Ing. German Rodríguez.
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SISTEMA AMPS (Advanced mobile phone system, sistema avanzado de telefonía móvil)
Inventado por los laboratorios Bell e instalado por primera vez en Estados Unidos en 1982. en donde una región geográfica se divide en celdas, normalmente de 10 a 20 Km de diámetro, cada una de las cuales utiliza un conjunto de frecuencias. La idea clara que confiere a este sistema es su mayor capacidad debido a el uso de celdas mas pequeñas, y el reutilizamiento de frecuencias de celdas cercanas (pero no adyacentes). Lo que quiere decir que un sistema AMPS podría tener 100 celdas de 10 Km en un área de 100 Km con 5 a 10 llamadas en cada frecuencia en celdas muy separadas. Al ser estas celdas mas pequeñas se necesitara menos potencia con lo cual vemos dispositivos mas pequeños y baratos, normalmente dispositivos con potencias de los 0.6 watts y 3 watts para transmisores de autos. El sistema celular AMPS (Advanced Mobile Phone System) usa una banda de frecuencia de 20 MHz compuesta de 666 canales con espacios entre canales de 30 KHz. Para las unidades móviles, el canal 1 tiene una frecuencia de transmisión de 825.03 MHz y el canal 666 tiene una frecuencia de transmisión de 844.98 MHz. Los receptores para cada canal operan 45 MHz por arriba del transmisor, por lo tanto, el canal 1 recibe en 870.03 MHz y el canal 666 en 889.98 MHz. En la figura se muestra
además una extensión de la banda en 5 MHz agregada posteriormente y que aumentó el número de canales a 832. Tx móvil f 824 825 835 845 846.5 849 851 MHz A A B A B R 991 1 333 666 716 799 No. de canal 1023
Tx celda f 869 870 880 890 891.5 894 896 MHz A A B A B R 991 1 313 333 354 666 716 799 No. de canal 1023
Un sistema celular para su funcionamiento está compuesto por los siguientes elementos:
1- Unidades de telefonía móvil y portátiles: Ambas unidades son prácticamente iguales diferenciándose en la potencia de salida del transmisor. Las unidades portátiles tienen una potencia de salida más baja y una antena menos eficiente. Cada teléfono consiste en una unidad de control, un transceptor de radio, una unidad lógica, y una antena. La unidad de control supervisa todas las interfaces de usuario mientras que el transceptor utiliza un sintetizador de frecuencias para sintonizar los canales asignados. La unidad lógica se relaciona con las acciones del suscriptor y con los comandos al transceptor y a la unidad de control.
2- Las celdas (radio bases): La radio base provee la interface entre el MTSO y las unidades móviles. Tiene una unidad de control, cabinas de radio, antenas y una planta de generadora eléctrica y terminales de datos. opera bajo la dirección del centro de conmutación. Administra cada uno de los canales de radio en el sitio, supervisa las llamadas, enciende y apaga el transmisor y receptor de radio, inyecta información a los canales de control y realiza pruebas de diagnóstico en el equipo del sitio de la celda
3- La PSTN: es una matriz de conmutación controlada digitalmente cuyo objetivo es proporcionar una conexión entre dos o más terminales. Dependiendo de la densidad de población una PSTN podría tener cerca de 100,000 terminales conectadas a ella. Por lo tanto un área metropolitana mayor podría tener más de un switch PSTN interconectado
4- El conmutador central móvil (MTSO, Mobil Telephone Switching Office, oficina de conmutación de telefonia movil ) o (MSC, mobil switching center, centro de conmutación movil): El conmutador central el procesador y conmutador de las celdas. Está interconectada con la Oficina Central de telefonía pública fija. Controla el procesamiento y tarificación de llamadas. El MTSO es el corazón del sistema celular móvil, 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 cell-site.
2.- Soporta varias técnicas de acceso múltiple como: AMPS, TDMA, CDMA y CDPD (sólo datos).
3.- Proporciona la interfaz con la PSTN.
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.
5- Las conexiones o enlaces: Los enlaces de radio y datos interconectan los tres subsistemas. Estos enlaces pueden ser por medio de antenas de microondas terrestres o por medio de líneas arrendadas.
- Una célula es un área geográfica cubierta por señales RF.
- La fuente de radio frecuencia (RF) está localizada en el centro de la célula.
- La forma y tamaño de la célula dependen de muchos parámetros: 1. Potencia de transmisión (ERP).
2. Ganancia y patrón de la antena. 3. Ambiente de propagación.
4. 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.
- Cada estación base tiene diferente potencia de transmisión.
Propiedades de distancia de células hexagonales:
R = radio de la célula.
.r = distancia del centro al vértice, 2r es la distancia entre dos células hexagonales.
En la formula vemos como r es prácticamente el radio de la célula y la región de hand off.
Distancia de las células hexagonales:
La distancia entre dos células hexagonales es:
Dos células hexagonales adyacentes son equivalentes a dos círculos traslapados. Esta región de traslape es la región de hand off.
La cobertura de la célula depende principalmente de dos tipos de parámetros: Los definidos por el usuario:
o potencia de Tx
o altura de las antenas
o ganancia de las antenas
o ubicación de las antenas
o directividad.
Los no definidas por el usuario:
o ambiente de propagación
o colinas
o túneles
o follaje
o edificios y/o construcciones.
Ambos tipos de parámetros tienen una gran influencia 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.
Agrupamiento de las células y reuso de frecuencias.
Un "cluster" de células es un grupo de células idénticas, en el cual están repartidas todos los canales disponibles (frecuencias), de manera equitativa. El plan de reuso de frecuencias más utilizado es el plan N = 7, donde un cluster es formado por 7 células y entre ellas se reparten los 395 canales de voz y 21 de control. Son aproximadamente 59 canales por célula. Este proceso se repite una y otra vez.
Capacidad de canal.
La capacidad de 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 - El grado de servicio GOS
El GOS se define como la probabilidad de bloqueo de llamada y quedó en términos de la cantidad de llamadas que serán bloqueadas (no podrán ser realizadas) durante la hora pico, debido a una falta de canales.
En U.S.A. se tiene un GOS = 2 %
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.):
Una ayuda para determinar la capacidad del sistema celular es la TABLA DE TRÁFICO. Esta tabla le indica al ingeniero de tráfico la cantidad adecuada ó necesaria para proporcionar un determinado Grado de servicio (GOS), para un número dado de suscriptores.
El valor de GOS debe estar acotado entre 0 y 1; 0 < GOS > 1
GOS = 1 - ninguna llamada va a entrar (no hay servicio) GOS = 0 - todas las llamadas entran (no es real)
El estándar norteamericano para telefonía celular analógica AMPS es EIA-IS-3-D. Sus características se mencionan a continuación:
1.- Consiste de dos bandas de frecuencias separadas, pero adyacentes una con la otra, A y B (824 - 894 MHz).
2.- Cada banda tiene 416 pares de frecuencias (pares de portadoras) ó 416 canales, 30 KHz cada portadora (25MHz/30kHz = 833, 833/2 = 416).
3.- Cada par de frecuencias tiene una separación de 45 MHz entre Tx/Rx, lo cual permite la operación duplex.
4.- De los 416 canales, 21 son de control y se utilizan para el envío de las señales necesarias (monitoreo y señalización) para el establecimiento de las llamadas.
5.- De los 416 canales, 395 son de voz. Si fuera necesario se pueden utilizar 21 de estos canales como de control.
6.- En la radio base se utiliza un transceptor por canal.
7.- Cada canal de voz soporta una sola conversación a la vez. Se Tx 4 diferentes tipos de señales sobre éste:
- Voz.
- SAT.
- Señalización.
Sistema Tipo BW (MHz) Numero de Canales A'' ES 1 33 A NES 10 333 B NES 10 333 A' ES 1.5 50 B' ES 2.5 83
En el Tx las señales de voz primero son comprimidas (2:1) utilizando un compresor silábico y después se modulan en frecuencia (FM). En el Rx se hace lo opuesto, demodulación de FM y descompresión (1:2).
La frecuencia de cada uno de los 416 canales de cada banda se puede calcular con las siguientes ecuaciones:
Frecuencia de Tx = (0.03 N + 870) MHz NES
= 0.03 (N - 832) + 870 MHz -- ES Frecuencia de Rx = (0.03 N + 825) MHz NES = 0.03 (N - 832) + 825 MHz – ES
Donde N es l número de canal (N = 1, 2, 3, ..., 832). De esta forma conociendo el número de canal , se puede obtener su respectivo par de frecuencias (Tx/Rx).
SAT (Supervisory Audio Tone, tono de supervision de audio):
El tono de audio de supervisión (SAT) se transmite sobre el canal de voz directo (Forward voice channel), de la radio base al móvil y se transmite de regreso a la base.
Una de las funciones del SAT es indicar la continuidad de la conversación. La pérdida del SAT indica que la llamada ha terminado o el hand-off. Existen tres frecuencias utilizadas para el SAT (5970, 6000, 6030 Hz). Cada una de las frecuencias de SAT es asignada en un cluster, de tal manera que el mismo SAT no sea utilizado con el mismo grupo de canales. Las frecuencias del SAT ayudan a diferenciar los sitios co-canal.
# Célula SAT Grupos d canales Cluster
1 S0 1, 8, 15 1 2 S2 2, 9, 16 1 3 S1 3, 10, 17 1 4 S1 4, 11, 18 1 5 S2 5, 12, 19 1 6 S2 6, 13, 20 1 7 S1 7, 14, 21 1 1 S1 1, 8, 15 2
2 S0 2, 9, 16 2 3 S2 3, 10, 17 2 4 S2 4, 11, 18 2 5 S0 5, 12, 19 2 6 S0 6, 13, 20 2 7 S2 7, 14, 21 2
Características del SAT:
- El SAT es transmitido a través del canal directo (forward) de voz al móvil. - El móvil transmite de regreso a la base con un acknowledgement.
- Hay tres tonos de SAT.: SAT-1 5970Hz SAT-2 6000Hz SAT-3 6030Hz
Cada radio base tiene asignado un tono de SAT que es reutilizado por otra célula.
Otra manera es asignar en todo un cluster de células el mismo tono de SAT y en el cluster vecino se asigna un tono diferente de SAT.
Las celdas son del mismo tamaño y están agrupadas en unidades de siete celdas. Cada numero indica un grupo de frecuencias, donde para cada conjunto de frecuencias hay un área neutral alrededor de dos celdas de ancho en donde esas frecuencias no serán reutilizadas, lo que proporciona buena separación y baja interferencia.
Tono de señalización (ST Signaling tone):
- Un ST de 10 KHz es transmitido por el móvil a través del canal inverso (reverse) de voz como un acknowledgment de algunos comandos recibidos de la célula (cell-site).
- Un burst de 50ms del ST indica un acknowledgment de hand off.
Transmisión de datos a través del canal de voz.:
- Durante el hand-off, el canal de voz, momentáneamente se convierte en un canal
modulado en FSK (8kHz de desviación) y se comporta como canal de control.
- Una transmisión de datos de 10kb/s se hace entre la base y el móvil para asignar canal y señalización.
- Después de asignado el canal, continúa la conversación.
- Durante 200ms el usuario no puede transmitir voz, se escucha un ruido como "click".
- Los tonos de SAT y ST se desactivan durante la transmisión de datos.
Descripción del canal de control:
- El canal de control está compuesto de un Forward control channel (FOCC) y de un Reverse control channel (RECC).
- Los canales FOCC y RECC están separados por 45MHz.
- FOCC es codificado con (40, 28, 5) con el código BCH y modulado con FSK.
- RECC es codificado con (48,36,5) el código BCH.
- Bit rate = 10kb/s
- La modulación FSK con desviación de 8kHz para representar un 0 ó un 1.
- FOCC y RECC son full-duplex.
El código BCH es una generalización del código Hamming.
- Pertenece a los códigos cíclicos.
- Permite la múltiple corrección de errores.
- En telefonía celular, el código BCH ayuda a corregir errores tanto en la unidad móvil (FOCC), como en la radio base (RECC).
- Se aplican en diversos sistemas de conmutación inalámbrica.
- Se aplican en sistemas de radio celular, específicamente en telefonía celular análoga (AMPS).
El código (40, 28, 5) 40 40 bit's de longitud de palabra (Tx 40 bit's) 28 28 bit's de información (control)
40-28 = 12 bit's de paridad (redundancia)
5 5 bit's de distancia de Hamming
Se detectan (5-1)/12 = 2 bit's de error y se pueden corregir (5-1)/4 = 1 bit
Si se detectan más de dos errores (desvanecimiento, ruido, interferencia) entonces se genera una alarma y la palabra se retransmite.
llamada de tierra a móvil:
- Se marca de tierra el número celular.
- El MSC valida la llamada y la manda a la radio base
- La radio base asigna un número de canal al móvil, a través del canal forward de control.
- El móvil se sintoniza a la frecuencia asignada. - Se establece la comunicación.
llamada de móvil a tierra:
- El móvil marca a tierra a través del canal reverse de control (# +MIN1+MIN2+SEN, MIN1 - # telefónico de siete dígitos
convertido a 24 bits y el MIN2 - # de código de área de 3 dígitos convertido a 10 bits).
- La radio base le manda la información al MSC.
- El MSC coordina y le manda el # a la PSTN.
- La PSTN provee la conectividad informando a la radio base a través del MSC.
- La radio base asigna un canal de voz a través del canal forward de control.
- El móvil sintoniza la frecuencia.
- Se establece la comunicación.
llamada de móvil a móvil:
- El móvil 1 llama al móvil 2 a través del canal reverse de control.
- La radio base le manda la información al MSC.
- El MSC encuentra dos canales desocupados, uno para el móvil 1 y otro para el móvil 2, y le informa a la radio base.
- La radio base le manda éstos al móvil 1 y al móvil 2 a través del canal forward de control.
- El móvil 1 y el móvil 2 se sintonizan a sus respectivas frecuencias.
Note que en la comunicación de móvil a móvil, no hay un enlace directo entre los móviles.
Cada canal activo (en uso por alguna unidad móvil) es muestreado por un "locate receiver", la función de éste circuito es tomar muestras de la intensidad de la señal recibida desde el móvil.
Después de tomar cierto número de muestras, éstas son enviadas al MSC (intensidad de la señal y presencia del SAT).
El MSC analiza estas muestras y en base a ellas decide o no cambiar al móvil de célula, cierto número de estas muestras (RSSI, Received signal strength indicator) debe caer igual o por debajo de cierto valor predeterminado (HOTL, Hand-offthreshold), normalmente HOTL = -95dBm.
Cada célula debe tener:
- Un locate receiver si es OMNI site.
- Tres locate receivers si es un three-sector site.
- Seis locate receivers si es un six-sector site.
Un móvil en su célula de servicio (célula A) está realizando una llamada con teléfono de PSTN y utiliza la frecuencia fA.
Conforme el móvil se mueve hacia la célula B (célula candidata), su RSL (Received signal level), desde su célula de servicio, empieza a caer. El RSL es monitoreado por el locate receiver.
Cuando el RSL cae abajo del HOTL, la BS informa al MSC del suceso. El MSC solicita a todas las BS adyacentes que midan el RSL (una serie de RSSI) y toma nota de estas estadísticas.
Cuando el RSL del móvil se vuelve más fuerte en una determinada célula, el MSC activa un nuevo canal (fB) de la célula candidata e informa de esto a la célula A. La célula de
servicio (A) envía un mensaje al móvil sobre el FOUCH (fA) informándole que cambie a sintonizar fB de la célula B.
El MSC arregla estos cambios para no perder la comunicación con el teléfono terrestre (PSTN).
Todo el proceso requiere aproximadamente de 200 ms, tiempo en el que no hay canal de voz para conversación, esto se escucha como un "click".
Seguridad:
Los teléfonos celulares analógicos son totalmente inseguros. Cualquiera con un radiorreceptor de toda la banda (rastreador) puede sintonizar y escuchar todo lo que esta ocurriendo dentro de una celda, otro problema importante es el robo de tiempo al aire. Con un rastreador conectado a un computador, un ladrón puede vigilar el canal de control y grabar el numero de serie de 32 bits y los números telefónicos de 34 bits de todos los teléfonos móviles que oye. Otros programan teléfonos móviles con números robados y los venden como teléfonos que pueden hacer llamadas gratuitas.
Pruebas en Sistema AMPS Análogo:
Analizador Celular 5929
permite análisis de señalización, y codecs de voz así como la posibilidad de realizar medidas de potencia de RF en forma precisa, permita realizar pruebas en modo manual o automático en teléfonos para sistemas AMPS, NAMPS y TDMA. Dispone de capacidad para recuperar confidencialmente los ESN (números de serie electrónicos).
El usuario dispone de control sobre:
1. asignación de sistema (Ao B). identificador del sistema (SID), definición de canales y criterios pasa / falla.
2. Registro, handoffs, liberación, respuestas a búsqueda, audit, hook flash y desconexión
3. Llamadas originadas y finalizadas en el terminal móvil. 4. Desviación y error de frecuencia en el SAT y el ST 5. Duración del ST
6. Sensibilidad del receptor para 12 o 20 dB de SINAD 7. Modulación de voz directa e inversa
8. Pruebas DTMF en el terminal 9. Error de frecuencia RF
10. Todos los niveles de potencia RF
CONLUCIONES
Observamos como es la composición básica de una red celular con sistema AMPS , y la función de cada una de estas.
Saber que la división de áreas geográficas en pequeños sectores es lo que se conoce como celdas celulares, su composición e importancia en el manejo de las llamadas.
La división en cuanto a su rango de frecuencias, el numero de canales que maneja, canales de control, canales de voz, señalización, datos y el aprovechamiento reusando frecuencias, es un aspecto que revoluciono a la telefonía inalámbrica. La capacidad del canal esta diseñada de acuerdo a un estudio de trafico, y de este modo se permite establecer la cantidad de canales libres que en determinado momento se pueden ofrecer a los usuarios, del mismo modo que la prioridad entre llamadas, mediante el manejo del GOS.
Mediante el tono de supervisión de audio saber que podemos establecer si una llamada se esta ejecutando, de otra parte si no hay SAT, sabremos que termino la llamada o el usuario paso a otra celda por lo cual pasara al SAT de esa celda. El canal de control está compuesto de un Forward control channel (FOCC) y de un Reverse control channel (RECC), estos están separados 45Mhz y codificados en BCH.
En telefonía celular, el código BCH ayuda a corregir errores tanto en la unidad móvil (FOCC), como en la radio base (RECC), y se aplican en diversos sistemas de conmutación inalámbrica
Saber como es el procesamiento de los distintos tipos de llamadas que podemos manejar, tales como: móvil a móvil, móvil a tierra, etc.
Sabemos ahora que este tipo de sistema analógico es muy susceptible e inseguro. Se trabajo un poco en cuanto que tipo de aparato nos podía ofrecer un mantenimiento y corrección de errores dentro de los equipos, el analizador celular 5929.
