GSMyGPRS

GSM Y GPRS

UN PASO MÁS EN TELEFONÍA CELULAR

Dar a conocer nuevas tecnologías celulares las cuales permiten entre sus múltiples posibilidades ofrecer al usuario una conexión constante a Internet, lo que permitirá una nueva idea de comunicación permanente y móvil.

CONTENIDO:

INTRODUCCIÓN.

CAPÍTULO 1.- CÓMO TRABAJA LA TELEFONÍA CELULAR. CAPÍTULO 2.- QUÉ ES GSM?.

CAPÍTULO 3.- EL SISTEMA GSM. CAPÍTULO 4.- QUÉ ES GPRS?.

CAPÍTULO 5.- COMUNICACIÓN DE DATOS POR GPRS. CONCLUSIONES.

GUILLERMO GONZALO PÉREZ ROJAS

JESÚS VEGA VERA

ROBERTO CARLOS HURTADO TORRES

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1. CÓMO TRABAJA LA TELEFONÍA CELULAR.

1.1. Qué es la telefonía celular. 1

1.1.1. PLMN. 5

1.1.2. Bandas de Frecuencia y Asignación de Canal. 8

1.1.3. Acceso Múltiple. 9

1.2. Elementos que conforman una red celular. 10

1.2.1. Las Células. 10

1.2.1.1. Tamaño de la célula. 11

1.2.1.2. La potencia de la célula. 14

1.2.1.3. Potencia efectiva radiada. 14

1.2.1.4. Célula práctica y analítica. 15

1.2.1.5. Área de cobertura. 16

1.2.1.6. Handover o Hand-off. 17

1.2.1.7. Planes de re-uso de frecuencia (clusters). 19 1.2.1.8. Interferencias y capacidad del sistema. 20

1.2.1.9. Canales en redes celulares. 22

1.2.1.10. Configuración de células. 24

1.2.2. Estaciones Radio Bases (RBS). 26

1.2.2.1. Antenas. 28

1.2.2.2. Unidades funcionales. 32

1.2.3. Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC). 36

1.2.4.1. Tipos o clases de móviles. 40 1.2.4.2. Potencia de salida de la estación móvil. 41

1.2.4.3. Componentes. 42

1.2.4.4. Características. 44

1.3. Métodos de Acceso Múltiple. 45

1.3.1. FDMA. 46 1.3.2. TDMA. 46 1.3.3. CDMA. 49 CAPÍTULO 2. QUÉ ES GSM? 2.1. El concepto de GSM. 54 2.2. Fases GSM. 58 2.3. Bandas de frecuencia. 61 2.4. Novedades en GSM. 62 2.4.1. SIM-Card. 62 2.4.2. Bluetooth. 67 2.4.3. SMS. 73 2.4.4. WAP. 77 2.5. Servicios de GSM. 85 2.5.1. Bearer Services. 86 2.5.2. Teleservicios. 86 2.5.3. Servicios Suplementarios. 87

CAPÍTULO 3. EL SISTEMA GSM.

3.1. Arquitectura de red en GSM. 93

3.1.1. La Estación Móvil (MS). 94

3.1.2. El Sistema de Estación Base (BSS). 95

3.1.2.1. Base Station Controller (BSC). 97 3.1.2.2. Base Transceiver Station (BTS). 98 3.1.3. El Sistema de Conmutación de Red (SS). 101 3.1.3.1. Mobile Switching Center (MSC). 101 3.1.3.2. Home Location Register (HLR). 102 3.1.3.3. Visitor Location Register (VLR). 103

3.1.3.4. Autentication Center (AUC). 104

3.1.3.5. Equipment Identity Register (EIR). 105 3.1.4. El Sistema de Operación y Soporte (OSS). 106 3.1.4.1. Centro de Operación y Mantenimiento (OMC). 107 3.1.4.2. Centro de Manejo de la Red (NMC). 107

3.2. Interfaces. 108

3.2.1. Interfaz de Radio (Interfaz Um). 108

3.2.2. Interfaz entre la MSC y el BSS (Interface A). 109 3.2.3. Interfaz entre el BSC y la BTS (Interfaz A-bis). 109 3.2.4. Interfaz entre la MSC y el VLR asociado (Interfaz B). 109 3.2.5. Interfaz entre el HLR y la MSC (Interfaz C). 109 3.2.6. Interfaz entre el HLR y el VLR (Interfaz D). 110

3.2.7. Interfaz entre MSC’s (Interfaz E). 111

3.3. Identidades GSM. 111

3.3.1. Mobile Station ISDN Number (MSISDN). 111 3.3.2. Mobile Station Roaming Number (MSRN). 113 3.3.3. International Mobile Subscriber Identity (IMSI). 114 3.3.4. Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI). 115

3.3.5. International Mobile Equipement Identity (IMEI). 115

3.3.6. Location Area Identity (LAI). 116

3.3.7. Cell Global Identity (CGI). 117

3.4. Interfaz de radio. 118

3.4.1. Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA). 118

3.4.2. Operaciones Duplex. 120

3.4.2.1. Duplex por División de Frecuencia (FDD). 120 3.4.2.2. Duplex por División de Tiempo (TDD). 120

3.4.3. Frequency Hopping. 121

3.4.4. El Canal de Radio. 122

3.4.4.1. Características del canal de radio. 122

3.4.4.2. Condiciones estáticas. 123 3.4.4.3. Condiciones dinámicas. 123 3.4.5. Frecuencias. 123 3.4.5.1. GSM Básico. 124 3.4.5.2. GSM Extendido. 125 3.4.5.3. PCN ó DCS-1800. 126 3.4.5.4. PCS-1900/DCS-1900. 126 3.4.6. Canales Físicos. 127 3.4.7. Canales Lógicos. 128 3.4.7.1. Canales de tráfico (TCH). 129 3.4.7.2. Canales de control. 131

3.4.8. Proceso de una Llamada en GSM. 136

3.4.9. Burst ó Ráfagas. 138

3.5. Proceso de transmisión en GSM. 142

3.5.1. Codificación de la Fuente. 143

3.5.2. Codificación del Canal. 142

3.5.3. Entrelazado ("Interleaving"). 148

3.5.4. Cifrado/Encriptado. 151

3.5.5. Preparación del Burst. 151

3.5.6. Modulación Digital en GSM. 152

3.5.6.1. Modulación MSK. 153

3.5.6.2. Modulación GMSK ("Gaussian Minimum Shift

Keying"). 155

3.5.7. Control de Potencia y timing advance. 156

3.5.8. Handover en GSM. 157

3.6. Seguridad en GSM. 159

3.6.1. Proceso de Autenticación. 162

3.6.2. Proceso de Confidencialidad de los Datos y

Señalización en GSM. 163

3.6.3. Proceso de Confidencialidad de la Identidad del

Abonado. 163

3.6.4. Consideraciones Sobre el Algoritmo A5 de Cifrado

GSM y los Algoritmos A3 y A8. 164

CAPÍTULO 4. QUÉ ES GPRS?

4.1. Introducción a GPRS. 165

4.1.1. Características y ventajas de GPRS. 167

4.2. Servicios y aplicaciones. 169

4.2.2. Aplicaciones. 172

4.3. Arquitectura de red en GPRS. 181

4.3.1. Base Station System (BSS). 182

4.3.1.1. Base Station Controller (BSC). 182 4.3.1.2. Base Transceiver Station (BTS). 183

4.3.2. Circuit Switching System (CSS). 183

4.3.2.1. MSC/VLR (Mobile Service Switching Center/

Visitor Location Register). 183 4.3.2.2. GMSC (Gateway Mobile Service Switching Center). 184 4.3.2.3. HLR (Home Location Register). 184

4.3.2.4. AUC (Autentication Center). 186

4.3.2.5. SMS-IW-MSC

(Short Message Service-Interworking MSC). 186 4.3.2.6. SMS-GMSC (Short Message Service Gateway MSC). 186

4.3.3. Packet Switching System (PSS). 186

4.3.3.1. SGSN (Serving GPRS Support Node). 187 4.3.3.2. GGSN (Gateway GPRS Support Node). 187

4.3.4. Terminales GPRS. 187

4.3.4.1. Estados operativos del terminal. 191

4.4. PCU (Packet Control Unit). 202

4.5. Nodos de soporte de GPRS (GSN). 204

4.5.1. SGSN (Serving GPRS Support Node). 205

4.5.1.1. Funcionalidad del SGSN. 206

4.5.1.2. Seguridad en los SGSN. 210

4.5.1.3. Direcciones IP dinámicas. 211

4.5.1.4. Direcciones IP estáticas. 212

4.5.2.5. Tarificación. 212

4.5.2.1. Funcionalidad del GGSN. 214

4.5.2.2. Seguridad en los GGSN 215

4.5.2.3. Gestión de carga útil 216

4.5.2.4. Border gateway. 216 4.5.2.5. Enrutamiento de IP 217 4.6. Interfaces. 218 4.6.1. Interfaz Gb. 218 4.6.2. Interfaz Gs. 219 4.6.3. Interfaz Gr. 221 4.6.4. Interfaz Gd. 222 4.6.5. Interfaz Gi. 223 4.6.6. Interfaz Gn. 223

4.7. APN (Access Point Name). 224

CAPÍTULO 5. COMUNICACIÓN DE DATOS POR GPRS.

5.1. Conmutación de circuitos (CS). 231

5.2. Conmutación de paquetes (PS). 234

5.3. Protocolos. 239

5.3.1. Protocolos del Plano de Transmisión. 239 5.3.2. Pila de Protocolos del Plano de Señalización. 241

5.4. Interfaz de radio. 242

5.4.1. Canales Lógicos. 242

5.4.2.1. Asignación de PDCH dedicado. 247 5.4.2.2. Asignación de PDCH por demanda. 248

5.4.3. Multitrama. 249

5.5. Transferencia de paquetes. 253

5.5.1. Modo de Operación de Red. 253

5.5.2. Transferencia de Paquetes en Downlink. 255

5.5.2.1. Paging. 255

5.5.2.2. Establecimiento de TBF downlink. 257 5.5.3. Transferencia de Paquetes en Uplink. 259 5.5.3.1. Establecimiento de TBF uplink. 259 5.5.3.2. TBF ya establecido. 261 5.5.3.3. Reconocimiento. 261 5.5.3.4. Finalizando un TBF. 262 5.6. Cambio de celda en GSM y GPRS. 262 5.6.1. Cambio de Celda en GSM. 262 5.6.2. Cambio de Celda en GPRS. 263

5.6.3. Reselección de Celda en un Caso de Tráfico Downlink. 264 5.6.4. Reselección de Celda en un Caso de Tráfico Uplink. 265

5.7. Disciplinas de servicio. 267 5.7.1. Sin Prioridad. 267 5.7.2. Con Prioridad. 268 5.7.3. Garantizando QoS. 268 CONCLUSIONES 270 GLOSARIO.

INTRODUCCIÓN

El auge de las comunicaciones móviles celulares ha revolucionado el concepto de telefonía. Sobre todo por la movilidad de los usuarios que ya no llaman a un sitio, sino a una persona específica. Cuando se introdujeron por primera vez a principios de los años ochenta, estos teléfonos estaban circunscritos a automóviles y limitados por su peso y su potencia, pero poco a poco se fueron fabricando aparatos más pequeños y de menor peso, más baratos, y abandonaron el automóvil y se trasladaron al portafolio o al bolsillo.

El término celular se debe a que la cobertura radioeléctrica de una zona geográfica completa se realiza cubriendo pequeñas regiones llamadas células. En cada una de estas células existe una Estación Radio Base (ERB) que controla el tráfico de teléfonos móviles que se desplazan en la zona correspondiente. A su vez estas estaciones están enlazadas con el Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC) y éste a su vez está conectado a la Red Telefónica Pública (PSTN).

Las correspondientes estaciones radio base se ponen en contacto mediante ondas electromagnéticas, también llamadas radiación electromagnética o campos electromagnéticos. Sin embargo, las ondas de esta naturaleza no suponen una fuente de energía novedosa. Desde la aparición de las primeras transmisiones de radio a principios del siglo XX, la radiación electromagnética nos acompaña en multitud de servicios que asumimos como cotidianos. Las ondas de radio, la televisión, los servicios de emergencia como policía o bomberos, radioaficionados, sistemas de vigilancia, radares, sistemas de navegación aérea, o comunicaciones vía satélite son también algunas de las formas de energía de radiofrecuencia más extendidas y conocidas.

Uno de los aspectos más interesantes del teléfono celular es que es solamente un radio extremadamente sofisticado, pero un radio a fin de cuentas.

HISTORIA DEL TELÉFONO CELULAR.

El teléfono fue inventado por Alexander Graham Bell en 1876, y la comunicación inalámbrica tiene sus raíces en la invención del radio por Nikolai Tesla en la década de 1880, formalmente presentado en 1894 por un joven italiano llamado Guglielmo Marconi.

En la época predecesora a los teléfonos celulares, la gente que realmente necesitaba comunicación móvil tenía que confiar en el uso de radio-teléfonos en sus autos. En el sistema radio-telefónico, existía sólo una antena central por cada ciudad, y probablemente 25 canales disponibles en la torre.

Esta antena central significaba que el teléfono en el vehículo requeriría una antena poderosa, lo suficientemente poderosa para transmitir a 50 ó 60Kms de distancia. Esto también significaba que no muchas personas podrían usar los radio-teléfonos simplemente no existían suficientes canales para conectar.

RESEÑA Y DESARROLLO DE LA TELEFONÍA CELULAR.

AÑO EVENTO

1876

Alexander Graham Bell impresiona a la sociedad de Filadelfia al transmitir voz por medio de un telégrafo, es el principio de una nueva tecnología que en pocos años tendrá millares de usuarios.

1905 Se realizan las primeras transmisiones de AM de voz y música, la calidad

1928

Entra en operación el primer sistema de comunicación móvil del departamento de policía de Detroit de tipo Simplex (Transmisión unidireccional desde el sitio hacia el móvil). Al año siguiente la policía de Cleveland implementa un sistema similar al de Detroit.

1930

Se desarrollan los primeros transmisores móviles de tipo Half Duplex (Transmisión bidireccional utilizando el sistema de "Push to talk") y los pone en operación la policía de New Jersey. Los transmisores ocupaban casi todo el espacio de las cajuelas de los autos.

1935

Edwin H. Amstrong realiza una demostración de un radio de FM (Modulación en Frecuencia por sus siglas en inglés), asombrando a la comunidad de la época con la calidad de la señal recibida.

1940

Debido a la participación de los Estados Unidos en la Segunda Guerra Mundial, Bell Labs y Western Digital fueron contratadas por el gobierno para desarrollar sistemas de comunicación para el campo de batalla, todos los tanques, aviones y navíos contaban con radios de FM, gracias a esto toda una estructura industrial de radios FM fue instalada en Estados Unidos y la radio de FM se volvió una opción económicamente viable.

1946

La FCC (Federal Communications Commission) permite que AT&T instale el primer sistema de telefonía móvil en la ciudad de St. Louis. La "Radio Urbana" estaba basada en una única torre de transmisión de alta potencia que cubría 80Km. de radio y operaba en tres canales, con transmisión Half Duplex, con costos relativamente bajos. La demanda por el servicio creció y el sistema quedó saturado.

1947

Bell Labs presenta el concepto de Telefonía Móvil Celular, pero se requería del permiso por parte de la FCC para utilizar un mayor número de frecuencias. En ese año más de 25 ciudades americanas ya tenían instalado el sistema de "Radio Urbana".

1955

El 6 de Octubre dada la visión emprendedora e innovadora de Don Alejo Peralta se crea SOS (Servicio Organizado Secretarial), cuyo objetivo fue el proveer el servicio de radiotelefonía móvil.

1960

Surge el concepto de distribución de los canales de radio (Trunking). Hasta entonces cada radio trabajaba en una frecuencia diferente. Con el sistema de Trunking cada radio podía ocupar cualquiera de las frecuencias disponibles. Se podía dar servicio a 250 usuarios con diez canales.

1962-1964

Se introduce experimentalmente el IMTS (Improved Mobile Telephone System) ó sistema de telefonía móvil con transmisión FM, Full Duplex, con selección automática de canales y conmutación automática en Pensilvania. El servicio es implantado en varios sistemas metropolitanos.

1966

El sistema de Bell Labs sólo contaba con 12 canales disponibles para toda la población de la ciudad de Nueva York, por lo que sólo consigue atender a 543 abonados de telefonía móvil, con un grado de servicio de 13% y una lista de espera de más de 37,00 personas.

1971 AT&T hace la primera propuesta de implantación del sistema AMPS

(Advanced Mobile Phone System).

1975 AT&T implanta el sistema de telefonía celular en Chicago, Illinois.

1984 Más de 25 ciudades de Estados Unidos cuentan con sistema de telefonía

celular

1989 Nace IUSACELL, innovando en México los servicios de telefonía celular.

1998 IUSACELL construye la primera Red Celular Digital en la Ciudad de

México

SITUACIÓN ACTUAL.

En la actualidad existen tres tecnologías comúnmente usadas para transmitir información en las redes:

→ Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA)

→ Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA)

→ Acceso múltiple por división de código (CDMA)

La diferencia primordial yace en el método de acceso, el cual varía entre:

 Frecuencia, utilizada en la tecnología FDMA

 Tiempo, utilizado en la tecnología TDMA

 Códigos únicos, que se proveen a cada llamada en la tecnología CDMA. La primera parte de los nombres de las tres tecnologías (Acceso múltiple), significa que más de un usuario (múltiple) puede usar (accesar) cada celda.

TENDENCIA.

A pesar de que la telefonía celular fue concebida estrictamente para la voz, la tecnología celular de hoy es capaz de brindar otro tipo de servicios, como datos, audio y video con algunas limitaciones. Sin embargo, la telefonía inalámbrica del mañana hará posible aplicaciones que requieran un mayor consumo de ancho de banda.

LAS GENERACIONES DE LA TELEFONÍA INALÁMBRICA.

Primera Generación

(1G)

Hizo su aparición en 1979 y se caracterizó por se analógica y estrictamente para voz. La calidad de los enlaces era muy baja, tenían baja velocidad (2400Bauds). En cuanto a la transferencia entre celdas, era muy imprecisa ya que contaban con una baja capacidad (Basadas en FDMA, Frequency Division Multiple Access) y, además, la seguridad no existía. La tecnología predominante de esta generación es AMPS (Advanced Mobile Phone System).

Segunda Generación

(2G)

Arribo hasta 1990 y a diferencia de la primera se caracterizó por ser digital.

El sistema 2G utiliza protocolos de codificación más sofisticados y se emplea en los sistemas de telefonía celular actuales. Las tecnologías predominantes son: GSM (Global System por Mobile Communications); IS-136 (conocido también como TIA/EIA136 o ANSI-136) y CDMA (Code Division Multiple Access) y PDC (Personal Digital Communications), éste último utilizado en Japón.

Los protocolos empleados en los sistemas 2G soportan velocidades de información más altas por voz, pero limitados en comunicación de datos. Se pueden ofrecer servicios auxiliares, como datos, fax y SMS (Short Message Service). La mayoría de los protocolos de 2G ofrecen diferentes niveles de encriptación. En Estados Unidos y otros países se le conoce a 2G como PCS (Personal Communication Services).

Generación 2.5G

Muchos de los proveedores de servicios de telecomunicaciones se moverán a las redes 2.5G antes de entrar masivamente a la 3. La tecnología 2.5G es más rápida, y más económica para actualizar a 3G.

cuenta con mas capacidades adicionales que los sistemas 2G, como: GPRS (General Packet Radio System), HSCSD (High Speed Circuit Switched), EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution), IS-136B e IS-95Bm entre otros.

Tercera Generación

(3G)

La 3G se caracteriza por contener a la convergencia de voz y datos con acceso inalámbrico a Internet; en otras palabras, es apta para aplicaciones multimedia y altas transmisiones de datos.

Los protocolos empleados en los sistemas 3G soportan altas velocidades de información y están enfocados para aplicaciones más allá de la voz como audio (mp3), video en movimiento, videoconferencia y acceso rápido a Internet, sólo por nombrar algunos.

Asimismo, en un futuro próximo los sistemas 3G alcanzarán velocidades de hasta 384Kbps, permitiendo una movilidad total a usuarios, viajando a 120K/h en ambientes exteriores. También alcanzará una velocidad máxima de 2Mbps, permitiendo una movilidad limitada a usuarios, caminando a menos de 10 kilómetros por hora en ambientes estacionarios de corto alcance o en interiores.

Justificación.

Se eligió este tema para mostrar la evolución de la telefonía celular y los alcances que puede tener en un futuro, sobre todo por la gran importancia que han adquirido en nuestros días las comunicaciones móviles en general, y en particular el estándar GSM, así como GPRS, que es considerado paso de transición hacia los sistemas de tercera generación (3G).

Objetivo General.

Tener una visión general de las comunicaciones móviles, así como los avances que han tenido, explicando cada uno de los conceptos fundamentales de la telefonía inalámbrica. Una vez que se tenga por entendido el concepto básico de la telefonía celular, se explicará el estándar de comunicaciones móviles GSM, y posteriormente se estudiará el sistema de transmisión de datos GPRS.

Objetivos Específicos.

• Conocer los elementos y funcionamiento de una red celular.

• Mostrar la nueva tendencia en los sistemas de comunicación móvil.

• Realizar un breve análisis de los nuevos sistemas celulares.

• Mostrar un panorama general del futuro que pueden tener las comunicaciones inalambricas.

Problemas a Resolver.

La demanda de usuarios cada día es mayor por lo que se requieren sistemas que cubran dicha demanda con una mejor calidad y al mismo tiempo ofrezca otras opciones en el campo de las comunicaciones al reducir tiempos en la intercambio de información.

Contenido Capitular.

CAP. 1.- Cómo trabaja la telefonía celular. En este capitulo se trataran los

principios básicos de una red celular, su funcionamiento, así como cada uno de los componentes que la conforman.

CAP. 2- Qué es GSM. Se dará un panorama general de que se trata este sistema,

explicando su evolución así como las novedades y servicios que ofrece.

CAP. 3.- El sistema GSM. Se explicarán los componentes que lo conforman así

como también se dará una descripción de como se lleva a cabo la comunicación a través de GSM.

CAP. 4.- Qué es GPRS. En esta parte se verá un panorama general del futuro en

la comunicación de datos a nivel mundial y su implementación al sistema GSM, describiendo los nuevos elementos que se integran a la red.

CAP. 5.- Comunicación de datos a través de GPRS. Se hará un breve análisis

de la comunicación de datos vía celular, mostrando los pasos que se llevan a cabo durante la transmisión de datos.

CÓMO TRABAJA LA TELEFONÍA CELULAR.

Las tecnologías inalámbricas están teniendo mucho auge y desarrollo en estos últimos años, una de las que ha tenido un gran desarrollo ha sido la telefonía celular. Desde sus inicios a finales de los 70s ha revolucionado enormemente las actividades que realizamos diariamente. Los teléfonos celulares se han convertido en una herramienta primordial para la gente común y de negocios, las hace sentir más segura y las hace más productivas.

A pesar que la telefonía celular fue concebida para la voz únicamente, debido a las limitaciones tecnológicas de esa época, la tecnología celular de hoy en día es capaz de brindar otro tipo de servicios tales como datos, audio y video con algunas limitaciones, pero la telefonía inalámbrica del mañana hará posible aplicaciones que requieran un mayor consumo de ancho de banda.

1.1. QUÉ ES LA TELEFONÍA CELULAR.

La estructura de la red celular se basa en la conexión de terminales móviles al sistema a través de una serie de estaciones repartidas por un área geográfica, que dependen de un sistema de conmutación, que permiten la interconexión entre estaciones bases y la conexión del sistema a la red pública.

Las principales características de un sistema celular son:

• Gran capacidad de usuarios.

• Utilización eficiente del espectro.

Cada sistema de telefonía celular comparte virtualmente la misma arquitectura comprendida en tres bloques funcionales.

Fig. 1.1. Elementos de una Red Celular.

Existe un Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC) el cual realiza la función de conmutación para llamadas de teléfonos celulares y provee la interface entre el sistema celular y la red de telefonía pública (PSTN), o a otra Estación Radio Base (RBS).

El siguiente bloque es el emisor el cual proporciona la interface entre el Centro de Conmutación (MSC) y la unidad móvil. El emisor es nombrado como Estación Radio Base (RBS). La RBS contiene todo el equipo de radio utilizado para la comunicación desde/hacia los móviles y la conexión de los suscriptores móviles hacia el MSC.

El tercer bloque funcional es uno de los más importantes, la unidad móvil en sí. Este elemento es la razón para que el resto del sistema exista. La unidad móvil, a veces llamado Estación Móvil (MS), Handset o Teléfono Celular, es el Equipo Terminal (TE) para llamadas de teléfono celular. El término de Equipo Terminal indica que las llamadas de teléfono celular pueden comenzar o terminar en la Estación Móvil.

La gran idea del sistema celular es la división de la ciudad en pequeñas células o celdas, de ahí el término celular. Esta idea permite la re-utilización de frecuencias a través de la ciudad, con lo que miles de personas pueden usar los teléfonos al mismo tiempo. Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC) Estación Radio Base (RBS) Estación Móvil (MS) Red de Telefonía Pública (PSTN)

Cada celda tiene una RBS que consiste de una torre y un pequeño edificio que contiene el equipo de radio. Dependiendo del tipo de antena de transmisión empleada en la RBS, se puede cubrir una o más áreas por una RBS.

Para representar una célula, usualmente se utiliza un hexágono en forma teórica, pero en realidad el área de cobertura es circular.

Existen dos tipos de células: Omnidireccionales y Sectoriales.

Una célula Omnidireccional se produce cuando la RBS está equipada con una antena Omnidireccional transmitiendo igualmente en todas direcciones y se forma un área circular, con la RBS en el centro de la célula.

Fig. 1.2. Representación de una Célula Omnidireccional.

Para formar una célula sectorial, la RBS está equipada con tres antenas direccionales, cada una cubriendo una célula sectorial de 120 grados.

En cada una de las estaciones base, algunas unidades de canal están conectadas a una antena cubriendo una célula sectorial; otras unidades de canal están conectadas a la segunda antena cubriendo una segunda célula, y el resto a una antena para tener una tercer célula.

Gráfica Real

Por lo tanto, una RBS controla a tres células sectoriales. Cuando se muestran tres células sectoriales, se dibujan tres hexágonos, uno para cada célula, con la RBS localizada en la esquina de cada hexágono. Para que se lleve a cabo la cobertura total, las células vecinas deben traslaparse entre sí.

Fig. 1.3. Representación de una Célula Sectorizada.

La RBS está conectada al MSC por medio de circuitos de enlace punto a punto. La RBS maneja la radiocomunicación con los teléfonos celulares o estaciones móviles y supervisa la calidad de la radiotransmisión durante una llamada.

La MSC y la RBS están conectados por medio de un enlace E1 (o T1 en Norte América). La RBS está conectada a la MS por medio de una interface aérea.

Como se mencionó, una de las principales características de los sistemas celulares es el re-uso de frecuencias, que consiste en comunicar al teléfono celular con la RBS por medio de un canal telefónico con frecuencias disponibles en ese momento. El teléfono celular no tiene una frecuencia fija de enlace. Esta técnica permite hacer un eficiente uso del espectro electromagnético disponible, así como atender a más usuarios en un número determinado de canales de radio. Este re-uso de frecuencias es posible utilizando canales de la misma frecuencia en varias células que no sean adyacentes, evitando así alguna interferencia.

Gráfica Real

Todos los teléfonos celulares pueden utilizar un canal de la RBS la cual detectará su desplazamiento en el área, asignándole una nueva frecuencia si cruza la frontera de la célula en que se encontraba y pasa a otra célula diferente, este cambio es imperceptible para el usuario, debido a que su teléfono continúa funcionando normalmente.

Los teléfonos celulares tienen adentro transmisores de bajo poder. Muchos teléfonos celulares tienen dos intensidades de señal: 0.6Watts y 3.0Watts (en comparación, la mayoría de los radios de banda civil transmiten a 4Watts.) La estación central también transmite a bajo poder. Los transmisores de bajo poder tienen dos ventajas:

• Las transmisiones de la base central y de los teléfonos en la misma celda no salen de ésta. Por lo tanto, cada celda puede re-utilizar las mismas frecuencias a través de la ciudad.

• El consumo de energía del teléfono celular, que generalmente funciona con baterías, es relativamente bajo. Una baja energía significa baterías más pequeñas, lo cual hace posibles los teléfonos celulares.

1.1.1. PLMN.

La Public Land Mobile Network (Red Pública Móvil) es la red formada para el sistema celular. Los componentes de esta estructura como hemos mencionado son:

• Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC).

• Radio Bases (RBS).

Cada PLMN es una red de capas de componentes que están agrupadas dentro de áreas.

La célula es la unidad básica de la PLMN. La red de telefonía móvil está dividida en muchas células. Cada Célula es controlada por una RBS, la cual está conectada a una MSC.

Un número de células pueden agruparse para formar un Área de Localización (LA). Un número de áreas de localización, controladas por una MSC, pueden agruparse para formar un Área de Servicio.

1.1.2. BANDAS DE FRECUENCIA Y ASIGNACIÓN DE CANAL.

En Norte América, la Federal Communication Commission (FCC) asigna un espectro de frecuencias para el sistema celular. El espectro de frecuencias está concedido como una licencia a un proveedor y está identificado como Banda A y Banda B. El proveedor de Banda A es una compañía Non-Wireline y un proveedor de Banda B es una compañía Wireline. Las licencias son otorgadas para un área en particular. Estas áreas están definidas como Áreas Estáticas Metropolitanas (MSAs) y Áreas Estáticas Rurales (RSAs). Cada proveedor esta obligado a proporcionar el servicio en sus áreas con licencia.

Fig. 1.5. Espectro de frecuencias para celular.

Cada frecuencia de Transmisión (TX) y Recepción (RX) está separada por 45MHz. Esto está definido como distancia Duplex. Cada canal asignado está separado por 30KHz.

Cada Banda tiene 416 canales. Dependiendo la planificación de frecuencias usada por un ingeniero de radio, podría haber 21 canales asignados como canales de control, dejando 395 canales para ser usados como canales de voz.

Frecuencia Tx de la Estación Móvil en MHz

Frecuencia Tx de la Estación Base en MHz

La planificación de frecuencias es usada para asignar canales para el equipo que será utilizado en un área designada. Esta planeación es usada para aumentar el número de llamadas simultáneas, las cuales pueden tomar un lugar a través de la técnica de reutilización de frecuencias. El re-uso de frecuencias propone que dos canales de radio pueden usar exactamente el mismo par de frecuencias con la condición de que haya una separación geográfica suficiente entre ellos.

Algunas planificaciones de frecuencias usadas son: 7/21, 3/9, 4/12 y 9/27.

Cada uno de los canales en las tablas de asignación de frecuencias pueden ser separados en una o dos categorías: canal de control y canal de voz. El canal de control proporciona la comunicación necesaria entre el MSC y el MS cuando el teléfono no esta en conversación. Los canales de control pueden operar solamente sobre algunos canales definidos en la planeación de canales.

1.1.3. ACCESO MÚLTIPLE.

El método por el cual la frecuencia es procesada es conocido como método de acceso. Los métodos de acceso actualmente disponibles son:

• FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia).

• TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo).

• CDMA (Acceso Múltiple por División de Código).

FDMA es utilizado con los sistemas de transmisión análogos, mientras que TDMA y CDMA son usados para transmisiones digitales.

Ahora trataremos un poco más a fondo el funcionamiento de los elementos mencionados para una red celular.

1.2. ELEMENTOS QUE CONFORMAN UNA RED CELULAR.

Los elementos de una red celular básica se pueden representar por el Centro de Conmutación Móvil (MSC). Lleva a cabo el control y administración centralizado del sistema celular (cerebro del sistema celular). Las estaciones base o radio-bases o cell-sites (RBS). Encargadas de la comunicación con los móviles, así como también las unidades móviles. Todo esto encerrado en zonas geográficas llamadas células o celdas.

1.2.1. LAS CÉLULAS.

La "célula" es el área de cobertura de una estación base, generalmente representada de forma hexagonal. La zona a la que se quiere dar servicio se divide en células, normalmente hexagonales.

• Una célula es un área geográfica cubierta por señales de RF.

• La fuente de RF está localizada en el centro de la célula.

• La forma y tamaño de la célula dependen de muchos parámetros.

 Potencia de transmisión (ERP).

 Ganancia y patrón de la antena.

 Nivel de recepción de la señal (RSL) en el borde de la célula (-90dbm definido en el borde de la célula).

Por lo tanto una célula es prácticamente irregular, y cada estación base tiene diferente potencia de transmisión.

Fig. 1.6. La Célula 1.2.1.1. TAMAÑO DE LA CÉLULA.

Otro factor que influye en el tamaño de las células y que tiene también una relación directa con la organización de los clusters es la cantidad de tráfico, de hecho, debido a esto es que deben hacerse más pequeñas para aumentar el número e incrementar el re-uso de frecuencias. Existen diversos tamaños, que pueden cubrir desde áreas mayores a 35Km, hasta menores de 50m.

Una célula se define por:

• Tamaño físico.

• Tamaño de la población.

El tamaño de las células no es algo fijo pero para poder trabajar con un área de cobertura, debemos dividirla y estructurarla, es por esto que se utilizan las células hexagonales, y los diferentes tamaños de éstas.

El radio de la célula está dada por la siguiente expresión:

Donde: R = radio de la célula

r = distancia del centro al vértice y que es prácticamente el radio de la célula y la región Handover

Esta fórmula fue desarrollada por un empleado de Lucent y se encuentra actualmente en uso.

Fig.1.7. Radio de la Célula.

Megacélulas.

Las Megacélulas son las que más amplia área de cobertura soportan, con un radio mayor a los 35Km. Estas células, como podemos ver, se han establecido en ambientes de muy poco tráfico o de tráfico ocasional.

Las podemos encontrar en ambientes rurales o en cobertura de carreteras, con éstas es posible cubrir una gran extensión de tierra con una sola radio base.

Macrocélulas.

Las Macrocélulas se encuentran en el rango de 1 a 35Km. Estas células están diseñadas y varían su tamaño con respecto, también, al tráfico de la región. Se han establecido en ambientes urbanos poco densos, así como en ambientes rurales con buena cantidad de tráfico. Estas células proveen servicios en ambientes Outdoor y vehiculares. Sin embargo, para ambientes urbanos intensos estos dos tipos de células no son suficientes.

Microcélulas.

Las Microcélulas son establecidas como la siguiente jerarquía de tamaño. Su tamaño puede variar a menos de 1Km.

Estas pueden soportar ambientes urbanos intensos Indoor/Outdoor. Está claro que para poder proveer estos tamaños, es necesario un exhaustivo estudio probabilística y estadístico, así como una buena planeación del sistema celular a fin de lograr un buen re-uso de frecuencia.

Picocélulas.

Las Picocélulas están diseñadas para ambientes urbanos intensos y ambientes Indoor, llegan a medidas de menos de 50m.

Fig. 1.8. Tamaños celulares. 1.2.1.2. LA POTENCIA DE LA CÉLULA.

Existen también otros factores que afectan el tamaño de la célula. La potencia del transmisor afecta los límites electrónicos de la célula. La potencia producida por el transmisor, y la longitud de nuestra célula pueden ser tan amplias como tantos suscriptores móviles tengan un nivel equivalente de potencia disponible.

La potencia de la señal es inversamente proporcional a la distancia entre el móvil y la estación base. Cuando el móvil ha llegado a un límite máximo de pérdidas se encuentra en los límites de la célula.

1.2.1.3. POTENCIA EFECTIVA RADIADA.

La potencia efectiva radiada (ERP) es la potencia radiada en dirección de la máxima ganancia de la antena, expresada en Watts. La ERP de una estación base se diseña cuidadosamente para garantizar la cobertura geográfica deseada.

El área de cobertura y el concepto de equilibrio del camino son mantenidos por las consideraciones dadas para la potencia de salida de la estación base, estación móvil y parámetros de ubicación de la célula. Esto significa que la apropiada colocación del amplificador de potencia en el transceptor y la alineación apropiada del equipo es esencial para el diseño del ERP.

1.2.1.4. CÉLULA PRÁCTICA Y ANALÍTICA.

Las células son irregulares en la práctica pero para una mejor planeación se utilizan las células teóricas. Ya que una célula práctica es irregular y la fuerza de la señal es idéntica en el borde de la célula, tiene un RSL, igual en todo el perímetro de la célula, además la forma adoptada para representarla es hexagonal. Esta forma se ha escogido dado que es la mejor aproximación a la forma circular.

Una célula analítica se usa para planear y dimensionar un sistema. El arranque inicial de una célula analítica está basado en herramientas de predicción asistidas por computadora que se aproximan a una célula práctica, en un ambiente de propagación.

La distancia entre dos células está dada por la ecuación:

Fig. 1.10. Distancia entre dos células. Donde: R = radio de la célula

2r = distancia entre dos células hexagonales 1.2.1.5. ÁREA DE COBERTURA.

La cobertura de la célula depende principalmente de dos tipos de parámetros:

• Definidos por el usuario. Potencia de transmisión, altura de las antenas, ganancia de las antenas, ubicación de las antenas y directividad.

• No definidas por el usuario. Ambiente de propagación, colinas, túneles, follaje, edificios, y/o construcciones.

Ambos parámetros influyen enormemente sobre la cobertura de RF; sin embargo, los no definidos por el usuario son difíciles de predecir y varían de acuerdo al lugar. Debido a estos parámetros es que las células en la práctica son muy irregulares en su cobertura.

Debido a estas dificultades, en años recientes, se han desarrollado varios modelos para predecir la propagación tomando en cuenta los dos tipos de parámetros. Estos modelos son probabilísticos y estadísticos. Los modelos más utilizados son:

• Okumura-Hata para ambientes urbanos, suburbanos y espacio abierto.

• Walfish-Ikegami para ambientes urbanos y urbano denso.

La mayoría de las herramientas de predicción basadas en computadora (software), se basan en estos dos modelos.

Estos modelos de predicción tienen fuertes bases teóricas, pero también se basan en una gran cantidad de datos experimentales (muestras) y en análisis estadísticos. Esto nos permite calcular el nivel de potencia recibida en un modelo de propagación dado.

1.2.1.6. HANDOVER O HAND-OFF.

El Handover, o Hand-Off es el proceso por el cual dos radio bases intercambian la prestación de servicios a un usuario. Esto se da cuando durante la llamada, la unidad móvil se mueve fuera del área de cobertura la recepción se hace débil, la célula pide un Handover. El sistema conmuta la llamada a un nuevo canal en una nueva célula o sector sin interrumpir la llamada o alertar al usuario. Este proceso tiene que ser transparente para el usuario.

Fig. 1.11. Handover o Hand-Off.

A mayor tamaño de las células (menor tráfico), menor es la cantidad de entregas Handover y viceversa. A menor tamaño de las células (mayor tráfico), mayor es la cantidad de entregas Handover.

El Handover, se puede dar a diferentes niveles, desde un sector a otro de una célula sectorizada, entre células de un mismo cluster, entre células de distintos clusters o incluso entre sistemas diferentes.

El Handover se realiza por:

• Cambio de célula.

• Balance de carga.

• Mantenimiento (dentro de una misma célula sectorizada).

1.2.1.7. PLANES DE RE-USO DE FRECUENCIA (CLUSTERS).

Las estructuras o modelos que permiten de forma ininterrumpida la cobertura de una determinada área, son configuraciones a modo de panal de abejas, basadas en 4, 7, 12 o 21 células, siendo la de 7 la más común. El número total de canales por célula, directamente ligado a la capacidad de manejo de tráfico, depende del número total de canales disponibles y del tipo del plan, según la fórmula:

No. de canales por célula = No. total de canales / Plan (4, 7, 12, 21)

Cuantas más pequeñas sean las células, mayor será el número de operaciones intracelulares del sistema, al poder asignar conjuntos de frecuencias diferentes para áreas o células distintas.

Pero también existen clusters de una sola célula, esto se da en los sistemas que utilizan la tecnología CDMA y redunda en un aprovechamiento total de canales.

Fig. 1.12. (a) Cluster de 7 células y (b) plan de re-uso de 7 células.

1.2.1.8. INTERFERENCIAS Y CAPACIDAD DEL SISTEMA.

La capacidad del canal es la capacidad del sistema para ofrecer canales libres a sus abonados.

La capacidad de canal está determinada por la ingeniería de tráfico. El objetivo de la ingeniería de tráfico es proveer al sistema con circuitos de comunicación (proporcionar canales Full Duplex) en un área de servicio dada, tomando en cuenta el número de abonados y el grado de servicio, QoS.

El QoS se definió como la probabilidad de bloqueo de llamada y quedó en términos de la cantidad de llamadas que serán bloqueadas durante la hora pico, debido a una falta de canales.

Otro parámetro de diseño es el tiempo promedio de duración de una llamada ACHT (Average Call Holding Time). ACHT es el tiempo promedio que se espera que dure la llamada de cada abonado activo durante la hora pico. ACHT varía dependiendo del tipo de usuario (ejecutivo, hombre de negocios, personal, etc.).

Interferencia Co-Canal.

Un causador de interferencia co-canal es aquel que está utilizando la misma frecuencia portadora que la unidad móvil de interés. Este tipo de interferencia ocurre como resultado del múltiple uso de la misma frecuencia (re-uso de frecuencias). Cuando dos células que utilizan la misma frecuencia se encuentran demasiado cerca, se da esta interferencia. Esto limita la capacidad del canal.

Una BS que radía en todas direcciones, Omnidireccional (OMNI site), se representa por una razón portadora-interferencia de la siguiente manera:

Donde: J = cantidad de causadores de interferencia co-canal y = constante de propagación

D = distancia de re-uso de frecuencia R = radio mayor de la célula

Interferencia de Canal Adyacente.

La interferencia de canal adyacente se da en una misma célula. Al tener asignado un grupo de canales a cada célula, estos canales están separados 30KHz o 200KHz dependiendo del sistema.

Cuando se transmite en canales adyacentes las componentes más altas y más bajas de la información, se mezclan con las componentes de los canales adyacentes, esto provoca interferencia en el canal. Estas interferencias afectan en la recepción de ruido sobre el canal de transmisión (Uplink o Downlink), esto trae deformación de datos. Para reducir esto se controla la potencia de los canales, a fin de mejorar la recepción de la información.

1.2.1.9. CANALES EN REDES CELULARES.

Los canales de un sistema celular son los medios por los cuales se transmite la información entre radio base y unidad móvil, también controla la forma en que esta información es enviada, la información de control y señalización necesarias para establecer una conversación estable. Aunque existen diferentes maneras de clasificarlos, podemos definirlos en dos grandes grupos, canales físicos y canales lógicos.

Canales Físicos.

El canal físico está caracterizado por una técnica de modulación, por un nivel de potencia y por uno o varios de las siguientes características: ranura de tiempo (timeslot), código, frecuencia, o área geográfica, según la técnica de acceso múltiple empleada. Estos canales son los que sirven de enlace en la capa física, en pocas palabras se trata de canales de radios. Es importante establecer las características que los identifican.

Canales Lógicos.

Los canales lógicos pueden ser usados para enlazar la capa física con la capa de datos dentro de las capas de la red GSM.

Estos canales lógicos transmiten eficientemente los datos de usuario, a parte de proporcionar el control de la red en cada ARFCN. GSM proporciona asignaciones explícitas de las ranuras de tiempo de las tramas para los diferentes canales lógicos.

Los canales lógicos se pueden separar en dos categorías principalmente:

• Canales de tráfico (TCHs).

• Canales de control.

→ CANALES DE TRÁFICO.

Los TCHs llevan voz codificada digitalmente o datos y tienen funciones idénticas y formatos tanto para el Downlink como para el Uplink.

Los canales de tráfico en GSM pueden ser de velocidad completa (Full Rate) o de media velocidad (Half Rate), y pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario. Cuando transmitimos a velocidad completa, los datos están contenidos en un ST por trama. Cuando transmitimos a media velocidad, los datos de usuario se transportan en la misma ranura de tiempo, pero se envían en tramas alternativas.

→ CANALES DE CONTROL.

Dentro del modelo OSI, la capa física se relaciona con la de enlace mediante una serie de canales lógicos, que se dividen en canales de voz y datos, conocidos con el nombre de canales de tráfico (TCH), y canales de control y señalización (CCH).

Los canales de voz y datos pueden transmitir en dos modos: Full (TCH/F) a 22.8Kbps, y Half (TCH/H) a 11.4Kbps. Un canal físico transmite un canal en modo Full o dos en modo Half.

Los canales de control llevan comandos de señalización y control entre las estaciones base y la estación móvil. Se definen ciertos tipos de canales de control exclusivos para el Uplink o para el Downlink.

1.2.1.10. CONFIGURACIÓN DE CÉLULAS.

Hay dos configuraciones de células básicas usadas por proveedores celulares, Omnidireccional y Sectorizada. Estas configuraciones tienen estructuras diferentes de bases de datos en el sistema.

Célula Omnidireccional.

Se configuran células omnidireccionales para cobertura Omnidireccional de RF. Serán equipados con un sólo grupo de equipo conectado a un sólo sistema de antena transmisora. El patrón de radiación de una antena Omnidireccional es descrita típicamente como un círculo perfecto. En realidad, el patrón de radiación de una antena Omnidireccional tiende a menudo a ser más elíptica en forma.

Para una variedad de razones, las células omnidireccionales se usan más frecuentemente en áreas rurales con baja densidad de tráfico que las áreas metropolitanas mayores. Los requisitos de mantenimiento tienden a ser menos desde que hay, típicamente, una disminución de equipos que proporcionan servicio a una célula Omnidireccional que a una sectorizada.

Uno de los mayores beneficios de las células omnidireccionales, aparte del hecho que satisfacen a un área geográfica en particular, es que ellos proporcionan un mejor servicio del sectorizado.

Fig. 1.13. Célula Omnidireccional.

Célula Sectorizada.

Se configuran células sectorizadas para cobertura direccional de RF. Una configuración sectorizada típica consiste de tres grupos de equipo de radio. Cada grupo de equipo sería responsable de servir un área de cobertura de RF separada, o sector, vía un sistema de antena separada. En una configuración sectorizada, cada sector puede proveer cobertura celular para un área que puede estar entre 120 y 180 grados de radio. Los sectores son configurados como células separadas para propósitos administrativos, aunque cada uno de estas células es parte del mismo transmisor.

Fig. 1.15. Célula Sectorizada a 120˚.

1.2.2. ESTACIONES RADIO BASES (RBS).

La Estación Radio Base (RBS) se encarga de la radio comunicación desde y hacia las Estaciones Móviles. Funciona principalmente como una estación retransmisora para la MSC. La RBS también supervisa la radio transmisión durante todas las llamadas en progreso. Esto se lleva a cabo por medio de el Tono de Supervisión de Audio (SAT) en transmisiones analógicas o por Tasa de Error de Bit (BER) en transmisiones digitales y midiendo la fuerza de las señales recibidas desde las Estaciones Móviles.

En los sistemas de transmisión analógicos, el Tono de Supervisión de Audio (SAT) es una de las tres frecuencias generadas por el canal de radio de voz. La proporción señal a ruido del SAT (S/N ratio) es monitoreada para determinar si la calidad de la llamada telefónica se deteriora. Si el SAT S/N ratio cae por debajo de los parámetros determinados, la llamada telefónica será conmutada a otro canal. El proceso de conmutar una llamada telefónica en progreso a otro canal de voz es llamado Handover.

Las tres posibles frecuencias para el SAT generadas por un canal de radio de voz son:

• SAT 0 5,970 Hz.

• SAT 1 6,000 Hz.

• SAT 2 6,030 Hz.

El SAT es diferente para cada celda. Los ingenieros que realizan la planeación de células deciden cual SAT es utilizado actualmente, porque el SAT es utilizado también para diferenciar entre el grupo de canales de voz re-utilizados. Durante la conversación, el SAT esta transmitiendo continuamente por el canal de radio de voz.

Las Estaciones Móviles recibirán el SAT y transmiten de regreso a la RBS.

En la transmisión digital la calidad es medida en los canales de tráfico digital para medir la Tasa de Error de Bit (BER) de la información digital. Si el BER esta por encima de un promedio del 3%, la llamada es transferida a otro canal.

El SAT no se transmite cuando se utiliza transmisión digital. El CDVCC (Coded Digital Verification Color Code) es usado en transmisión digital para diferenciar entre los grupos de canales de voz re-utilizados. El CDVCC es diferente para cada sector de celda. Sin embargo, en contraste con el SAT, el cual solo tiene tres valores, el CDVCC tiene 256 valores diferentes.

La Estación Base puede ser instalada casi en cualquier parte. Esto es posible para la instalación tradicional dependiendo el sitio y las necesidades del cliente. Una RBS puede servir a un número de celdas, una celda Omnidireccional o a un número limitado de celdas sectorizadas.

1.2.2.1. ANTENAS.

Una antena es un dispositivo de procesamiento de señales que transmite y recibe señales electromagnéticas al mismo tiempo. Hay dos categorías principales:

• Antenas pasivas.

• Antenas activas.

El patrón de radiación de una antena pasiva depende del tipo de antena y de su construcción ya que el patrón de radiación no se fija hasta después de construir el dispositivo. Sin embargo, el patrón de radiación se puede manipular mecánicamente (hasta cierto grado). El mechanical downtilt es un método muy utilizado para manipular y controlar la radiación de señales dentro de una célula. El patrón de radiación de una antena activa depende del tipo de antena, construcción y circuitería interna de la antena. Generalmente se utilizan técnicas de PDS para generar el patrón de radiación deseado. De esta manera, la mayor parte de la energía se puede transmitir hacia cierta dirección.

Hay dos tipos generales de patrón de radiación: 1. Omnidireccional (en todas direcciones). 2. Direccional (en cierta dirección).

Las antenas omnidireccionales se utilizan en la BS Omni y las antenas direccionales en la BS sectorizada. En seguida se describen los parámetros de las antenas más importantes para la ingeniería de sitio de célula o BS.

• Directividad y ganancia.

• Ancho de haz.

• Razón front-to-back o front-to-back-ratio.

• Respuesta en frecuencia y ancho de banda.

Directividad y Ganancia de la Antena.

La directividad de la antena determina el grado de concentración de la energía transmitida en una dirección con respecto a las otras direcciones. Lo anterior provoca ganancia en la potencia de transmisión, y se expresa como ganancia en una dirección vs ganancia isotrópica. La ganancia de la antena es un parámetro de diseño muy importante para calcular el presupuesto.

Fig. 1.16. Directividad y ganancia de la antena.

Ancho de Haz de Radiación de la Antena.

El ancho de haz de radiación de una antena se calcula con la siguiente ecuación:

Donde: θ = es el ángulo con respecto al bore sight (línea de vista o punto o

dirección donde la ganancia es máxima) donde la ganancia es 0.707 de su máximo valor. El desempeño de una célula sectorizada depende mucho del antenna beam width.

Fig. 1.17. Ancho de haz de radiación de la antena.

Relación Front-To-Back de la Antena.

La relación front-to-back de la antena se define como la razón de la potencia radiada por el lóbulo principal de la antena sobre el lóbulo que se encuentra atrás de la antena.

Ancho de Banda y Respuesta en Frecuencia de la Antena.

Toda antena tiene una respuesta en frecuencia, lo cual significa que permite el paso de ciertas frecuencias y atenúa otras. La siguiente figura muestra la respuesta en frecuencia de una antena (ganancia vs frecuencia).

Ancho de Banda (AB) = fH – fL Donde: fH = frecuencia superior de 3dB

fL = frecuencia inferior de 3dB

Fig. 1.19. Respuesta en frecuencia (ganancia vs frecuencia).

La antena es un componente esencial en cualquier sistema de radio comunicación. En radio comunicación celular, los siguientes puntos son problemas de ingeniería que requieren mucha atención en el diseño de enlaces de RF:

• Tipo de antena.

• Respuesta en frecuencia de la antena.

• Patrón de radiación de la antena.

• Altura de la torre.

1.2.2.2. UNIDADES FUNCIONALES.

La RBS está compuesta por cuatro unidades funcionales: la Parte de Control (COP), la Parte de Módem (MOP), la Parte de Antena Próxima (ANP) y la Parte de Soporte (SUP).

Fig. 1.20. Diagrama a bloques de las partes funcionales de una RBS

Parte de Control (COP).

El COP proporciona la comunicación entre la MSC y el hardware de la RBS para tráfico de radio, control y datos estadísticos de grupos de personas.

También controla la MOP, la ANP y la SUP. El Software puede ser transferido remotamente a la Parte de Control.

El COP recibe la información de voz y control desde la MSC por medio de un enlace PCM (Pulse Code Modulation). Este demultiplexa la información y la enruta propiadamente. En dirección contraria, el COP recibe la información de voz y control y la multiplexa sobre el enlace PCM hacia el MSC.

Parte de Módem (MOP).

El MOP convierte la conversación digitalizada y los datos en señales de RF y viceversa. También aloja el canal de funciones de codificación y decodificación y realiza mediciones de calidad en las transmisiones de radio. El MOP consta de transceivers y Transcoders and Rate Adaption Boards (TRAB’s).

• Transceivers.

Los transceivers (transceptores) no pueden operar hasta que sean cargados por medio de software. La aplicación de software da al módulo del canal las características para operar. Hay cuatro aplicaciones que pueden ser cargadas desde la MSC hacia un módulo de canal.

• Canal de Voz Digital Móvil (MDVC).

Los MDVCs manejan la transmisión de voz modulada y la información de control/señalización entre un transceptor y una estación móvil de modo dual. Cada canal RF digital esta divido en timeslots.

• Canal de Control Digital Móvil (MDCC).

El DCCH (Canal de Control Digital) incluye todas las funciones del Canal de Control Analógico (ACC) y proporciona características avanzadas como modo de apagado temporal y el Servicio de Mensajes cortos (SMS).

• Verificación Móvil (MVER).

La verificación de presencia del MS en una celda dada puede ser requerida cuando la lista final de celdas candidatas para Handover está preparada.

• Canal de Control Móvil (MCC).

El MCC sirve como un Canal de Control/Señalización para un grupo de Canales de Voz Móviles (MVC) en una celda y es responsable del manejo de Paging (radiolocalización) y la señalización de acceso entre los suscriptores móviles y la RBS.

• Canal de Voz Móvil (MVC).

Los MVCs son canales del equipo de radio. Un MVC puede soportar un suscriptor móvil y es responsable del monitoreo de la calidad de la señal y reporta las conclusiones a la MSC. Una calidad pobre de señal ocasiona un Handover a una celda vecina.

• Localizador Móvil (MLOC).

El MLOC monitorea la fuerza de la señal desde el suscriptor móvil dentro de una celda y es responsable para:

- Monitoreo de los canales asignados para sus celdas vecinas.

- Reporte de la lectura de fuerza de la señal al Centro de Conmutación de Servicios Móviles cuando sea requerido.

• Probador de Canal de Radio Móvil (MRCT).

El MRCT prueba automáticamente los Canales de Voz Móviles (MVCs) y los Canales de Control Móviles (MCCs).

• Transcoders and Rate Adaption Boards (TRAB’s), están situados en la MSC.

Parte de Antena Próxima (ANP).

La ANP contiene varios componentes de RF asociados con la transmisión y recepción de rutas de señales de Radio Frecuencia (RF), tales como Combinadores de Autosintonización, Repartidores de Potencia, Multiacopladores, Filtros Pasa-Banda, etc. Las principales funciones de la ANP son:

 Combinar las señales de salida del transceptor (TRX).  Filtrar señales de transmisión (TX) y recepción (RX).  Proteger los TRXs de la potencia reflejada.

 Proporcionar aislamientos entre los TRXs.  Preamplificar y distribuir las señales de RX.

 Calibrar y supervisar los TRXs y asociar los componentes de RF.

 Medir y reportar la potencia enviada y recibida, así como el rendimiento del Gabinete de Combinadores de Autosintonización y TRX.

Parte de Soporte (SUP).

La Parte de Soporte provee un soporte general, como enfriamiento y funciones de suministro de potencia para la RBS. Los elementos que componen el SUP son los siguientes:

 Convertidor de AC/DC.

 Montaje de ventiladores (FAN).  Módulo de Alarmas Externas (ALM).  Aire acondicionado y calefacción.  Respaldo de Baterías.

 Unidades de Ventiladores.

1.2.2. CENTRO DE CONMUTACIÓN DE SERVICIOS MÓVILES (MSC).

Al corazón del sistema de radio celular se le conoce como Mobile Switching Center o Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC).

El MSC es un producto de conmutación digital para telefonía celular, diseñado por sistemas de comunicación celular en el rango de los 800 MHz.

Tiene diferentes acrónimos tales como Digital Multiplex Switch - Mobile Telephone Exchange (DMS-MTX), Mobile Switching Office (MTSO). El nombre depende del fabricante.

El MSC se considera parte de la familia de PSTN y las funciones celulares que proporciona son:

1. Administra y controla el equipo y las conexiones de los sitios celulares. 2. Soporta varias técnicas de acceso múltiple como: AMPS, TDMA, CDMA y

CDPD (sólo datos).

3. Proporciona la interfaz con la PSTN y las radio bases por medio de enlaces T1

4. Proporciona y administra el registro de ubicación de usuarios locales ó Home Location Register (HLR).

5. Soporta interconectividad entre sistemas (IS-41). 6. Soporta funciones de procesamiento de llamadas.

7. Proporciona la medición y monitoreo de operaciones, así como facturación (O&M).

Fig. 1.21. Estructura del MSC.

Home Location Register (HLR).

El HLR es una base de datos fija, la cual se utiliza para almacenar la siguiente información del abonado, del móvil y servicios relacionados con el abonado.

1. Nombre, dirección y servicios adicionales contratados. 2. Estado de servicio.

3. MIN (Mobile Identification Number). 4. Número de directorio.

5. SEN (Serial Electronic Number). 6. Duración de las llamadas.

7. Información pertinente para negar el servicio.

8. Datos suplementarios sobre el origen y terminación de las llamadas. 9. Información sobre el proveedor del servicio.

El HLR también mantiene contacto con el VLR, para que éste le informe cuando un suscriptor se ha registrado en el sistema.

Visitor Location Register (VLR).

El VLR es una base de datos dinámica y se utiliza para almacenar información de los abonados actualmente localizados fuera de su área original (en Roaming). Almacena la información del suscriptor o abonado necesaria para el manejo de las llamadas que el abonado haga o reciba. El VLR almacena información temporal, la cual puede cambiar como resultado de la operación normal del sistema. El VLR se comunica con el HLR a través de una conexión interna al MSC.

Soporte del Protocolo IS-41.

El estándar internacional 41 (IS-41) es un protocolo especial, cuya principal función es permitir que varios MSC se comuniquen entre ellos. El IS-41 permite el Roaming de abonados.

Facturación.

El MSC lleva un registro detallado de cada llamada, incluyendo lo siguiente:

• Uso de enlaces aéreos.

• Uso de troncales (T1).

El MSC es capaz de rastrear un móvil activo sobre AMPS/TDMA o CDMA y puede registrar todas las actividades relacionadas al procesamiento de las llamadas. Esta característica es útil para mapear la cobertura de las células en AMPS/TDM/CDMA y de esa manera la capacidad de cobertura.

1.2.4. ESTACIONES MÓVILES (MS).

Una estación móvil es el instrumento utilizado para tener acceso dentro del sistema celular.

A las estaciones móviles y portátiles generalmente se les conoce como unidades de suscriptor o unidades de abonado, o simplemente unidades móviles.

Un suscriptor o abonado es un cliente que se suscribe a un servicio de telefonía terrestre y/o a un servicio de telefonía móvil.

Las estaciones móviles pueden ser usadas en diferentes aplicaciones:

 Instaladas en un automóvil.

 Los transportables, que pueden ser usados en un carro, pero también pueden ser fácilmente removidos para colocarlos en un bote, en el campo, o simplemente llevados a mano en donde se necesiten.

 Usados permanentemente como reemplazo de los teléfonos convencionales (con alcancías) en lugares remotos fuera del área de PSTN, pero con cobertura celular.

 Usadas como teléfonos públicos en trenes, barcos, etc. Esto requiere información de tarifas para ser enviada a canal de radio.

Fig. 1.21. Tipos de Estaciones Móviles. 1.2.4.1. TIPOS O CLASES DE MÓVILES.

Existen cuatro clases de potencia de estaciones móviles definidas para el uso dentro del sistema celular. Las clases de potencia, en combinación con las características de transmisión, crean el Station Class Mark (SCM) de una estación móvil. La siguiente tabla muestra la clasificación de los MS.

Power Class Nombre Potencia Efectiva

Radiada (ERP)

I Full Mobile 4 W

II Transportable 1.6 W

III Handheld 0.6 W

IV Handheld 0.6 W

Tabla 1.1. Clasificación de Estaciones Móviles. 1.2.4.2. POTENCIA DE SALIDA DE LA ESTACIÓN MÓVIL.

La estación móvil utiliza bajos niveles de potencia comparados con la RBS. Debido al avanzado sistema de diversidad del receptor en las estaciones base, puede aceptar señales de bajo nivel enviadas por las estaciones móviles.

La máxima potencia de salida es de 4 W para las estaciones móviles instaladas en los automóviles y alrededor de 0.6 W para el Handheld en el sistema de acceso. La estación móvil envía su SCM el cual indica su máxima potencia de salida disponible.

La potencia del MS es ajustada de acuerdo a la cercanía con la RBS. En contraste, la estación móvil incrementa su potencia tanto como se mueve hacia el borde de la célula, lejos de la estación base.

El nivel de potencia debe incrementarse debido a la débil fuerza de la señal en el borde de la celda y opuestamente la señal de la radio base es más fuerte.

Configuraciones de Potencia para las Estaciones Móviles.

Las configuraciones de potencia para las estaciones móviles están dadas en niveles desde 0 a 10 que corresponden a los niveles predeterminados de Potencia Efectiva Radiada (ERP) medidos en Watts. El nivel de potencia 0 es el mas alto y 10 el más bajo. Las clases de estaciones móviles I, II y III pueden operar en niveles de potencia desde 0 hasta 7, mientras la Clase IV puede operar niveles desde 0 hasta 10. Los cambios en el nivel de potencia están bastados en las lecturas de fuerza de la señal tomadas mientras el teléfono celular está en operación y representa atenuación de 4dB.

El Control y Potencia de Salida determinan el nivel de potencia del MS utilizando códigos de Atenuación del Control de Canal del Móvil (CMAC), Atenuación Digital del Móvil (DMAC), y Atenuación del Control de Voz del Móvil (VMAC) basados en la medición de fuerza de la señal en la RBS desde el MS.

Nivel de Potencia de la Estación Móvil Código de Atenuación del Móvil (MAC

Potencia Nominal Transmitida (dBm) para Clases de Potencia de las Estaciones Móviles

I II III IV 0 0000 3 3 28 28 1 0001 3 3 28 28 2 0010 28 28 28 28 3 0011 24 24 24 24 4 0100 20 20 20 20 5 0101 16 16 16 16 6 0110 12 12 12 12 7 0111 8 8 8 8 8 1000 4 9 1001 0 10 1010 -4

Tabla 1.2. Potencia de Salida de las Estaciones Móviles. 1.2.4.3. COMPONENTES.

La Estación Móvil tiene tres partes principales:

 Handset:

Contiene todos los componentes del teléfono, incluye los dispositivos para escuchar y hablar. El Handset alberga a las otras dos partes. Consiste de un teclado y una pantalla para los dígitos marcados. La detección de las teclas presionadas y la operación de la pantalla de cristal líquido es manejada por un microprocesador.

 Parte de Control:

Es la responsable de controlar la transmisión hacia la estación base.

La parte de control, la cual está basada también en un microprocesador, maneja las siguientes tareas: