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Radiación y Radiocomunicación4º Ingeniería de Telecomunicación

Tema 9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES

Juan José Murillo FuentesDTSC. ETSI. Univ Sevilla

13 de mayo de 2008

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BibliografíaBibliografía básica:

• Estas transparencias están basadas en el capítulo 7 del libro “Transmisión por radio” del prof. Hernándo Rábanos, ed. Ramón Areces 2003.

Bibliografía adicional:• Generales:

“Wireless Communications. Principles and Practice” T. Rappaport, Prentice Hall 2003 scd ed.“Fundamentos de los sistemas de comunicaciones móviles”, Alberto Sendín Escalona. Mc Graw Hill. 2004.

• GSM:“Comunicaciones Móviles GSM”, Coord. Hernándo Rábanos, ed. Fundación Airtel 1999.

• Contiene datos básicos de sistemas en España: http://www.mityc.es/es-ES/Servicios/IndicadoresE/sociedadinformacion/

© Copyright 2006. Si utiliza este material para generar algún otro cítelo comoJ.J. Murillo-Fuentes. “Comunicaciones móviles. Transparencias de la asignatura radiación y radiocomunicación.“ Universidad de Sevilla. 2005.


9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES9.1 Introducción 9.2 Composición de un sistema y cobertura 9.3 Clasificación 9.4 Frecuencias y modos de explotación 9.5 Caracterización del Canal9.6 Calidad: cobertura9.7 Sistemas digitales9.8 Sistemas de concentración de enlaces9.9 Sistemas celulares de radiotelefonía9.10 Estructura básica de un sistema PMR9.11 Sistemas típicos de PMR 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM 9.13 Proyectos de sistemas del Servicio Móvil 9.14 Nuevos sistemas de comunicaciones móviles9.15 UMTS

Parte I: Introducción

Parte II:Sistemas Celulares

Parte V: Proyectos Parte IV: GSM

Parte VI: Otros Sistemas

Parte III:Sistemas Privados

Parte VI: UMTS



Tema 9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES(Parte I)

Juan José Murillo FuentesATSC. ETSI.Univ Sevilla


Parte I: Introducción y Sistemas PMR9.1 Introducción 9.2 Composición de un sistema y cobertura 9.3 Clasificación 9.4 Frecuencias, acceso múltiple y modos de explotación 9.5 Caracterización del Canal9.6 Calidad: cobertura9.7 Sistemas de concentración de enlaces


9.1 Introducción Sistemas inalámbricos: movilidadCobertura Zonal: variación continua del trayecto de propagaciónSistemas

• Gran ubicuidad• Gran versatilidad: rápida instalación,...• Gran flexibilidad: fácil reconfiguración,...

Definición (Reglamento de Radiocomunicaciones): • “un servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y

estaciones terrestres fijas, o entre estaciones móviles únicamente”.Tipos de servicios móviles:

• Servicio móvil terrestre: Despacho, Gestión de flotas de vehículos, policía, ambulancias, bomberos, radiotaxi, …

• Servicio móvil marítimo.• Servicio móvil aeronáutico.


9.1 Introducción: WirelessComunicaciones móviles - Comunicaciones inalámbricas

Privada: PMR, PAMRPública: TMA = PLMN

IEEE802.16

Satellite

IEEE 802.11HomeRF (WiMax)

LMDS

1G Analog2G Digital: PDC, GSM2.5G GPRS/EDGE3G UMTS

LEOMEOGSO

LAN Fixed MobilePersonal

BluetoothIEEE 802.15

HIPERLAN

DECT


9.1 Introducción: sistemas móviles privadosRadiotelefonía privada (PMR, Private Mobile Radio):

• No está conectada a la red pública.• Sistemas: Analógicos, MPTXXXX, TETRA, …• Cobertura local• Redes móviles tradicionales:

Asignación rígida de canales a varios usuarios (no todas las frecuencias se ofrecen a todos usuarios)

FDMA → señalización selectiva mediante tonos (CTCSS y 5 tonos)• Sistemas avanzados

Truncking = sistemas troncales ⊂ Multiacceso basado en sistemas compartición de frecuencias = sistemas de concentración de enlaces:

señalización digitalespera en cola

Acceso Público Móvil Radio (PAMR, Public Access Mobile Radio)• Son sistemas para telefonía móvil privada desarrollados por operadoras con licencia

que ofertan sus servicios a tercerosPor ejemplo: en España licencias para TETRA


9.1 Introducción: Sistemas móviles públicosTelefonía móvil automática (TMA)

• Conexión a la red pública. • Sistemas: NMT, AMPS, TACS, GSM, IS-136, IS-95, WCDMA(UMTS),

CDMA2000...• Cobertura: desde una zona a un continente• Explotación totalmente automática• Características similares al servicio telefónico fijo en cuanto a

Fiabilidad-DisponibilidadCalidad (fidelidad)

• Sistemas digitales: Multiplexación, TDMA, CDMA.Banda ancha y estrecha

• Otros Servicios comoTransmisión de Datos: GPRS, UMTSMensajería unidireccional (SMS)Radiobúsqueda-localización (Ej, GALILEO+UMTS)


9.1 Introducción: WLANDentro de los sistemas de comunicaciones móviles cabe al menos introducir los Sistemas “indoor”:

• Sistemas restringidos aFábricas o naves industrialesOficinasHogar

• Servicios deVoz Datos: redes WLAN (Wireless LAN)

Blootooth, HIPERLAN, WiFi...Telecontrol (domótica)


9.1 Introducción: Primera GeneraciónLas principales características de sistemas 1G son

• Analógicos• Básicamente servicio de voz• Baja capacidad• Cobertura limitada: local o regional• Sistemas: E-TACS, AMPS, NMT, C-net• Las interfaces son propietarias• España1:

En 1982 el TMA-450 de Telefónica basado en NMT (Nordic Mobile Telephone)En 1990 el TMA-900 de Telefónica basado en TACS (Total Access Communication System), es el sistema Moviline.

• UK: TACS en las compañías Cellnet y Vodafone.

1 http://catedra-coitt.euitt.upm.es/web_socioeconomica/articulos/procesoimplantaciontelefoniamovil.pdf


9.1 Introducción: Segunda GeneraciónLas principales características son

• Digital• Conmutación de circuitos• Voz y datos básicos

FaxSMSCircuit switched data (9.6 kbs)

• Cobertura regional con roaming (itinerancia) trans-national (panaeuropea)• Sistemas: GSM (EU), D-AMPS (=IS-136, USA), PDC (Japón), IS-95

(cdmaOne USA),• (more) interfaces abiertas (Open Interfaces)

En UK Cellnet, Vodafone, Orange, One–2–OneEn España Vodafone, Movistar, Amena


9.1 Introducción: Tercera GeneraciónLas principales características son

• Digital• packet and circuit switched• Datos avanzados / Multimedia• Acceso de alta velocidad• Cobertura Global• Sistemas: UMTS (WCDMA, TD/CDMA), CDMA 2000 (USA),…

España: Operadores existentes y nuevos: amena, vodafone, movistar, xfera


9.1 Introducción: Crecimiento de demanda –Diferentes sistemas de acceso

1996 1998 2000 2002 20040

200

400

600

800

1,000Fixed access

Mobileaccess Fixed andmobile Internet

Mobile Internet

Milli

onsu

bscr

iber

s


9.1 Introducción: Evolución de GSM a UMTS…

GSMGSMGSM 14.4kGSM 14.4k

HSCSDHSCSDGPRSGPRS

EDGEEDGEUMTS UMTS

10 kbit/s

100 kbit/s

1 Mbit/s

10 Mbit/s

100 Mbit/s

Since 1992

1999 2000 2002

Max

imum

Dat

a R

ate

Second Generation Third Generation

2001

HSPDA HSPDA


9.1 Introducción: Aplicaciones

Java3G

1Q1999 4Q1999 4Q2000 4Q2001

WAPlaunch

Mobile OfficeSchedule Management Work flow ManagementElectronic Conference

File SharingMulti-player

Games

Music

m-banking

InformationServices

Radio

SMS

Picture clips

Route planning

ChatRoomemail

GPRSVideo clips

m-stock tradingm-cash

Video

Web cam

TV Conference

Interactive TV

Visual, High Speed

Intranet

Web access

Portal Link


Subscribers (million)

Years0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1995 2000 2005 2010

Rest of World

Asia Pacific

North America

European UnionCountries

9.1 Introducción: penetración (Subcriptores) de telefónia móvil por áreas


9.1 Introducción. Penetración en España


9.1 Introducción. Penetración Mundial


9.1 Introducción: Mercado de Telefonía Móvil por Tecnología

7 %

62 %

15 %

450

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

7 %PDC and PHSIS 136 D-AMPSIS-95 CDMAGSMAnalogue

9 %

GSM


9.1 Introducción: GSM en USA


9.2 Composición de un sistema de comunicaciones móviles

Elementos: Subsistema de Red / Subsistema de Acceso• Estaciones fijas (FS)

Estación Base (BS, Base Station): BTS en GSM, Nodo B en UMTS,…Estación de Control (CS)Estación Repetidora (RS) (túnel, valle,...)

• Estaciones móviles (MS)=Equipos de usuariosEstación móvil montada en vehículosEquipos portátiles/móviles

• Elementos de controlConmutaciónSeñalizaciónLocalizaciónIdentificaciónConexión entre sistemas,...

• Enlaces ascendente (UL) y descendente (DL)PSTN: public switched telephone network

Subsistemade Red

BSMS

MS

DL

UL

PSTN

BSSubsistema Acceso

BS


9.2 Composición de un sistema de comunicaciones móviles: Ejemplos

Ejemplo de BS (BTS en GSM)

Ejemplo de Terminales

Casetilla con Equipos

Antenas de panel: •dipolos, •2 polarizaciones•3 sectores

Enlaces a otras BTS o a Estación de control

Cables de alimentación


9.3 Clasificación de sistemas móvilesPor la Banda de Frecuencias

• Bandas VHF (30-300MHz)Bandas III (162-230MHz)

• Bandas UHF (300-3GHz)Banda 2 GHz

Por el tipo de acceso múltiple en el sentido móvil a estación base• FDMA: acceso múltiple por división en frecuencia• TDMA: acceso múltiple por división en tiempo• CDMA: acceso múltiple por división en código• SDMA: acceso múltiple por división en espacio (haces de antenas)

Por la modalidad de explotación• Símplex• Semidúplex• Dúplex

Por el tipo de enlace• Bidireccional: Radiotelefonía• Unidireccional: Radiomensajería (SMS y otros)

Por el tipo de red• PMR• PAMR• PLMN (ó TMA, telefonía móvil automática)


9.4 Bandas de frecuenciaA modo de ejemplo, el servicio de radiocomunicaciones móviles tiene atribuidas, entre otras, las siguientes frecuencias y canalizaciones

Estas bandas se caracterizan por • Emplearse en zonas rurales o urbanas• Ganancia y Tamaño antenas• Alcances típicos...

Ejercicio: busque las notas de utilización del CNAF que tengan que ver con comunicaciones móviles.

PLMN1800-2100 MHzBanda 1-2 GHz6

PMR860-870 MHzBanda UHF alta5

PMR, PAMR440-470 MHzBanda UHF baja4

PMR, PAMR223-230 MHzBanda III3

PMR, PAMR150-174 MHzVHF alta2

PMR60-80 MHzVHF Baja1

SistemasFrecuenciasBanda

Sugerencia: busque el CNAF con google, abra las notas de utilización (UN) y busque la palabra “móvil”, “servicio móvil”,...


9.4 Canalizaciones Sistemas Privados:

• Analógicos FM:Normal: 25 kHz con ancho de señal 2(fd+fm)=2(5+3)=16 kHzEstrecha (más usada): 12.5 kHz con ancho de señal 2(fd+fm)=2(2.5+3)=11 kHz

• Digitales:Dependen del sistema

TETRA: canalización de 12.5 KHz con 4 canales TDM-TDMA» Modulación π/4-DPSK

Sistemas Públicos• Dependen del sistema

GSM: canalización de 200 kHz con 8 usuarios en TDM-TDMAModulación GMSK, Gaussian minimum shift keying

UMTS: canalización de 5 MHz con múltiples usuarios y tasasModulación BPSK y H-QPSK (hybrid-QPSK)


9.4 Modos de explotaciónSímplex: Una sola frecuencia

• Todos los equipos oyen (tonos)

• Ventaja: Ayuda Mutuasi BS no escucha a un MS, otro MS puede escucharle

Hay comunicación directa MS a MS• Desventaja:

Captura o bloqueo de una comunicación:cuando una MS no escucha a la MS, está cerca de la BS, y Tx

Interferencia canal adyacente entre BS1, BS2, BS3,...en un mismo emplazamiento

hay que distanciar en f, Δf =4 a 5 MHz.

f1

f1TxRx

TxRx

BS MS

4-5MHz

8-10 MHzProblema:

f1 f2 f3


9.4 Ventajas e inconvenientes de modo Símplex

BS

MS2

MS1

Ayuda Mutua

BSMS1

MS2

Bloqueo

RBM

RMB

UL

DL

DL

DL

DL

UL


9.4 Modos de explotación en comunicaciones móviles

Símplex a dos frecuencias: • Una solución poco viable es separar físicamente las estaciones base

(>280m)• Otra solución es usar un par fTx y fRx, separadas 4-5 MHz.• Desventaja:

Los móviles no pueden hablar entre sí (no reciben a f1’)No saben si el canal está libre y pueden Tx infructuosamente cargando el sistema innecesariamente.

f1

f1’TxRx

TxRx

BS MSΔf = 4 - 5 MHz y 10 MHz4MHz


Semidúplex: • La base retransmite en f1 hacia los móviles (TT, talk-trough) lo que

recibe por f2

Necesario un duplexorAhora todos los móviles escuchan al que habla si éste llega a la BSPosible otra frecuencia símplex para Comunicación movil-móvil

Dúplex: radiocanal, PLMN• Elevado coste para PMR (DX y frecuencias)

9.4 Modos de explotación en comunicaciones móviles

f1

f2

TxRx

DUX

DUX

TxRx

f1

f2DUX

TxRx

TxRx


9.5 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Caracterización del canal

Las pérdidas del canal móvil se pueden modelar como

• Donde es la pérdida básica de propagación y n = 2 para espacio libre, n = 4 tierra plana, en medios urbanos n =3.5~3.8 (valores típicos)

• El término se introduce para evaluar estadísticamente las pérdidas por obstáculos en el entorno del móvil

Distribución log-normal con desv. tip 4 ~ 12 dB (rural, urbano)

• Se incluye para incluir el efecto multitrayecto y doppler, ley exponencial negativa (cuadrado –potencia- de una Rayleigh –tensión-).

Si además Tb < dispersión temporal (Ej, banda ancha), entonces hay que conocer los retrasos y niveles de cada trayecto para evaluar prestaciones:

• Se hacen necesarios igualación, codificación con entrelazado y diversidad.

),(),( ftmyxrl fb ⋅⋅n

b dkdl ⋅=)(

),( yxr

),( ftm f

Des

vane

c.Pl

ano

lent

oD

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Plan

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pido

Des

vane

c.Se

lect

ivo


9.5 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Caracterización del canal

El cálculo de la cobertura es complicadoSe pueden hacer de forma manual• Típico en la petición de licencias y proyectos técnicos sencillos• En entornos rurales se trazan radiales y se calcula mediante métodos

empíricosSe utiliza mucho el método ITU-R P.1546 (antes 370)

O mediante software• El software libre para cálculo de propagación es prácticamente inexistente

Ver http://www.cplus.org/rmw/english1.html para un programa basado en el método de Longley-Rice

• Existe gran variedad de software con licencia: Atoll de Forsk, ATDI, Planet,…


9.6 Calidad I: Cobertura1) Grado de movilidad: Cobertura: Calidad de cobertura

• AlcanceAlcance de cobertura en el sentido Estación → MóvilAlcance de cobertura en el sentido Móvil → Estación, ó retroalcance

• El retroalcance limita la cobertura, a distancias elevadas: el móvil escucha a la base pero, la base no escucha al móvil

• Sentido estadístico: Porcentaje de emplazamientosPorcentaje de tiempo

• CoberturaZonalPerimetral

?BSPIRE =min

95 dBmRP = −

30 dBmMSPIRE =

Enlace descendente (DL, downlink)

Enlace ascendente (UL, uplink)

min98 dBmRP = −

Solución: si se quiere igual cobertura UL-DL se puede observar que hay que compensar con PIREBS la diferencia de sensibilidad: PIREBS=PIREMS+3=33 dBm. Nota: la diferencia entre la PIRE y la sensibilidad en UL (ó DL) constituye la máxima pérdida ó “pérdida compensable”.

Ejercicio:


9.6 Ejemplo de cobertura: YOIGO

Fecha:25 Marzo 2007

Cobertura datos UMTS ó EDGE: Málaga, Sevilla, Cádiz, Granada, …Cobertura datos GSM/GPRS: Resto


9.6 Calidad II: Otros2) Disponibilidad de recursos ó Calidad de tráfico

• La probabilidad de poder establecer la llamada por falta de recursosprobabilidad de congestión ó GOS (grade of service): p

3) Fiabilidad de la conexión• La probabilidad de perder una llamada en curso (caída)

4) Seguridad: autenticación y cifrado5) Calidad de fidelidad de señal (fonía)

• Sistemas analógicosCriterios objetivos

Inteligibilidad: función del Indice de Nitidez (IN)

Está relacionada con la MOS, se puede dar en Volt, dBμ ó dBm Criterios subjetivos:

Notas de Opinión → Nota Media de Opinión (Mean Opinion Score, MOS)

DNDNS

DistorsiónRuidoDistorsiónRuidoSeñalSINAD

+++=

+++=


9.6 Calidad II: Otros3) Calidad de fidelidad de señal (continuación)

• Sistemas digitalesCriterios objetivos

BER: depende del codificador BER irreducible

Criterios subjetivos:Notas de Opinión → Nota Media de Opinión (Mean Opinion Score,

MOS)


9.6 Calidad II: OtrosBER irreducible

• A: mediciones en laboratorio, sin desvanecimiento• B: con desvanecimiento Rayleigh (plano)• C: con desvanecimiento Rayleigh y efecto Doppler

Por el efecto doppler se crean desplazamientos de frecuencia

• Donde v es la velocidad• Efecto ≈ modulación parásita• Ej: 900MHz, 25 Km/h: fD=21Hz

/Df v λ=


9.6 Calidad: Ejemplo en Orange

Fecha: 25 Marzo 2007


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Ventajas sistemas digitales

Tx de voz y datos con diferente tasa binaria:• Integración con redes digitales

Métodos de cifradoControl de erroresSeñalización digital:

• Control para evitar uso fraudulento• Control de potencia

Servicios suplementarios, Ej: SMSPosibilidad de utilizar TDMA:

• Simplifica circuitos RF → menor volumen y consumo terminalesMás robusto a interferencia cocanal

• Disminuye D → mayor reutilización →mayor capacidadPosibilidad de utilizar tecnología digital:

• Codificador de voz 13 y 6.5Kbps• Codificador de canal


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Inconvenientes sistemas digitales

Necesidad de digitalización (fonía)Son más complejosSensibilidad a las perturbaciones del medio de transmisión

• Medios urbanos hostiles• Efecto doppler

ISI: limitación de ancho de bandaRetardo de transmisión (TDMA)


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Estructura

Estructura del transmisor

Estructura del Receptor

CodecVocal

MultiplexadorDatos

CodificadorFuente

Codificador de canal Tx-RF

FormatizaciónAcceso múltiple

CodecVocal

DeMultiplex.Datos

Decod.Fuente

DeCod. de canal

Rx-RF(Digital)

Desformatiz.Acceso múltiple

Recordar introducción Tema 6


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Estructura

Aspectos más relevantes en el canal:• Diferencia entre

Canal de Usuario: comunicación digital extremo a extremoCanal RF o radiocanal: par de frecuencias portadoras

• Un mismo radiocanal puede soportar varios canales de usuarios (Multiacceso)

Aspectos más relevantes en el Tx:• El MX de datos adapta la velocidad de llegada a la de transmisión• El codificador de canal optimiza la BER tras el paso por el canal• La formatización consiste en adaptar el canal de usuario al de radiofrecuencia

(Multiacceso)

Aspectos más relevantes en el Rx:• Es preciso, en el Rx,

Recuperar portadora y sincronismo• Hay que desformatizar, extrayendo el canal/es de usuario del de radiofrecuencia

Ojo!!


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Retrasos

Aspectos más relevantes del conjunto• La suma de las contribuciones de los retardos en cada bloque = retardo

total:Retardos en codificador+decodificador de voz: 0.4 a 50 msRetardo en codificador de canalRetardo en multiaccesoRetardo en canal

• El retardo total debe estar acotado (fonía): ITU-T máximo en un sentido 400ms

Hay que contar además que la llamada puede atravesar la PSTN, y ésta puede tener un enlace via satélite: 270msEl margen que queda es 400-270=130ms

Se deja para la red móvil 100ms


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de fuente

La codificación de fuente• Permite pasar la señal analógica de habla a una digital• Debe conjugar buena fidelidad con tasa de bit reducida• Así, debe caracterizarse por

Buena Calidad Tasa de bits reducidaRobustez de los algoritmos frente a errores de bitsLimitación de la complejidad:

Recursos computacionalesLimitación del tiempo de procesamiento: retardo reducidoViabilidad de realización física.


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de fuente, ejemplos

Minimización de Errores: Por ejemplo en las transiciones

Reducir tasa de transmisión: Por ejemplo atendiendo a la probabilidad• Llega

00 con Pb=0.005 asigno 100001 con Pb=0.05 asigno 10010 con Pb=0.1, asigno 10 11 con Pb=0.845, asigno 1

00

01

11

10

00

01

10

11

Cambio de nivel = error de 2 bitsversus


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de canal

La codificación de canal • Protege la información digital (voz, datos, señalización) contra errores

producidos en la transmisiónVoz: Se protegen mejor los bits más sensibles

• Ejemplo: un MS a 50Km/h puede experimentar desvanecimientos profundos de algunos ms de duración

De forma recurrente (cada 25-50ms)La BER puede ser de 10-2 o peor

• La codificación de canalPor cada k bits se proporcionan n=k+r bits

Rendimiento del código (code rate): k/nLa tasa de bits se incrementa a Vn=Vk·n/k → incrementa BW

• Existe codificaciónBloqueConvolucional

Se pierden ráfagas de datosSe puede perder sincronización


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de canal

La codificación bloque• Cada paquete de k bits se corresponde unívocamente a una palabra-código de

n bitsLa codificación convolucional

• Es un sistema de estados que dependen de los bits que estén llegandoLos estados los da un registro de tamaño m (longitud obligada, constraint lenght)

• La redundancia introducida ante la llegada de un bit depende del estado actual.

• Tren continuo de bits, Rendimientos de 1/2.• Decodificación: gran poder corrector. Ej, algoritmo de Viterbi.

Outer code + Inner code = Bloque + Convolucional• Gran poder detector + corrector

Actualmente se están empleando códigos LDPC (Low Density Parity Check)Entrelazado (no transmisión consecutiva): evitar ráfagas errores L·Tb>Tc


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Acceso múltiple TDMA, Time Division Multiple Access

canal 1canal 2

canal N

. . . .

Código

Frecuencia

Tiempo

Slots de tpo


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Acceso múltiple TDMA/FDMA

También denominado NB-TDMA (Narrow Band- TDMA)

Código

Frecuencia

Tiempo

canal 1canal 2

canal N. .

. .

Slot

s de t

po

canal 1canal 2

canal N

. . .

. canal 1

canal 2

canal N

. . .

.

...

Canal RF 1 Canal RF 2 Canal RF Q


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Trama TDMA

Preamble Information Message Trail Bits

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot N

Trail Bits Sync. Bits Information Data Guard Bits

Una Trama TDMA


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Trama TDMA, TDM

Ventajas TDMA frente a SCPC/FDMA• Reducción del número de transceptores (TRXs)• Reducción en exigencia de tolerancia de frecuencia de portadoras

Inconvenientes de TDMA• Exigencia de funcionamiento sincronizado • Tiempos de guarda• Bits de tara para sincronización de trama y señalización del canal:

Reduce el rendimiento de la trama

TDMA• En el sentido ascendente• En el sentido descendente (TDM, time division multiplex);

no es de acceso sino de difusión


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular:CDMA

CDMA, Code Division multiple Access

canal 1canal 2

canal N

. . .

Código

Frecuencia

Tiempo


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Time Division Duplex, TDD ?

2500

2000

1500

1000

500

0

Marketneeds

1997 2000 2005

Kbp

s

DownlinkUplink

Asymmetrical traffic increases with time !!


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: TDD

Time Division Duplex, TDD

Canalbajada

CanalSubida

FrecuenciaDivisión en frecuencia

Canalbajada

CanalSubida

TiempoDivisión en tiempo

Frequency Division Duplex, FDD


9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Acceso Múltiple

TDMA/TDDDigital European Cordless Telephone (DECT) (*)NB-TDMA/FDDTETRA – PMR y PAMRFDMA/FDDMPT 1325 – PMRCDMA/FDD y TDDUMTS, Universal Mobile Telecommunic System – PLMNNB-TDMA/FDDGroupe Speciale Mobile (GSM) - PLMNCDMA/FDDU.S. Narrowband Sprea Spectrum (IS-95) -. PLMNTDMA/FDDJapanese Figital Cellular (JDC) – PLMNFDMA/FDDCT2 (Cordless Telephone) - PLMNFDMA/FDDAdvance Mobile Phone System (AMPS) - PLMN Acceso MúltipleSistema Celular

(*)El sistema DECT es para telefonía inalámbrica en el hogar u oficina. Y pueden utilizarse varias estaciones base para cubrir una zona amplia


9.8 Sistemas de concentración de enlaces:Estructura de un sistema troncal

Sistemas• Monoemplazamiento• Multiemplazamiento:

Cada nodo tiene su juego de frecuenciasInterconexión (en anillo) de estaciones base y sistemas de control (TSC, trunkingsystem controller)No tiene por qué haber transferencia automática de una BS a otra.Transceptor sintetizador controlado por microprocesador (software-radio)

• Régimen de llamadasEn esperaEn pérdidas

En un sistema troncal• Se asignan canales

Según necesidadesY no de forma rígida

• Se optimiza la capacidad

TSCNMC

PABX PABX

T / R

MS

FS

BSBS

PSTN

http://en.wikipedia.org/wiki/Trunked_radio_system


9.8 Sistemas de concentración de enlaces:Dimensionamiento y Tráfico

Objetivo del dimensionamiento:• Calcular el número de canales

Nº de canales de tráfico, N (Número de canales totales = N+1, incluyendo control)• Para cumplir unos criterios de calidad

Régimen de llamadas en espera: que la probabilidad de superar un tiempo de espera W0 al realizar una llamada sea menor de p.Régimen de llamadas perdidas: que la probabilidad de tener canal disponible al realizar una llamada sea menor de p.A p se le denomina probabilidad de congestión o grado de servicio (GOS).

Datos de partida• Nº de móviles M• Tiempo medio de llamada H (segundos)• Número medio de llamadas por móvil y en la hora cargada L (llamadas/hora)

erlangs3600d

M L HA ⋅ ⋅=

Intensidad de tráfico demandado


9.8 Sistemas de concentración de enlaces:Fundamento teórico y realización

Régimen de llamadas perdidas (TMA y PMR): Erlang-B• Se supone un conjunto de usuarios que solicitan aleatoriamente los

servicios de N canales de radio con un promedio dado de llegada de solicitudes de llamada.

• Las llamadas se pierden con una probabilidad de congestión p (ó GOS ópb de pérdida) si todos los canales están ocupados.

• La probabilidad de pérdida en un sistemaque tiene que servir una intensidad de tráfico Ad (Erlangs) demandado

con N radiocanaleses

p=B(Ad ,N) fórmula Erlang B

http

://w

ww

.erla

ng.c

om/w

hatis

.htm

l

N

En la Erlang se asume que la llegada de llamadas es aleatoria (Poisson)



Régimen de llamadas en espera (PMR): Erlang-C• Se supone un conjunto de usuarios que solicitan aleatoriamente los

servicios de N canales de radio con un promedio dado de llegada de solicitudes de llamada.

• GOS: Las llamadas se pierden con una probabilidad p si se supera un tiempo de espera W0.

• La probabilidad de pérdida ó GOS:Si el tiempo de espera máximo es igual a la duración de la llamada (habitual)

El tiempo medio de espera, Ŵ:

http

://w

ww

.erla

ng.c

om/w

hatis

.htm

l

ˆ ( , ) HW C N AN A

=−

C(N,A): Distrib. Erlang-C0

( )0( , ) ( ) ( , ) e

W H

N Ap GOS N A P W W C N A=

− −= = > = ⋅



Trunking o concentración de enlaces:• La idea del trunking es poder compartir todos los canales entre todos

los usuarios.• El tráfico que se puede ofertar es mayor

El sistema es más eficientePero más complejo: hay que controlar la asignación de canales

• Ejemplo: se propone un ejemplo sencillo para un régimen de llamadas en pérdida

Una estación base da servicio a una zona con 3 canales y puede:A) Asignar los 3 canales a toda la superficie con truncking.

B) Asignar 1 canal de forma rígida a cada tercio de la superficie.

La intensidad de tráfico A (Erlangs) que se puede ofertar en A) es Ao,A=B-1(p,N) B) es Ao,B= N·B-1(p,1) < Ao,A

1 1

1

3

http

://w

ww

.erla

ng.c

om/w

hatis

.htm

l

A

B



Tema 9 Comunicaciones Móviles

Parte III: Sistemas Celulares: sistemas celulares en FDMA

Juan José Murillo Fuentes

ATSC. ETSI.Univ Sevilla


Parte II: Sistemas de Telefonía Móvil Automática (TMA)

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular • Introducción• Concepto de celda ó célula• Reutilización de frecuencia en sistemas FDMA• Geometría celular: distancia de reutilización• Distancia de reutilización y relación de protección• Dimensionamiento de tráfico y del sistema• Otros:

SectorizaciónAsignación dinámica de frecuenciasTilt

• Generalidades ¿En qué consiste un sistema celular?¿Cómo se dimensiona una sistema celular?


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular Los sistemas de telefonía móvil automática TMA ó PLMN son auténticas redes de telefonía

• PLMN (Public Land Mobile Network)Con sus centrales de conmutación propias

• MSC Mobile Switching Centers, ó MTSO Mobile Telephone Switching OfficeSe persigue

• Calidad telefónica similar o superior.• Conmutación automática• Gran capacidad de abonados• Capacidad de expansión• Coste razonable• Eficiencia en espectro

Los sistemas celulares• Dan respuesta a este problema• Actualmente se utilizan también en PMR-PAMR

MobileTelephoneSwitching

OfficeMTSO

PSTN


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Una celda (o célula)

Mobile Terminal (MT) = Mobile Units (MU) = Mobile Systems (MS)•≈ Mobile Hosts (MH) ≈ Mobile Equipment (ME).

MSC: Mobile Switching Centers = MTSO: Mobile Telephone Switching OfficeBS (Base Station)

BS

MSC (MTSO)

MS Componentes RadioMS

Cell


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Una célula

Forma circular frente a formas triangular, cuadragular, hexagonalCada radiocanal entre la BS y el MT se divide en

• Enlace Descendente = down-link, DL =forward link (US) BS a MT

• Enlace Ascendente = up-link, UL = reverse link (US)MT a BS

El sistema es un conjunto de células

up-link

PSTNMSC

down link


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Sistemas Celulares

El problema central en la capa radio de los sistemas TMA es conseguir

Si a una sistema TMA (operadora) se le asigna un rango del espectro, y es FDMA

• ¿Cómo se puede dar cobertura a todo un país?

Una amplia coberturaGran capacidad de tráfico

Número limitado de frecuencias

Con

Reutilización de frecuencias

Sistema celular

Interferencia múltiplecocanal controlada

Distancia de reutilización

Sistemas FDMA

Nota: La planificación celular que se verá aquí es para FDMA


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Sistemas Celulares, agrupaciones (racimos, clusters)Los sistemas celulares (FDMA) se basan en

• Tener J tipos de célula• Cada tipo de célula tiene asignado un juego de frecuencias diferente• El conjunto de J células diferentes se agrupa: agrupación (o cluster)

La zona de cobertura de este racimo o cluster se denomina “footprint”• El racimo o cluster se repite sistemáticamente (enlosado) para conseguir

el mapa de cobertura deseado.Se repiten las frecuencias: reutilización de frecuencias

1-cell cluster

3-cell cluster7-cell cluster

4-cell cluster

12-cell cluster


Planificación de frecuencia en FDMA

f7

f7

f2

f2

f6

f6

f1

f5 f3

f4

f2

f1

f5

f7

f6

f3

f4

f2

Estructura con J = 7(Patrón de reutilización 7)


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Sistemas Celulares FDMA, agrupaciones: frecuenciasAsí:

• Un operadora dispone de un ancho de banda para dar cobertura a una zona en un país.

La operadora dispone de C canales• La zona se divide en Q agrupaciones.

Cada agrupación hace uso de C canales• Cada agrupación se divide en J células

Cada célula tiene asignados, en general, N=C/J canales disponibles

Las veces que se repiten las N frecuencias en el mapa de cobertura total no es más que el número de agrupaciones Q = el índice de reutilizaciónEl número de canales total es Q ·J · N

Si se reserva 1 canal para control en cada célula: Q ·J · (N-1)

Ahora bien ¿cuántas células hay?¿J? ¿qué superficie cubren?¿Q?

Relación de protección Tráfico


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:parámetros relevantes de geometría celular

61

7

54

32

D = distancia de reutilización entre celúlas que utilizan mismasfrecuenciasR = Radio de la CélulaJ = patrón de reutilización (el tamaño del racimo (cluster)).

Ejemplo: para un racimo de 7 celdas con radio R = 3km, la distancia de reutilización de frecuencia es D = 13.74 km.

61

7

54

32

61

7

54

32

D

R2

31

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=≡

RD

SS

Jcr


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Geometría celular

Geometría celular

Área de un rombo de lado D:2 32r

DS =

Zona Romboidal:“Rombo cocanal”Área de un hexágono de radio R:

2 23 3 32 2cd R

S = =

Relación entre estas áreas:

JRD

RD

SS

cr ≡⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛==

2

2

2

31

3

D

D

d

R


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:números rómbicos

(0, j·d)

(i·d,0)

(0,0)R

u

v

• Sistema de ejes:

d

3Rd =

)3/(/)3/(/

RudujRvdvi

==

==

jijiRD

dD

jijidjiD

jijidjiD

⋅++=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

⋅++=

⋅⋅⋅++=

222

2

2

2222

2222

31

)(),(

))cos(2(),( α

α=π/3

=J

D, dist

ancia

de re

utili

zació

n

En la figura, i=3, j=2, J=19

(i·d, j·d)


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:número rómbicos

IMPORTANTE: sólo son posibles, para células hexagonales, algunos números de células por racimo, J. ¿CUÁLES?

• Aquellos que cumplen con

• Ejemplos para i,j0, 1 J=11, 1 J =31, 2 J= 73, 0 J=94,-2 J=124,-1 J=13 4, 0 J=16,...

enteros , ,22 jiJjiji =⋅++

Números Rómbicos

Una lista completa ordenada: J= 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, 25, 27, 28, 31, 36, ...

J=1 y 2 no tienen sentido. No hay reutilización.


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Geometría de racimos-agrupaciones-clusters

Ejemplos de agrupaciones

i=1j=1J=3

i=1j=2J=7

i=2j=2J=12


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Celda cocanal: Reutilización de frecuencias

Para calcular dónde existe una celdacon igual juego de frecuencias

• Muévase i celdas a lo largo de cualquier cadena de hexágonos.

• Gire 60º en el sentido contrario a las agujas del reloj y muévase jceldas.

Ejemplo:• N=19: i=3, j=2;

Hexágonos de igual radio: un racimo o agrupación está rodeada de otros 6: •Existen 6 celdas cocanales•Donde se reutilizan las frecuencias


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Calculo de J: interferencia de una celda

La solución en sistemas celulares es reutilizar las frecuencias• Se admite una interferencia• Que tiene que estar controlada ¿Cómo controlarla?

Se calcula la potencia útil e interferente que llega a un punto de la celdaSe impone que esté por encima de la relación de protección

tni

pik d

=⋅

tr n

c

pc pk d

= =⋅

didc

Veamos cuánto vale cada parámetro


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Calculo de J: interferencia de una celda

La señal recibida en un sistema celular

donde• d es la distancia desde el transmisor (BS) al punto de la celda donde se mide

la potencia, • k es una constante y • n es otra constante (path loss slope) que depende de la propagación. En

Celdas urbanas n=2.7 a 5En el peor caso en el que el móvil se sitúa en el borde de una celda d=R, y otra celda a una distancia D transmite a la misma frecuencia y potencia:

, ( )

t tn np p

c ikR k D R

= =− ( )( )

1n n

nD Rc D

i R R−

= = −

cell 2R

D

cell 1

MS

tr n

pc pk d

= =⋅


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Calculo de J: interferencia de racimos adyacentes

La relación entre la potencia recibida en el borde de una celda

y la potencia interferente recibida en el borde de esa misma celda,

Como ha de cumplirse (c/i)tot ≥ rp (relación de protección)

n

n

n

ctot RD

RRD

ic

ic

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

−=

⋅=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ 1

61)(

61

6

ntRk

pc⋅

=

2

31

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

RDJ

( )( ) ( )( )2 21/ 1/1 1

1 6 63 3

n n

tot tot

c cJ D R D

i i⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥= + ⋅ = − ≈ = ⋅⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

( )( )2/16131 n

prJ ⋅+≥Límite inferior

Sólo depende de rp!!

Se asume esta distanciaPara todos interferentes

nt

cRDk

pi)(

66 −⋅

=

Siempre hay 6 racimos rodeando el de interés

Y además J debe ser un número rómbico


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Tráfico ofrecido y demandado en una celda

¿Número de móviles en una célula a los que se puede dar servicio con una probabilidad de congestión p (también conocido como grado de servicio GOS) en un sistema celular de J células por agrupación al que se asigna un espectro W divido en bandas de Δf ?

• La ofertaEl número de canales en el sistemaEl número de canales en una celdaEl número de canales de tráfico Se ofrece un tráfico, para p, de

• La demandaEl tráfico ofrecido por M móviles

• Se iguala Oferta=Demanda→ A=Ao=Ad y se obtiene:Número de móviles en una celda

O también, en función del “Tráfico admisible”:

fWC Δ= /JCN /=

)(ErlangLHMaMAd ⋅⋅=⋅=

)1,(1 −= − NpBAo

)/( 2kmmóviles

MSaAM

mc

ρ=⇒=

2( / )o oa m c

c a

A AErlang km a S

Sρ ρ

ρ= = ⋅ ⇒ =

1−N


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Dimensionamiento en sistema

Conociendo la superficie total S a cubrir y calculados m y Sc se dimensiona

• Superficie de una agrupación

• Número de agrupaciones

Q = índice de reutilización

• El número de móviles servidos

• También:La oferta total de canales de tráfico en el sistema (superficie S)

A menor área de celda »Con los mismos canales: podría servir a una mayor densidad de móviles»La oferta total en S crece: tengo mayor número de canales en el sistema

cr SJS ⋅=

⎣ ⎦c

r SJSSSQ⋅

≈+= 1/

CSJ

SNJQc⋅

⋅≈−⋅⋅ )1(

MJQMTotal ⋅⋅=


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:sistema celular: resumen dimensionamiento

Paso 1: La relación de protección te da el número mínimo de celdas, el número rómbico más cercano proporciona el mínimo posible J

•Se obtiene el número N de canales por celda

Paso 2: Igualar la oferta de tráfico que proporciona la célula a la demanda de tráfico que cursan los abonados al sistema

•Con ello se obtieneEl área o radio de la celda El índice de reutilización Q

Analógico: C/I=17 dB, n=3,8 J=7Digital: C/I=9 dB, n=3,8 J=3( )( )21/1 1 6

3n

pJ r≥ + ⋅

LHMAd ⋅⋅=)1,(1 −= − NpBAo


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Otros aspectos: división celular

La retícula básica es un instrumento, en la realidad es difícil establecer el límite entre dos celdasEn la práctica habrá celdas (ó células) (zona urbana) que tengan mucho más tráfico que otras (zona rural). Se hace necesario subdividir algunas celdas en otras: El mapa de celdas no es homogéneoGeneralmente se va dividiendo el radio de la celda en 2:

• La superficie se divide por cuatro• Se incrementa la capacidad de tráfico en un factor ≈ 4• Mayor precisión de las BS• Aumenta el tránsito entre celdas (llamada), aumenta tráfico de señalización• Aumentan los costes

Microceldas (<0.3Km), Picoceldas (<30m)También: se organizan las celdas por “capas” (layers)


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Otros aspectos: Tipos de Celdas

Seamless end-to-end ServiceInternetwork Roaming

Satellite

Global

Suburban Urban

In- Building

Pico-Cell

Micro-Cell

Macro-Cell

Audio/visual Terminals

Home-Cell

Source:ITU


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Otros aspectos: Sectorización

Se pueden explotar las ventajas de antenas directivas

•¿Simple división de una celda en otras 3?⇒La interferencia ya no es “omnidireccional”

•La relación potencia a interferencia se reduce:•Disminuye el J mínimo

i=2j=1J=7

( )( )21/1 , [ ,3]3

n

pJ k r k≥ ⋅ = 2Aproximando,…

f2

f3

f1


• Omnidirecionales

• Sectoriales: 120º

Ganancias típicas de Antenas

0

90

180

270 0 -3 -6 -10

-15-20-30

dB

0

90

180

270 0 -3 -6 -10

-15-20-30

dB

f1,2,3

f2

f3

f1

Horizontal Vertical


Cuando se introduce sectorización, en general,• Cada sector es una nueva celda• De forma que cada sector es una nueva BTS

Pero en las operadoras al emplazamiento con varios sectores se le denomina BTSEsta BTS tiene su propio juego de frecuencias (radiocanales)

• Al conjunto de sectores agrupados en un mismo poste se le denomina emplazamiento (site en inglés)

• Así: sector=celda=BTS emplazamiento= varios sectores

• En la figura se representa una configuración 3/93 emplazamientos por agrupaciónCon 3 sectores por emplazamiento, un total de 9

• Por facilidad se suelen usar agrupacionesDel tipo 3/9,4/12,… De esta forma se aprovechan al máximo los emplazamientos



Ejemplo de sectorización



Sectorización:


Otras tecnologías: Smart/Adaptive Antennas


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Asignación dinámica de frecuencias

En la asignación dinámica de frecuencias, la asignación de radiocanales no es rígida → cambia según la necesidad en cada instante:

(Dynamic channel allocation, DCA)

El principio general: cualquier canal puede ser utilizado en cualquier celda• Para optimizar la capacidad• Cumpliendo con la relación de protección

El problema es complejo

Se debe contemplar• Seguimiento del estado y localización de cada canal• Cálculo/Estimación y localización de las necesidades de tráfico• Cada celda debe poder generar todos los canales posibles: sintetizadores


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Asignación dinámica de frecuencias: tráfico

En un sistema con N canales de tráfico por celda y J celdas por agrupación, con un requisito de pb de congestión p

•El tráfico que se oferta en la agrupación, sin DCA, esA=J·B-1(N,p)

•Con DCA el máxima de tráfico que se puede alcanzarADCA=B-1(J · N,p) > A

Recuérdese aquí que J sistemas con N canales ofertan menos tráfico que 1 sistema de J · N

canales


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:“tilt”

Tilt mecánico: inclino la antena hacia el suelo para enfocar el área a cubrir Tilt eléctrico: consigo el mismo efecto cambiando las propiedades

eléctricas de las entenas (patrón de radiación)


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Tilt mecánico


En cualquier caso se reduce la interferencia a las agrupaciones anexas:Se consigue una reducción de J

•En la relación se asume que la ganancia de la antena

interferente es la misma que la de la Tx. •Se pueden rehacer los cálculos o utilizar una relación de protección equivalente menos exigente (menor)

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:“tilt”

( )( )21/1 1 63

n

pJ r≥ + ⋅


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Diseño

1. Determínese el número de celdas J por racimo (números rómbicos) en función de

• La interferencia máxima admisible: la relación de protección• El modelo de propagación l=k·dn

• Tecnologías: sectorización, tilt,...2. A partir de J se calcula el tráfico ofrecido por celda

Para ello se calcula el número de canales disponibles en cada celday se impone una probabilidad de congestión p

3. Determínese la demanda de tráfico por móvil 4. De igualar la demanda a la oferta se obtiene el número de móviles por celda ó la

superficie de celda Sc5. Con este dato es posible dimensionar

Área de la celda (a partir de la densidad móviles/km2) ó número de móvilesEl número de celdas total en una regiónNúmero de veces que se repite la agrupación de J celdas: QNúmero total de canales ofertados o tráfico total ofertado Q ·J · (N-1),...


9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular:Generalidades

¿Cómo hacer para que un móvil pueda llamar desde cualquier celda?: Radiobúsqueda=Paging

¿Cómo hacer para que pueda moverse de una celda a otra sin interrupción? Traspaso=Handover

• Hard• Soft

¿Cómo localizar y seguir su situación?: Itinerancia=Roaming

Necesidad de un sistema de señalización avanzado: canales de control

Old BS New BS

MSC



Un esquema más general de un sistema TMA-PLMN

PSTN: Public Switched Telephone Network.MSC:Mobile Switching Center. También MTSO (Mobile TelephoneSwitching Office).BS: Base Station.MS:Mobile Station. También MU (Mobile Unit) o Mobile Host (MH).HLR:Home Location Register.VLR:Visitor Location Register.EIR:Equipment Identify Register.

PSTN

VLR

HLR

EIR

MSC (MTSO)MSC (MTSO) VLR

BS

MSMS MS

BSMS BSMS MS

MS MS



Conexión del móvil :• Proceso de localización:

Se exploran los canales de control de BS’sSe sintoniza aquella que llegue con más potenciaSe transmite identificaciónLa identificación se almacena en el VLR (Visitor’s Location Register)La identificación y localización se almacena en el HLR (Home Locationregister)

Llamada a un móvil• Se interroga al HLR: devuelve MSC a donde encaminar la llamada• Se avisa al MS (mobile station)

en las BS en torno a su localización (Location Area)con un código característico del móvil: “paging”




Parte III: Sistemas de Telefonía Móvil Privada (PMR)




9.10 Estructura básica de un sistema PMR

La estructura de un sistema PMR es variada• Desde comunicación MS a MS sin BS

Ejemplo: sistema sin licencia PMR466.• Pasando por sistemas analógicos con señalización analógica simple

Sin Truncking ni sistemas celularesVer Tema 5.

• Hasta complejos sistemas trunking que pueden ser celulares con funcionalidades comparables a los sistemas TMA.

MPT1327TETRA,…

Control PABX

Estación Base BS

Estación Móvil

Estación Fija

PABXPrivate automatic branch exchanges

PMR466


9.10 Estructura básica de un sistema PMR:Servicios de un sistema troncal PMR

Gracias a potente señalización digital• Conexión a centralita privada (PABX)• Modalidades de despacho

FlotasSubflotasGrupos cerrados de usuarios

• Diferentes niveles de prioridad• Fall-back mode: funcionamiento como sistema convencional (ante fallo)• Tx de voz y datos• Desviación de llamadas• Localización automática• Amplia variedad de terminales fijos: fonía, pantallas, teléfonos,

impresoras, ...


9.10 Estructura básica de un sistema PMR: Canal de Control en sistemas troncales

Puede ser:• Dedicado• Variable

Si es variable, • Se dedica también a tráfico de usuarios• Si todos canales ocupados

→Se asigna el canal de control a tráfico→El primer canal que quede libre se asigna como canal de control→Los móviles accederán a éste tras una búsqueda secuencial

• Mayor rendimiento en sistemas con Nº de canales N < 12


f2’f2f1 f1’f3 f3’

f4

9.11 Sistemas típicos de PMREjemplo de un sistema

• ElementosBSMS (Conmutación manual)Consola de operación4 Frecuencias

3 canales en símplex o semidúplex1 canal en símplex

• Funcionamiento en Simplex ó Semiduplex (TT)Día: control rígido prohibiendo la conexión móvil-móvilNoche: Servicio sin operador, las BS se pasan a TT (Los móviles se escuchan entre sí)

• Llamada selectiva (SELCAL) y respuesta automática (acuse de recibo)• Interconexión móvil-móvil interzonas: control de conexiones entre BS

f1 f2 f3 f4 f1’f2’f3’


9.11 Sistemas típicos de PMR: TETRASAINCO (ABENGOA): Sistema Trunking Digital, TETRA, para CFE (Comisón Federal de Electricidad (México) en Monterey

• 200 equipos portátiles, 320 móviles, 20 fijos y 3 consolas de control remoto

• cobertura del 90%

Not

a: S

AIN

CO

es a

hora

TEL

VEN

T






Parte IV: GSM


Parte IV: GSM9.12 Sistema de telefonía móvil digital GSM

•Introducción •Arquitectura•Funciones•Servicios•Canales lógicos•Radiocanales y canales físicos

mapeado de los canales lógicos

•Codificación de canal para la voz y entrelazado•Retardo compensable•Cobertura•Señalización: procedimientos de llamada•Resumen de parámetros y glosario


ResumenHabrá que pensar qué estructura es idónea para este sistema

• Móviles, estaciones base, centrales que agrupen a éstas,…Para definir la comunicación entre partes se definen las interfaces

• Nos interesa en este curso la interfaz aireEntre el móvil y la estación base

En GSM, y en cualquier sistema de TMA• Hay que ver qué tipos de información nos hace falta para conseguir

hablarEjemplo: voz, señal de petición de llamada, señal de datos,…Estos tipos son los canales lógicos.

• Esta información hay que “montarla” en unas tramas que finalmente puedan ir por los radiocanales que el sistema provea

Estos son los canales físicos.Es de interés ver cómo se pasa de voz al radiocanal

Prestando especial atención al régimen binario

Se verá también cómo es el proceso de establecimiento de llamada


9.12 Sistema de Telefonía Móvil Digital GSM:Introducción

GSM (Groupe Spéciale Mobile, 1982-1985) es un conjunto de Recomendaciones del ETSI (European Telecommunications Estándar Institute) sobre una Red Pública Móvil Terrestre (Public Land MobileNetwork, PLMN) Panaeuropea.Antecedentes

• Incompatibilidad sistemas existentes entre países CE• Esta situación encarecía:

Terminales Explotación

Objetivo: desarrollar norma europea de 1 sistema únicoPara todos los países (CE), con cobertura internacionalCon un mercado potencial de millones de usuarios en año 2000Que pudiera sacar ventaja de la entonces inminente liberalización del mercado de las telecomunicaciones: mayor competencia = menor costeFlexible en cuanto a servicios, coberturas, y tipos de terminales


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSMIntroducción

Requisitos básicos de partida• Localización y seguimiento automáticos

Nacional e internacional• Número de abonado único• Gran capacidad de tráfico y utilización de espectro optimizado• Mejor calidad de servicio y mejores facilidades• Coexistencia con sistemas analógicos

en mismos emplazamientos• Posibilidad de interconexión a ISDN• Servicios no telefónicos• Seguridad y confidencialidad• Terminales de bolsillo

Mayor eficacia baterías• Señalización avanzada• Coste no mayor


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Introducción

Aspectos técnicos:

• Banda de frecuencias común • Estructura celular digital• TDMA de banda estrecha (NB-TDMA) repartidos en radiocanales (FDMA)• Codificación de fuente con Vb baja• Control de potencia• Arquitectura OSI• Señalización avanzada

•Definir interfaces armonizadas entre unidades funcionales

•Con libertad para estimular la competitividad


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Arquitectura funcional

Arquitectura general a nivel de celda

MS

Um

BSC

MSC

AAbis HLR

VLRAUC

PSTNISDN

OMC

BTS


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Arquitectura funcional

Se articula en el binomio•Entidades funcionales:

Grupos de elementos funcionalesSistema de estación Base (BTS)Terminales móviles (MS)Centro de conmutación (MSC)Registros de localización e identificación (VLR, HLR)

Se les asigna un conjunto de funciones del sistema•Interfaces

Establecen fronteras de repartición funcionalInterfaces

De línea «A»«A» bis (opcional)Interfaz radio «Um »


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Arquitectura funcional, elementos funcionales

A nivel de bloques

BTSBCF BSC

Um

Abis A

PSTNISDN

…

MSC

HLRAuCEIR

BSSBSS

MS

VLR

MS – Mobile StationBSS – Base Station SystemBTS – Base Trans StationBSC – Base Station ControllerBCF –Base Control Functions MSC – Mobile Switching CentreVLR – Visitor Location RegisterHLR – Home Location RegisterAuC – Authentication Centre

MSC

VLR

NMC

OMC

FPC

PIN

FPC

PUK

FPC

PIN

FPC

PIN

FPC

PUK

FPC

PUK

SIM

NSSNSSMSMS

GMSC



GMSC

HLR

EIR

AUC

BSS NSSMS

D

OtrasRedes

FH

BSCBTSUmSIM ME Abis A MSC/ VLR

•Un esquema más serio



BTS, Base Trans Station BSC, Base Station Controller

MSMobile Station

SIMSubscriber Identity Module


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Arquitectura funcional, dimensionamiento

Algunos valores para el dimensionamiento:

• BTS macro: BTS Ultrasite Nokia, 1 a 12 TRX. Cada TRX es de 28 watts de potencia (+44,5 dBm). Una BTS, con e.g. 3 sectores, puede configurarse agrupando gabinetes hasta 9 gabinetes: 108 TRX.

• BSC: Un rack de BSC DX 200 BSC2i NOKIA es capaz de controlar hasta 128 TRX. El tope de crecimiento es 512 TRX de BTS. Luego, se requiere otro BSC.

• MSC: se suele considerar “Telefonica” que cada 5000 erlang se requiere una central de conmutación (MSC) a objeto de tener distribuido las distintas centrales a lo largo del país. Esto da unas 100 BTS

• HLR: se toma un valor típico de capacidad para 750.000 abonados.


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Interfaz A. Funciones básicas (I)

La interfaz «A» separa • las funciones relativas a aspectos de red y conmutación (MSC, HLR, VLR):

AutenticaciónLocalizaciónRadiobúsquedaInterfuncionamiento PSTN (RTPC), ISDN (RDSI).

de aspectos radioléctricos (BSS, MS)Las funciones básicas de los elementos funcionales más importantes

• MSC: Gestión de las llamadasConexión a otras redes

• Registros de localización, HLR y VLRAlmacenan información relativa a abonados

Residentes (HLR)Transeúntes (VLR)


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Funciones básicas (II)

Las funciones básicas más importantes (cont)HLR: Registro doméstico del abonado

Tipo de abonoCódigo de identificaciónNúmeroInformación de localización

VLR: registro de visitantes o transeúntesInformación de abonado dentro de zona de una MSC

• BSC:Muchas funciones de control se ejecutan en el BSC (controlador de la BTS)Se simplifican así las BTS

• AuC: Centro de autentificación: almacena, para verificación de llamadas, información relativa a

Identidad abonado móvilEquipos


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Servicios de Telecomunicación

Se distingue entre• Servicios portadores

Entre las terminales de red• Teleservicios

Entre terminales móviles

Teleservicios• Telefonía digital, códec a velocidad total 13 Kbps ó a mitad 6.5Kbps• SMS• Mensajería Rec X400 UIT-T• Facsímil, Tx/Rx de FAX del grupo 3 • Servicios suplementarios: Identificación de llamada, Redireccionamiento

de llamada, llamada en espera, Buzón de voz, tarificación,...• Teletex

Tx independiente de contenidoHasta 9600 bpsSíncrono/asíncronoConmutación circuito ó paquetes


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Subsistema Radio

El subsistema radio es el enlace físico entre las estaciones móviles y la red fijaFormado por canales lógicos

•La información que llega al subsistema radio (UL y DL) se puede organizar en serie de canales de

Tráfico: TCHSeñalización:

Canales de difusión BCCH, FCCH, SCHCanales comunes RACH, PCH, AGCHCanales Dedicados SDCCH, SACCH, FACCH

Estos canales se formatean en los canales físicos•Cada canal físico se corresponde con una portadora(FDMA)+slot(TDMA): ráfagas.

correspondencia-mapping


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Canales lógicos


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Canales de tráfico y señalización (I)

Canales de tráfico (=Canal de Usuario)• Físicamente un par de portadoras e intervalos de tiempo• Tx de voz y datos TCH, traffic channel

Velocidad total (TCH/F) y mitad (TCH/H)Datos a velocidades 2.4, 4.8 y 9.6 KbpsVoz a 13 ó 6.5 Kbps

• Tienen asociados los canales de señalización SDCCH, SACCH y FACCHCanales de señalización de difusión,

Son DescendentesProporcionan información general de localización y sincronización• BCCH (Broadcasting Control Channel): Portadora baliza propia de cada

celda-sector• FCCH (Frequency Correction Channel): Sincronización portadora RF• SCH (Sincronization Channel): Sincronización de la trama e Identificación

BS


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Canales de Señalización (II)

Canales Comunes, CCCH Common Control ChannelRegulan acceso al sistema, ascendentes y descendentes:• RACH (Random Access Channel): Petición de llamada del MS, ALOHA

ranurado• PCH (Paging Channel): Aviso de llamada al MS• AGCH (Access Grant Channel) :Asignación de recursos al móvil,

posterior a llamada (RACH)

Canales dedicados DCCH, Dedicated Control ChannelAscendentes y descendentesInformación relativa al establecimiento de llamada• SDCCH, Stand-alone Dedicated Control Channel

Dividido en 8 subcanales D0 a D7, cada uno para un móvil distintoUtilizado para actualizar posición, registro, SMS punto a punto, preparación del handover,...


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Canales lógicos de Señalización (III)

• SACCH, Slow associated Control Channel8 subcanales A0 a A7 asociados a los ocho D0-D7.Al conjunto Dn/An suele designarse por SDCCH/8Canal de baja capacidad para señalización, bidireccional, asociado a una llamada,

Mediciones de calidad de canalTarificaciónControl de potencia

• FACCH (Fast Associated Control Channel): Canal para señalización urgente. Asociado a una llamada,

Handover ó time advance,Se mete en el mismo canal físico que el de tráfico. Para distinguirlos se utiliza el “stealing flag”.


Frecuencias FDD (Duplex en frecuencia) en España:• Primary Band, GSM 900: 890-915 MHz y 935-960 MHz.

124 canales FDD de 200 kHz. Separación de 45MHz.• Secondary Band, GSM 1800: 1710-1785 MHz y 1805-1880 MHz.

375 canales FDD de 200 kHz. Separación de 95 MHz• Extended Band, E-GSM: 880-890 y 925-935

48 canales FDD de 200 kHz. Separación de 45 MHz• Si los teléfonos trabajaran en ambas bandas son equipos “duales o bibanda”.

En USA: Banda 1900. (900/1800/1900 Teléfonos “tribanda”). En sudamérica: Banda 850 (850/900/1800/1900 Teléfonos cuatribanda)

• Así, en la banda primariaful(n) = 890,2 MHz + (0.2 MHz)n n=1, … , 124fdl(n) = ful(n) + 45 MHzGMSK, B·T = 0,3 (en paso bajo)

• Relación de protección: C/I = 9 dB para canales TCH con FH

T = 1 / 270,833 Kb/s = 3,692 nsB = 0,3/T=81,3 kHz

9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:RadioCanales


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Acceso Múltiple

FDMA: Ancho de Banda de 200 kHzTDMA: 8 slots/portadora, 8 slots = 1 tramaFH: Frequency Hopping, cambio de frecuencia por trama, 1/4.615ms=217 saltos por segundo

t

f

200 kHz

Trama = 4.615 ms


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Canales Físicos, Tramas

Tramas: “duplex temporal”• Cada portadora del radiocanal se divide en tramas formadas

temporalmente, TDMA, por 8 slots de tiempo.• Cada slot en portadora ascendente tiene otro slot asociado en la

descendente formando un canal físico o canal de usuario

Estos slots están desplazados: No se transmite y recibe a la vez: no hay duplexor.

1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 30 4 5 6 7 RECEPCION

TRANSMISION

8x0.577 ms

3xBP

1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 30 4 5 6 7


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Canales Físicos, Tramas: ráfagas

Un intervalo, 1 slot = 15/26 ≈ 0.577 ms•En cada intervalo caben 148+8.25=156.25 bits

Sólo se transmiten ráfagas de 148 bitsLos sobrantes 8.25 bits se dejan de periodo de guarda

Tipos de ráfagas•Normal•Ráfaga FCCH de corrección de frecuencia•Ráfaga SCH de sincronización•Ráfaga de relleno (dummy burst)•Ráfaga AGCCH de autorización de acceso


9.12 Sistemas de

telefonía móvil digital GSM:ráfagas

Normal

Frecuencia

Sincronización

Dummy

Access

6


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:ráfaga de tráfico

Ejemplo, Ráfaga de Tráfico :

Asignación:• 3+3+8.25 Bits de cabeza-cola• 2x57 bits de datos• 2x1 bits indicadores (flags) de si un canal es TCH ó FACCH• 26 bits de entrenamiento para igualación

La tasa neta de transmisión para 1 slot quedaRb = 114 bit / 4,615 ms = 24,7 kb/s• Con un rendimientoη = 114 / 148 x 100 % = 77 %

57 DATOS 57 DATOS26 SEC. ENTREN.1 1 3 T3 T 8’25 GP

148 bits - 0.546 ms

0.577 ms


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Tasas de bits, ráfaga de tráfico

RESUMENEn un portadora GSM se mandan slots de 148+8.25=156.25 bits en un periodo de 0.577ms.

total

netabruta por slot

neta de datos por slot bruta por slot

156.25 bits270.833 Kbit/s

0.577 ms156.25 bit

33.85Kbit/s por slot8 slots 4.615 ms

11424.7Kbit/s por slot

156.25

b

bb

b b

R

RR

R R

= =

= = =

= × =

0 11 2 27 0

3 58 26 58 3 8.25

GuardaRáfaga de tráfico:Datos útiles 57+57=114 bits

0.577ms4,615 ms

Si se tiene en cuenta la estructura de una multitrama, pasa de 24.7 a 22.8Kbps


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:ráfaga de tráfico

10 8 10 10 8 10

14112/26 μs147 bits

+4+1

-1

-6

-30

-70

Nivel (dB)

t (μs)


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: de bit a hipertrama

8


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:multiplexación de canales lógicos en físicos

Cinco tipos de multiplexación• 2 de tráfico y 3 de señalización

Canales de tráfico: MULTITRAMA DE 26 TRAMAS: • Tráfico a velocidad completa TCH/F ó mitad TCH/H• Duración Tm= 26xTtrama=26x 4,615 =120ms• Composición para velocidad completa

24TCH/F + 1SACCH + 1 → Rb = 24 x 114 b / 120 ms = 22,8 kb/s

• Para velocidad mitad la tasa de transmisión, la multitrama se subdivide en dos submultitramas.

0 10 20 25

120 ms

1 Trama=8x15/26 ms

TCH/FSACCH SACCH, TCH/H

Velocidad de Txpara tráfico


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:multiplexación de canales lógicos en físicos

3 para Canales de señalización: MULTITRAMA DE 51 TRAMAS: • Se emplean para los canales BCH, CCCH y SDCCH.• Se comparte su uso por todos los móviles de la celda.• Tm = 51 x 4,615 = 235 ms• Fig 7. 32: Distintos mapeados• Ejemplo, BCH+CCCH+4SDCCH/4

El enlace ascendente difiere del descendente en los A0-A3

La materialización física se regula en función de las necesidades• Para tráfico pequeño se utiliza un único radiocanal para señalización

Descendente: FCCH+SCH+BCCH+AGCH+PCH+4SDCCH/4Ascendente: RACH+4SDCCH/4

0 10 20 30 40 50

FCCHSCH BCCH PCH+AGCHD0 D1 D2 D3


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:codificación de canal

El códec vocal en GSM es el• RPE-LTP Regular Pulse Excited-Long Term Prediction que

Devuelve bloques de 260 bits cada 20 ms (13 Kbits/s)3 categorías de bits: clase 1A (50 bits), clase 1B (132bits), Clase 2 (78 bits)

r = 1/2

Salida Códec

Código Convolucional

Paso intermedio

50 132 78

50 1323 4

ParidadCod Bloque Bits de cola

2x189=378 78

Kbit/s8.2226045613 =⋅=bVTasa resultante

Tasa de un canal de tráfico

260 bits a 13Kbps

189 (+78) bits

456 bits a 22.8Kbps


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:codificación de canal, entrelazado

Se divide cada trama de voz en 8 bloques de 57 bitsBloques de distintas tramas de voz se mandan juntos

B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7

B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6Trama n+1

B0 B4 B1 B5 B2 B6 B3 B7 B0 B4

114 bits

Trama n

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7

Salida codec:

Ráfagas:


9.12 Alineamiento de tiempo adaptativo: retardo compensable

Cada usuario debe transmitir en un instante tal que• Su slot llegue debidamente sincronizado a la estación base

Para ello• Debe de transmitir con un tiempo de adelanto

Que se modifica de forma adaptativa• El “timing advance” (TA) es 2 veces el retardo de propagación BTS-

MS• La BTS lo transmite al MS para que el MS transmita de tal forma que

su slot llegue a la BTS alineado en la trama TDMA • La BTS quantifica el TA en 63 tiempos de bit: 0.577ms/156.25bits x

63= 233μsEste retardo máximo limita el máximo radio de célula a 35 Km

Se habla también de un “retardo compensable” igual a 273 μsmax max max233 s /2 34950m 35KmTA R c TAμ= ⇒ = ⋅ = ≈


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:cobertura

Cobertura supranacional → c. nacional → zona de localización

• Como dos operadoras del mismo país utilizan distintas frecuencias no es necesario distinguirlas

• Para distinguir BTS de distintos países se usan 3bits en la información de control para indicar el país (código de colores)

Existen Identificadores de• Location Area• Racimo (Cluster)• Celda


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:señalización-control

Identificadores• MSISDN Número de abonado del Mobile Subscriber en la red ISDN• MSRN Mobile Suscriber Roaming Number (Identidad dentro de la red

fija del sistema GSM)• IMSI International Mobile Subscriber Identity (Identidad dentro de la red

móvil del sistema GSM)• DN, Directory Number (número de guía en el HLR)

La MS monitoriza, • en los intervalos en los que no recibe mensajes

El canal con la BTS actualLos canales con las BTS vecinas

• comunicando (SACCH) estas medidas al sistemaLa conmutación en curso y el control de potencia lo realiza la red

• A partir de esta información• Así se evita que la BS haga estas medidas

A través del BCCH


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Progreso llamada fijo a móvil

Proceso de llamada• El abonado fijo marca el número MSISDN• La llamada llega al GMSC

Desde ésta se accede al HLRQue devuelve el MSRN y el IMSI

• Con el MSRN se encamina la llamada por la red fija hasta el MSC destino

• Con el IMSI se encamina la llamada desde el MSC al móvil, usando un canal PCH

MS-ISDNMS-ISDN

MSRN MSRNIMSI

GMSC/HLR

Central PSTNLocal

Central PSTNVisitada

MSC/VLR MS


9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM:Servicios y seguridad

Seguridad: • Cifrado de voz y datos.• Identificaciones:

IMSI (Identidad de abonado móvil internacional)SIM (Módulo de indentidad de abonado)IMEI (Identidad de equipo móvil): número de serie del equipo que lo identifica a nivel internacional

Se validan en cada llamada, así como el estado del abonado


Access method TDMA/FDMA (NB-TDMA)Frequency band (MS to BS) 890 - 915 MHzFrequency band (BS to MS) 935 - 960 MHzChannel bandwidth 200 kHzModulation GMSKBit rate 270.833 kbpsFilter BT = 0.3 (Gaussian)Voice channel coding RPE-LPC Convolutional 13 kbps

GSM Specification

Frequency Hopping Slow hopping (217 hops/s)


GSM Specification. Cont.

Handoff method MAHOAdaptive equalisation yes (up to 16 μs time dispersion)Users per channel 8MS power level 0.8, 2, 5, 8, 20 WattsNumber of channels 124+375

Frame Interval 8 timeslots = 4.615 ms

Interleaving 40 msAssociated control channel Extra frame

Timeslot 0.577 ms


MS Mobile StationTE Terminal EquipmentMT Mobile TerminalBS Base StationBTS Base Transceiver StationBSC Base Station ControllerMSC Mobile Switching CentreHLR Home Location RegisterVLR Visitor Location RegisterNMC Network Management CentreOMC Operation and maintenance CentreADC Administration CentreAUC Authentication CentreEIR Equipment Identifier Register

MAHO Mobile Assisted HandoffGMSC Gateway MSCRPE Regular Pulse ExcitationLPC Linear Prediction CodingBP Burst PeriodTS Time Slot

Glosario



Tema 9. Sistemas Comunicaciones Móviles

Parte V: Proyecto de Sistemas Móviles




Parte V: Proyecto de Sistemas Móviles

9.13 Proyecto de Sistemas Móviles•Introducción: restricciones del problema•Sensibilidad

Sistemas analógicos: Campo mínimo utilizableSistemas digitales: Potencia mínima utilizable

•Cálculo de coberturaIntroducciónPasos


9.13 Proyectos de Sistemas móvilesConsideraciones generales

El proyecto de un sistema móvil tiene como objetivos principales• la determinación del dimensionamiento en cuanto al número de

radiocanales necesarioscon un mínimo gasto de frecuencias y de forma que se produzca la menor interferencia posible a otras redes,

• y la especificación de las características técnicas y operacionales de losequipos,

tanto activos (transceptores, receptores satélite) como pasivos (sistemas radiantes, cavidades, duplexores),

• todo ello encaminado a la consecución de los objetivos de calidad prefijados (cobertura, congestión),

• debiendo de optimizarse, obviamente, la inversión necesaria

canales+equipos calidad+costerecursos restricciones


9.13 Proyectos de Sistemas móvilesCálculosDos tipos de Cálculos

• Tráfico: determinación del número de radiocanales necesarios Erlang C y B

• Cobertura radioeléctricaDistancia de reutilización: C/I > Rp

Características de potencia y radiación: C/N > C/Nmin

Aparte• Arquitectura de red: Número, tipo y localización de elementos de control y

conmutación y de radiación.• Tipos y formatos de mensajes: voz, datos, radiobúsqueda, llamada selectiva.• Tipo de control:

grado de centralización, canales/mensajes de control, identificación/autentificación, encaminamiento, conexión PABX.


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: CampoEl “valor de proyecto de la intensidad de campo” en Com. Móv. es aquel valor mediano del campo que

• Asegura una determinada calidad en recepciónPara una cobertura perimetral (L%)Durante un porcentaje de tiempo (T%)

Campo mediano necesario en sistemas analógicos limitados por ruido

• Em: campo mínimo utilizable•ΔEr: corrección por ruido/multitrayecto•Δ Ee: corrección estadística por emplazamiento y tiempo

Campo mediano necesario en sistemas digitales limitados por ruido• Puede obtenerse también a partir de curvas de BER • Es frecuente trabajar con potencia de recepción en lugar de campo:

ecuación de balance

EEEE ermn Δ+Δ+=


Campo mínimo utilizable Em para una sensibilidad del Rx, S

• Si

Las pérdidas adicionales• Para estaciones base L=0. • Para estaciones móviles, depende

tipo de antena, frecuencia y posición respecto a usuario

Rd=73,2 Ω, Resistencia de radiaciónRo: Resist. entrada del Rx. (Móviles, 50 Ω), queda

Gd*=Gd-α·l-L, ganancia de potencia - pérdidas en alimentación -

- pérdidas adicionales

9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Campo Mínimo Utilizable

32)()(log20)()( * −−+= dBdGMHzfdBSdBE dm μμ

6,33)(log10)(log20)()( * −−++= dBdGRRMHzfdBSdBE d

od

m μμ

Tabla 7.14.1


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos : Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE

Efectos• Propagación multitrayecto →Cuando vehículo se desplaza• Ruido artificial. (Ruido encendido de coches)

Efecto con vehículo estacionado

Vehículo en marcha lenta o detenido• Degradación mayor que con el vehículo en marcha

Debido a la menor separación entre vehículos

Degradación: incremento necesario de señal a la entrada • para reestablecer un grado de calidadimpuesto únicamente por el Rx. Nota Efecto de la perturbación

5 Casi nulo 4 Perceptible 3 Molesto 2 Muy Molesto 1 Apenas puede percibirse la

palabra


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE, BS

Nota de calidad: 4Recepción en BS

Δ rE

A Vehículo en Movimiento. Densidad de tráfico, 2 vehículos/seg

B Vehículo en Movimiento. Densidad de tráfico, 1 vehículos/seg

C Vehículo en Movimiento. No hay ruido de encendido ni ruido ambiental

D Vehículo parado. Densidad de tráfico, 2 vehículos/seg

E Vehículo parado. Densidad de tráfico, 1 vehículos/seg


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE, MS

Recepción en MS

Δ rE

Nota de calidad: 4A Vehículo parado en zona

de mucho ruido B Vehículo en Movimiento

en una zona de mucho ruido

C Vehículo en movimiento en una zona de poco ruido


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos : Corrección estadística del campo ΔeE

Las variaciones con las ubicaciones y el tiempo se modelan mediante una distribución normal de los valores del campo en dB

• DondeσL y σT son las desviaciones típicas de la variabilidad del campo con los emplazamientos L (Perimetral) y el tiempo Tk(P) es la función inversa de una distribución de gauss G(x)

[ ] [ ] 2122 )()( TLe TkLkE σσ +=Δ

( )1( ) 1100P

k P G−= −

P (% ) k(P )50 075 0 ,6790 1 ,2895 1 ,64

Banda σL (dB) σT (dB)(hasta d=50 Km)

VHF 5.6 3

UHF(Δh=50 m)

8.0 2(150 MHz)

(450 MHz)

21( )

2

xyG x e dy

π

−−

−∞

= ∫


Nota sobre corrección (I)El campo recibido es una v.a. log normal

Si el campo mediano necesario es • ¿En qué % por ciento del tiempo y ubicaciones habrá un ?

Si estudiamos por ejemplo la desviación con el tiempo y conocemos σT• Qué nivel exigiríamos para que en el T %

Pensar si T>50 ¿ la nueva será mayor o menor que antes (T=50%)? ¿cuánto?

nE( )E dBμ

( )P ENivel necesario Pb de

n m rE E E= + Δ

nE E>

nE E>

( ) log ( , )nP E N E σ

nE E>nEnE

σ


Si se transmite con ΔeE de más sobre ¿En qué % se cumple ? Nota sobre corrección (II)

( )eE k Pσ⇒ Δ = ⋅

eEΔ

minn eE E E= + ΔminE ( )E dBμ

Nivel necesario Pb de recibir señal mayor que Emin

Para potencia sería igual!

( )P E

Para una σ ≠ 0 y P dadas

min( )P E E>

( )

22

2 2

min min min

2 2

min

/

/min

min

1 1( ) ( )

2 2

/1 1

/ 1 1 ( / )2 2

( ) ( ) / 1 ( (

n

n

e

e

E E E

E E E E

EE E

eE

e n

e

P P E E N E dE e dE e dE

E E

dE dE e dE e dE G E

E E E

P P E E k P E G k P

σ σ

σ σ

σσ

σ σ σσ

πσ πσ

σσ σ

π π

σ

−∞ ∞ ∞− −

−

−Δ∞− −

−Δ −∞

= > = = =

⎧ ⎫=⎪ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪== = = − = − Δ⎨ ⎬⎪ ⎪⎪ ⎪Δ = −⎪ ⎪⎪ ⎪⎩ ⎭

= > = Δ = −

∫ ∫ ∫

∫ ∫

1)) ( ) 1100P

k P G− ⎛ ⎞⎟⎜ ⎟⇒ = −⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

minE


9.13 Proyectos de sistemas del Servicio MóvilCobertura Zonal y Perimetral

Para pasar de cobertura perimetral L (%) a zonal Z (%) supuesta una variación de las pérdidas básicas de propagación de la forma

• se puede utilizar la siguiente expresión

• Donde

• Nota:

22 1 1

50 expxy

Z L erfc xyy

⎛ ⎞+ ⎛ ⎞⎟⎜ ⎟⎜= + +⎟ ⎟⎜ ⎜ ⎟⎜⎟⎜ ⎝ ⎠⎝ ⎠

( )2

k Lx =

3, 071L

ny

σ=

nb dkdl ⋅=)(

L% Z%22( ) t

z

erfc z e dtπ

∞−= ∫


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Digitales:campo mediano necesario

Suele trabajarse en términos de potencia recibida más que en intensidad de campo.En término de la Intensidad de campo

• Para Ro = 50 Ω

Y

• Nótese que las figuras de Eb/No incluyen ya las correcciones por ruido-multitrayecto, por lo que se aplica directamente

2

0

1/ /1/

b ob b

s b s b s b

T s RE E cw

N kTf T kTf v kTf v= = ⋅ = =

⋅ ⋅

10(dB ) (dB) 10 log (bit/s) (dB) 67b sS W V Fμ = + + −

-174dBm+-10*log10(1e3)+10*log10(50)+20*log10(1e6)=-67dBm a dBW dB a dBμ

EdBGMHzfdBSEdBEdBE edemn Δ+−−+=Δ+= 32)()(log20)()()( *μμμ

2s o bs w kTf R v= ⋅ ⋅ ⋅


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Digitales:potencia mínima necesaria

En términos de potencia quedaría• La sensibilidad

• La potencia mínima necesaria

Donde se ha utilizado

Y la W=Eb/N0 incluye el efecto del ruido-multitrayecto

10(dBm) (dB) 10log (bit/s) (dB) 174m b sC W V F= + + −

10(dBm) (dBm) (dB) 10log (bit/s) (dB) 174n m e b s eC C C W V F E= + Δ = + + − + Δ

e eC EΔ = Δ


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:Cálculos de Cobertura

La cobertura depende de• los equipos: configurables• las condiciones de propagación.

Dos vertientes• Cálculo de una cobertura para una configuración dada• Cálculo de una configuración para alcanzar una cobertura

Los valores de campo que se utilizan son valores medianos en sentido estadísticoEn los sistemas celulares tenemos además del ruido la interferencia.

• Una opción a la hora del diseño es dividir el objetivo global de calidad entre •cálculo de cobertura=potencia•cálculo de la distancia de reutilización

Ruido C/NInterferencia C/I

¿Dónde no hay cobertura?¿En qué % de emplazamientos C/I o C/N no se cumplen?


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:Cálculo de cobertura=potencia

1. Selección de emplazamientos2. Análisis general del tipo de zona: urbana, rural, mixta

• Para aplicar el modelo de predicción adecuado3. Calculo qué potencia/campo necesito en el Rx4. Calculo las pérdidas (pérdida “compensable”) que tengo en la

propagación• A) Métodos empíricos ó B) Modelos más rigurosos (trazado rayo)

5. Despejo la potencia necesaria en Tx para alcanzar sensibilidad o campo en Rx

• En sistemas analógicos: PMR y TMA analógicos:• En sistemas TMA digitales:Nota: también es posible estimar d a partir de PRA/PIRE y En/S

nE Lb(d) PRAS Lb(d) PIRE

Tema 7

Problemas Tema 7


Plan nominal para una ciudad:Plan teórico: sites cada 500 m colocados regularmente

9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:cobertura=potencia: Paso1, Emplazamientos


Retocar el plan: acercar los sites a las calles ppales o edificios importantes



Resultado: la altura de edificios no es homogénea, no siempre se puede contratar donde se desea...



clutters

9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:cobertura=potencia: Paso2, Clasificación Zonas


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:cobertura=potencia: Paso 4: Pérdida compensable (I)

A) Aplico método empírico: figuras o fórmulas• No se requiere perfil del terreno•A veces se incluyen datos acerca de

la ondulación del terrenola altura efectiva de las antenas,..

•Dispersión media del error 10-12 dB•Si se utiliza Método Okumura (Fig 3.57 3.58), para obtener Ec(d):

•Tal como se vió en Tema 7, se puede calcular la distancia para un campo dado o ver que campo tengo para una distancia dada

)()( dBKPRAEdE nc −=Se despeja directamente la potencia necesaria


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:cobertura=potencia: Paso 4: Pérdida compensable (II)

B) Modelo riguroso: Trazado de rayos radiales (separados 1º)•Complicado pero sólo 3-6 dB de dispersión

1800900


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:cobertura=potencia: Paso 4: Pérdida compensable (III)

B) Modelo riguroso (píxeles): modelos urbanos


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:cobertura=potencia: Paso 5 potencia entregadaDespejo la potencia necesaria en Tx.

• En sistemas analógicos: PMR y TMA analógicos

• En sistemas TMA digitales

nE

)dBμ()MHz(log20)dBW(4.109)( 10 nb EfPRAdL −++=)(dBW)( dBdGLLPPRA tatttet +−−=

artrrb LLdBiGSPIREdL −−+−= )()()(dBW)( dBiGLLPPIRE tatttet +−−=

Lb(d) PRA

S Lb(d) PIRE

Nota: Aquí S=Cmin


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:Cálculo de cobertura=distancia de reutilización

Necesarios dos datos de partida• Valor umbral de la relación de protección Rpth(dB)• Calidad de cobertura perimetral L(%)

Relación de protección y Distancia de reutilización

En sentido estadístico• Hay que asegurar un valor en un tanto por ciento de las ubicaciones,

con lo que se utiliza para la relación de protección

])6(1[6

)()(/6

/6

/1 npthn

n

nt

nt

pth rRDR

RDRDkp

Rkpi

cr +⋅=⇒−=−⋅

⋅=

⋅=

LL

Lpthp LkRdBR

σσ

σ

⋅=

⋅+=

2

)()('

'

])6(1[ /1 nprRD +⋅=


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles:

Un transceptor (TRX) es un equipo que permite transmitir y recibir un par de frecuencias.

• En GSM permitiría tener 8 canales de usuario: 8 slots en el UL y 8 en el DL“Una operadora de GSM con 36 canales” tiene 36 pares de frecuencias de 200 KHz disponibles a repartir entre las celdas de una agrupación.Cuando se reparten portadoras (TRXs) entre celdas se hace de forma entera

• De forma que en GSM se reparten bloques completos de 8 slots entre celdasCuando hay sectorización cada sector es una nueva celda=BTS.

• Un conjunto de celdas sectorizadas que transmiten desde el mismo poste es un emplazamiento.

• En los departamentos técnicos de las operadores se suele también denotar por estación base al emplazamiento.

Si no se indica lo contrario se asigna un canal de señalización por celda• Esto es, un canal de usuario (1 slot)

DANGER


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Sectorización

Dos posibilidades para sectorización• Se calcula el patrón de reutilización, J, con sectorización

Teniendo en cuenta que sólo 2 ó 3 celdas cocanales interfieren.• Método 1: cada celda se subdivide en sectores.

Se reparten canales a las J celdasY en cada celda hexagonal a los sectores: si tengo 3 sectores queda 3 rombos

• Método 2: cada sector es una nueva celdaSe reparten los canales a los J sectores

Si tenemos 3 sectores: celdas hexagonalesSi tenemos 4 sectores: celdas cuadradas

Problema 1, sólo algunas configuraciones son posibles si se quiere que todos los racimos sean iguales:

Configuración 3/9, 4/12,…(X emplazamientos/Y sectores en total)Problema 2, la fórmula no es exactamente válida.

Ventaja, más cercano a la realidad

( )( )21/1 1 33

n

pJ r≥ + ⋅


9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Ejemplos Sectorización

Problema: Una operadora de GSM tiene 70 canales, utiliza sectorización de 120º, Rp=14dB y el exponente de pérdidas es n=3.8. ¿Cuántos canales de usuario hay para tráfico por sector? ¿Qué tráfico oferta una agrupación?Solución Método 1:

En cuanto al tráfico

Solución Método 2:

• Tomamos un 3/9

70 / (7 3) 8 1 23⎢ ⎥⋅ ⋅ − =⎣ ⎦

70 / 9 8 1 55⎢ ⎥ ⋅ − =⎣ ⎦

21 3 3

21 (23, ) 330.75 72o d A

RA B p E A ρ−= ⋅ = = = ⋅ ⋅

21 3 3

9 (55, ) 404.1 92o d A

RA B p E A ρ−= ⋅ = = = ⋅ ⋅

f2 f3

f1

f2

f3

f1

R

R

( )( ) ( )( )2 21/ 1/3.81 11 2 1 2 25.1 4.8 7

3 3n

pJ r J≥ + ⋅ = + ⋅ = ⇒ =

( )( ) ( )( )2 21/ 1/3.81 11 2 1 2 25.1 4.8 7

3 3n

pJ r J≥ + ⋅ = + ⋅ = ⇒ =


Parte VI:

Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles : DCS1800, DECT, ERMES, TETRA, UMTS

Tema 9. Sistemas Comunicaciones Móviles


Parte V: Nuevos sistemas europeos de

comunicaciones móviles9.14 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles

•DCS1800•DECT•ERMES•TETRA•UMTS


9.14 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles

Se propone introducir los sistemas•DCS1800: Digital Cellular Systems

Sistema GSM en 1800 (Dual)Terminales Potencias reducidas (0.25 y 1 W)Banda 1710-1785 y 1805-1880 MHz

•DECT : acceso a redes públicas o privadas fijas desde equipos móviles

•TFTS: comunicaciones públicas con aeronaves en vuelo•TETRA:Telefonía Privada (PMR)•ERMES: European Radio Messagerie System, Sistema de Mensajería: envio de mensajes, datos ofreciendo gran seguridad y capacidad de almacenamiento y recuperación....

•UMTS: Sistema PCS/TMA de 3ª Generación

PCN (Personal Comm. Networks)


9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: DECT

DECT Digital (European) Enhanced Cordless Telecommunications (1987-1992)

• Sistema de acceso a la red telefónica pública y/o redes privadas desde equipos portátiles

• Alcance <1Km• Subsistemas

DECT/BCT (Business Cordless Telecommunications): centralitas privadas sin hilos voz/datosDECT/RS (Residential System): entorno doméstico, gran público.DECT/Telepoint: aplicaciones de teléfono público (cabinas) inhalámbrico.

• Sistema de control descentralizado• TDMA con TDD (dúplex temporal)• Codec ADPCM de 32 Kbit/sg• Sin igualación (Distancias cortas, abaratan equipos)


9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: interfaz radio DECT

Bandas de frecuencias 1.88 a 1.9 GHz, prevista extensión entre 1.85 y 1.88 GHz.10 portadoras con una separación de canales de 1.728 MHz (BW=17.28MHz)

• Modulación GMSK con BbT=0.5• Cada portadora 12 canales TDMA-TDD: Trama TDMA de 12+12=24

intervalos (slot).• Periodo de Trama 10 ms, Periodo de intervalo 10/24=0.4167.• Cada intervalo son 480=60 guarda + 32 sinc.+ 388 datos= 60 + 420 bits que en

tiempo son 0.052+0.3646=0.4167ms,• La tasa de bit en interfaz radio Vb=480/0.4167=1152 kbit/s y en canal usuario

388/10=38.8kbit/s• El campo de datos 388=64 Campo A (señalización)+320 Campo B (datos

usuarios)+4 para detección de ráfagas 38.8Kbit/s·320/388=32kbit/s• Posibilidad de agrupar canales para dar mayor capacidad

Búsqueda y traspaso por exploración


DECT world wide

Adoptado por más de 110 paises

DECT basedPWT&WDCT


9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: TFTS

TFTS Terrestrial Flight Telephone System•Sistemas de telecomunicaciones públicas con aeronaves en vuelo

•Banda 1.6 y 1.8 GHz, •Ascendente (tierra-aire) TDMA (4 slots), •Codec a 9.6 Kbit/sg, •Modulación BLOQPSK (Band Limited Offset-QPSK), •Velocidad de bits en la interfaz radio 45Kbit/sg, •Velocidades altas: Doppler máximo de 1.6 KHz.

La licencia que se adjudicó a Airtel en 1999 se declaró extinta en 2002http://www.mityc.es/NR/rdonlyres/FC516A50-E528-4473-B412-966655EC98CB/0/1Re230502.pdf


http://www.etsi.org/WebSite/Technologies/gsmonaircraft.aspx

For many years, airlines refused the use of cellular telephone technology in-flight. There was fear that, unable to make reliable contact with ground-basedbase stations, mobiles would transmit with maximum RF power and theensuing high RF fields could potentially cause interference with both aircraftcommunications (which use a band harmonically related to the original GSMTM frequencies) and to aircraft flight control systems.In addition, successful calls via the terrestrial GSM network would detractfrom the Terrestrial Flight Telecommunication System (TFTS) service thatwas being deployed commercially by many airlines. However, commercialdemand for TFTS failed to sustain initial expectations, probably due to theperceived high cost of the service and the lack of the personalized features thatusers now enjoy in their personal mobile phones, and that service has nowceased.More recently, Boeing has been offering its 'Connexion' service throughselected airlines. Connexion provided Internet access to travellers. The systemused a satellite link to connect to the ground and a wireless local area network(WLAN) onboard for the access the system. Again, due to the lack of marketdemand Boeing announced that the service would be discontinued at the endof 2006.


9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: TETRA (I)

TETRA (Terrestrial Truncking radio) ETSINorma abierta para Com. Móv. Dig troncales de Grupo cerrado de usuarios:

• Comunicaciones dúplex voz y datos• Velocidad de Tx Datos (hasta 28,8 Kbit/s=4x7.2Kbit/s)• Diseño específico para Tx de datos por paquetes• Telemedida y Tx de video lento• Múltiples servicios suplementarios• Seguridad en las com.• Amplia gama de interfaces para funcionamiento con redes externas• Interoperatibilidad de equipos de distintos fabricantes.

Dos modalidades• Modo voz +datos (V+D)• Modo Paquetes de Datos Optimizados (PDO)

http

://w

ww

.mity

c.es

/set

si/n

orm

ali/i

nter

radi

o/in

ter6

.htm


http://www.tetramou.com

Seguridad PúblicaTransporteGobiernosMilitares

Comercios e IndustriaSuministros de gas o petróleo


9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: TETRA (II)

Especificaciones básicas de TETRA• Frecuencias

Servicios de emergencia: 380 a 400 MHzUso civil: 410-430 en España

• Canalización 25 KHz (opción 12.5)• Multiacceso TDMA con 4 intervalos por trama:

1 slot = 85/6 ms y 510 periodos de bit1trama 56.67 ms

• Modulación π/4-DPSK con coseno alzado α=0.35• Velocidad 36 Kbit/s en interfaz radio• Relación de protección 19 dB

Canales lógicos • control CCH y datos TCH


NOKIA: TETRA network contracts worldwide

In total over 60 contracts, valued 2 500 MUSD (source: www.tetramou.com)


TETRASistema TETRA de SAINCO para CFE, México.

• El Sistema adjudicado está en la banda de 800 MHz y es el primero de estas características que se instala en el continente americano.

• El proyecto incluye cuatro estaciones base (cada una con sucorrespondiente enlace de microondas) estratégicamente distribuidas para proporcionar una zona de cobertura del 90% del área de Monterrey.

• Asimismo serán suministrados doscientos equipos portátiles, trescientos veinte móviles, veinte fijos y tres consolas de control remoto.

• El proyecto contemplaba un plazo de ejecución de seis meses.• El equipamiento TETRA que se va a instalar será suministrado por la

Multinacional Marconi.




Parte VII: UMTS y 4G


DTSC. ETSI. Universidad de Sevilla


9.15 UMTS: estandarizaciónUMTS: Universal Mobile Telecommunications SystemSurgió como respuesta a una demanda de:• Nuevos servicios multimedia mayor capacidad y BW• Cobertura universal

El estándar IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) de la ITU define las características de servicios y calidad de los sistemas de Tercera Generación (3G)

3GPP (3rd Generation Partnership Project) es un acuerdo de colaboración entre entidades de estandarización, entre ellas ETSI. Su objetivo es generar especificaciones para los sistemas de Tercera Generación basados en GSM.

UMTS es el estándar, utilizado en Europa, que fija entre otras cosas el multiacceso radio y la red fija • UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network ) es la parte radio del

estándar


9.15 UMTS: estandarización: Estandarización en 3G


9.15 UMTS: tipos de accesos

CDMA TDMA FDMA

IMT-DS IMT-MC IMT-TC IMT-SC IMT-FT

UMTS-FDD UMTS-TDD EDGE

IMT-OFDMTDD

WiMAXDECTCDMA2000

http://www.itu.int/osg/spu/imt-2000/technology.html

Añadido en 2008


9.15 UMTS: 3GPP

ETSI(Europa)

ARIB/TTC(Japón)

ANSI T-1 (USA)

TTC(Corea Sur)

CWTS(China)

UMTSFDD

UMTSTDD


9.15 UMTS: requisitos y objetivosSustentación de mayores velocidades • Hasta 144kbit/s con cobertura y movilidad completas en

zonas extensas• Hasta 2 Mbit/s con coberturas local y movilidad limitada

Elevado rendimiento espectralAlta calidad de voz a baja tasa de bitTx de datos por paquetes de alta velocidad, multimedia y asimétricosCompatibilidad con sistemas de segunda generación GSM: • Funcionamiento en modo dual e itinerancia evolutiva

GSM/UMTS• Primeras versiones UMTS: upgrading de la red fija

GSM/GPRS• Migración hacia una red de paquetes basada en IP (all-IP)


9.15 UMTS: UTRAN

UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network):• Es la tecnología de multiacceso radio usada en UMTS• Se basa en CDMA de banda ancha (W-CDMA)• Requiere el despliegue de nuevas BS sobre GSM

Ventajas de W-CDMA:• Traspaso con continuidad (soft-handover, SHO)• Excelente eficiencia espectral• Aprovechamiento de la propagación multitrayecto Rx Rake

Elevada protección contra desvanecimiento selectivo• Gran capacidad servicios de alta tasa binaria

Dos modalidades de acceso W-CDMA:• FDD: 2 portadoras distintas para UL y DL

División de código y de frecuencia• TDD: 1 misma portadora para UL y DL

División de código y de tiempo: algunos intervalos de las tramas se asignan para el UL y otros para el DL de un mismo usuarioSobre todo para distancias cortas: micro y picoceldas


9.15 UMTS, UTRAN: Modos TDD y FDD, frecuencias

Modo TDD: Frecuencias no emparejadas (unpaired)• Dos sub-bandas independientes de 35 MHz en total• 1900-1920 MHz y 2010-2025 MHz

Modo FDD: Frecuencias emparejadas (paired)• Dos sub-bandas de 12x5=60 MHz cada una, aparejadas, y separación

dúplex de 90 MHz• 1920-1980 MHz (UL) y 2110-2170 MHz (DL)• En España se han concedido 4 licencias de 3 radiocanales (5 MHz) cada

una a los operadores: Amena (Orange), Movistar, Vodafone y Xfera(Yoigo)

1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200

Europa

ITU IMT-2000

UMTS FDD UMTS FDD

IMT-2000

TDD

DECT

MHz

GSM 1800 (DL) TDD


PAÍS ADJUDICATARIOS RENDIMIENTO PORADJUDICACIÓN

ALEMANIA T-MobilVodafone3G (Telefónica y Sonera)E-Plus (Bellsouth, KPN y Hutchison)Viag (BT)Mobilcom (France Telecom)

50.500 millones de euros

AUSTRIA 3G (Telefónica y Sonera)Maxmobil (Deutsche Telekom)VodafoneConnect (Telenor, E.ON TeleDanmark yOrange)Hutchison

706 millones de euros

ESPAÑA TelefónicaAirtelAmenaXfera (FCC-Vivendi, ACS, y Sonera)

500 millones de euros

9.15 UMTS: nota sobre licencias de espectro


9.15 UMTS: UTRAN y WCDMASe utiliza CDMA con anchos de banda 5 MHz: WCDMALa tasa o tiempo de chip es fija a W=1/Tc= 3.84 Mchip/sEl factor de expansión del espectro es N=3840/Rb (kbit/s), Cada bit se ensancha ó expande con dos códigos, sucesivamente,• Uno de canalización: channelization o spreading code

De diferente tamaño: Fija la tasa o régimen binario de un canalCada bit de la señal se multiplica por un código de N símbolos binarios (chips) de duración Tc = Tb/N se produce una expansión del espectroIdentifica a un canal dentro de una transmisión Unos para parte en fase y otros en cuadratura

• Otro de aleatorización: scrambling codeEs un código largo: su longitud abarca varios símbolosSe multiplica esta secuencia chip a chip con la salida de los bits expandidos con el código de canalizaciónIdentifica una celda en el DL y un móvil en el UL


9.15 UMTS: UTRAN, expansión

Spread Code

DATARb

Scrambling

CHIPSRC

CHIPSRC

C1C1

C2C1

C2Downlink

Enlace ascendente: hay 224 códigos complejos largos (38400 chips) y otros tantos cortos (256 chips)Enlace Descendente: hay 218-1 códigos de los que se utilizan 8192 distribuidos en 512 grupos de 16 códigos cada uno.En DL el código de aleatorización identifica la célula.En UL el código de aleatorización identifica el móvil.


9.15 UMTS, expansión.


9.15 UMTS: UTRAN y WCDMA (II)Reutilización universal de frecuenciasMacrodiversidad: El terminal de usuario está conectado a diferentes BS• Ganancia adicional en el DL• Soft-handover

Control de potencia de elevada frecuencia (cada 1/1500 s): minimiza la interferencia y prolonga la duración de las baterías

Códigos de control de errores de gran capacidad de corrección sin aumentar el ancho de banda


f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1

f1f1

9.15 UMTS: UTRA, reutilización universal de frecuencia

Reutilización universal de frecuencias: se emplea la misma portadora en todas las células

f1f1


9.15 UMTS: Soft HandoverUn móvil puede estar conectado a diferentes celdas

• Transmitiendo simultáneamente a misma frecuenciaAsí se realiza un traspaso con continudad (soft-handover)

• Si pasa de UMTS a GSM el hand over es hard (sin continuidad)Las celdas a las que está conectado es el active set

Celda origen A Celda destino B

Potencia (dB)

User Equipment

distancia (km)

TADDTDROP

Cell A in active setCells A & B in

active set(Soft Handover)

Cell B in active set


9.15 UMTS: Estructura de la red

Red Central (Core Network, CN)

Controlador de la RedRadio (Radio Network

Controller, RNC)RNC

Nodo B

Iub IubIub Iub

Célula

Iu Iu

RNS, Radio Network Subsystem

Iur

Nodo B Nodo BNodo B

RNS

Uu


9.15 UMTS: Estructura de la red Existen tres niveles jerárquicos o subredes:• Subred de móviles:

Conjunto de terminales o equipos de usuario (UE)• Subred de acceso UTRAN:

Estaciones base radio, llamadas Nodos BControladores RNC (Radio Network Controller)

• Subred fija: Núcleo de red o CN (Core Network)Equipos y sistemas de transmisión y conmutaciónRegistros de usuarios y centros de autenticaciónSe encarga de las funciones de las capas superiores: movilidad, control de las llamadas, gestión de las sesiones, facturación y control de la seguridad

Y las siguientes interfaces entre unidades funcionales:• Uu: Interfaz aire o radio, entre los móviles y los Nodos B• Iub: Interfaz Nodo B – RNC• Iur: Interfaz entre RNCs• Iu: Interfaz entre los RNC y el CN

Sistema de red radioRNS (Radio NetworkSystem)


9.15 UMTS: Estructura de la red

HLR

SCP

VHEIub

RNC

RNC

Iur

Iub

Iu (PS) 3GSGSN

3GGGSN

REDES IP

PAQUETES (IP)

3GMSC/VLRIu

(CS)

PSTNISDN

CIRCUITOS3G

GMSC/VLR

PLMNs


9.15 UMTS: Modelo OSILa arquitectura de protocolos de la interfaz radio UMTS especifica los tres primeros niveles del modelo OSI:• Capa física• Capa de enlace:

Subcapa RLC (Radio Link Control):Función de control de flujos de transmisión y transferencia de datos con/sin confirmaciónSegmentación y reensamblado

Subcapa MAC (Medium Access Control)Prioridades de los tráficosScheduling de los mensajesSupervisión para minimizar la congestión de tráfico

• Capa de redDos planos de mensajes:• Plano C: señalización/control• Plano U: información de usuario


9.15 UMTS: Canales, Canales LógicosTres clases de canales: lógicos, de transporte y físicosCanales lógicos: definen la naturaleza de la información a transmitir• Canales de control:

Canal de difusión BCCH (Broadcasting Control CHannel): difusión de información generalCanal de aviso PCH (Paging CHannel): aviso a móvilesCanal común CCCH (Common Control CHannel): sin conexión dedicadaCanal dedicado DCCH (Dedicated Control CHannel): con un terminal concreto

• Canales de tráfico:Canal de tráfico común CTCH (Common Traffic CHannel): difusión de información punto-multipunto a un grupo de móvilesCanal de tráfico dedicado DTCH (Dedicated Traffic CHannel): con un móvil determinado


9.15 UMTS: Canales de TransporteCanales de transporte: • Especifican el modo en que se transmite la información.• Se establece una correspondencia (mapping) entre canales lógicos y de

transporte.• Existen 7 canales de transporte:

Canales comunes:- Canal de difusión BCH (Broadcasting CHannel): difunde información de sistema para acceso inicial y mantenimiento de la conexión- Canal de aviso PCH (Paging CHannel): notificación de la red a los móviles- Canal de acceso directo FACH (Forward Access CHannel): respuestas a los

mensajes de acceso - Canal de acceso aleatorio RACCH (Random Access CHannel): peticiones de acceso de los móviles- Canal común de paquetes CPCH (Common Packet CHannel): paquetes de datos en el UL- Canal descendente compartido DSCH (Downlink Shared CHannel): datos de usuario y control para varios terminalesCanal dedicado: DCH (Dedicated CHannel): datos de usuario y control con un terminal específico


9.15 UMTS: Canales Físicos

Canales físicos:• 1 portadora + uno o más códigos ortogonales de expansión• En el DL:

Los datos de usuario y control se multiplexan en un único flujo de símbolosSe expanden y se convierten en un tren de chipsSe modulan en QPSK en la portadora descendente

• En el UL:Las informaciones de usuario y control van separadasSe expanden por separadoSe modulan en BPSK en la portadora ascendente

• Los canales de transporte se proyectan sobre los canales físicos habilitados para ellos


9.15 UMTS: Canales Físicos

Canales físicos:• Canal primario de control común P-CCPCH (Primary Common

Control Physical CHannel), soporta el BCH.• Canal secundario de control común S-CCPCH (Secundary Common

Control Physical CHannel), soporta el FACH y el PCH.• Canal físico de acceso PRACH (Physical Random Access CHannel),

soporta el RACH.• Canal físico descendente compartido PDSCH (Physical Downlink

Shared CHannel), soporta el DSCH.• Canal físico común de paquetes PCPCH (Physical Common Packet

CHannel), soporta el CPCH.• Canal físico dedicado de datos DPDCH (Dedicated Physical Data

CHannel), soporta la parte de tráfico del DCH.• Canal físico dedicado de control DPCCH (Dedicated Physical Control

CHannel), soporta la parte de información de control del DCH.• Canal piloto común CPICH (Common Pilot CHannel), transmite una

señal de referencia de potencia y fase.• Canal de sincronización SCH (Synchronization CHannel): para

temporización e identificación de la célula, junto con el CPICH.


9.15 UMTS: Canales FísicosCanales físicos:• Se establecen en estructuras de tramas temporales, las

razones para ellos son:Control dinámico de potencia a lo largo del tiempo, realizado enintervalos de tiempoRealizar cambios en la tasa binaria al pasar de una trama a otraFacilitar cambios de formatos de transporte

• Tramas UMTS:Duración: 10 ms15 intervalos (slots) de 10/15 = 2/3 msEn una trama hay 38400 chips y en un intervalo 2560 chipsEn el DL, SF = 512/2k (k = 0, …, 7) y Rb = 15 a 1920 Kbit/sEn el UL, SF = 256/2k (k = 0, …, 6) y Rb = 15 a 960 Kbit/s

Ejemplo: se utiliza en enlace descendente un k=3, ¿Qué regimen binario hay por canal?512 / 8 64 3840 / 64 60 , y un factor de ensanchado de 8Mcps Ksps= ⇒ =


9.15 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles: 4G

Sistema UMTS: Evolución a 4G • Aspectos básicos de la Cuarta Generación:

Integración de tecnologías de acceso inalámbricoEj: WiFi y WiMAXUso complementario, en vez de competitivo

Estándar mundial únicoInteroperación con los núcleos de red “todo IP”Tasas binarias de hasta 100 Mbit/s (área extendida) y 1 Gbit/s (área local)Terminales móviles multimodo para acceso radio celular y por redes inalámbricasAlto grado de personalizaciónServicio de alta calidad orientados a los usuarios, para ser usados desde cualquier lugar, en cualquier momento y con interoperabilidadAdaptación a los cambios en los patrones de tráfico para los servicios multimedia de banda ancha

• Horizonte temporal para el desarrollo normativo: 2005 - 2015


Apéndice

http://www.enter.es/informes_enter/documentos_enter_idate/mobile/mobile_2006_19_1.html

Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de ... · [email protected] 9.1 Radiación y...

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