Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Problemas de cobertura asociados a la tecnología
móvil GSM y propuestas de solución
Por:
José Rafael Rodríguez Benavides
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
DICIEMBRE del 2006
móvil GSM y propuestas de solución
Por:
José Rafael Rodríguez Benavides
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctricade la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________ Ing. Jhonny Cascante Ramírez
Profesor Guía
_________________________________ _________________________________
Ing. Anthony Cascante Rodríguez Ing. Max Ruiz Arrieta
DEDICATORIA
A mi familia, amigos y compañeros que me han apoyado y ayudado a cumplir el objetivo
RECONOCIMIENTOS
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS ... VII ÍNDICE DE TABLAS ...VIII NOMENCLATURA ...IX RESUMEN ... XII CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ... 1 1.1 JUSTIFICACIÓN... 1 1.2 OBJETIVOS... 4 1.2.1 Objetivo general ... 4 1.2.2 Objetivos específicos ... 4 1.3 METODOLOGÍA... 5
CAPÍTULO 2: SISTEMAS MÓVILES ... 6
2.1 GENERALIDADES... 6
2.2 SISTEMAS MÓVILES CELULARES... 8
2.2.1 El concepto de Celular y Reutilización de frecuencias ... 8
2.2.2 Canales de Señalización en proceso de llamada... 10
2.3 HAND OFF... 12
2.4 EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES... 14
CAPÍTULO 3: EL ESTÁNDAR GSM... 23
3.1 GENERALIDADES DEL ESTÁNDAR... 23
3.1.1 Historia GSM ... 23
3.1.2 Variantes GSM ... 24
3.2 ARQUITECTURA DE LA RED... 25
3.2.1 Estación Móvil (MS)... 26
3.2.2 Subsistema de Estación Base (BSS)... 28
3.2.3 Subsistema de Red (NSS)... 30
3.2.4 Centro de Administración de Red (NMC) ... 32
3.3 MODULACIÓN GMSK... 33
3.4 INTERFAZ AÉREA... 35
3.4.1 Estructura de canal y múltiple acceso... 35
3.4.2 Canales de Tráfico ... 36
3.4.3 Canales de Control... 38
CAPÍTULO 4: COBERTURA CELULAR ... 41
4.1 PLANIFICACIÓN TRADICIONAL DE REDES MÓVILES... 41
4.1.1 Dimensionamiento de red... 43
4.1.2 Planificación Detallada ... 44
4.2 MODELOS DE PROPAGACIÓN... 46
4.2.1 Modelo de Okumura... 47
4.2.2 Modelo de Hata... 48
4.2.3 Modelo COST231 ... 50
4.3 BALANCE DEL ENLACE (LINK BUDGET) ... 52
CAPÍTULO 5: PROBLEMAS DE COBERTURA GSM EN COSTA RICA... 57
5.1 RED GSM DEL ICE... 57
5.2 PROBLEMAS EN LA RED GSM ... 58
5.2.1 Desigualdades de diseño entre zonas urbanas y rurales... 59
5.2.2 Falta de Optimización ... 61
5.2.3 Problemas de Hand Off ... 62
5.2.4 Errores con el uso de los modelos de propagación... 63
5.3 PROPUESTA DE SOLUCIONES... 64
5.4 SOLUCIONES A PROBLEMAS DE COBERTURA DE OTROS PAÍSES... 69
CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES... 73
6.1 CONCLUSIONES... 73
BIBLIOGRAFÍA ... 78
ANEXOS... 81
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.1. CLUSTER DE CÉLULAS... 9
FIGURA 2.2. PROCESO DE HAND OFF ... 12
FIGURA 2.3 ABONADOS MUNDIALES POR TECNOLOGÍA. ... 22
FIGURA 3.1 ARQUITECTURA DE RED ... 26
FIGURA 3.2. REPRESENTACIÓN ESTACIÓN MÓVIL (MS) ... 26
FIGURA 3.3 REPRESENTACIÓN SUBSISTEMA ESTACIÓN BASE ... 28
FIGURA 3.4 REPRESENTACIÓN SUBSISTEMA DE RED ... 31
FIGURA 3.5 DIAGRAMA I/Q DE LA MODULACIÓN GMSK... 33
FIGURA 3.6 DIAGRAMA DE BLOQUES GMSK ... 34
FIGURA 3.7 UTILIZACIÓN DE TDMA... 35
FIGURA 3.8 TRAMAS Y MULTITRAMAS EN UNA RED GSM ... 37
FIGURA 4.1 PROCESO DE PLANIFICACIÓN DE REDES MÓVILES ... 41
FIGURA 4.2. CURVAS DE OKUMURA ... 47
FIGURA 4.3. CONFIGURACIÓN DE ANÁLISIS DE LINK BUDGET ... 52
FIGURA 5.1. MAPA DE COBERTURA DE LA RED GSM DEL ICE ... 57
FIGURA 5.2. RADIO BASE EN SANTA MARIA DE DOTA (ZONA RURAL) ... 59
FIGURA 5.3. TORRES DE LA RED GSM DEL ALCATEL, EN SAN JOSÉ (ZONA URBANA). ... 61
FIGURA 5.4. TORRES DE LA RED GSM EN LA RIBERA DE BELÉN. ... 64
FIGURA 5.5. USO DE REPETIDOR GSM PARA EXTERIORES. ... 65
ÍNDICE DE TABLAS
NOMENCLATURA
AM Amplitude Modulation
ARESEP Autoridad Reguladora de los Servicios Públicos
AUC Authentication Center
BCCH Broadcast Control Channel
BS Base Station
BSC Base Station Controller
BSS Base Sub-System
BTS Base Transceiver Station
CDMA Code Division Multiple Access
CEPT Conference Europeenne des Postes et Telecomunications
COST Cooperation in the field of Scientific and Technical Research
DCS1800 GSM a frecuencia de 1800 MHz
EIR Equipment Identity Register
ETSI European Telecommunication Standards Institute
FCCH Fast Access Control Channel
FOCC Forward Control Channel
GAM Gran Área Metropolitana
GHz GigaHertz
GSM Global System for Mobile Communications
HLR Home Location Register
ICE Instituto Costarricense de Electricidad
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
IMEI International Mobile Equipment Identity
IMT2000 International Mobile Telecommunications 2000
Kbps Kilobits per second
KHz KiloHertz
MHz MegaHertz
MOPT Ministerio de Obras Públicas y Transporte
MS Mobile Station
MSC Mobile Switching Center
NLoS Non Line of Sight
NMC Network Management Center
NSS Network Sub-System
OMC Operation and Maintenance Center
PIN Personal Identity Number
PIRE Potencia Radiada Isotropica Equivalente
PUK Personal Unblocking Key
RECC Reverse Control Channel
RF Radio Frecuencia
SACCH Slow Access Control Channel
SIM Suscriber Identity Module
TCH Traffic Control Channel
TDMA Time Division Multiple Access
UHF Ultra High Frequency
UIT Union Internacional de Telecomunicaciones
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
VHF Very High Frequency
RESUMEN
El presente proyecto tiene como objetivo el poder identificar los problemas de cobertura
presentes en una red GSM, como la de Costa Rica, y proponer soluciones a los mismos.
Para realizar este proyecto se utilizo una metodología investigativa, en donde se hicieron
recopilaciones bibliográficas de libros, artículos técnicos, periódicos y paginas de Internet;
así como entrevistas con ingenieros del área de Sistemas Móviles.
Con más de 2000 millones de usuarios en el mundo, la tecnología GSM es la de mayor uso
en todo el mundo, y como tal también es la usada mayoritariamente en nuestro país. Es por
este motivo que se exponen en este trabajo, el funcionamiento, la arquitectura de red y la
planificación de un sistema GSM. De manera que se pueda tener el debido entendimiento
del tema para analizar la cobertura.
Finalmente se analizan e identifican los aspectos relacionados con el problema de cobertura
que existe en Costa Rica, y se proponen soluciones locales a esos problemas, así como una
1.1 Justificación
El ser humano ha tenido la necesidad de comunicarse con los demás desde el principio de los tiempos. Debido a esto, se han ido desarrollando diferentes formas de comunicarse, comenzando con métodos de comunicación personales, como son los lenguajes corporales y verbales, hasta llegar a métodos para comunicarse a largas distancias, como son la telefonía y el Internet.
A lo largo de la historia han existido muchas maneras para resolver el problema de la comunicación de larga distancia, en los cuales el ser humano ha utilizado métodos bastante astutos para poder expresar todo tipo de cosas a las personas que no se encuentran cerca de ellos, algunas de estas formas de comunicación a distancia han sido: corredores, jinetes, caballos, telescopios ópticos, palomas mensajeras y señales de humo.
Las comunicaciones a larga distancia dieron un cambio radical a lo que se acostumbraba en aquellos tiempos, al darse el descubrimiento de la electricidad y una de sus primeras aplicaciones: el Telégrafo. A partir de la invención del mismo, se revolucionaron las comunicaciones, ya que por medio de códigos podían transmitirse mensajes a largas distancias.
Pero fue sin duda la invención del Teléfono, por Alexander Graham Bell en 1876, el hecho que realmente cambió el panorama de las comunicaciones, al poderse lograr una comunicación de tipo verbal a kilómetros de distancia, y en tiempo real. Esta invención ha sido desarrollada con mucho éxito por muchos años y es utilizado en todo el mundo cada vez utilizando métodos más modernos.
Como parte de este desarrollo exitoso que ha tenido la telefonía, se intentó solventar el hecho de que al utilizar un teléfono convencional, las personas solo podían comunicarse desde dos puntos fijos, y no podía existir una movilidad de los usuarios de los teléfonos. Es así como nació la telefonía móvil.
En la telefonía móvil, el usuario utiliza un terminal sin cables y que no es fijo, con el cual puede transmitir una llamada telefónica mientras se encuentra en movimiento, siempre y cuando se encuentre dentro del área de cobertura de la red.
La telefonía móvil se basa en el servicio de radio celular. Este servicio consiste en por medio de estaciones base, se pueda brindar cobertura a una zona geográfica determinada. El empleo de la palabra celular, referido a la telefonía móvil, deriva del hecho de que las estaciones base, que enlazan vía radio los teléfonos móviles con los controladores de estaciones base, están dispuestas en forma de una malla, formando células o celdas. Así, cada estación base está situada en un nudo de estas células y tiene asignado un grupo de frecuencias de transmisión y recepción propio. Como el número de frecuencias es limitado, con esta disposición es posible reutilizar las mismas frecuencias en otras células, siempre que no sean adyacentes, para evitar interferencia entre ellas.
Desde los años ochenta, la telefonía móvil ha ido tomando fuerza en todo el mundo, debido a la constante búsqueda tecnológica para mejorar los servicios, así como por el abaratamiento de los sistemas móviles en general, que han permitido que las tarifas hayan llegado a ser razonables. Es por esto que se predice que la cantidad mundial de usuarios de la telefonía móvil crezca de 1.3 billones en el 2004, a más de 2.2 billones en el 2008.
Los primeros sistemas móviles comerciales, de tipo analógico, aparecieron a principios de los años ochenta. Algunos de ellos eran el sistema AMPS en los Estados Unidos, el sistema NMT-450 y NMT-900 en los países nórdicos (Suecia, Finlandia, Noruega, Dinamarca,
Islandia y Suiza) y el sistema TACS, el cual se utilizaba en el Reino Unido y era un equivalente al sistema AMPS.
Debido a ciertos problemas técnicos detectados a mediados de los años ochenta y a la búsqueda de una estandarización internacional de los sistemas móviles, se pensó en una mejora tecnológica a los estándares existentes, y es así como surge la segunda generación de telefonía móvil, en la cual la voz se digitaliza y se introduce el vocoder.
Uno de los sistemas de segunda generación es el sistema GSM, el cual inicialmente fue denominado Groupe Special Mobile, pero que al ser aplicada en grandes áreas alrededor del mundo y establecerse convenios que permiten la compatibilidad del sistema entre países, se llego a sustituir por Global System for Móviles.
GSM, al igual que el resto de tecnologías de segunda generación, surgió con el propósito de unificar los mercados y facilitar la movilidad del usuario. Una de las facilidades que presenta este sistema es la tarjeta SIM (Suscriber Identification Module), que le permite al sistema GSM separar funcionalmente el terminal y el usuario, potenciando la movilidad de este aun respecto a su propio terminal.
Los sistemas GSM presentan numerosas ventajas para el usuario, como son: capacidad de voz incrementada, datos en paquetes a alta velocidad entre otros. Pero a pesar de esto, GSM sigue siendo blanco de las críticas debido a problemas de todo tipo, principalmente los problemas de cobertura.
Esta investigación esta dirigida al estudio los sistemas GSM, su forma de operación, y características tecnológicas. Esto para poder luego tratar el tema de los problemas de cobertura que puede presentar una red de esta tecnología, los modelos de predicción usados para el estudio de la cobertura de la red, y las posibles soluciones a esos problemas.
La importancia de este estudio, se basa en le hecho de que la tecnología GSM es actualmente la mas usada en América (incluyendo Costa Rica), y prácticamente en todo el mundo. Entonces debido a la cantidad de usuarios que tienen las redes de telefonía GSM, es importante poder tratar un tema bastante significativo como los problemas de cobertura de la red, y sobretodo el poder proponer soluciones, que brinden a los usuarios una mejora en el servicio de telefonía celular.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Identificar los problemas de cobertura asociados al uso de una red móvil de tecnología GSM y proponer las mejores soluciones.
1.2.2 Objetivos específicos
• Estudiar la evolución y los fundamentos de los sistemas de comunicaciones
móviles.
• Conocer el funcionamiento de la tecnología móvil GSM e investigar aspectos
técnicos y servicios de esta tecnología.
• Identificar los problemas de cobertura asociados al uso de la red móvil GSM y las
• Proponer posibles soluciones a los problemas identificados.
1.3 Metodología
Para el desarrollo de esta investigación, se utilizaran los siguientes aspectos metodológicos:
• Recopilación de información bibliográfica acerca de aspectos generales de los sistemas móviles de comunicación. Esta búsqueda se realiza investigando en libros, revistas especializadas, periódicos, y artículos en versión electrónica en Internet.
• Recopilación de información bibliográfica acerca de la tecnología de telefonía celular GSM. Esta búsqueda se realiza investigando en libros, revistas especializadas, y artículos en versión electrónica en Internet.
• Recopilación de información bibliográfica acerca de los problemas de cobertura que
presentan las redes de telefonía celular GSM, así como estudio de los modelos de predicción usados para el diseño de las redes. Esta búsqueda se realiza investigando en libros, revistas especializadas y artículos en versión electrónica en Internet; así como con entrevistas con ingenieros del ICE del área de Telecomunicaciones.
• Realizar un análisis de la información encontrada sobre los problemas de cobertura
de la red GSM, de manera que se puedan proponer algunas soluciones.
• Elaboración de un informe escrito del proyecto de acuerdo con las especificaciones
expuestas en la carta al estudiante del curso, incluyendo una revisión de los capítulos I y II, entrega y revisión de un avance, un borrador final y una versión final del trabajo. Además se debe realizar una presentación para la defensa del proyecto.
CAPÍTULO 2: Sistemas Móviles
2.1 Generalidades
El nacimiento de los sistemas móviles de comunicación, se dà ante la necesidad de trasladarse de un lugar a otro y poder mantener una comunicación con otro elemento al mismo tiempo. La manera de lograr esto es transmitiendo los datos deseados a través de una radiofrecuencia especifica, de un terminal a otro.
El término de radiofrecuencia ha sido definido para ser aplicado a aquellas frecuencias del espectro electromagnético que normalmente se asocian con la propagación e ondas electromagnéticas. Este término también ha sido definido como una transmisión a cualquier frecuencia en la cual la radiación de energía electromagnética se da a frecuencias superiores a los KHz.
Los sistemas en que existe una comunicación por radio, o sistemas radioeléctricos tuvieron su mayor desarrollo con la segunda guerra mundial, ya que en esta época aparecieron ciertas aplicaciones que luego desembocaron en algunas de las aplicaciones de sistemas móviles que existen actualmente. Algunas de las aplicaciones que nacieron en la segunda guerra mundial son:
• Radar- Inglaterra
• Sistemas Teledirigidos- Alemania
• Comunicaciones de microondas- U.R.S.S
Existen diferentes tipos de sistemas de comunicaciones móviles. Para representar la diversidad de aplicaciones que existen que se basan en tecnologías móviles, se presentan a continuación algunas de ellas.
• Internet Inalámbrico: Con la aparición de estándares relacionados con el acceso a
Internet de tipo inalámbrico se ha dado un nuevo paso en lo que respecta a los sistemas móviles de comunicación. Primero con el estándar WiFi (802.11), que permite la creación de redes WLAN, y la movilidad de los equipos mientras se encuentren en el área de cobertura. Y luego con el estándar WiMAX (802.16) el cual permite la creación de redes metropolitanas y que aunque inicialmente no permitía al usuario tener movilidad, ahora con la evolución del estándar a 802.16e se puede tener movilidad.
• Satélites de comunicaciones: Los satélites artificiales de comunicaciones son un medio muy apto para emitir señales de radio en zonas amplias o poco desarrolladas, ya que pueden utilizarse como enormes antenas suspendidas del cielo. Dado que no hay problema de visión directa se suelen utilizar frecuencias elevadas en el rango de los GHz que son más inmunes a las interferencias; además, la elevada direccionalidad de las ondas a estas frecuencias permite "alumbrar" zonas concretas de la Tierra. Estos son dispositivos de emisión, y poseen una desventaja debido a que tienen un retardo de propagación por las grandes distancias que debe recorrer la señal de radio.
• Buscapersonas: Son dispositivos con el cual se pueden enviar mensajes cortos codificados, a ciertos suscriptores. Los receptores son dispositivos tales como beepers que muestran los mensajes en una pequeña pantalla. Este sistema necesita
de transmisores de muy alta potencia y baja tasa de transferencia de datos para una cobertura máxima del área designada para cada transmisor.
• PHS: Este es un sistema de teléfono personal, que se diferencia de los teléfonos celulares, en que se pueden comunicar directamente unos con otros, si están en cierto rango, mientras que los teléfonos celulares solo pueden comunicarse entre ellos a través de una radio base. Este sistema es de gran aplicación dentro de áreas metropolitanas densamente pobladas, y ha sido desarrollado principalmente en Japón.
• Radio Móvil: Es el predecesor de los sistemas celulares. Es un sistema análogo, el
cual hace uso de una frecuencia única para transmitir y para recibir una señal. Tiene el defecto de que la comunicación solo puede ser en un solo sentido, o lo que se conoce como Half Duplex, y se debe presionar un botón dependiendo de si se va a transmitir o a recibir.
2.2 Sistemas Móviles Celulares
2.2.1 El concepto de Celular y Reutilización de frecuencias
Un sistema de telefonía celular tiene dos funciones básicas; debe localizar y tener contacto con las estaciones móviles (MS) activas e inactivas, y siempre debe intentar conectar la MS activa con la mejor estación base (BS) disponible. La primera tarea se refiere a actualizar la localización del usuario constantemente, mientras que la segunda se refiere a la continua evaluación de la calidad del enlace de radio entre una MS y la BS en servicio, así como la calidad del enlace de radio entre la MS y otras BS alternativas.
Una red celular brinda servicio de cobertura a una localidad o territorio a través de una BS. Estas BS normalmente se les llaman células. Las células albergan áreas geográficas
pequeñas, en las cuales se puede usar un uso extensivo de las frecuencias del espectro, debido a la reutilización de frecuencias.
En la telefonía celular, la reutilización de frecuencias se da de la siguiente manera. Cuando una señal es transmitida, esta se debilita conforme se aleja del transmisor. Eventualmente la señal se vuelve tan débil que es imposible detectarla del todo. Entonces si uno se mueve una distancia lejos del primer BS, hacia un punto donde esta instalado otro BS, este puede utilizar la misma frecuencia del primer BS porque están tan alejados que no interfieren entre ellos.
Las células deben ser diseñadas para servir a los móviles más débiles dentro de la región, que son típicamente los que se localizan en el borde de la celda. Por lo tanto deben analizarse las formas geométricas que pueda tener la célula, que puedan garantizar una cobertura sin traslape y con un área igual, estas formas geométricas son: el triangulo equilátero, el cuadrado y el hexágono. El usado normalmente es el hexágono, esto debido a que se aproxima más a un círculo, y a que para una distancia entre el centro del polígono y su punto más distante, el hexágono posee una mejor cobertura que los otros dos casos. Además los hexágonos permiten una mejor visualización para el entendimiento de este concepto.
Figura 2.1. Cluster de Células.
Cuando se usan hexágonos para modelar las áreas de cobertura, los transmisores de la estación base se localizan generalmente en el centro de la célula, debido a que para el caso
de una antena omnidireccional, se producirá un patrón de radiación circular que se propaga en el espacio libre a través de toda el área.
Una de las características de un sistema de telefonía celular es que utiliza muy baja potencia para la comunicación de radio (menos de 1 Watt) entre un MS y una red de BS. Sin embargo, al moverse la MS se produce un calidad de enlace de radio altamente irregular, por lo que el monitoreo y el control son herramientas necesarias para mantener la transmisión aceptable.
2.2.2 Canales de Señalización en proceso de llamada
El proceso de hacer contacto entre la red celular y el MS es bastante complejo ya que debe existir un compromiso entre ahorrar el espectro radioeléctrico y establecer la llamada en el tiempo más corto posible.
El inicio de una llamada depende del principio del concepto de paging. El concepto de paging se refiere a los mensajes que envía la red a los MS en las células, esperando poder recibir un mensaje de respuesta que indique si el MS esta listo para iniciar una conversación. Mientras el MS este encendido, aunque no se este llevando a cabo una conversación, esta comunicándose con la red celular, de manera que esta pendiente a recibir un mensaje de paging de parte de la red celular.
Para la comunicación entre la red celular y los MS, existen canales de señalización que permiten que una llamada pueda realizarse. Estos canales están diseñados para transmitir la información en una frecuencia y recibir información en otra frecuencia sobre aspectos como son:
• Disponibilidad de canales de radiofrecuencia
• Comandos para las acciones de Hand Off
• Comandos de reporte de ubicación (roaming)
Existen dos categorías principales en lo que se refiere a los canales de control, FOCC (Forward Control Channel) y RECC (Reverse Control Channel).
El canal FOCC, es un canal que constantemente transmite datos de la BS al MS, los principales componentes del mensaje que envía son los siguientes:
• Mensajes de Overhead: Son de tipo repetitivo, de duración aproximada de un segundo y contiene información de todas las unidades activas dentro del sistema. Esta información es enviada en una serie de mensajes denominados “Overhead Message Train”.
• Mensaje de control de móvil: Estos mensajes contienen información directa acerca del nivel de potencia del MS y los datos de paging.
• Mensaje de control de filtrado: Este mensaje es parte del “Overhead Message Train”, se envían estos mensajes cuando no hay información que enviar. Este tipo de mensaje permite enviar datos de sincronización entre la BS y el MS.
El canal RECC transmite datos de la unidad del suscriptor (MS) hacia la radio base (BS), en este canal de control se envían dos tipos de mensaje:
• Mensaje de origen del móvil: Este mensaje es generado cuando el suscriptor
presiona la tecla SEND de su teléfono. Este es el mensaje que inicia el proceso de la llamada hacia la BS.
• Page Response Message: Este mensaje es la respuesta al mensaje de paging y es una indicación a la BS de que el mensaje fue recibido.
2.3
Hand Off
Al moverse un MS, es muy probable que se aproxime al borde de la célula en que se encuentra. En este punto la señal de radio es demasiado débil para comunicarse con la BS. Probablemente existe una célula vecina de la célula se esta saliendo, pero esta célula vecina utiliza una frecuencia diferente y no conoce nada de la MS que se acerca a ella. Lo que se necesita es un mecanismo que permita al MS moverse de una célula a otra mientras la llamada continua. Este mecanismo es conocido como Hand Off.
El Hand Off es una tarea muy importante en una red celular. Este mecanismo debe decidir cuando entregar un MS a otra célula, y a cual célula en especifico. Debe asegurarse que la MS pudo hacer el Hand Off correctamente y debe re-enrutar la llamada a la nueva célula. Y debe hacerlo tan rápidamente que no se note un quiebre en la señal de voz recibida por el usuario.
Una característica del Hand Off es que mientras el MS se encuentra en plena llamada, así como pone atención al canal por donde se esta desarrollando la conversación, también esta poniendo atención a las señales transmitidas por las BS cercanas. El proceso consiste en que el MS mide la potencia de la señal de cada una de las BS cercanas y alimenta continuamente con esta información a la célula donde se encuentra. Cuando la señal en la célula actual se encuentra muy débil, la red celular se fija en los niveles de señal de las otras BS y escoge una con un nivel aceptable de potencia de la señal. Luego la red celular le comunica a esa BS que debe reservar un canal para el MS.
Cuando el canal está listo, la célula actual envía un mensaje al MS para que se cambie a ese canal, una vez que el MS se cambia de canal, envía un mensaje de vuelta de confirmación. Cuando la red celular recibe ese mensaje de confirmación, desconecta el canal en la célula antigua de manera que el proceso de Hand Off se dio exitosamente hacia la nueva célula.
Para iniciar un proceso de Hand Off, se pueden utilizar distintos parámetros entre los que se pueden destacar:
• Hand Off Blocking Probability: Probabilidad de que un proceso de Hand
Off iniciado no termine de completarse.
• Hand Off Probability: Probabilidad de que un Hand Off ocurra antes de que termine la llamada.
• Hand Off Delay: Distancia recorrida por la unidad móvil desde que se pide
el Hand Off, hasta que se produce.
• Call Blocking Probability: Probabilidad de que una llamada sea bloqueada.
• Call Dropping Probability: Probabilidad de que un al hacer el Hand Off la
llamada sea terminada.
• Call Completion Probability: Probabilidad de que una llamada se
• Probability of unsuccesful Hand Off: Probabilidad de que un proceso de Hand Off solicitado no se realice.
2.4
Evolución de los sistemas móviles
Antes de llevarse a cabo la implementación de los actuales sistemas celulares como los conocemos hoy en día, se dieron varios desarrollos orientados a solventar problemas de movilidad en las comunicaciones.
Los primeros sistemas de este tipo consistían de radios que se comunicaban en forma bidireccional o tipo “push to talk”. Las premisas de diseño de estos sistemas fueron los siguientes:
• Alta potencia de emisión
• Alcance de la señal de radiofrecuencia
• Cobertura
Posteriormente se establece el concepto del repetidor como una mejora al proceso. Esta invención del repetidor viene a solventar el problema de interferencias que se estaba dando, esto debido a que los transmisores eran de muy alta potencia.
Algunos estándares que sirvieron de base para los sistemas móviles actuales fueron:
• MTS: Mobile Telephone Systems
• IMTS: Improved Mobile Telephone Systems
El MTS fue un sistema operado manualmente permitiendo que un usuario se comunicara con otro usuario por medio de una red inalámbrica. Este sistema fue inventado en los
Estados Unidos a finales de la década de los 40. Usando este sistema, apareció en 1946 el primer servicio telefónico móvil comercial de América, el cual fue introducido por AT&T en Saint Louis, Missouri.
Este sistema consistía de 6 canales con un espacio entre ellos de 60KHz en la banda de 150MHz. Este sistema se utilizo para interconectar usuarios móviles con la red telefónica pública, permitiendo las llamadas entre estaciones fijas y usuarios móviles.
El problema que se presentó fue que el número de suscriptores creció aceleradamente, hasta tener al menos 44000 usuarios, y el número de canales de radiofrecuencia era bastante limitado, lo que produjo que la capacidad del sistema fuera menor que el trafico que podía soportar, por ello la calidad del servicio era bastante baja y había muchas posibilidades de bloqueo.
El MTS tenia como una de sus características que se basaba en una operación semi-duplex, es decir, que únicamente se podía hablar o escuchar, pero no ambas cosas. Otra característica era que los transmisores de las BS del MTS eran de alta potencia y se interconectaban a la red telefónica permitiendo la comunicación con usuario de la red fija.
Un problema del sistema MTS era que las conversaciones no eran privadas debido a que el proceso de selección de canal era de tipo manual. Esto significaba que para establecer una comunicación, el usuario debía seleccionar manualmente un canal, pudiendo estar el mismo ocupado por otros usuarios y existía la posibilidad de escuchar las conversaciones. Si un canal de radiofrecuencia estaba ocupado, se continuaba la selección en forma manual hasta encontrar un canal libre y de esta manera el suscriptor accesaba el sistema. En base a esta imperfección se decide hacerle mejoras al mismo, surgiendo así el IMTS.
El IMTS fue introducido en 1964. Este sistema se basaba en los principios teóricos de MTS pero con mejoras importantes en el proceso. El IMTS establece el concepto de selección automática de frecuencias, lo cual permitía además que el envío y recepción de mensajes se dieran en dos frecuencias diferentes, estas mejoras en el diseño del transmisor y del receptor permitieron una reducción en el ancho de banda del canal de FM ( a diferencia de MTS que era en AM) de 25 a 30 KHz.
Además este sistema permitió establecer la comunicación full duplex. Esto permitió que el usuario hablara y escuchara en forma simultánea. Sin embargo la principal limitación era la central de conmutación, ya que era manual, posteriormente se hizo una mejora al introducir sistemas electromecánicos en la conmutación, permitiendo así la comunicación sin intermediarios.
Los sistemas MTS e IMTS compartían una serie de desventajas que no les permitieron desarrollarse más como tecnologías de sistemas móviles. Una de ellas era que la cantidad limitada de espectro de radiofrecuencia limitaba la disponibilidad de los servicios, ya que los usuarios tenían que esperar por mucho tiempo para tener acceso al servicio. Por ejemplo en los años 70, en New York, la compañia BELL explotaba un sistema IMTS en una ciudad de 20 millones de habitantes que solo podía permitir hacer 21 llamadas móviles por minuto. Otra desventaja fue que los primeros sistemas móviles utilizaban un único transmisor para cubrir un gran área de servicio, por lo que cuando un suscriptor viajaba grandes distancias y la señal era débil se perdía la comunicación. Además de estos puntos, estos sistemas tenían el problema de ser excesivamente caros, ya que el Terminal costaba alrededor de $2000( del año 1960).
Por estos problemas y la necesidad de poder brindar un servicio con mejores características, nace la idea del concepto de celular. Sus premisas como concepto eran limitar la potencia de los transmisores y establecer áreas de cobertura tipo celda. El concepto de celular se origina como una solución al problema de la congestión del espectro inherente en los
primeros sistemas, esta congestión se origino por las limitaciones del espectro antes explicadas, creando entonces el concepto de reutilización de frecuencias.
Otra necesidad que fue atendida al crear esta tecnología fue el poder establecer llamadas en los bordes de la celda, o Hand Off, de manera que el Terminal pudiera medir la intensidad de campo eléctrico de la señal en un momento dado, permitiendo que compare con el umbral de corte para establecer la transferencia de la llamada a otra celda antes de cortarse.
El nacimiento de la primera generación de radio celular, se dio como consecuencia de dos mejoras muy importantes tecnológicamente hablando. La primera fue el invento del microprocesador, de manera que las llamadas podían ser procesadas a una gran velocidad y con alta eficiencia; la segunda se refiere a que se empezó a usar un enlace de control digital entre el MS y el BS.
Los primeros sistemas celulares experimentales fueron implementados en los Estados Unidos de América, siendo los pioneros los laboratorios BELL al crear el estándar AMPS (Advanced Mobile Phone Service) o Servicio Telefónico Móvil Avanzado. AMPS fue puesto en operación en Enero de 1979 en la ciudad de Chicago con aproximadamente 2500 usuarios.
Este sistema utilizaba nuevas frecuencias en la banda de 800MHz. Este sistema se caracterizó por ser analógico y estrictamente para voz. Se tenía la posibilidad de realizar y recibir llamadas en cualquier punto del área de cobertura del sistema y continuidad de la comunicación al pasar del radio de acción de una BS a otra contigua. Sin embargo la calidad, la velocidad y la interferencia hacia que el servicio tuviera un nivel deplorable.
El AMPS posee las siguientes características en su división de frecuencia: La banda ocupa desde los 825 hasta los 915 MHz. Dispone de un ancho de banda de 20MHz para ubicar 666 canales. Las portadoras están separadas por 30KHz una de la otra.
Para tratar de mejorar los servicios de AMPS, nacieron algunas variaciones del mismo, como fue EAMPS (Extended AMPS) que aumento la capacidad propia del AMPS. Y también se desarrollo otra variación llamada NAMPS (Narrowband AMPS), que se presentaba en banda estrecha y era un sistema intermedio entre analógico y digital.
Uno de los primeros sistemas celulares comerciales que abarcó más de un país, es decir tenía capacidad de roaming fue el NMT (Nordic Mobile Telephone), este sistema operaba en la banda de los 45 MHz, por lo que se le llama NMT-450.
Este sistema brindaba interconexión de seis países: Suecia, Finlandia, Noruega, Dinamarca, Islandia y Suiza. Este sistema, por problemas de restricciones de capacidad, fue luego pasado a la banda de los 900 MHz, y fue llamado NMT-900.
En Europa nació también el modelo TACS (Total Access Communication) el cual se puso en marcha el 16 de diciembre de 1983. Es la versión europea del AMPS. El sistema TACS, también llamado TMA 900, emplea la banda de los 900 MHz y se divide en 40 semicanales de 25 KHz, por lo que es muy útil para cubrir zonas urbanas debido a su gran disponibilidad de canales. Dispone de 1320 canales duplex, de los que 21 son de control (señal digital) y el resto para voz (señal analógica).
Similar a lo que sucedió con el AMPS en Estados Unidos, el modelo TACS tuvo varias mejoras representadas en otros modelos. El ITACS (Internacional TACS) fue una versión del TACS con un sistema de control mejorado. El ETACS (Extended TACS) fue el sustituto del TACS. El NTACS (Narrowband TACS) triplicaba la capacidad de ETACS sin perdida de calidad en la señal. Y el JTACS (Japan TACS) es una versión del TACS desarrollada en Japón.
Empezaron a surgir en Europa diferentes estándares de telefonía celular, como son el C-Netz en Alemania Occidental, el Radiocom. 2000 en Francia y el RTMI/RTMS en Italia. Esto produjo que en un momento dado existieran hasta nueve diferentes estándares de sistemas móviles en Europa, sin interoperabilidad entre ellos. Debido a esto se pensó en crear un sistema digital único para todo el continente Europeo.
A mediados de los años 80, se detectan varios problemas importantes en los sistemas analógicos móviles, los cuales representan la primera generación de celulares. Algunos de estos problemas eran:
• Limitaciones en cuanto a la gestión de tráfico a soportar. • Limitaciones en cuanto al espectro.
• Limitaciones en cuanto a los servicios.
Al mismo tiempo que se detectaron esos problemas, emergió el interés hacia los sistemas celulares de tipo digital o de la que fue llamada Segunda Generación, donde los componentes de la señal (voz y control) fueran digitales, y no se presentaran o se redujeran los problemas como los antes mencionados.
Surgen entonces cuatro estándares principales de la llamada Segunda Generación, nombrados a continuación:
• Global System for Mobile Communications (GSM)
• Digital AMPS (D-AMPS) o también llamado Time Division Multiple Access
(TDMA IS-136)
• Code Division Multiple Access (CDMA IS-95)
D-AMPS es un estándar que fue creado con el antecedente de ser compatible con el estándar analógico AMPS, y se implementó principalmente en Norteamérica. Utiliza canales de control y de tráfico digitales en comparación con el canal analógico de control del sistema AMPS. D-AMPS funciona en el ámbito de frecuencias que va de 810 a 956 MHz.
En el estándar CDMA, todos los usuarios móviles transmiten en la misma frecuencia y al mismo tiempo. CDMA logra utilizar un código para separar la transmisión de un usuario a otro, por lo que a los usuarios se les asigna códigos diferentes, esto es debido a que se debe ensanchar el espectro de transmisión para permitir que todos los usuarios ocupen todos los canales al mismo tiempo. CDMA funciona en el ámbito de frecuencia que va de 1850 a 1990 MHz.
PDC es un estándar que se ha utilizado poco en el mundo, específicamente en Japón, y el cual funciona en el ámbito de frecuencias comprendido entre 810 a 956 MHz.
El estándar GSM es los más exitosos y con más usuarios en el mundo. Se conoció en sus inicios como Grupo Especial Móvil, y pretendía unificar o estandarizar a toda Europa. En 1989 paso a formar parte del Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeas (ETSI) y se define como el estándar telefónico Europeo.
Su característica más importante, aparte de unificar los sistemas europeos, es la digitalización total del tráfico de voz, lo que triplico la capacidad de muestreo y multicanalizacion de las conversaciones. La digitalización de la señal permite también aplicaciones como el reconocimiento de voz por parte de las operadoras y un mejor trato a la información.
El concepto de Tercera Generación surgió a lo interno de la UIT con el nombre inicial de FPLMTS (Future Public Mobile Tele Communication System) modificándose
posteriormente por las siglas IMT 2000 (Internacional Mobile Telecommunication 2000). El número 2000 tiene varios significados:
• Frecuencia de Operación
• Capacidad del sistema 2MHz
• Año esperado para la operación, 2000.
Los grandes objetivos del IMT 2000 eran los siguientes:
a) Reservar una porción del espectro a nivel mundial, para sistemas terrenales y satelitales.
b) Utilización de terminales móviles de pequeño tamaño, con capacidad de interrelacionar entre redes a nivel mundial (roaming) y acceder a servicios de multimedia.
c) Utilización de estos sistemas móviles en ambientes variados como son: vehicular, peatonal y fijo.
d) Altas velocidades de transmisión que permitan soportar conmutación de paquetes y circuitos.
e) Capacidades mínimas permitidas:
Alta movilidad ( Vehicular ) 144kbps
Mediana Movilidad ( Peatonal ) 384kpbs
Poca o ninguna movilidad 2048kpbs
Tabla 2.1. Capacidades mínimas permitidas
f) Soporte de servicios simétricos y asimétricos g) Eficiencia espectral
En 1988 la UIT lanzó la petición para presentar nuevas propuestas para la determinación de la nueva generación de sistemas móviles que la denomino RTT (Radio Transmisión
Technologies). Se lanzaron 10 propuestas, dos eran de Europa, cuatro deUSA, dos de Corea, una de Japón y una de China. Básicamente la mayoría de las propuestas se basaban en los principios de acceso TDMA y CDMA.
Actualmente las tecnologías móviles están distribuidas entre los usuarios como se muestra en la siguiente grafica: 0 500000000 1000000000 1500000000 2000000000 2500000000 1
Abonados mundiales por tecnologia
CDMA GSM/UMTS TDMA PDC iDEN
CAPÍTULO 3: El Estándar GSM
3.1 Generalidades del Estándar
3.1.1 Historia GSM
Desde el principio de los 80, después de que el NMT (Nordic Mobile Telephone), funcionara con éxito, fue obvio para varios países europeos que los sistemas analógicos existentes, tenían ciertas limitaciones. Primero, la potencial demanda de servicios móviles fue mayor de la capacidad esperada de las existentes redes analógicas. Segundo, las diferentes formas de operación no ofrecían compatibilidad para los usuarios de móviles: un Terminal TACS no podía acceder dentro de una red NMT, y viceversa. Además, el diseño de un nuevo sistema de telefonía celular requiere tal cantidad de investigación que ningún país europeo podía afrontarlo de forma individual. Todas estas circunstancias apuntaron hacia el diseño de un nuevo sistema, hecho en común entre varios países.
El principal requisito previo para un sistema de radio común, es el ancho de banda de radio. Esta condición había sido ya prevista unos pocos años antes, en 1978, cuando se decidió reservar la banda de frecuencia de 900 ± 25 MHz para comunicaciones móviles en Europa.
El mundo de la telecomunicación en Europa, siempre había estado regido por la estandarización. El CEPT (Conférence Européene des Postes et Télécommunications) es una organización para la estandarización presente en más de 20 países europeos. Todos estos factores, llevaron a la creación en 1982 de un nuevo cuerpo de estandarización dentro del CEPT, cuya tarea era especificar un único sistema de radiocomunicaciones para Europa a 900 MHz. El recién formado "Groupe Spécial Mobile" (GSM) tuvo su primer encuentro en Diciembre de 1982 en Estocolmo, bajo la presidencia de Thomas Haug de la administración sueca. Treinta y una personas de once países estuvieron presentes en este primer encuentro. En 1990, por requerimiento del Reino Unido, se añadió al grupo de
estandarización la especificación de una versión de GSM a la banda de frecuencia de 1800 ± 75 MHz. A esta variante se le llamó DCS1800 ("Digital Cellular System 1800"). El significado actual de las siglas GSM se ha cambiado y en la actualidad se hacen corresponder con "Global System for Mobile communications".
Según los últimos datos aportados por Informa Telecoms & Media, al cierre de agosto de 2005 la tecnología GSM cuenta con algo más de mil quinientos millones de usuarios en todo el mundo, convirtiéndola en la de más rápido desarrollo en el continente americano, con una tasa de incremento anual del 100% y la primera opción para nuevos usuarios.
3.1.2 Variantes GSM
• GSM básico: El GSM básico tiene un ancho de banda de 25 MHz y 125 frecuencias
portadoras, numeradas de 0 a la 124, donde el canal 0 es usado como banda de guarda entre GSM y otros sistemas o servicios de menores frecuencias.
• GSM extendido: Después de que el GSM básico fue establecido, se agregaron
10MHz más de ancho de banda, para cada uno de los dos rangos de frecuencia, extendiendo el sistema otros 50 canales. De igual manera, el canal más bajo sirve para la banda de guarda.
• PCN o DCS-1800: En 1990, por requerimiento del Reino Unido, se añadió al grupo
de estandarización la especificación de una versión GSM en la banda de frecuencia de 1800 ± 75 MHz. Este sistema utiliza las mismas señalizaciones y esquemas de transmisión que el GSM básico, la diferencia radica en que las frecuencias asignadas son mucho más altas.
• PCS 1900/DCS-1900: Durante 1995, el estándar PCS fue introducido en los Estados Unidos. El sistema es el mismo que DCS1800, solo que 100 MHz más arriba debido a que ya existía un servicio en la banda de los 1800 MHz.
3.2 Arquitectura de la red
Una red de GSM esta compuesta por varias entidades que se relacionan entre sí y con ciertas funciones especificas que permiten el funcionamiento de la misma. La arquitectura básica del sistema GSM se puede dividir en cuatro subsistemas principales, los cuales están interconectados por medio de interfaces estándar.
Los cuatro subsistemas de la red GSM son: Estación Móvil (MS), Subsistema de Estación Base (BSS), Subsistema de Red (NSS), Centro de administración de Red (NMC).
Figura 3.1 Arquitectura de Red
3.2.1 Estación Móvil (MS)
Es el Terminal de radio móvil transportado por el abonado del servicio. Se compone de dos piezas fundamentales: el equipo móvil (Terminal) y una smart card llamada SIM (Subscriber Identity Module).
Figura 3.2. Representación Estación Móvil (MS)
El SIM es el que permite la movilidad, así el usuario con dicha tarjeta puede acceder a la red desde cualquier Terminal. Esto porque el SIM almacena todos los datos del usuario, tales como: numero telefónico, planes y servicios contratados, claves de seguridad, trafico acumulado, números telefónicos personales, mensajes recibidos en voz y texto, entre otros, garantizando así máxima comodidad y flexibilidad en las comunicaciones del usuario. La tarjeta se inserta en el aparato desde el que se desea llamar, esto es, la suscripción esta en la tarjeta y no en el teléfono celular.
La tarjeta SIM dispone de dos códigos de seguridad el PIN (Personal Identity Number) y el PUK (Personal Unblocking Key). El PIN es un código de cuatro cifras, modificable por el abonado, sin el cual es imposible efectuar una llamada. Si el código PIN se introduce erróneamente tres veces consecutivas, la tarjeta se bloquea. En esta situación se utiliza el código PUK, pero si al introducir este código, se cometen errores diez veces consecutivas, la tarjeta se bloquea por completo y se debe sustituir por otra.
Esta tarjeta contiene la Internacional Mobile Suscriber Identity (IMSI), usada para identificar al abonado en cualquier sistema GSM. Esta característica se encarga de las funciones de guardar la información y la confidencialidad de la misma.
La estructura de la IMSI es de la siguiente manera: IMSI=MCC/MNC/MSIN, en donde las secciones de esa identidad representan lo siguiente:
MCC: Mobile Country Code (2 o 3 cifras). MNC: Mobile Network Code (2 cifras).
MSIN: Mobile Station Identification Number (13 cifras max).
El equipo móvil (ME) o Terminal, la otra sección de la que se compone el MS, esta identificado dentro de cualquier red GSM por el Internacional Mobile Equipment Identity (IMEI). El IMEI es un numero de 15 cifras que se determinan de la siguiente manera: IMEI=TAC/FAC/SNR/Sp. Un ejemplo es el siguiente: 451236 20 069823 1.
En donde las secciones de esta identidad representan lo siguiente:
TAC: Type Approval Code, determinado por el cuerpo central del GSM (6 cifras) y en donde las primeras dos cifras representan el país.
FAC: Final Assembly Code, identifica al fabricante (2 cifras). SNR: Serial Number (6 cifras).
El IMEI de un aparato habitualmente está impreso en la parte posterior del equipo, bajo la batería. Se puede marcar la secuencia "*#06#" para que aparezca en la pantalla del teléfono.
El equipo móvil (ME) o Terminal utiliza tecnología de microprocesadores VSLI (Very Large Scale Integration) con lo que muchas de sus funciones pueden ser integradas en un solo circuito integrado, lo que resulta en terminales más ligeros, compactos y con una mayor eficiencia en el uso de la energía.
3.2.2 Subsistema de Estación Base (BSS)
El BSS agrupa la maquinaria de infraestructura específica a los aspectos celulares de GSM. El BSS está en contacto directo con las estaciones móviles a través de la interfaz aérea. Por lo tanto, incluye las máquinas encargadas de la transmisión y recepción de radio, y de su gestión.
El BTS esta compuesto por dos partes: el BTS (Base Transceiver Station) y el BSC (Base Station Controller). Estas se comunican mediante el llamado Interfase Abis, la cual esta basado en vías PCM de 2 Mbps o de 64 Kbps.
El BTS contiene todos los transmisores-receptores que sirven a una celda y que se interesan por recibir y enviar información al canal, abasteciendo una interfaz física entre la MS y el BSC.
Recibe la señal por medio de dos antenas, las cuales lo hacen de forma independiente y las cuales están afectadas de modo distinto por las interferencias, lo que conlleva a una mejor calidad de la señal recibida.
También el BTS monitoriza la conexión de radio realizando medidas significativas sobre las señales, las cuales luego son enviadas al BSC con la finalidad de asegurar un elevado nivel de calidad de conexión.
La información transmitida en el canal que debe utilizarse es comunicada a la BTS por la BSC en base a las indicaciones recibidas por la MSC (Mobile Services Switching Central). Además, la BTS se encarga de la búsqueda de las estaciones móviles y de las peticiones de canal desde ellas mismas. También la codificación-descodificación de los canales y la diversidad en recepción es realizada por este modulo.
El BSC administra los recursos de radio para una o más BTS, controlando la conexión entre estas y las MSC. Permite la gestión y configuración del canal de radio. Para cada llamada tiene que elegir la celda correcta y una vez que selecciono uno, deberá de escoger el canal más apto para conectarse.
También esta entre sus funciones el decidir cuando efectuar el Handover tomando en cuenta las medidas de potencia recibidas por el BTS. Permite el frequency hopping, lo que
significa que puede cambiar la frecuencia usada en un canal de radio a intervalos regulares, con el fin de mejorar la calidad del servicio a través de las distintas frecuencias.
El BSC determina la potencia optima con la que el MS y el BTS deben transmitir sobre el canal de radio para mejorar la eficiencia espectral, a esta aplicación se le llama control dinámico de potencia (DPC).
3.2.3 Subsistema de Red (NSS)
El componente principal de este sistema es el MSC. Por medio de este, se realiza la conmutación de las llamadas entre los usuarios GSM y los de la red fija de telefonía u otras redes de radio móviles.
También por medio de cuatro bases inteligentes (HLR, VLR, AUC, EIR), se tiene acceso y se brinda supervisión de la movilidad de los abonados, identificando a los usuarios, su posición, y autentificando las llamadas a un abonado en roaming.
El MSC es el elemento principal del NSS. Actúa como un nodo de conmutación normal de una red PSTN o ISDN, añadiendo todas las funciones necesarias para manejar un usuario móvil, como su registro, autenticación, localización de Handoff, entre otras. Estas funciones realizadas, se hacen basándose en la información que recibe el MSC de parte del HLR y el VLR.
Dentro del NSS puede estar presente más de un MSC, donde cada una de ellas es responsable de la gestión del tráfico de una o más BSS.
Figura 3.4 Representación Subsistema de Red
El HLR (Home Location Register) contiene toda la información administrativa sobre el cliente del servicio y la localización actual del Terminal. Es a través del HLR que la red verifica si un móvil que se intenta ligar posee un contrato de servicio válido. Si la respuesta es afirmativa el MSC envía un mensaje de vuelta al Terminal informándole que está autorizado a utilizar la red. El nombre de la operadora aparece entonces en pantalla, informando que se puede efectuar y recibir llamadas. Cuando el MSC recibe una llamada destinada a un móvil él va al HLR verificar la localización. Paralelamente, el Terminal de tiempos a tiempos envía un mensaje para la red, para informarla del sitio donde se
encuentra (este proceso es denominado polling).
El Visitor Location Register (VLR) es utilizado para controlar el tipo de conexiones que un Terminal puede hacer. Por ejemplo, si un utilizador posee restricciones en las llamadas internacionales el VLR impide que estas sean hechas, bloqueándolas y enviando un
mensaje de vuelta al teléfono móvil informando el utilizador.
ambos para garantizar la seguridad del sistema. El EIR posee una lista de IMEI de terminales que han sido declarados como robados o que no son compatibles con la red GSM. Si el teléfono móvil está en esa lista negra, el EIR no permite que se conecte a la red. Dentro del AUC hay una copia del código de seguridad del SIM. Cuando ocurre la autorización el AUC genera un número aleatorio que es enviado para el móvil. Los dos aparatos, de seguida, utilizan ese número, junto al código del SIM y un algoritmo de encriptación denominado A3, para crear otro número que es enviado de nuevo para el AuC. Si el número enviado por el Terminal es igual al calculado por el AuC, el utilizador es autorizado a usar la red.
3.2.4 Centro de Administración de Red (NMC)
Es un componente que permite un control de todas las operaciones en curso. En el NMC también se efectúa la configuración de la red. El elemento más importante del NMC es el Centro de Operación y Mantenimiento (OMC).
El OMC tiene entre sus funciones más importantes la del acceso remoto a todos los elementos que componen la red GSM. También controla las alarmas y el estado del sistema con posibilidad de efectuar varios tipos de pruebas para verificar el correcto funcionamiento del mismo.
Otra de sus funciones es recoger los datos relativos al tráfico de los abonados necesarios para la facturación. Y también administra los abonados y posibilita el conocer su posición dentro del área de cobertura.
En sistemas de grandes dimensiones, puede existir más de un OMC, si fuera este el caso, entonces, existiría un OMC general desde el que es posible controlar todo el sistema (OMC-N) y otros OMC limitados al control de algunas zonas (OMC-R).
3.3 Modulación GMSK
La modulación utilizada en los sistemas GSM es la GMSK. El principal objetivo que tiene la modulación es convertir los datos a ser transmitidos en una forma que se ajuste tanto a los requisitos de transmisión del medio usado como a los impuestos por el sistema y las operaciones.
La modulación GMSK (Gaussian Minimum Shift-Keying) es un tipo de modulación de fase. En la figura 3.5 se puede observar un diagrama I/Q que muestra los componentes real (I) e imaginario (Q) de la señal transmitida. La transmisión de un bit, cero o uno, se representa por el cambio de fase por incrementos de ± p. Cada símbolo que se transmite representa un bit, es decir, cada cambio en la fase representa un bit.
Figura 3.5 Diagrama I/Q de la modulación GMSK
El método de modulación GMSK es utilizado en la técnica de acceso TDMA. La ventaja que tiene este método es que facilita el uso de un ancho de banda relativamente estrecho. La señal vocal digitalizada se codifica con dos códigos correctores de error a una velocidad de transmisión de 22.8 Kbps y ha sido diseñado para que sea compatible con la red digital de servicios integrados (ISDN).
GMSK es un esquema de modulación binario simple que se puede ver como derivado de MSK (Minimum Shift Keying). En GMSK, los lóbulos laterales del espectro de una señal MSK se reducen pasando los datos modulantes a través de un filtro gaussiano de premodulación. El filtro gaussiano aplana la trayectoria de fase de la señal MSK y por lo tanto estabiliza las variaciones de la frecuencia instantánea a través del tiempo. Esto tiene el efecto de reducir considerablemente los niveles de los lóbulos laterales en el espectro transmitido.
Figura 3.6 Diagrama de Bloques GMSK
GMSK se puede detectar coherentemente como una señal MSK, o no coherentemente como una señal simple FSK. En la práctica GMSK es muy atractiva por su eficiencia de potencia y espectral.
GMSK posee un índice de modulación de 0.5 en la que se ha realizado previamente, sobre la señal moduladora, un filtrado gaussiano con 0.3 de producto BT( Ancho de banda por el periodo de bit de la señal moduladora).
El filtro de pre modulación introduce interferencia inter-simbólica ISI en la señal transmitida, pero esta degradación no es grave si el parámetro BT del filtro es mayor de 0.5. Debido a que en GSM el BT es de 0.3, se tienen problemas de ISI y es por ello que la señal no es de envolvente constante.
3.4 Interfaz Aérea
La interfaz aérea es la que se necesita para comunicar al MS con el BTS, se da por un enlace inalámbrico por radiofrecuencia (RF) y es la que precisamente da el término de móvil a los sistemas de telefonía celular.
En la realidad, un canal de radio es un medio hostil para establecer y mantener comunicaciones fiables, por lo que todos los esquemas y mecanismos que se utilizan para hacer posible la comunicación en el canal se agrupan en los procedimientos de la interfaz aérea.
3.4.1 Estructura de canal y múltiple acceso
Dado que el canal de radio es un recurso limitado debe ser compartido por tantos usuarios como sea posible. El método elegido por GSM es una combinación TDMA / FDMA (Time and Frequency Division Multiple Access). FDMA implica la división en frecuencia. Se divide la banda asignada en 124 frecuencias de portadora con un ancho de banda de 25 MHz y separadas 200 kHz. Cada una de estas frecuencias es entonces dividida en tiempo utilizando el TDMA.
La unidad de tiempo en este esquema TDMA se denomina canal y es de 15/26 ms( 0.5578 ms). Se agrupan ocho canales en una trama TDMA (120/26 ms, 4,615 ms) que forma la unidad básica para la definición de los canales lógicos. De todas las frecuencias asignadas a una BTS (fo, fn), la fo se denomina frecuencia piloto de la celda (beacon frequency) y se dedica obligatoriamente durante el slot de tiempo cero (y opcionalmente en los 2, 4 6) a la emisión y recepción de canales de control. En cada frecuencia asignada a una celda hay 8 canales, numerados del 0 al 7. El canal 0 de fo se denomina canal piloto o canal de control. El resto de las frecuencias y los canales 1 al 7 de fo se denominan canales de tráfico.
La BSC asigna, para un determinado móvil en una conexión, una frecuencia y un slot de tiempo. Los sucesivos envíos de bits que cada móvil hace o escucha en su tiempo de trama TDMA constituyen su canal, definido por tanto por la frecuencia y el slot de tiempo.
Para separar un canal de otro la portadora sube su nivel de energía de forma progresiva (ramp up), emite, y baja su nivel de tensión progresivamente (ramp down). Estos tiempos de subida y bajada en rampa que separan un canal de otro se denominan tiempos de guarda y equivalen a los tiempos de transmisión de 8,25 bits.
3.4.2 Canales de Tráfico
Uncanal de tráfico se utiliza para voz y datos. Los canales de tráfico se definen usando una multitrama de 26 tramas (grupo de 26 tramas TDMA). La longitud de una multitrama es 120 ms. De las 26 tramas, 24 se usan para tráfico, 1 para el SACCH (Slow Associated Control Channel) y 1 actualmente no se usa.
Figura 3.8 Tramas y Multitramas en una red GSM
El TCH (Traffic Channel) para uplink y downlink están separados en el tiempo por 3 veces la duración de un canal (3x0.5578 ms), con lo que el móvil no transmite y recibe simultáneamente, con lo que se simplifica la electrónica.
Cada canal de tráfico transporta 156,25 bits cada 0,577 ms de una comunicación. Estos bits son usados para una comunicación de voz o de datos previos procesos de codificación de voz, de canal y entrelazado en un caso o de bloque, de canal y entrelazado en otro.
En caso de envío de datos el Terminal puede pedir envío transparente o no. En el primer caso se adapta el flujo de datos de 2400 a 9600 bps al canal de tráfico; después se pasan los datos por un algoritmo de bloque, antes de la codificación de canal. En el segundo caso los datos se envían insertados en campos de información de tramas de un protocolo HDLC de formato particular.
Opcionalmente la Red puede usar el procedimiento de salto en frecuencias (frequency hopping) que consiste en enviar cada canal no por una portadora fija sino que se cambian cada trama. El orden de cambio sigue una secuencia fija, existiendo hasta 64 secuencias.
3.4.3 Canales de Control
Los canales de control se organizan en multitramas de 26 tramas (cada trama tiene 8 canales) que a su vez forman conjuntos de 51 supertramas. A partir de aquí se forman hipertramas con 2047 supertramas.
Estos canales de control no se utilizan para transmitir voz, únicamente para radiar o recibir información general hacia o desde todos los móviles situados en la celda. Esta información se utiliza para el control y el manejo de las comunicaciones, como peticiones de servicio o respuestas a llamadas.
Los canales de control se organizan en multitramas de 51 tramas (cada trama tiene 8 canales) que a su vez forman conjuntos de 26 supertramas. A partir de aquí se forman hipertramas con 2047 supertramas. Se pueden distinguir entre tres tipos, canales de difusión, canales de control común y canales de control dedicados.
Los canales de difusión, son los que son escuchados por todos los móviles del sistema, y se muestran a continuación:
• BCCH: Canal de control de difusión (de BSS a todas las MS). Se envía en el slot 0
de fo y contiene 6 mensajes de 23 bytes cada uno con información de difusión diversa. A cada paquete de 23 bytes se le añade un código cíclico, pasando a 244 bits y luego se pasa por un código convolucional de 1/2, obteniéndose 456 bits. Entre la información que se envía por este canal se incluyen las identidades de la
red, la celda y el área, las frecuencias utilizadas en la celda, incluyendo fo, el mínimo nivel de recepción y la máxima potencia a utilizar.
• FCCH: Canal de corrección de frecuencia (de BSS a todas las MS). Es un patrón de
bits fijos que al pasar al modulador producen 1,625 Khz. sobre fo. esta frecuencia en recepción sirve para la sintonización de los móviles.
• SCCH: Canal de sincronización (de BSS a todas las MS). En este canal se incluyen
datos como el número de trama. El subsistema de Estación Base envía los canales de control ordenados en tramas, de 0 a 2715647, de modo que se puedan poner de acuerdo ambos extremos en procesos tales como el cifrado.
Los Canales de control común son comunes a todos los usuarios pero van dirigidos a un móvil concreto. Constan de 23 bytes que se convierten en 456 bits después de codificarse y pasar por un código convolucional. A continuación se nombran los canales de control común:
• RACH: Canal de acceso aleatorio ( de BSS a MS)
• PCH: Canal de búsqueda ( de MS al BSS)
• AGCH: Canal de acceso aleatorio ( de BSS a MS)
Los Canales de control dedicados son un canal asignado a un móvil en un preciso momento. Algunos canales de control dedicados son los siguientes:
• SDCCH: Canal dedicado de control independiente (de BBS a MS y de MS al BBS).
HDLC. Estos 23 bytes se convierten en 4 bloques de 114 bits que se envían consecutivamente en 4 slots de tiempo consecutivos.
• SACCH: Canal dedicado de control lentamente asociado (de BBS a MS y de MS al
BBS). en este canal se envían medidas del móvil a la estación y consta de mensajes de 23 bytes con medidas de recepción de la misma fo a la que está sintonizado y de las fo de las celdas vecinas que observa. Estos 23 bytes se convierten en 4 bloques de 114 bits que se envían consecutivamente en 4 slots de tiempo consecutivos.
• FACCH: Canal dedicado de control rápidamente asociado (de BBS a MS y de MS
CAPÍTULO 4: Cobertura Celular
4.1 Planificación Tradicional de Redes Móviles
De manera genérica, el proceso de planificación de las redes de acceso radio de segunda (2G) y tercera (3G) generación se puede dividir en tres fases. Estas fases consisten en:
a) Dimensionamiento de red.
b) Una planificación con mayor nivel de detalle de la red de acceso radio.
c) Las etapas de optimización, operación y mantenimiento de red.
En todas las fases se requiere, además, una serie de actividades adicionales de soporte, como puede ser la realización masiva de campañas de medidas de nivel de señal, para poder llevar a cabo un ajuste más fino del modelo de propagación que ayude en la fase de planificación de coberturas. La definición de los indicadores apropiados del estado de la red (como, por ejemplo, la tasa de llamadas caídas, el número de traspasos entrantes o salientes, el tráfico en la hora cargada, etc.) será de utilidad también en la etapa de optimización.
Ciertos aspectos de cada una de las fases son comunes a todas las tecnologías de acceso radio. En lo que se refiere a los aspectos de planificación, las tecnologías de acceso se agrupan principalmente en dos conjuntos: el conjunto de las tecnologías que están basadas en TDMA/FDMA (como es el caso de GSM) y el conjunto de las tecnologías que están basadas en CDMA/WCDMA (como es el caso de UMTS). Ciertos aspectos son comunes a ambas, como, por ejemplo, la predicción y el cálculo de coberturas (evidentemente los modelos de propagación utilizados pueden variar de una a otra). También el análisis de la interferencia es una característica común a todas: en el caso de WCDMA es necesario para el análisis del factor de carga y la sensibilidad del sistema, en las redes FDMA resulta esencial para la planificación y asignación de frecuencias. Otros aspectos en cambio son intrínsecos de cada tecnología. La capacidad y la cobertura de las redes UMTS están íntimamente relacionadas entre sí, y no puede planificarse una sin tener en cuenta la otra. El hecho de que la cobertura de una célula dependa de la carga de los usuarios se conoce como "respiración celular". Otra particularidad de los sistemas posteriores a 2G es la importancia que toman los servicios de datos. La variedad de servicios tiene una implicación multidimensional que debe tenerse en cuenta en todas las fases de planificación de la red.
Hoy en día los operadores móviles cuentan con herramientas de planificación para cubrir cada una de las etapas de evolución de la red. En el caso de la planificación detallada las herramientas de planificación juegan un papel fundamental, sobre todo en las redes 3G, dada su mayor complejidad. Con estas herramientas los planificadores de red consiguen
