Redes de Transmisión Celular

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 UNIVERSIDAD DE CIENCIAS DE LA INFORMÁTICA Redes de Transmisión Celular  Transmisión de Datos Ingeniería de Ejecución en Informática, UCINF  Fecha de entrega 29/11/2010 Autores:  Juan Carlos Castro Cristian Vergara  Josías Vergara Profesor:  JOSE MANUEL GUEVARA

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UNIVERSIDAD DE CIENCIAS DE LA INFORMÁTICA

Redes de

Transmisión Celular Transmisión de Datos

Ingeniería de Ejecución en Informática, UCINF

 

Fecha de en

29/11/

Autores:

 Juan Carlos CastroCristian Vergara

 Josías Vergara

Profesor:

 JOSE MANUEL GUEVARA

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Indice

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Introducción

En 1887 Heinrich Rudolph Hertz, un físico alemán, demostró que existían las ondaselectromagnéticas y que éstas podrían ser usadas para mover información a muygrandes distancias — esto le valió que la unidad con las que son medidas las

frecuencias del espectro lleven su apellido (Hertz o Hz).

La base teórica de las ondas electromagnéticas fueron desarrolladas mucho antes porel físico escocés James Clerk Maxwell en 1864. El primer uso de las ondaselectromagnéticas fue la telegrafía inalámbrica. Este relevante acontecimiento sería elpredecesor de la propagación electromagnética o transmisión de radio.

Utilizando estos conceptos, el italiano Guglielmo Marconi inventa la radio en 1901. Laradio fue el primer medio masivo de comunicación inalámbrica y a poco más de 100años de su invención, las comunicaciones móviles han demostrado ser una alternativaa las redes cableadas para ofrecer nuevos servicios que requieren gran ancho debanda, pero con otros beneficios como la movilidad y la ubicuidad, estar comunicadoen cualquier lugar, en cualquier momento.

Algunos de los beneficios que brindan las comunicaciones inalámbricas encomparación con las redes cableadas son las siguientes:

• Capacidad para un gran número de suscriptores• Uso eficiente del espectro electromagnético debido a la utilización repetida de

frecuencias• Compatibilidad a nivel nacional e internacional, para que los usuarios móviles

puedan utilizar sus mismos equipos en otros países o áreas• Prestación de servicios para aplicaciones de datos, voz y video;• Adaptación a la densidad de tráfico; dado que la densidad de tráfico es

diferente en cada punto de la zona de cobertura.

• Calidad del servicio — en el caso de la voz— comparable a servicio telefónicotradicional y accesible al público en general

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Las primeras redes móviles

En los 1920s, en Detroit, Estados Unidos, nacen las primeras redes de comunicaciónmóvil. Eran sistemas de radio comunicación utilizados por el cuerpo de policía quetrabajan en ese entonces a 2 MHz. Una década más tarde fueron utilizados por lapolicía de la ciudad de Nueva York. El sistema se fue perfeccionando conformetranscurrían los años hasta que en los 1950s se establecieron las primeras dos bandastal y como las conocemos ahora; la banda de VHF de radio de 150 MHz y la banda deUHF de radio en los 450 MHz. En esta época seguían utilizándose en vehículos;dispositivos portátiles eran imposibles de cargar debido al peso de las baterías y de losaparatos mismos.

En 1973 Martin Cooper introduce el primer radioteléfono mientras trabajaba para lacompañía Motorola, Cooper pionero en esta tecnología, se le considera como "el padre

de la telefonía celular". En 1979 aparece el primer sistema comercial en Tokio Japónpor la compañía NTT (Nippon Telegraph & Telephone Corp.) dos años más tarde enEstados Unidos surge también el primer sistema celular analógico comercial quetrabajaba en la banda de los 800 MHz. En otros países ocurrió lo mismo y surgieronmuchas tecnologías paralelas pero incompatibles entre sí.

A continuación se describirán las principales tecnologías de comunicación inalámbricas,sobre todo aquellas que han tenido más impacto en la sociedad como la telefoníacelular, comunicación satelital, WLL, MMDS y LMDS.

.

El funcionamiento de un sistema celular es muy complejo, implica una serie de tareasque implican modulación, codificación, acceso múltiple, monitoreo y tarificación, sólo

por mencionar algunas.

Un sistema celular para su funcionamiento está compuesto por los siguienteselementos:

1.- Unidades móviles (teléfonos): Un teléfono móvil contiene una unidad de control, untransreceptor y un sistema de antena.

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2.- Las celdas (radio bases): La radio base provee la interface entre el MTSO y lasunidades móviles. Tiene una unidad de control, cabinas de radio, antenas y una plantade generadora eléctrica y terminales de datos.

3.- El conmutador central móvil (MTSO, Mobil Telephone Switching Office): El

conmutador central el procesador y conmutador de las celdas. Está interconectada conla Oficina Central de telefonía pública fija. Controla el procesamiento y tarificación dellamadas. El MTSO es el corazón del sistema celular móvil.

4.- Las conexiones o enlaces: Los enlaces de radio y datos interconectan los tressubsistemas. Estos enlaces pueden ser por medio de antenas de microondas terrestreso por medio de líneas arrendadas.

Las técnicas de acceso múltiple

Una de las estrategias más importantes para aumentar el número de usuarios en unsistema basado en celdas radica principalmente en la técnica de acceso múltiple queéste sistema emplee. Las técnicas de acceso múltiple en un sistema inalámbrico

permiten que varios usuarios puedan estar accesando simultáneamente un canal o ungrupo de frecuencias, lo que permite el uso eficiente del ancho de banda.

Existen tres técnicas para compartir un canal de Radio Frecuencia (RF) en un sistemacelular:

a) FDMA (Acceso Múltiple por División de frecuencias, Frequency Division MultipleAccess)

b) TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo, Time Division Multiple Access)

c) CDMA (Acceso Múltiple por División de Código, Code Division Multiple Access)

FDMA

Los sistemas celulares basados en FDMA formaron la base de los primeros sistemascelulares en el mundo. FDMA fue implementada en la banda de 800 MHz utilizando unancho de banda de 30 kHz por canal.

FDMA subdivide el ancho de banda en frecuencias, cada frecuencia sólo puede serusada por un usuario durante una llamada. Debido a la limitación en ancho de banda,esta técnica de acceso es muy ineficiente ya que se saturan los canales al aumentar elnúmero de usuarios alrededor de una celda. Esta técnica de acceso múltiple predominóen los sistemas celulares analógicos de la primer generación.

TDMA

Después de la introducción de FDMA, operadores celulares y fabricantes de equipoinalámbrico reconocieron las limitaciones de esta técnica de acceso analógica. Añosmás adelante aparecen los primeros sistemas celulares digitales basados en TDMA.Con el fin de continuar la compatibilidad con la asignación de espectro del sistemaanterior ocupado por la tecnología AMPS, se desarrolla en Norteamérica a finales de los80s un sistema conocido como DAMPS (Digital AMPS) también con 30 kHz de ancho de

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banda por canal. En Europa se desarrolla también un sistema celular digital basado en  TDMA conocido como GSM (Groupe Special Mobile) con canales de 200 kHz. Losprimeros sistemas bajo GSM fueron instalados en 1991, mientras el primer sistemainstalado en Norteamérica fue instalado en Canadá en 1992.

Los sistemas celulares bajo TDMA utilizan el espectro de manera similar a los sistemasFDMA, con cada radio base ocupando una frecuencia distinta para transmitir y recibir.Sin embargo, cada una de estas dos bandas son divididas en tiempo (conocidas comoranuras de tiempo) para cada usuario en forma de round-robin. Por ejemplo, TDMA detres ranuras divide la transmisión en tres periodos de tiempo fijos (ranuras), cada unacon igual duración, con una asignación particular de ranuras para transmisión para unode 3 posibles usuarios. Este tipo de metodología requiere una sincronización precisaentre la terminal móvil y la radio base. Como puede verse en este esquema de tresranuras por canal, se incrementa en un factor de tres la capacidad de TDMA conrespecto a FDMA.

CDMA

A mediados de los 80s algunos investigadores vieron el potencial de una tecnologíaconocida como espectro disperso (spread spectrum) la cual era utilizada paraaplicaciones militares pero que también podría ser usada para telefonía celular. Estatecnología de espectro disperso involucra la transformación de la información de bandaangosta a una señal de banda amplia para transmisión, la cual puede ser vista comouna manera de aumentar las capacidades de los sistemas TDMA que limitan el númerode usuarios al número de ranuras de tiempo.

Espectro disperso es una tecnología de banda amplia desarrollada por los militaresestadounidenses que provee comunicaciones seguras, confiables y de misión critica. Latecnología de espectro disperso está diseñada para intercambiar eficiencia en anchode banda por confiabilidad, integridad y seguridad. Es decir, más ancho de banda esconsumido con respecto al caso de la transmisión en banda angosta, pero el "trueque"

ancho de banda/potencia produce una señal que es en efecto más robusta al ruido yasí más fácil de detectar por el receptor que conoce los parámetros (código) de la señaloriginal transmitida. Si el receptor no está sintonizado a la frecuencia correcta o noconoce el código empleado, una señal de espectro disperso se detectaría solo comoruido de fondo. Debido a estas características de la tecnología de espectro disperso lainterferencia entre la señal procesada y otras señales no esenciales o ajenas al sistemade comunicación es reducida.

Al asignar diferentes códigos únicos a los usuarios, un sistema de acceso múltiple esposible. A este método de acceso múltiple se le conoce como CDMA. Las limitacionesde reuso de frecuencia vistas en FDMA y TDMA ya no son tan críticas en CDMA, ya quemúltiples terminales móviles y radio bases pueden ocupar las mismas frecuencias a lavez. Es obvio entonces que la capacidad en usuarios en CDMA se incrementa bastantecon respecto a las otras dos técnicas de acceso múltiple.

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Las generaciones de la telefonía móvil

Los inicios (0G): Los pioneros

Los primeros sistemas de telefonía móvil civil empiezan a desarrollarse a partir de

finales de los años 40 en los Estados Unidos. Eran sistemas de radio analógicos queutilizaban en el primer momento modulación en amplitud (AM) y posteriormentemodulación en frecuencia (FM). Se popularizó el uso de sistemas FM gracias a susuperior calidad de audio y resistencia a las interferencias. El servicio se daba en lasbandas de HF y VHF.

Los primeros equipos eran enormes y pesados, por lo que estaban destinados casiexclusivamente a su uso a bordo de vehículos. Generalmente se instalaba el equipo deradio en el maletero y se pasaba un cable con el teléfono hasta el salpicadero delcoche.

Una de las compañías pioneras que se dedicaron a la explotación de este servicio fue

la americana Bell. Su servicio móvil fue llamado Bell System Service.

No era un servicio popular porque era extremadamente caro, pero estuvo operando(con actualizaciones tecnológicas, por supuesto) desde 1946 hasta 1985.

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Primera generación (1G): Maduración de la idea

En 1981 el fabricante Ericsson lanza el sistema NMT 450 (Nordic Mobile Telephony 450MHz). Este sistema seguía utilizando canales de radio analógicos (frecuencias en tornoa 450 MHz) con modulación en frecuencia (FM). Era el primer sistema del mundo de

telefonía móvil tal como se entiende hoy en día.

Los equipos 1G pueden parecer algo aparatosos para los estándares actuales perofueron un gran avance para su época, ya que podían ser trasladados y utilizados poruna única persona.

En 1986, Ericsson modernizó el sistema, llevándolo hasta el nivel NMT 900. Esta nuevaversión funcionaba prácticamente igual que la anterior pero a frecuencias superiores(del orden de 900 MHz). Esto posibilitó dar servicio a un mayor número de usuarios yavanzar en la portabilidad de los terminales.

Además del sistema NMT, en los 80 se desarrollaron otros sistemas de telefonía móviltales como: AMPS (Advanced Mobile Phone System) en EE. UU. y  TACS (Total AccessComunication System).

El sistema TACS se utilizó en España con el nombre comercial de MoviLine. Estuvo enservicio hasta su extinción en 2003.

Segunda generación (2G): Popularización

En la década de 1990 nace la segunda generación, que utiliza sistemas como GSM, IS-136, iDEN e IS-95. Las frecuencias utilizadas en Europa fueron de 900 y 1800 MHz.

El desarrollo de esta generación tiene como piedra angular la digitalización de lascomunicaciones. Las comunicaciones digitales ofrecen una mejor calidad de voz quelas analógicas, además se aumenta el nivel de seguridad y se simplifica la fabricación

del Terminal (con la reducción de costes que ello conlleva). En esta época nacen variosestándares de comunicaciones móviles: D-AMPS (EE. UU.), PDC (Japón), cdmaOne (EE.UU. y Asia) y GSM.

El estándar que ha universalizado la telefonía móvil ha sido el archiconocido GSM:Global Sistem for Mobile communications o Groupe Spécial Mobile. Se trata de unestándar europeo nacido de los siguientes principios:

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• Buena calidad de voz (gracias al procesado digital).

• Itinerancia.

• Deseo de implantación internacional.

•   Terminales realmente portátiles (de reducido peso y tamaño) a un precioasequible.

• Compatibilidad con la RDSI (Red Digital de Servicios Integrados).

• Instauración de un mercado competitivo con multitud de operadores yfabricantes.

Realmente, GSM ha cumplido con todos sus objetivos pero al cabo de un tiempoempezó a acercarse a la obsolescencia porque sólo ofrecía un servicio de voz o datos abaja velocidad (9.6 Kbps) y el mercado empezaba a requerir servicios multimedia que

hacían necesario un aumento de la capacidad de transferencia de datos del sistema. Esen este momento cuando se empieza a gestar la idea de 3G, pero como la tecnologíaCDMA no estaba lo suficientemente madura en aquel momento se optó por dar un pasointermedio: 2.5G.

Generación de transición (2.5G)

Dado que la tecnología de 2G fue incrementada a 2.5G, en la cual se incluyen nuevosservicios como EMS y MMS:

• EMS es el servicio de mensajería mejorado, permite la inclusión de melodías eiconos dentro del mensaje basándose en los sms; un EMS equivale a 3 o 4 sms.

• MMS (Sistema de Mensajería Multimedia) Este tipo de mensajes se envíanmediante GPRS y permite la inserción de imágenes, sonidos, videos y texto. UnMMS se envía en forma de diapositiva, en la cual cada plantilla solo puedecontener un archivo de cada tipo aceptado, es decir, solo puede contener unaimagen, un sonido y un texto en cada plantilla, si de desea agregar más deestos tendría que agregarse otra plantilla. Cabe mencionar que no es posibleenviar un vídeo de más de 15 segundos de duración.

Para poder prestar estos nuevos servicios se hizo necesaria una mayor velocidad detransferencia de datos, que se hizo realidad con las tecnologías GPRS y EDGE.

• GPRS (General Packet Radio Service) permite velocidades de datos desde56kbps hasta 114 kbps.

• EDGE (Enhaced Data rates for GSM Evolution) permite velocidades de datoshasta 384 Kbps.

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Tercera generación (3G): El momento actual

3G nace de la necesidad de aumentar la capacidad de transmisión de datos para poderofrecer servicios como la conexión a Internet desde el móvil, la videoconferencia, latelevisión y la descarga de archivos. En este momento el desarrollo tecnológico yaposibilita un sistema totalmente nuevo: UMTS (Universal Mobile TelecommunicationsSystem).

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UMTS utiliza la tecnología CDMA, lo cual le hace alcanzar velocidades realmenteelevadas (de 144 Kbps hasta 7.2 Mbps, según las condiciones del terreno).

UMTS ha sido un éxito total en el campo tecnológico pero no ha triunfadoexcesivamente en el aspecto comercial. Se esperaba que fuera un bombazo de ventas

como GSM pero realmente no ha resultado ser así ya que, según parece, la mayoría deusuarios tiene bastante con la transmisión de voz y la transferencia de datos por GPRS y EDGE.

Cuarta Generación (4G): El futuro

La generación 4 Generacion o 4G será la evolución tecnológica que ofrecerá al usuariode telefonía móvil un mayor ancho de banda que permitirá, entre muchas otras cosas,la recepción de television en Alta Definición.

Hoy en día no hay ningún sistema de este nivel que esté claramente definido, pero amodo de ejemplo podemos echar un vistazo a los sistemas LTE (Long Term Evolution).

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Arquitectura y Protocolos de Red Celular.

Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA)

La tecnología TDMA, permite a los operadores de red celular multiplexar transmisionesmúltiples sobre una frecuencia de radio. Esto proporciona un mayor soporte desuscriptor utilizando el espectro de frecuencias disponibles.

En Estados Unidos la tecnología AMPS y la TDMA deben ser compatibles para que losteléfonos celulares puedan operar automáticamente en “modo dual” (modo analógicoy modo digital).

Actualmente, TDMA soporta tres (3) transmisiones digitales sobre una frecuencia, locual es bastante para un limitado espectro de frecuencias. Asimismo, el estándar de

 TDMA define un soporte de diez (10) transmisiones por frecuencia, pero no ha sidoprobado en ninguna red celular.

En redes GSM, la tecnología TDMA se encuentra dividida en ocho (8) ranuras de tiempo(en lugar de tres), esa es la razón por la que GSM puede soportar un mayor número desuscriptores por canal de voz.

La razón de la diferencia es que el espaciamiento de los canales de AMPS es de 30 Khz. Y en las redes GSM es de 200 Khz.

En el momento que un teléfono celular solicita servicio desde un sitio celular, dicho“sitio” identifica la frecuencia a la que el teléfono transmite y la brecha de tiempo queutilizará, de este modo se le asigna esta brecha de tiempo al teléfono celular y no seráutilizada por ningún otro teléfono de la misma celda.

El teléfono celular no transmite mientras su brecha de tiempo no este disponible, esteprocedimiento se conoce como “Transmisión por ráfagas”.

El estándar que define a TDMA fue dado por EIA/TIA y es conocido como IS-54, peroactualmente el nuevo estándar es el IS-136 que soporta servicio macro celular parauna cobertura geográfica grande con baja cantidad de suscriptores.

 También soporta procedimientos para redes inalámbricas fijas usando teléfonos fijos yterminales de datos.

Asimismo, dicho estándar soporta la interacción irrestricta con las redes AMPS ya queestas últimas operan a 900Mhz. Y las TDMA en un intervalo de hasta 2 Ghz.

 También el nuevo estándar integra mayores características a los teléfonos celularescomo el indicador de mensaje de espera en el aparato, identificador de llamadas,capacidad de localizador alfanumérico y/o envío de mensajes y modo de suspensión.

Finalmente el hecho por que dicha tecnología no se difundió más es porque se debatela interferencia de dichos teléfonos con otros equipos electrónicos como sistemas de

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navegación aérea, auxiliares de audición y posiblemente con algunos marcapasos (RFI,Radio Frecuency Interference).

La interferencia se debe a que dichos equipos utilizan cristales en sus circuitos loscuales oscilan a frecuencias que son utilizadas por el teléfono y se produce la

interferencia, hecho que no sucede en los teléfonos de tecnología CDMA

Acceso Múltiple por División de Código (CDMA)

En CDMA varias frecuencias se envían sobre la misma frecuencia sin multiplexado, ensu lugar se agrega un código único para cada transmisión. De este modo los aparatosreciben todas las transmisiones, decodifican cada una y hallan el código correcto. Aesta tecnología de dispersar frecuencias por todo el espectro se le conoce comoDispersión espectral.

Las ventajas de CDMA son:

Contempla un método de control de energía diseñado para el ahorro de labatería y para ayudar a que no hayan interferencias con otro canal. Así seestablece una comunicación con el sitio celular receptor y el teléfono paramantener los niveles de potencia constantes y los mas pequeños posibles.

• En CDMA NO se emplean cristales, los cuales al oscilar crean problemas de RFIpotenciales para otros equipos electrónicos.

• El handoff (pase entre celdas) es el convencional (fuerte) con uno suaveadicional. Cuando el teléfono cruza la frontera de una celda, la celda originalcontinua proporcionando servicio al teléfono. La nueva celda se activa y elteléfono funciona en ambos sitios celulares hasta alcanzar la suficienteintensidad de señal que la nueva celda pueda tomar.

• No hay degradación notable de la calidad de transmisión durante el handoff, locual es critico en la transmisión de datos.

• CDMA soporta servicios de datos, conmutación de paquetes y la integración dedatos empaquetados digitales celulares(CDPD).

La desventaja de CDMA ante la presencia de equipos AMPS es la gran interferenciaoriginada en los equipos CDMA, problema que ha sido ya rectificado.

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Sistema Global para Comunicaciones Móviles GSM.

La primera red GSM fue implementada en Alemania en 1992. Debido al éxito que tuvoen esa época el desarrollo del ISDN y su posible implementación en redes inalámbricas,es que GSM se tuvo que implementar como una red digital. Así, el GSM se implementóen sus inicios en base a la señalización en base a la tecnología SS7.

El GSM presenta varias características importantes como las llamadas en espera,identificación de la llamada, retención de llamada, llamadas en conferencia yvelocidades de datos de 2400 hasta 9600 bps.

Por otro lado, existen tres tipos diferentes de entidades celulares que utilizan GSM.Estas entidades son equipos terminales fijos, portátiles o de mano. La estación móvilfija es aquella que se encuentra instalada permanentemente sobre un automóvil, estasconsumen hasta 20 W con lo que se logra obtener una cobertura mayor pero, con unriesgo de interferencia mayor también. Una estación portátil viene a ser un teléfono demaletín, el cual es un poco más grande que los teléfonos de bolsillo y permaneceninstalados dentro del maletín funcionando hasta con 8 Watts de consumo. Finalmente,las estaciones móviles son los teléfonos celulares más pequeños y que consumenmenos potencia (alrededor de 2W).

Una característica típica de los teléfonos celulares que utilizan GSM es la tarjeta SIM.Esta tarjeta viene a ser un dispositivo pequeño que se inserta en una ranura especialdentro del equipo. Toda la información que el usuario graba en su equipo, tal comodirectorio, llamadas recibidas, llamadas enviadas, etc. es almacenada en la tarjeta SIM.Así también la línea se encuentra reconocida en la tarjeta, de forma tal que alintercambiar la tarjeta SIM de un equipo a otro la línea o número telefónico de dichoequipo se traslada al otro terminal. Además, las redes GSM proporcionan un sistema deseguridad que permiten desactivar la línea de un equipo celular cuando este ha sidorobado.

Servicios de Comunicaciones Personales (PCS)

PCS no es una nueva tecnología, la innovación está en que ahora es una nuevacaracterística de los servicios celulares.

Puesto que los proveedores de celulares ya han saturado los segmentos de mercados,a los cuales también apuntan los PCS, ofreciendo llamadas gratuitas durante los finesde semana y teléfonos celulares gratis (a cambio de contratos extendidos o tarifarios).Es por esto que ahora los proveedores de PCS, si quieren competir con los de redescelulares, deben primero construir sus redes para posteriormente ofrecer la misma

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cobertura con características extendidas. Y para esto no podrán tomarse tanto tiempocomo las redes celulares, que han dedicado 10 años a la construcción de sus redes. Lasredes PCS deben ser capaces de competir con las redes celulares desde el primer díaen que se active la red.

Las tecnologías candidatas para PCS son TDMA, CDMA, y GSM, digitales en su totalidad.

La principal diferencia entre PCS y las redes celulares estará en los servicios quebrindan, por ejemplo, los servicios de seguimiento por localizador (paging), quetendrán la única diferencia en los celulares PCS. Cuando se reciba un mensajealfanumérico, se podrá elegir entre recibir el mensaje o conectarse con la persona queenvió el mensaje, mientras que la persona que llama se mantendrá el línea mientrasusted decide entre conectarse o simplemente recibir el mensaje.

Conclusion