (GSM), así como para los teléfonos móviles que incluyen el sistema IS-136. GPRS se puede utilizar para servicios tales como WAP (Wireless Access Protocol- Protocolo de Acceso Inalámbrico), SMS (Short Message Service-Servicio de Mensajes Cortos), Internet, correo electrónico, oficina móvil, telemetría, etc. La transferencia de datos de GPRS se cobra por megabyte de capacidad, mientras que la comunicación de datos a través de conmutación de circuitos tradicionales se factura por minuto de tiempo de conexión, independientemente de si el usuario utiliza o no el canal.
El acceso al canal usado en GPRS se basa en TDMA y en divisiones de frecuencia dúplex; esto implica que durante la conexión, a cada usuario se le asigna un par de canales de frecuencia, uno para subida y otro para bajada. Esto se combina con la multiplexación estadística en el dominio del tiempo, permitiendo a varios usuarios compartir el mismo canal de frecuencia.
Que la conmutación sea por paquetes permite la compartición de los recursos de radio. Un usuario GPRS sólo usará la red cuando envíe o reciba un paquete de información. Todo el tiempo que esté inactivo podrá ser utilizado por otros usuarios para enviar y recibir información. Esto permite a los operadores dotar de más de un canal de comunicación sin miedo a saturar la red, de forma que mientras que en GSM sólo se ocupa un canal de recepción de datos del terminal a la red y otro
canal de transmisión de datos desde la red al terminal, en GPRS es posible tener terminales que gestionen cuatro canales simultáneos de recepción y dos de transmisión.
El primer estándar de GPRS se debe al ETSI; soportaba IP (Internet Protocol-Protocolo de Internet), P2P (Peer To Peer-Punto a Punto), así como las conexiones del X25. Actualmente se utiliza IPv4 (IP en su versión 4), puesto que IPv6 (IP en su versión 6) aún no tiene implantación suficiente y en muchos casos los operadores no lo ofrecen. Para asignar la dirección IP se utiliza DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol-Protocolo Dinámico de Configuración del Host), por lo que las direcciones IP de los equipos móviles son dinámicas.
Desde el punto de vista del operador de telefonía móvil, es una forma sencilla de migrar la red desde GSM a una red UMTS puesto que las antenas (la parte más cara de una red de Telecomunicaciones móviles) sufren ligeros cambios.
La tecnología GPRS mejora y actualiza a GSM con los servicios siguientes:
Servicio de mensajes multimedia (MMS).
Mensajería instantánea.
Aplicaciones en red para dispositivos a través del protocolo WAP.
Servicios P2P utilizando el protocolo IP.
Servicio de mensajes cortos (SMS).
Posibilidad de utilizar el dispositivo como módem USB.
Acceder con facilidad a la intranet corporativa.
Existen tres clases de dispositivos móviles teniendo en cuenta la posibilidad de usar servicios GSM y GPRS simultáneamente:
Clase A. Las estaciones móviles de este tipo permiten al usuario utilizar tanto una conexión por conmutación de circuito como una por conmutación de paquetes con el máximo rendimiento posible.
Clase B. Sólo pueden estar conectados a uno de los dos servicios en cada momento.
Mientras se utiliza un servicio GSM (llamadas de voz o SMS), se suspende el servicio
GPRS, que se reinicia automáticamente cuando finaliza el servicio GSM. La mayoría de los teléfonos móviles son de este tipo.
Clase C. Se conectan alternativamente a uno u otro servicio. El cambio entre GSM y GPRS debe realizarse de forma manual.
Los nuevos estándares basados en IS-136 como IS-136+ y IS-136HS permiten transmisiones a mayores velocidades de información; tal es el caso de EDGE, que pretende mejorar la capacidad del canal soportando velocidades de hasta 384 Kbps con los mismos 200 Khz definidos en las redes GSM.
1.3.2 Enhanced Data rates for GSM of Evolution (EDGE – 2.75G)
A esta tecnología también se le conoce con el nombre de EGPRS (Enhanced GPRS-GPRS mejorado). Es una tecnología de la telefonía móvil celular, que actúa como puente entre las redes de Segunda y Tercera generación. Aunque EDGE funciona con cualquier GSM que tenga implantado GPRS, el operador debe implantar las actualizaciones necesarias; además no todos los teléfonos móviles soportan esta tecnología.
EDGE puede ser usado en cualquier transferencia de datos basada en conmutación por paquetes, como lo es la conexión a Internet. Los beneficios de EDGE sobre GPRS se pueden ver en las aplicaciones que requieren una velocidad de transferencia de datos, o ancho de banda alto, como video y otros servicios multimedia. EDGE se auxilia de GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying- Modulación por Desplazamiento Gausiano Mínimo) y 8PSK (8-Phase Shift Keying-Modulación por Desplazamiento de 8 Fases).
EDGE fue el próximo paso en la evolución de GSM y TDMA. El objetivo de esta nueva tecnología era el de ofrecer tasas de transmisión superiores, mejor eficiencia espectral, facilitar nuevas aplicaciones y mayor capacidad para el usuario móvil. Con la introducción de EDGE en GSM fase 2+, servicios existentes como GPRS y HSCSD son mejorados al ofrecer una nueva capa física.
EDGE es introducido dentro de las especificaciones y descripciones existentes en lugar de crear nuevas.
Al implementar EDGE el sistema será capaz de alcanzar tasas de 384 Kbps y teóricamente 473.6 Kbps. EDGE sólo introduce una nueva técnica de modulación y una nueva codificación de canal que puede usarse indistintamente para transmitir servicios de voz y de datos por conmutación de paquetes y de circuitos. EDGE, por lo tanto, es un agregado a GPRS y no puede trabajar por separado. Con esto se pueden aumentar las aplicaciones pudiendo llegar a transferir archivos.
1.4 Evolución de cdmaOne hacia 3G
Las redes basadas en cdmaOne (IS-95A) de banda estrecha, evolucionaron primeramente hacia el sistema IS-95B y posteriormente hacia IS-95C.
La norma IS-95B ofrece una velocidad de 64 Kbps durante la operación del móvil. Esta velocidad de transferencia ya es adecuada para acceso a Internet y aplicaciones que requieran velocidades medias, particularmente en áreas de bajo tráfico. Este sistema mantiene la compatibilidad hacia atrás con los sistemas IS-95A
IS-95C también conocida como 1xRTT, IS-2000, cdma200-1X, emplea un canal de 1.25MHz de ancho de banda y ofrece una velocidad de 144 Kbps para aplicaciones móviles y estacionarias.
1xRTT duplica la capacidad de voz sobre las redes IS-95. Las principales diferencias entre la señalización IS-95 e IS-2000 son: se agregaron 64 canales más de tráfico sobre el enlace ascendente de manera ortogonal. La capa de enlace de datos permite el mejor uso de los servicios de datos IS-2000
1.5 La tercera generación de la telefonía móvil.
La primera y segunda generación de sistemas de comunicación móvil tuvieron como objetivo primordial dar soporte a comunicaciones de voz y aunque pueden ser usadas para transmitir datos a baja velocidad, no satisfacen los requerimientos de transmisión de grandes volúmenes de información a altas velocidades entre terminales inalámbricas y la red fija, necesarios para aplicaciones como videoconferencia, conexión a Internet, video y audio.
Los usuarios buscan acceso a servicios multimedia y transferencia de información lo que ha provocado la saturación en la capacidad de los sistemas, es decir la cantidad de usuarios que pueden compartir simultáneamente el ancho de banda es rebasada para mantener un novel de calidad adecuado.
Es tal el crecimiento de los sistemas de comunicaciones que el forum UMTS ha predicho que para el 2010 existirán 1.7 billones de usuarios a nivel mundial haciendo uso de servicios inalámbricos y que del total de usuarios móviles, el 45% estará inscrito a servicios de alta velocidad; sin embargo no existe una predicción exacta para mercado IMT-2000.
La tabla 2 muestra los diferentes sistemas, indicando la generación a la que pertenecen, así como su velocidad máxima de transmisión.
Tabla 1.2 Velocidades y tipo de conmutación en los sistemas 2G y 3G.
Tecnología Generación Tipo de transmisión
Velocidad máxima
TDMA IS-136 2G Conmutación
de circuitos 9.6Kbps
GSM 2G Conmutación
de circuitos 9.6Kbps
PDC 2G Conmutación
de circuitos 9.6Kbps
CDMA IS-95A 2G Conmutación
de circuitos 14.4Kbps
CDMA IS-95B 2G Conmutación
de paquetes 64Kbps
GPRS 2.5G Conmutación
de paquetes 115Kbps
EDGE 2.75G Conmutación
de paquetes 384Kbps CDMA2000 1X 2.5G Conmutación 144Kbps
de paquetes
CDMA200 3G Conmutación
de paquetes 2.0Mbps
WCDMA 3G Conmutación
de paquetes 2.0Mbps
1.5.1 International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000)
A finales de los 80’s la ITU (International Telecommunications Union-Unión Internacional de Telecomunicaciones) formó un grupo de trabajo con el objetivo de valorar y especificar los requisitos de las normas celulares del futuro para la prestación de servicios datos y multimedia a alta velocidad. A dicha iniciativa se le dio originalmente el nombre de FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications System-Futuros Sistemas de Telecomunicaciones Móviles Terrestres Públicos). Posteriormente fue renombrada como IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000-Telecomunicaciones Móviles Internacionales 2000).
La IMT-2000 constituye un marco para el acceso inalámbrico a escala mundial ya que permite conectar diversos sistemas de redes terrenales y por satélite. La IMT-2000 aprovecha el potencial que representan las tecnologías y sistemas móviles digitales de telecomunicaciones a favor de los sistemas fijos y móviles de acceso inalámbrico.
Los aspectos que deben ser cubiertos para considerar a un sistema como de tercera generación y ser interfase IMT-2000 son:
Calidad de voz comparable a la que ofrece una PSTN (Public Switching Telecommunications Network-Red Telefónica Pública Conmutada).
Velocidades de transmisión de datos de 144Kbps para usuarios en vehículos en movimiento viajando a una velocidad de 120 Km/h en ambientes exteriores.
Velocidades de transmisión de datos de 384Kbps para peatones que se encuentren en un solo lugar o bien moviéndose sobre áreas pequeñas.
Soporte para operaciones de 2.048Mbps en oficinas, es decir en ambientes estacionarios de corto alcance o en interiores.
Soporte para ambos servicios de datos: conmutación por paquetes y conmutación por circuitos.
Soporte IP para acceso a Internet como navegación, comercio electrónico, video y audio en tiempo real).
Una interfaz adaptada para las comunicaciones móviles de Internet que permita un ancho de banda más grande para enviar información que para recibir, contando así con un ancho de banda dinámico en función de la aplicación y de esta manera optimizar el espectro de frecuencia que se dispone.
Roaming internacional entre diferentes operadores y tipos de redes.
1.5.2 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)
UMTS constituye la visión europea de sistemas con capacidades 3G como parte de la familia de estándares IMT-2000. UMTS es la evolución lógica de la comunidad GSM a la tercera generación, por lo que es adoptado mayoritariamente en la Unión Europea.
En enero de 1998, el ETSI adoptó la tecnología W-CDMA (Wideband CDMA-CDMA de Banda Ancha) en modo FDD (Frequency Division Duplex-Duplexación por División de Frecuencia) y modo TDD (Time Division Duplex-Duplexación por División de Tiempo), cada una de estas tecnologías es diferente pero esta basada en tecnologías similares.
UMTS en la componente terrestre tiene una estructura jerárquica compuesta por tres tipos de celdas: macro celda, micro celda y pico celda con un mínimo de 5 MHz de ancho de banda por celda.
La macro celda tiene radios desde 1km hasta 35km y se usan para ofrecer cobertura rural y para vehículos u otros objetos que se mueven a alta velocidad (transmisión de datos a 114Kbps). La micro celda tiene radios desde 50m hasta 1km que ofrecen servicio a usuarios fijos o que se muevan lentamente con elevad densidad de tráfico (urbana) con velocidades de 384Kbps.
La pico celda tiene radios de hasta 50m, las cuales ofrecen coberturas localizadas en interiores con velocidades del orden de los 2Mbits.
Capítulo 2
“Arquitectura de la red celular”
2.1 Características básicas de los sistemas celulares.
Los sistemas de telefonía móvil celular se basan en un principio donde la zona de cobertura deseada se divide en zonas más pequeñas llamadas células, a las que se asigna un cierto número de radio canales, frecuencias y se les dota de una estación base por célula (Figura 2.1), persiguiendo los siguientes objetivos:
Gran capacidad de abonados.
Calidad telefónica similar al servicio telefónico convencional.
Utilización eficaz del espectro.
Conmutación automática de radio canales.
Capacidad de expansión.
Gran movilidad.
Capacidad de constituir una red de comunicaciones completa.
Figura 2.1 Célula de un sistema móvil
Nos preguntamos ahora ¿porque es la forma hexagonal más conveniente para las células?, esto es acuerdo a los siguientes criterios:
Se debe procurar que no existan huecos o solapes en los bordes.
Buscamos una forma que para el radio dado R contenga la superficie posible. De esta forma se utilizaran un menor número de células para servir la misma zona de cobertura y, por lo tanto, utilizaran menor número de frecuencias.
Pero en realidad las células no son hexagonales, sino que tienen una forma irregular determinada por parámetros como la propagación de las ondas de radio en el terreno, obstáculos y las restricciones de la estación base, todo ello ocasionado por los factores geográficos.
Además el tamaño de cada célula varía en función de una serie de condiciones entre las que se encuentran:
El relieve del terreno (llano, montañoso, etc.)
La localización (urbana, rural, suburbana)
La densidad de abonados.
La naturaleza de los edificios (casas, chales, bloques de pisos)
2.2 Reuso de frecuencias.
El ancho de banda de RF siempre ha sido el primer obstáculo en sistemas inalámbricos; nunca es suficiente. Para el uso eficiente de este recurso se hace necesario el reuso de frecuencia, en el cual se permite a un mismo radio canal ser usado simultáneamente en múltiples transmisores mientras estos se encuentren suficientemente separados para evitar interferencia. La idea esencial del radio celular es transmitir los niveles de potencia suficientemente bajos para no interferir con la ubicación más cercana en donde el mismo canal es reusado.
De esta manera un canal físico (RF) puede ser usado más de una vez en la misma ciudad.
Mientras mas grande se la distancia de reuso, es menor la probabilidad de interferencia. De otra manera, mientras mas bajos sean los niveles de potencia usada en células compartiendo un canal común, es menos la probabilidad de interferencia. Por lo tanto, en un sistema celular se usa la combinación de control de potencia y planeación de frecuencia para prevenir interferencia.
En cada célula, una radio base transmite de una ubicación específica, que es usualmente ubicada en el centro de la célula. A la radio base y a los móviles se les permite usar un subconjunto de canales de RF disponibles para el sistema. Estos canales no pueden ser usados en ninguna célula potencialmente interferible.
La figura 2.2 ilustra el concepto de reutilización de frecuencias, donde las células con el mismo número utilizan el mismo grupo de canales.
Figura 2.2 Reuso de frecuencia
Para comprender el concepto de reutilización de frecuencia, consideremos un sistema celular que tenga un total de S canales dúplex disponibles para su utilización. Si a cada célula se le asigna un grupo de K canales (K<S), y si los canales se dividen en N células dentro de un grupo único y disjunto de canales donde cada célula tiene el mismo numero de canales, el numero total de canales de radio disponibles se puede expresar como:
S = KN
A las N células que usan un conjunto completo de frecuencias disponibles se les llama cluster. Si un cluster se repite M veces dentro de un sistema, el número total de canales dúplex, C, se puede usar como una medida de la capacidad, y esta dada como:
C = MN
A N se le llama también tamaño del clúster. Si el tamaño del clúster N se reduce mientras que el tamaño de la célula permanece constante, se requerirán más clúster para cubrir un área dada y por lo tanto se logra una mayor capacidad. Cuanto mayor sea N, mayor va a ser la distancia entre radio bases con el mismo grupo de canales, menor será su interferencia, pero la capacidad del sistema será menor también. Desde un punto de vista del diseñador, es deseable usar el valor más pequeño de N posible, para maximizar la capacidad dentro de un área de cobertura. Ver figura 2.3.
Figura 2.3 Distancia de reuso
En otras palabras, los mismos canales son reusados cada N células, proporcionando una mejor calidad de canal mientras más grande sea el valor de N. Una de las desventajas de este esquema es que solo permite tener 1/N canales disponibles en cada célula, lo que provoca un gran
incremento en la probabilidad de bloqueo de usuarios tratando de ingresar al sistema. La sectorización provee un reuso de frecuencias más eficiente, ya que cada una provee una larga fracción del total del espectro de frecuencia. Los valores típicos par n son 7 para células sectorizadas o 12 para células omnidireccionales.
2.2.1 Interferencia co-canal.
La reutilización de frecuencias implica que en un área de cobertura dada haya varias celdas que usen el mismo conjunto de frecuencias. Estas celdas son llamadas celdas co-canales, y la interferencia entre las señales de estas celdas se le llama interferencia co-canal. Al contrario que el ruido térmico, que se puede superar incrementando la relación señal-ruido (Signal to Noise Ratio ó SNR), la interferencia co-canal no se puede combatir simplemente incrementando la potencia de portadora de un transmisor. Esto es debido a que un incremento en la potencia de portadora de transmisión de una celda, incrementa la interferencia hacia las celdas co-canales vecinas. Para reducir la interferencia co-canal las celdas co-canales deben estar físicamente separadas por una distancia mínima que proporcione el suficiente aislamiento debido a las pérdidas en la propagación.
Figura 2.4 Interferencia co-canal
En un sistema celular, cuando el tamaño de cada celda es aproximadamente el mismo, la interferencia co-canal es aproximadamente independiente de la potencia de transmisión y se convierte en una función del radio de la celda (R), y de la distancia al centro de la celda co-canal más próxima (D). Incrementando la relación D/R, se incrementa la separación entre celdas co-
canales relativa a la distancia de cobertura. El parámetro Q, llamado factor de reutilización co- canal, está relacionado con el tamaño del cluster N.
2.2.2 Interferencia entre canales adyacentes
Entran en este apartado las interferencias procedentes de señales que son adyacentes en frecuencia a la señal deseada. Estas interferencias están producidas por la imperfección de los filtros en los receptores que permiten a las frecuencias cercanas colarse dentro de la banda pasante. El problema puede ser particularmente serio si un usuario de un canal adyacente está transmitiendo en un rango muy próximo al receptor de un abonado, mientras que el receptor está intentando recibir una estación base sobre el canal deseado. A esto se le suele llamar efecto
"nearfar", donde un transmisor cercano (que puede ser o no del mismo tipo que el usado en el sistema celular) captura al receptor del abonado. Otra forma de producir el mismo efecto es cuando un móvil cercano a una estación base transmite sobre un canal cercano a otro que está usando un móvil débil. La estación base puede tener dificultad para discriminar al usuario móvil deseado del otro debido a la proximidad entre los canales.
Este tipo de interferencias se pueden minimizar filtrando cuidadosamente, y con una correcta asignación de frecuencias. Dado que cada celda maneja sólo un conjunto del total de canales, los canales a asignar en cada celda no deben estar próximos en frecuencias.
2.3 Técnicas de acceso múltiple.
Un punto importante en un sistema de comunicaciones es la forma en cómo se accede al medio de comunicación, para lo cual se hace necesario el uso de técnicas de acceso múltiple. La palabra múltiple hace referencia a que muchos usuarios pueden establecer una comunicación simultáneamente, es decir los suscriptores comparten el conjunto de canales de radio y cualquier usuario podría acceder a cualquiera de los canales disponibles.
La técnica de acceso múltiple define cómo se utiliza el espectro de frecuencias para crear y asignar los canales a los múltiples usuarios en el sistema. Las principales técnicas de acceso múltiple son:
FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia).
TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo).
CDMA (Acceso Múltiple por División de Códigos).
2.3.1 Frequency Division Multiple Access (FDMA).
En el Acceso Múltiple por División de Frecuencias el ancho de banda del sistema de comunicación es dividido en bandas de frecuencias menores con una separación suficiente entre ellas (banda de guarda) para evitar interferencia entre canales adyacentes.
En FDMA a cada usuario le es asignada una banda de frecuencia en particular, de manera que un usuario puede utilizar un canal de transmisión todo el tiempo. Sin embargo la banda de frecuencia es desperdiciada mientras el usuario no transmite información.
En FDMA no se requiere que los usuarios estén sincronizados para disponer de un canal. En la figura se muestra como un ancho de banda es dividido entre N usuarios, cada uno de ellos posee un ancho de banda fijo y una separación para evitar traslapes.
Figura 2.5 Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA).
2.3.2 Time Division Multiple Access (TDMA).
En TDMA múltiples usuarios van a realizar una transmisión utilizando la misma portadora pero esta va a ser “prestada” entre diferentes usuarios durante intervalos específicos de tiempo, es decir el tiempo es dividido en intervalos de igual duración denominados “time slots”, y cada uno de ellos a su vez es dividido en N partes (cada una de estas divisiones corresponde a un usuario). Un usuario en particular sólo puede transmitir durante el intervalo de tiempo que le corresponde en cada time slot. Este proceso es tan rápido que parecería que un usuario utilizaría dicha portadora todo el tiempo y no sólo por intervalos. Otro punto importante es que durante las ranuras de tiempo que le corresponden a un usuario, éste dispone de todo el ancho de banda del canal.
En TDMA es necesario considerar guarda de tiempos para evitar traslape de información. El mayor inconveniente de TDMA es que es necesaria la sincronización de todos los usuarios para evitar interferencia, siendo por eso su implementación más compleja.
Figura 2.6 Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA).
2.3.3 Code Division Multiple Access (CDMA).
CDMA es una técnica que no lleva a cabo su acceso múltiple mediante una división de las transmisiones de los diferentes usuarios en frecuencia o tiempo, en lugar de eso hace una división asignando a cada usuario un código diferente, de esta manera es posible que múltiples usuarios
puedan transmitir de manera simultánea sobre el mismo canal. En este tipo de comunicación digital cada usuario tiene un código pseudoaleatorio el cual es usado para transformar la señal de un usuario en una señal de banda ancha mediante la técnica “Spread Spectrum (Espectro Extendido)”. Si el receptor recibe múltiples señales de banda ancha se usará el código asignado a un usuario en particular para transformar la señal de banda ancha recibida de ese usuario y recuperar la información original. Durante este proceso de recuperación de la información, la potencia de la señal deseada es comprimida dentro del ancho de banda original, mientras las otras señales de banda ancha del resto de los usuarios aparecen como ruido ante la señal deseada.
Una ventaja al ser usado CDMA es la cantidad de usuarios que pueden ser acomodados si cada uno transmite mensajes durante un corto periodo de tiempo. En CDMA, múltiples usuarios pueden transmitir al mismo tiempo y con la misma portadora distinguiendo un usuario de otro utilizando un código para cada uno de ellos. En la figura se representan cinco usuarios traslapados, sin embargo con CDMA se logra separar y recuperar la información de cada uno sin afectar a los demás usuarios, esto conociendo el código que le corresponde a cada uno de ellos tanto en el transmisor como en el receptor.
Figura 2.7 Acceso Múltiple por División de Códigos (CDMA) Algunas de las ventajas al usar CDMA respecto a otras técnicas son:
No existe un esquema para la reutilización de las frecuencias.
El número de canales es superior.
Protección contra el fenómeno de desvanecimiento de la señal.
Mejor protección contra las interferencias.
La confidencialidad de las comunicaciones esta muy protegida, ya que los dos interlocutores son los únicos que conocen el algoritmo de codificación..
2.4 Movilidad de los abonados.
Los abonados se desplazan por la red celular, por lo tanto, el operador de la red debe responder a las siguientes cuestiones para tener capacidad de establecer comunicación con sus clientes:
Identificar a cada uno de sus abonados.
Localizar a cada abonado
Estimar la dirección del desplazamiento de cada uno de los abonados en la red.
Mantener la comunicación durante el cambio de célula de un abonado.
2.4.1 Handoff
Cuando se deteriora la calidad de la 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 cono handoff.
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.
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.
Existen 2 tipos de handoff, los cuales son:
Hard Handoff
Soft Handoff
2.4.1.1 Hard Handoff
La entidad receptora deja de demodular y descodificar la información transmitida en un enlace y comienza a demodular y descodificar la información transmitida en otro enlace con posible pérdida de información. Se caracteriza por una desconexión temporal del canal de tráfico al cambiar el terminal de usuario de frecuencia.
2.4.1.2 Soft Handoff
Dos o más señales recibidas a través de distintos enlaces son demoduladas simultáneamente, combinadas, y descodificadas por la misma entidad. Se caracteriza por iniciar las comunicaciones utilizando un nuevo piloto para la misma frecuencia CDMA antes de terminar la comunicación con el antiguo piloto sin interrumpir por tanto la llamada. Este handoff tiene lugar cuando el terminal de usuario opera en el canal de tráfico.
2.5 Roaming
El servicio de roaming ha hecho posible que los usuarios de telefonía móvil adquieran una completa libertad de movimiento entre las áreas de cobertura de las diferentes empresas de telecomunicaciones.
Este servicio consiste en permitir que un usuario que se encuentre en zona de cobertura de una red móvil diferente a la que le presta el servicio pueda recibir las llamadas hechas hacia su número
de móvil, sin necesidad de realizar ningún tipo de procedimiento extra, y en muchos casos también permitirle efectuar llamadas hacia la zona donde se contrató originalmente el servicio sin necesidad de hacer una marcación especial. Para alcanzar este fin, ambas compañías (la prestadora original del servicio y la propietaria de la red en la que el cliente esté viajando) deben tener suscrito un acuerdo, en el que definen qué clientes tienen acuerdo al servicio y cómo se efectuará la conexión entre sus sistemas para guiar las llamadas.
Aunque el servicio permite una comunicación inmediata y en muchos casos sin necesidad de ninguna solicitud adicional, es de notar que normalmente el costo de transferencia de cada llamada y los costos de interconexión serán cargados al receptor de la llamada, no al llamante (que no tiene por qué saber dónde se encuentra el abonado llamado). Así, el servicio es transparente para el usuario que desea contactar un número que se desplaza a otra zona.
Capítulo 3
“Subsistema de radio del sistema GSM”
3.1 Arquitectura de la red GSM
El servicio GSM empezó en 1991 y en 1993 operaba en 22 países. Actualmente se tienen este tipo de redes en más de 80 países. GSM es un sistema de telefonía celular perteneciente a la segunda generación que se desarrolló para solucionar los problemas de compatibilidad existentes en la primera generación, sobretodo en Europa donde se creó el estándar. Fue el primer sistema completamente digital y se ha convertido en el estándar más popular.
Los elementos que básicos que integran una red GSM son:
MS (Mobile Station – Estación Móvil)
BTS (Base Transceiver Station – Estación Base Transceptora ó Emisora-Receptora)
BSC (Base Station Controller - Controlador de Estación Base)
MSC (Mobile Switching Center – Centro de Conmutación Móvil)
HLR (Home Location Register – Registro de Abonados Locales)
VLR (Visitor Location Register – Registro de Abonados Visitantes
AuC (Authentication Center – Centro de Autenticación)
EIR (Equipment Identity Register – Registro de Identidad del Equipo)
En la siguiente figura se pueden visualizar dichos elementos:
Figura 3.1 Arquitectura de la red GSM
3.1.1 Mobile Station (MS).
Una estación móvil se compone de cuatro elementos:
MT (Mobile Terminal - Estación Terminal Móvil).
TA (Terminal Adaptor – Adaptador de Terminal).
SIM (Subscriber Identity Module - Módulo de Identificación del Suscriptor)
TE (Terminal Equipment – Equipo Terminal)
Figura 3.2 Elementos de una estación móvil para GSM.
El TE (Terminal Equipment) realiza las siguientes funciones:
Transmisión.
Gestión de canales de transmisión.
Capacidad del terminal, incluyendo la interfaz hombre-máquina.
Codificación de voz.
Protección de errores.
Control del flujo de datos de usuario.
Adaptación de velocidad de datos de usuario y velocidad del canal.
Soporte de terminales múltiples.
Gestión de movilidad.
La MT (Mobile Terminal) es el teléfono móvil y puede ser de tres tipos:
MT0. Realiza las funciones anteriormente mencionadas, sin incluir alguna interfaz.
MT1. Incluye una interfaz RDSI (Red Digital de Servicios Integrados).
MT2. Incluye interfaces CCITT series X y V.
El TA (Terminal Adaptor) permite que el teléfono móvil se conecte con el equipo terminal de datos para transmitir datos vía GSM.
La tarjeta SIM es la tarjeta de abonado que proporciona el operador al usuario cuando se contratan sus servicios. Para que una estación móvil GSM pueda funcionar debe tener insertado dicho módulo. Este módulo es el que contiene toda la información necesaria para realizar la función de autentificación del usuario. El SIM contiene la siguiente información:
Número de serie.
Estado del SIM (bloqueado o desbloqueado)
Clave del algoritmo de autentificación.
Algoritmo de autentificación (A3).
Identificación internacional del usuario móvil (IMSI).
Identificación temporal del usuario móvil (TMSI).
Algoritmo de generación de claves de cifrado (A8).
Clave del algoritmo de cifrado de señalización y datos (A5).
Número de secuencia de la clave del algoritmo de cifrado.
Clase de control de acceso del usuario.
Una estación móvil puede además clasificarse en distintos tipos según varias características:
Por su utilización.
Equipo móvil.
Equipo portátil
Equipo transportable.
Por la potencia de salida.
Clase 1: 20Watts, es móvil y transportable.
Clase 2: 8Watts, es para vehículo y transportable.
Clase 3: 5Watts, es portátil.
Clase 4: 2Watts, es portátil.
Clase 5: 0.8Watts, es portátil.
Las características de las estaciones móviles se clasifican en tres tipos:
Básicas
Suplementarias
Adicionales
En las características básicas obligatorias de la estación móvil se pueden mencionar:
Visualización del número llamado.
Indicación de señales de progreso de la llamada.
Indicación de país/sistema.
Gestión de la identidad de suscripción (SIM).
Indicador de PIN (clave de acceso) no válido.
Identidad internacional de equipo de estación móvil (IMEI).
En las características básicas opcionales tenemos:
Indicación y reconocimiento de mensajes cortos.
Indicación de saturación de memoria para mensajes cortos.
Interfaz para equipo terminal de datos.
Interfaz para terminal RDSI.
Función de acceso internacional.
Conmutador encendido/apagado.
Interfaz analógica
Auto prueba.
En las características suplementarias podemos citar:
Aviso de tarificación.
Control de servicios suplementarios.
En las características adicionales tenemos:
Marcación abreviada.
Limitación de llamada a números fijos.
Repetición del último número marcado.
Operación manos libres.
Restricción de todas las llamadas salientes.
Bloqueo electrónico del terminal.
Indicador de calidad de recepción.
Indicador de unidades de tarificación.
Estación móvil multi-usuario.
3.1.2 Base Transceiver Station (BTS).
Un BTS lleva los dispositivos de transmisión y recepción por radio (transceptores), incluyendo las antenas y todo el procesado de señales de la interfaz de radio. Los BTS´s se pueden considerar como complejos módems de radio. Hay ocho clases de estaciones base en función de la potencia, que van desde los 320Watts hasta los 2.5Watts.
Un BTS de primera generación tenía unos pequeños armarios que contenían todos los dispositivos electrónicos para transmisión y recepción. Los diámetros de las antenas eran de pocas decenas de metros y los armarios se conectaban a ellas con unos cables de conexión. Aquellos BTS´s eran capaces mantener 3 ó 5 portadoras de radio al mismo tiempo y permitían entre 20 y 40 comunicaciones simultáneas.
Las principales funciones de la BTS son:
Supervisión de canales libres, y envío de información de éstos hacia la BSC.
Temporización de bloques BCCH (Broadcast Control CHannel ó Canal de Control de Difusión)/CCCH con el fin de editar los mensajes de aviso.
Detección de accesos al sistema por parte de móviles.
Codificación y entrelazado para protección de errores.
Medidas de intensidad de campo y calidad de las señales recibidas de los móviles.
Recepción de medidas enviadas por los móviles sobre condiciones de intensidad y calidad.
Construcción de los mensajes de aviso tomando como referencia la información recibida desde la BSC.
Detección de acceso por traspaso de un móvil, y comprobación de la identificación de este traspaso tomando como referencia la información recibida desde la BSC.
Encriptación de la información de señalización y tráfico.
3.1.4 Base Station Controller (BSC)
El BSC se puede considerar un pequeño conmutador con una gran capacidad de cómputo, se encarga de gestionar la interfaz de radio en el BTS y la MS a través de comandos remotos.
