Sistemas de telefonía celular (1)

SISTEMAS DE TELEFONÍA CELULAR

SISTEMAS DE TELEFONÍA CELULAR

• Introducción

• Efectos de la concentración de enlaces

• Sistemas de radiotelefonia publica celular

• Sistemas de TMA celular digital

• Servicio y facilidades del sistema GSM

• Arquitectura funcional e interfaces de un sistema GSM

• Protocolos de capa uno, dos y tres de sistema GSM

INTRODUCCION

• Surgimiento y desarrollo

• Clases de servicio

• Servicio Móvil terrestre

• Composición y estructura de un sistema móvil

• Clasificación de servicios por bandas de frecuencia

• Sistema cerrado de radiofonía

Surgimiento y desarrollo

• En la década del 20 (1920) se utilizo la radiocomunicación en vehículos de la policía.

• En 1921 se puso en funcionamiento el primer sistema de radiocomunicación terrestre del Dpto de policía de Detroit (solamente recibía).

• En 1934, 194 sistemas de radio policial municipal y 58 estaciones de policía habían adoptado sistemas de comunicaciones móviles en AM para la seguridad en EU.


• En 1935 Edwin Armstrong demostró por primera vez la modulación FM y desde finales de los 30, se constituye en la primera técnica de modulación usada por los sistemas de comunicación móvil en todo el mundo.

• Años 30. El número de usuarios móviles ascendió de varios de miles a 86000 y en 1962 ya habían alrededor de 1.4 millones de usuarios.


• Los primeros sistemas de telefonía FM push to talkusaban 120KHz de B RF en modo half duplex (solamente una persona puede hablar a la vez).

• 1940 La II Guerra Mundial aceleró el mejoramiento de las capacidades de miniaturización y manufactura.

• 1950 La FCC (Federal Communications Commission) dobló el número de canales de telefonía móvil. Eso permitió que el B fuera reducido a 60KHz.


• Entre los años 50 y 60 El trunking automático se introduce e implementa bajo la marca IMTS (Improved Mobile Telephone Service).

– Con IMTS, las cías de telefonía comenzaron ofreciendo sistemas full duplex, autodial y auto trunking.

– IMTS rápidamente logró saturar los mercados.

– Actualmente está en uso en EU, pero es espectralmente ineficiente frente a los sistemas celulares en EU.


• Bell Laboratories desarrolló el concepto celular en los años 60 y 70.

• En 1968 AT&T propuso el concepto de sistema móvil celular a la FCC, a pesar que la tecnología no estuvo disponible para implementar la telefonía celular sino hasta finales de los 70.


• Con el desarrollo de confiabilidad, miniaturización, hardware de radiofrecuencia en estado sólido en los 70, la era de las comunicaciones inalámbricas había nacido.

• Sobre el año 71 la Bell System efectúa las primeras pruebas de un sistema celular, el AMPS (Advanced Mobile Phone Systems) en Chicago, donde un sistema operacional se instalo en 1978.


• En 1981, en los países nórdicos de Europa se puso en operación el sistema NMT-450 (Nordic

Movile Telecommunications).

• En 1983 La FCC finalmente asignó 666 canales duplex (40MHz de espectro, en la banda de los 800MHz, cada canal con ancho de banda de 30KHz) para el Sistema de Telefonía Móvil Avanzado (AMPS).


• AMPS fue el primer sistema de telefonía celular de EU, y fue desplegado a finales de 1983 por Ameritech en Chicago.

• En 1984 se extendió a toda América del Norte.

• En 1985 el TACS-900 (Total Access Communications

Systems) entro en operación en Europa

• En 1989 la FCC cedió 166 canales adicionales (10 MHZ) a proveedores del servicio celular de EU para acomodar su rápido crecimiento y demanda.


• A principio de los 90 un nuevo servicio especializado de radio móvil (SMR) fue desarrollado para competir con los carriers de radio celular de EU.

• En 1991 Investigaciones estimaron:

– entre 25 y 40 millones de teléfonos cordless usados en EU.

– El número de usuarios de telefonía móvil creció de 250000 en 1984 a 16 millones en 1994.


• A finales de este año el primer hardware de sistema celular digital de EU fue instalado en las principales ciudades de este país (USDC).

• El standard de USDC, IS-54 (Electronic Industry Association Interim Standard) permite a los operadores celulares reemplazar parte de los canales análogos de un solo usuario, con canales digitales los cuales soportan 3 usuarios en los

mismos 30 KHZ de ancho de banda.


• A principio de 1995, nuevas licencias de Servicio de Comunicaciones Personales PCS en la banda de 1800/1900 MHz fueron subastadas por el gobierno de EU a los proveedores de sistemas inalámbricos.

• Con el bom en las aplicaciones cordless y radio CB tales como sistemas abre garajes y teléfonos, el número de usuarios fue alrededor de 100 millones, el 37% de la población de EU.


• Desde los 90 los servicios inalámbricos han estado experimentando el crecimiento de usuarios en un 50% por año.

• Desde entonces tres sistemas de telefonía celular digital están implementados:

1. El sistema Pan – europeo, conocido por GSM;

2. El sistema celular digital americano (D-AMPS) y

3. El sistema celular digital japonés o asiático (PDC).


• En los años de la primera década del 2000 desarrollo de Los sistemas personales PCN/DCN-1800

• UMTS (Sistema Universales de Comunicaciones Móviles)

Clases de servicio

• Servicio Móvil terrestre

• Servicio móvil marítimo

• Servicio móvil aeronáutico

SERVICIO MOVIL TERRESTRE

1. Sistemas de radiotelefonía privada PMR(Private Mobile Radio)

– De cobertura básicamente local sin conexión a la red publica conmutada

• Sistema con acceso rígido de canales

• Sistema con multiacceso (Trunking) Concentración de enlaces –basados en la compartición de frecuencias-puede ser analógico o digital


2. Sistemas de Telefonía Móvil Automática TMA

– Prestan servicios a abonados móviles

– Cobertura desde una nación a continentes enteros

– Explotación automática

– Caracterizado por fiabilidad, disponibilidad y calidad similar al servicio telefónico convencional


2. Sistemas de Telefonía Móvil Automática TMA

• Sistemas Analógicos celulares: Utilizan sistemas de multiacceso por división de frecuencia (FMDA)

• Sistemas digitales celulares: Utilizan sistemas de multiacceso por división de tiempo(TDMA) y por distribución de código(CDMA).


3. Sistemas de radiomensajería o radio búsqueda

• Con suministro de información de alerta por tonos, mensajes orales o en forma alfanumérica para su lectura en pantalla.

• Los 1ros en 1960 y los de pantalla y almacenamiento de mensajes en 1980



– Cuentan con más de 80 milones de usuarios.

– En Europa se desarrolla desde 1986 y aprueba en 1992 el ERMES(European Radio Message System)

• Objetivos– Estructura Común Europea

– Formato de codificación común de gran capacidad

– Alta velocidad que maximice eficiencia de transmisión

– Adopción de especificaciones comunes



– En octubre del 94 la compañía Infomobile lanzo el1er servicio basado en este estándar, se hanseguido lanzando nuevas ofertas del mismo.

– Viene en proceso de ampliar su mercado más allá de ciertos profesionales:

• 1993 Suecia, excluye los controles de conexión, las cuotas de pago, solo se cobra la llamada telefónica

• Integración de radiomensajería y telefono celular.



– El mercado se ha segmentado en:

• Productos y servicios simples y de bajo costo dirigidos hacia el mercado de consumo.

• Servicios de mayor costo, dirigido hacia el mercado de los negocios

COMPOSICION Y ESTRUCTURA

• Estaciones Fijas

• Estaciones móviles(MS)

• Equipos de control.

Estaciones fijas: Es una estación no prevista para utilización en movimiento. Algunas son:

– Estación Base(BS)

– Estación de control

– Estación Repetidora(RS)


• Estación Base(BS)

– Estaciones Fijas con equipos transmisores y receptores que prestan cobertura radioeléctrica a las áreas de servicio

– Su funcionamiento se controla desde una Unidad de Control situada en un punto de control especificado

• Control local(in situ)

• Control remoto(desde otra estación): mediante línea telefónica o radioenlace.


• Estación de control

– Son estaciones Fijas cuyas transmisiones se utilizan para controlar automáticamente el funcionamiento de otras estaciones de radio base (BS)

– Controlan una BS o una repetidora (RS)

• Estación Repetidora(RS)

– Son estaciones fijas que transmiten las señales recibidas y permiten la extensión del área de cobertura


• Estaciones móviles(MS)

– Es una estación prevista para utilización desde un vehículo o persona

– Incluye equipos portátiles y personales


• Equipos de control.

– El conjunto de equipos de control lo forman los dispositivos necesarios para el gobierno de las estaciones de base, la generación y recepción de llamadas, localización e identificación de vehículos, transferencia de llamadas a red telefónica privada, señalización de canales, etc.

– En las comunicaciones móviles de datos se incluyen aquí los terminales de datos (pantallas, impresoras), así como miniordenadores y controladores


• En Sistemas de radiocomunicaciones móviles existen dos tipos de enlace:

– Sentido base – móvil

– Sentido movil-base

• Determina la cobertura el menor de los dos(generalmente móvil-base)


• La calidad de la cobertura de la red viene dada por:

– El grado de movilidad del terminal móvil

– La variabilidad del trayecto: únicamente puede hablarse de cobertura en sentido estadístico.


• Porcentaje de emplazamientos (zonal y perimetral) : Definido por el porcentaje de lugares donde existe el radioenlace.

– Cobertura Zonal(se refiere a toda el área en torno a la estación)

– Cobertura perimetral(Zona anular situada en el perímetro de la cobertura)

• Porcentaje de tiempo: Definido por el porcentaje de tiempo que existirá el radioenlace.


• Ejemplo: Supóngase una red de comunicaciones móviles en la que se desea una cobertura omnidireccional, en torno a la estación base, con un radio de 10 Km, con el siguiente objetivo de calidad de cobertura:

– Perimetral 90% de los emplazamientos

– Durante el 95% de tiempo

CLASIFICACION DE LOS S.R.MOVILES

• Por banda de frecuencias utilizada

– Banda VHF:

• Baja(25-50 MHz)

• Alta(150-162 MHz)

– Banda Estrecha: (220-222 MHz)

– Banda UHF:

• Baja(450-479 MHz)

• Alta(806-941 MHz)

– Banda de microondas(1-2 GHz)

CLASIFICACION DE LOS S.R.MOVILES

• Por modalidad de explotación

– Simples

– Semiduplex

– Duplex

• Por tipo de sistema de control

– C. Local

– C. remoto

SISTEMAS CERRADOS DE RADIOFONIA

• Generalidades

• Tipos de sistemas, modulación y canalización

• Sistemas troncales

• Grado de Servicio (GOS)

• Ingeniería de la estación base


Generalidades

• Los sistemas cerrados de radiofonía ocupan alrededor de 41 MHz de espectro de frecuencia en los rangos de:

– 25 a 50 MHz (banda baja de VHF),

– 150 a 162 MHz (Banda alta de VHF) y

– 450 a 470 MHz (Banda baja de UHF)


Clasificación actual de N. A de servicios terrestres:

– Servicio de radio para la seguridad publica (ambulancias, hospitales, bomberos, guardabosques y atención a desastres)

– Servicios de radios industriales(mantenimiento de telefonía, industrias, fabricantes, etc)

– Servicios de radio para transporte terrestre(ferrocarriles, flotas de camiones, autos, taxis, motos y emergencia de autos)

– Servicios públicos domésticos, frecuencias a los enlaces rurales y urbanos públicos o ciudadanos.


Tipos de sistemas, modulación y canalización

• Tipos de sistemas PMR(Private Mobile Radio)

– Convencionales

– Por concentración de enlaces(trunking) Troncales

Tipos de sistemas, modulación y canalización

• Convencionales

– Son más utilizados

– Son aquellos sistemas que poseen asignación fija de canal

• Por concentración de enlaces(trunking) Troncales

– Aquellos que poseen multiacceso automático a un grupo de canales componiendo la base de los modernos sistemas PMR y de la telefonía celular


• Sistemas PMR(Private Mobile Radio)

– Se usa la modulación de frecuencia en banda estrecha, con preacentuación-desacentuación de 6 dB/octava con respecto a una frecuencia de referencia de 1000 Hz. Frecuencia maxima de audio 3000 Hz

SISTEMAS CERRADOS DE RADIOFONIA• CANALIZACIÓN

• Normal

• Estrecha

Canalización normal

– Separación de canales es de f=25 KHz

– La excursión de frecuencia utilizada es fd = 5 KHz. Aplicando la regla de Carson, resulta un ancho de banda de la señal modulada de:

B =2(m+1)fm = 2fd + 2fm = 2(5) +2(3) = 16 KHz

SISTEMAS CERRADOS DE RADIOFONIA• CANALIZACIÓN

• Canalización estrecha

– La separación de canales es de f =12,5 KHz

– La excursión de frecuencia utilizada es fd = 2,5 KHz. Aplicando la regla de Carson, resulta un ancho de banda de:

B = 2fd + 2fm = 2(2,5) +2(3) = 11 KHz

SISTEMAS CERRADOS DE RADIOFONIA• Clases de canales

• Simples(a una o dos frecuencias)

• Semiduplex

• Duplex


• Simples

• Canales simples a una frecuencia

• Canales simples a dos frecuencias


• Canales simples a una frecuencia:


• Canales simples a dos frecuencias


• Canales semiduplex a dos frecuencias


• Canales Duplex a 2 frecuencias


• Sistemas troncales PMR

• Diseñe la estación base de un sistema de concentración de enlaces para prestar los servicios a una flota de vehículos con las siguientes características:

– En todos los casos la potencia radiada por canal debe ser 30 Watts.

– Halle el tiempo medio de espera, el número de canales, el tipo de combinador y Duplexer necesario.

Sistemas troncales PMR

• Seleccione la separación entre transmisores y receptores.


• Se tratan como sistemas de espera con formula Erlang C

• DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA TRONCALA=M*L*H/3600 E

A Trafico ofrecido

N: # de canales de trafico

M: # de móviles

L: # de llamadas por móvil

H: Duración media de la llamada

C(N,A) Distribución Erlang C

GOS(N,A)=C(N,A)*exp[-(N-A)]


• El producto es 0.007 (0.7% < 4%) luego 6 canales son suficientes para el objetivo del diseño por defecto se cumple también con el GOSsob = 25%.

W=C(N,A)*H(N,A)/(N-A)


Tipo de combinador:

• HIBRIDO FERRITA COMBINADOR


• ACOPLADOR HIBRIDO


FILTRO DE ARMONICOS

• Se utiliza un duplexer eliminador de banda porque ofrece bajas perdidas de inserción a las frecuencias Tx y Rx y las características de aislamiento son excelentes.


• Segundo caso:

A=M*L*H/3600 E

A Trafico ofrecido

N: # de canales de trafico

M: # de móviles

L: # de llamadas por móvil

H: Duración media de la llamada

C(N,A) Distribución Erlang C

GOS(N,A)=C(N,A)*exp[-(N-A)]


• El producto es 0.00013 (0.01% < 4%) luego 6 canales son suficientes para el objetivo del diseño por defecto se cumple también con el GOSsob = 20%.


• Se utiliza un duplexer eliminador de banda porque ofrece bajas perdidas de inserción a las frecuencias Tx y Rx y las características de aislamiento son excelentes

INTRODUCCIÓN

• Los sistemas de radiotelefonía móviles (SRTM) permiten el intercambio de información entre terminales móviles y terminales fijos a través de un medio de transmisión radioeléctrico, con unas características de calidad determinadas.

• Estos sistemas suelen tener una cobertura zonal.

Introducción

• En las redes de telefonía móvil tradicionales (TMR)el problema del acceso al medio se resuelve mediante una asignación rígida de canales. – Se trata de un acceso múltiple por división en

frecuencia (Frequency División Múltiple Access, FDMA).

– Debido a la escasez, cada vez mayor, de canales de RF para el servicio móvil, se están utilizando ya en sistemas más avanzados técnicas de multiaccesobasadas en la compartición de frecuencias, denominadas de concentración de canales (trunking)

Introducción

• Los métodos de señalización van evolucionando según lo hacen los SRTM:– De los primeros métodos de señalización y control

basados en corriente continua y tonos, se ha evolucionado a un control muy sofisticado basado es señalización digital.

– El grado de madurez alcanzado hace posible técnica y económicamente la interconexión entre redes de telefonía móvil y la red telefónica pública conmutada, estableciéndose nuevos sistemas, denominados de Telefonía Móvil Automática (TMA):• con coberturas que se extienden desde el territorio de una

nación a un continente entero.

Introducción

• Se han comenzado a utilizar las técnicas digitales para las comunicaciones móviles, lo cual permite:

– la realización de nuevas metodologías de acceso, como son:

• las de acceso múltiple por división en el tiempo (Time División Múltiple Access, TDMA) y

• el acceso múltiple por división de código (Code División Múltiple Access, CDMA) con técnicas de espectro ensanchado.

Introducción

– Desde el punto de vista de la propagación, las técnicas de banda estrecha (TDMA) sufren del problema denominado propagación multicamino.• Básicamente este fenómeno consiste en que la señal

que llega al receptor se compone de la suma de un conjunto de señales idénticas en amplitud pero con fases distintas.

• En el peor caso, la señal en el receptor puede llegar a ser nula, produciéndose un fenómeno de fadingsevero.

• Las técnicas de espectro ensanchado (CDMA) no sufren este tipo de problemas.

Introducción

• La cobertura es muy importante en los SRTM. Debido a la variabilidad del trayecto radioeléctrico, únicamente puede hablarse de cobertura en sentido estadístico.

• Se utilizan dos grados de calidad estadística de cobertura:– El porcentaje de emplazamientos. Indica el

porcentaje de emplazamientos dentro de la zona de cobertura teórica en la que cabe esperar exista enlace radioeléctrico.

– El porcentaje de tiempo. Indica el porcentaje del tiempo en que espera exista enlace.

SISTEMA BÁSICO DE TELEFONÍA MÓVIL

• la estructura conceptual de un SRTM privado comprende:– una serie de terminales conectados al centro de

control:• Directamente o

• a través de una central telefónica privada (Prívate Automatic Branch Exchange, PABX),

– una estación base (estación radioeléctrica fija, controlada por una unidad de control) y

– un conjunto de termínales móviles.

Sistema Básico de telefonía móvil

Efecto de la concentración de enlaces

• En la estrategia de asignación de frecuencias o canales (en los sistemas tradicionales hay una relación biunívoca entre frecuencias y canales)

• Para los usuarios se pueden dar dos alternativas:– la asignación rígida de canales: un usuario se

comunica con la estación base siempre a través del mismo canal (que, es a su vez, compartido entre otros usuarios).

– la asignación dinámica de canales. Un grupo de canales es compartido por el conjunto de usuarios.


• El criterio de selección de la estrategia más apropiada será la Probabilidad de Pérdidas (PP):

– La PP es la probabilidad de que se genere una petición de ocupación de un canal y ésta no pueda ser atendida porque el canal este(n) ocupado(s)


Algo sobre tráfico:

• Decimos que un canal cursa un tráfico de 1 Erlang cuando está ocupado el 100% del tiempo.

• Es decir, que un conjunto de N canales no pueden cursar nunca un tráfico mayor a N Erlangs

Algo sobre tráfico

• En la mayoría de sistemas prácticos de telefonía, no todas las peticiones de servicio (uso de un canal) tienen éxito,

– si el sistema está congestionado, la llamada que no puede ser atendida se pierde.

– Por ello es usual hablar del tráfico desde tres perspectivas:

• Tráfico Ofrecido (TO),

• Tráfico Cursado (TC) y

• Tráfico Perdido (TP).

Algo sobre tráfico

• P.e, supongamos que un conjunto de usuarios generan llamadas a una tasa media agregada de λ= 10 llamadas/minuto, si la duración media de las llamadas 1/μ es de 5 minutos, entonces decimos que:

– TO= λ/μ = 10 llamadas/minuto*5 minutos= 50 Er .

• Ello quiere decir que si no hubieran pérdidas (paraello se requeriría un número infinito de canales),por término medio 50 canales permaneceríanocupados el 100% del tiempo.

Algo sobre tráfico

• La complejidad en el dimensionamiento radica:

– en el hecho de la aleatoriedad con la que los abonados realizan sus llamadas

– así como en la aleatoriedad de la duración de las mismas.

Dimensionamiento

• Se dimensionan con las llamadas perdidas (Earlang B)

• Pt: Probabilidad de congestión Pt=B(N,A), Pt=1-[(1-P)/(1-Pc)]

• N: Número de canales N=C/J

• A: trafico ofrecido por los móviles A=B-1(N,Pt), teniendo en cuenta señalización A=B-1(N-1,Pt)

• C: Número de canales disponibles C=B/∆f

Dimensionamiento

• J: # de celdas

• H(seg) duración de la llamada

• a: Trafico(Earlang) por móvil a=H/3600 [E]

• m Número de móviles en la célula m=A/a

• Pa: Densidad del tráfico admisible en la célula Pa=A/Sc[E/Km2]

• Sc superficie de la célula [km2] Sc=S/QJ

• Sr: Superficie del racimo Sr=J*Sc

Dimensionamiento

• S superficie total de cobertura

• Q número total de racimos, número de reutilización de frecuencias Q=E(S/Sr)+1 o S/J*Sc

• Oferta de canales desde Q es Q*J(N-1), o, C*S/J*Sc

• M Total de móviles a los que pueden darse servicio M=Q*J*m

Algo sobre tráfico

• La intensidad de tráfico máxima que puede ofrecerse a un conjunto de N canales, con un valor para la PP de pp, viene dada por la expresión:

A=TON=Er-1(pp,N)

donde la notación Er-1 representa la fórmula de Erlang-B inversa.

Algo sobre tráfico

• el trafico máximo que puede ofrecerse a N sistemas de un solo canal, viene dado por la expresión:

A=TO1=N*Er-1(pp,1)

• como consecuencia de la no linealidad de la fórmula de Erlang-B

TON > TO1 para N>1

Algo sobre tráfico

• Como el tráfico ofrecido y el tráfico cursado están relacionados a través de la expresión:

– TC = TO*(1-PP]

• Para una misma PP, se puede cursar mayor tráfico cuando este se ofrece a un conjunto de canales que cuando se ofrece a canales individuales


• la asignación de frecuencias no es rígida sino dinámica, es decir, se asigna un canal sólo cuando hay demanda.

• Cuando el canal se libera, puede ser tomado por cualquier otro usuario.

• Una consecuencia importante de estos sistemas es el aumento en la complejidad de la señalización.


• Por señalización se entiende el conjunto de señales o mensajes que se intercambian la estación de control y el terminal móvil y que hacen posible el establecimiento, mantenimiento y liberación de la llamada.

• En algunos sistemas se reserva un canal exclusivamente para señalización.

– Por acceder todos los terminales al mismo canal, es necesaria una disciplina de acceso al mismo que garantice igualdad de oportunidades para todos y un retardo mínimo.

SISTEMAS DE RADIOTELEFONIA PUBLICA CELULAR

• Sistemas celulares

• Forma geométrica de la celda

• Handover entre celulas

• Técnica para aumentar la capacidad de los sistemas celulares

• Asignación de frecuencias entre celulas

• Funcionamiento de un sistema celular típico

• Señalización

Introducción TMA

• La finalidad de este servicio, conocido como TMA celular o simplemente TMA, es la de proporcionar al usuario un servicio telefónico público móvil.

• Es decir, que un usuario móvil puede efectuar y recibir llamadas telefónicas automáticas con cualquier otro abonado fijo o móvil de la red telefónica nacional o internacional.

Introducción TMA

• En los sistemas TMA avanzados se ofrecen otros teleservicios (transmisión de datos, facsímil, mensajerías, etc...

• En los sistemas TMA es necesario conseguir:

– una amplia cobertura y

– una gran capacidad de tráfico con un número limitado de frecuencias.

• Ello es posible gracias a la reutilización sistemática de las frecuencias, lo que se logra mediante estructuras celulares.

Sistemas celulares

• En los sistemas de telefonía móvil celular, la zona de cobertura se divide en unas más pequeñas llamadas células, a las que se asigna un cierto número de frecuencias y se las dota de una estación base por célula.

• Se llama distancia co-canal o distancia de reutilización a la distancia entre células que utilizando el mismo grupo de frecuencias permite una relación (C/I) aceptable

Distancia co-canal o distancia de reutilización

Distancia de reutilizaciónLb = k.rn

r = distancia

K = Kte que depende de la frecuencia, altura de las antenas y tipo del medio

n = factor que depende del medio: (espacio libre = 2; tierra plana = 4; medios

urbanos = 3.5/3.8)

n

t

Rk

PC

.n

t

RDk

Pi

)(

Las potencias de portadora e

interferencia en el borde de una

célula de radio R son,

respectivamente:

• Potencia de la señal portadora (C) a potencia de la señal interferente (I)

• Si D es la distancia entre dos células y R al radio de las células y se supone que D>>R, se verifica la expresión:

Luego la relación portadora/interferencia será:

RDRDR

RDiC n

n

n

)/(/

Distancia de reutilización

• Por tanto, si se reduce R, puede reducirse también D sin que se altere el valor de la relación C/I.

• De esta manera se pueden reutilizar las frecuencias más veces y por tanto aumentar el tráfico que puede cursar el sistema

• Las frecuencias no pueden reutilizarse en células contiguas, por ello la necesidad de los racimos

Sistemas celulares

• En los sistemas prácticos se dispone de un conjunto de frecuencias y el problema consiste en dividirlo en subconjuntos de frecuencias que se asignarán a cada célula, de forma que la distancia de reutilización o distancia co-canal (interferencia co-canal) sea aceptable.

Formas geométricas de las células

criterios:

1. Se debe procurar que no existan huecos o solapes en los bordes.

2. Buscamos una forma que para un radio dado R contenga la superficie posible.

De esta forma se utilizarán un menor número células para servir la misma zona

de cobertura y, por tanto, utilizaran menor número de frecuencias. .

Área triangular

S=3√3R2/4

Área rectangular o cuadrada

S= 2R2

Área hexagonal

S=3√3R2/2

Distancia co-canal y forma geométrica

• Relación entre D y R es D=R√3

• Área de cada estación base es: Sc=3√3R2/2

• J=Sr/Sc =(D/R)2/3

• Por estar cada célula rodeada de la célula co-canal a la distancia D la señal interferencia global será: (C/i)total = (1/6)(D/R)n= (1/6)(√(3J)n

• J=(6C/i)2/n/3

Distancia co-canal y forma geométrica

• (C/i)≥rp (razón de protección de seguridad)

• J≥ (6rp)2/n/3 límite inferior de J

• Si rp=17 dB o 50,1

n J

2 (Espacio libre) 101

3,5 (medio urbano) 9

4 (Tierra plana) 6

No olvidar que N=C/J lo que limita J


• Para minimizar las interferencias entre los usuarios, debe hacerse una separación física entre las células que utilizan las mismas frecuencias.

• Esto se Consigue agrupando células en racimos, de forma que todo el espectro disponible se reparte entre la células del racimo.


• Un tamaño típico de racimo es de siete cuando las estaciones base utilizan antenas omnidireccionales.

• Las células del racimo se suelen nombrar con letras, de la A a la G, donde la A ocupa la posición central y el resto se distribuyen a su alrededor

Agrupación de células en racimos de 7

Handover entre células

• Un sistema celular se diseña de forma que células adyacentes trabajen con frecuencias distintas.

• El problema se presenta cuando el móvil cruza de una célula a otra.

• El sistema de control tiene que detectar de forma automática que esto sucede y realizar la conmutación con un canal libre de la célula adyacente (handover o handoff)

Handover entre células

• Cada sistema tiene una solución para llevar a cabo este proceso:

– generalmente mediante mensajes de control (señalización) que se intercambian los terminales móviles y la estación de control.

• una de las medidas de calidad de un sistema de TMA celular es la probabilidad de pérdida de una llamada cuando se cruza una célula.

Técnicas para aumentar la capacidad de los sistemas celulares• Cuando un sistema celular da servicio a un

área urbana pueden llegar a darse situaciones de saturación, es decir, que la PP aumente por encima de los límites establecidos.

• En estos casos es necesario aumentar la capacidad del sistema a través de 2 técnicas:

– la subdivisión de las células en otras más pequeñas y

– la sectorización.

Subdivisión de una célula

• Suele hacerse reduciendo a la mitad el radio de la célula.

• Esto implica:

– reducir por cuatro la superficie,

– Aumentar la capacidad de tráfico por un factor aproximadamente igual a 4,

– aumentar el número de estaciones base y emplazarlas de forma más precisa,

– un aumento en el tráfico de señalización al aumentar el número de handovers

Subdivisión de una célula

• El proceso de subdivisión tiene un límite fijado por:

– las tolerancias de los emplazamientos

– la complejidad y la carga del procesamiento de llamadas,

• suele corresponder a un radio de 1.5 Km.

No obstante los nuevos sistemas TMA

celular digital contemplan células de

unos 0.3 Km de radio

Sectorización

• Se puede proceder a una subdivisión adicional, sin necesidad de emplear mas estaciones base, sectorizando la cobertura.

• Para ello se subdivide una célula en tres sectores a los que se da servicio desde vértices alternos del hexágono, mediante tres estaciones base con haces de antena de 120°.

Sectorización

se emplea la sectorización para utilizar racimos conmenor número de células que los correspondientes auna cobertura omnidireccional

• Se pueden cubrir sectores de células vecinas, lo cual supone un ahorro de estaciones base.

• En la práctica, para realizar una sectorización no es necesario crear nuevos emplazamientos sino sólo transformar los ya existentes

Ejemplo de uso de la técnica de la sectorización

Asignación de frecuencias entre células

• En comienzo se asigna de forma fija, un juego de canales (frecuencia)a cada célula.

• Pero si en una célula dada existe congestión (todos sus canales ocupados) y en otra contigua hay canales libres, se puede tomar prestados algunos de estos canales sólo durante el período de congestión.

• El principio general de la asignación dinámica es que cualquier canal puede ser utilizado en cualquier célula.

Funcionamiento de un sistema celular típico

• Las estaciones base (Base Station, BS) están conectadas a centros de Conmutación del Servicio Móvil (Mobile Switching Centre, MSC), que son centrales de conmutación especializadas para ejecutar las funciones necesarias para el funcionamiento del sistema.

• La conexión BS-MSC se realiza medianteenlaces dedicados


• En los SRTM las comunicaciones son full-duplex por lo que se requieren 2 frecuencias diferentes para cada conexión, una en el sentido móvil a base y otra en el sentido contrario.

• Además, a cada BS se le asigna un canal de señalización y control para tareas tales como el establecimiento de la conexión.


• Los abonados deben estar localizados en todo momento para poder dirigirles las llamadas que se produzcan.

• Para ello, todo MSC dispone de dos tipos de bases de datos:

– el HLR (Home Location Register) donde se inscriben los abonados locales

– el VLR (Visitors Location Register) donde se inscriben los abonados que estan de paso.


• Cuando el abonado conecta su equipo, éste explora los canales de control de la BS y se sintoniza en aquél en el que reciba mayor señal, retornando su identificación.

• Si está en su MSC local se inscribe en la HLR, de lo contrario se inscribe en la VLR y se notifica a la HLR de su MSC.

• De esta forma, cuando llegue una llamada a su MSC, éste, tras consultar el HLR, podrá redirigirla al MSC en cuyo VLR esté inscrito el abonado.

VLR: Visitor Location Register

MSC: Mobile Switching Centre

HLR Home Location Register


• A esta facilidad de conexión del móvil dondequiera que esté se denomina roaming (vagabundeo).

• El MSC convierte el número del abonado destino en el código de identificación del abonado y difunde un mensaje de búsqueda (paging messitge) en las BSs que dependen de la MSC de paso en la que se encuentre el abonado

Señalización

• Cuando un usuario móvil realiza una llamada, el contacto inicial con le BS se realiza a través del canal de control.

• La señalización se realiza intercambiando paquetes de datos (modulados en FSK) que ocupan la totalidad del canal de control.

• La BS asignará un canal de voz (una pareja de

frecuencias) a la nueva conversación

• ambos, BS y terminal móvil, conmutarán al canal de voz mientras dure la conversación.

Señalización

• Para realizar tareas de supervisión, se envían dos tonos dentro del canal vocal pero fuera de banda.

– El primero es el SAT (Supervisory Audio tone),

– El segundo es el ST (Signaling Tone)

Señalización

• El SAT (Supervisory Audio tone), es un tono enviado por la BS y que debe ser devuelto por el terminal móvil mientras, la conversación está en curso.

• Su pérdida le indica a la BS que la señal es muy débil:– por acercarse a la frontera de la célula (por tanto se deberá

proceder a hacer un handover),

– por otras razones (fading, desconexión abruta, etc.,).

Señalización

• El ST (Signaling Tone) se usa, por ejemplo, al final de una conversación para indicar el colgado de un terminal

Señalización

• La pérdida del SAT puede desencadenar el proceso de handover.

• Para ello:

– la MSC pide a las BS adyacentes que monitoricen el nivel de la señal del canal de voz correspondiente, asumiendo que el móvil ha entrado en la zona de cobertura de aquella BS cuya señal se reciba con mayor amplitud

Señalización

• Establecimiento de handover:

– Si la conexión es posible en la nueva BS (quedan canales sin usar) la MSC, a través de la BS, le indicará al móvil la nueva frecuencia a utilizar.

• Para ello se interrumpe la señal de voz por un momento (unos 400 ms) y se le envía un mensaje de señalización al móvil.

• Esta interrupción es apenas distinguible durante una conversación, pero si se están transmitiendo datos se producirá una pérdida de información. (Validez de usar GSM)

Curvas de Okumura

SISTEMA DE TMA CELULAR DIGITAL

• Introducción

• Acceso múltiple (TDMA)

• Sistema de Telefonia Movil Digital GSM

Introducción

Las ventajas de un sistema digital son:

1. Puesto que la información que maneja el sistema (voz o datos) es digital, se posibilita una interconexión con la RDSI.

2. Un sistema digital permite la implantación de protocolos señalización rápidos, potentes, seguros y flexibles que permiten amplia gama de servicios suplementarios y protección contra el fraude de la red.

Ventajas

3. Absoluta confidencialidad en las comunicaciones de voz al hacer uso técnicas de cifrado digitales.

4. Mejora de la calidad de las comunicaciones al incorporarse modulaciones digitales que permiten trabajar con:

– mayores relaciones señal a ruido,

– códigos de detección y corrección de errores,

– técnicas de ecualización potentes, etc...

Todo ello permite reducir la distancia de reutilización y por tanto a una mayor densidad de tráfico con el mismo ancho de banda.

Ventajas

5. La tecnología digital permite el uso de técnicas de acceso múltiple división en el tiempo (TDMA).

– Es decir, que un mismo radiocanal es utilizado por distintos usuarios en intervalos de tiempo distintos.

– Esto permite aumentar todavía más la eficiencia espectral.

Acceso múltiple TDMA

• En los sistemas TDMA normalizados hasta ahora, la banda total disponible se divide en sub-bandas.

• A cada sub-banda se le asigna una portadora a la cual se le aplica el TDMA, por lo que, de hecho, tales sistemas son TDMA/FDMA, ya que los TDMA están multiplexados en frecuencia.


• La técnica TDMA requiere una memoria intermedia en la que se va depositando la información hasta que llega el instante de acceso al canal.

• Por ello los usuarios se comunican mediante ráfagas (burls) de información.

• Un terminal utiliza siempre el mismo intervalo de tiempo durante una misma Conversación


• Los principales inconvenientes de la TDMA son:

– la exigencia de funcionamiento sincronizado entre las estaciones, lo cual se logra médiante la inclusión de bits adicionales que permiten el mantenimiento de la sincronización

– la necesidad de utilizar tiempos de guarda entre distintos intervalo tiempo.

– Todo ello disminuye la eficiencia, entendida como la relación entre los bits de información y los bits totales transmitidos.

Resumen sistema Celular Digital

EUROPEO

GSM

AMERICA

NO

ADC

JAPONES

JDC

METODO DE ACCESO TDMA TDMA TDMA

ESPACIAMIENTO DE

PORTADORA200 Khz. 30 Khz. 25

USUARIOS POR

PORTADORA8(16) 3 3

RAZON DE BITS (VOZ) 13 Kbps 8 Kbps 8

TOTAL RAZÓN DE BITS 270 Kbps 48 Kbps 42

BW / CANAL 25 Khz. 10 Khz. 8,3

RAZÓN C/I REQUERIDA 9dB 16 dB 13

Sistema de telefonía Móvil Digital GSM

• En 1982, cuando aparecieron los primeros servicios celulares comerciales, la CEPT (Conférence Européene des Postes et Télécommunications) tomo la iniciativa de poner en marcha un grupo de trabajo (llamado Groupe Special Mobile) encargado de especificar un sistema de comunicaciones móviles común para Europa en la banda de 900 Mhz.


• Hoy en día el estándar GSM está funcionando con éxito tanto en países europeos como del resto del mundo.

• En 1993 habría más de 36 redes GSM en servicio en 22 países.

• Los servicios móviles pueden asociarse más fácilmente a un abonado que a un equipo o a una terminación de línea, proporcionando lo que se denomina servicios de comunicación personal


• Se ha logrado con el desarrollo de red de comunicación personal con acceso radio a la red fija afectar significativa el número de abonados.

• GSM, se ha adaptado a la banda 1800 Mhz, (1850-2200 Mhz), constituyendo el llamado DCS 1800 (Digital Cellular System).

SERVICIOS Y FACILIDADES DEL SISTEMA GSM

• Introducción

• Teleservicios

• Servicios portadores

• Servicios suplementarios

• Módulo de identidad de abonado

• Funciones de seguridad

Introducción

• Todos los servicios disponibles en la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI) han sido incluidos en el desarrollo de GSM.

Teleservicios

• La telefonía es el teleservicio más importante en el sistema GSM. Permite las llamadas entre la red pública (RTPC/RDSI) y la red móvil.

• Existen en el sistema GSM llamadas de emergencia que permiten una conexión directa y automática con el servicio de emergencia más próximo, marcando simplemente 112

Teleservicios

• Se soporta el servicio de fax del Grupo 3 siempre que se disponga de los adaptadores de interfaz correspondientes.

• Se dispone de un tipo de correo electrónico:

– Es un servicio de mensajes cortos (160 bytes) que puede ser considerado como un servicio de búsqueda (paging) alfanumérico y bidireccional.

– Se confirma la entrega de los mensajes, lo que constituye una ventaja importante sobre los sistemas búsqueda,

– Esta disponible en modo punto a punto y difusión.

Servicios portadores

• Para el caso de servicios de datos, soportan velocidades de transmisión que van de los 300 bits/s a los 9.6 Kbits/s.

• El modo de transmisión puede ser tanto transparente como no transparente.

• En este último caso se consigue una protección adicional contra errores mediante un proceso de confirmación a nivel de protocolo del enlace de radio.

Servicios suplementarios

• Muchos de estos servicios son equivalentes a los disponibles en la RDSI.

• Los principales servicios son:

– llamada restringida (con criterios tales comoimposibilidad de realizar llamadas salientes o llamadas internacionales),

– el desvío de llamadas (si el abonado móvil está ocupado o ausente)

– la identificación del abonado llamante.

Módulo de identidad de abonado

• Un terminal GSM no tiene acceso a la red salvo si dispone de todos los datosespecíficos del abonado.

• Estos datos están incluidos en una tarjeta inteligente llamada SIM (Subscriber Identity Module) que debe introducirse en el terminal.

Módulo de identidad de abonado

• La tarjeta SIM, cuyo acceso se protege con un número de identificación personal, contiene no sólo los datos del abonado (número en la RDSI, clave personal, etc...) sino también determinada información personal, como marcación abreviada de números, lista de redes preferentes e información de tarificación.

• En la tarjeta SIM también se almacenan los mensajes cortos.

Funciones de seguridad

• El enlace del terminal con la red podría estar sujeto a intentos de utilización fraudulenta del canal o de intercepción no autorizada. En el sistema GSM la protección se realiza a tres niveles:

1. Autentificación por el sistema de las tarjetas SIM, para impedir el accedo de usuarios no registrados.

2. Cifrado de la transmisión de radio para impedir escuchas no autorizadas ( datos).

3. Protección de la identidad del abonado

ARQUITECTURA FUNCIONAL E INTERFACES DE UN SISTEMA GSM• Introducción

• Bases de datos

• Plan de numeración

• Estructura de protocolos

Introducción

• El sistema de la estación comprende un controlador y un equipo transmisor-receptor desplegado en el área de cobertura.

• La parte del subsistema de red incluye un equipo de conmutación (MSC, Mobile Switching Centre) dedicado al servicio móvil, que enlaza todos los elementos del sistema, a través de líneas dedicadas, con la red pública (RTPC o RDSI).

Bases de datos

• La HLR (Home Location Register). Almacena información de los abonados locales tal como: el perfil de servicio de cada abonado y su posición en todo momento.

• La VLR (Visiting Location Register). Almacena la identificación de los usuarios que se encuentran de paso por las células que dependen de un MSC.

Bases de datos

• La EIR (Equipment Identity Register). Almacena los identificadores de los equipos de los abonados. Ello se utiliza para detectar el uso no autorizado de equipos de usuario, impidiéndose el acceso a la red.

• La AC (Authentication Centre). Almacena la llave y el algoritmo para cifrar la identidad del usuario y para cifrar la información que viaja vía radio.

Plan de numeración

• Se asigna un número internacional RDSI bien al usuario, a través de la tarjeta SIM, o bien al terminal móvil. La numeración en cada país debe ser compatible con el plan de numeración nacional correspondiente.

• El número consiste en un código de país, un código intra-nacional (que básicamente identifica la red móvil destino) y el número de abonado.

Plan de numeración

• Fundamentalmente, el número de abonado define el encaminamiento de la llamada a través de la RTPC/RDSI hacia la MSC destino.

• El MSC usa el número de abonado para extraer de la HLR la información de re-encaminamiento apropiada para hacer llegar la llamada a la MSC en la que se encuentra el abonado de paso.

Plan de numeración

• La información de re-encaminamiento viene especificada por el número de vagabundeo (roaming number) que se obtiene de la HLR. Este número es un código temporal asignado por la VLR al usuario visitante y enviado a la HLR y tiene la misma estructura que los números RDSI de la zona en la que se encuentra el usuario.

Estructura de protocolos

• Por analogía con el modelo OSI, el sistema GSM puede describirse considerando 3 capas funcionales en las principales entidades e interfaces.

Estructura de protocolos

• La funcionalidad asociada a estas capas es:– Gestión de los recursos de radio, (handover,

gestión de potencia, sincronización, gestión de canal).

– Gestión de la movilidad.– Control de la llamada.– Gestión de los servicios suplementarios.– Servicios de mensajes cortos.– Gestión de operación y mantenimiento.– Transmisión

Protocolos de capa uno

• Estructura de canales de radio

• Canales físicos y canales lógicos

• Codificación de la información

Estructura de canales de radio

• Se utiliza una estructura de acceso TDMA/FDMA,

• Se han estandarizado dos bandas de frecuencias:

1. 890 - 915 Mhz para la dirección móvil a estación base.

2. 935 - 960 Mhz para la dirección estación base a móvil.


• Estas bandas se han dividido en 124 pares de portadoras separadas 200 Khz, empezando con el par 890.2/935.2 Mhz.

• Cada célula tiene asignadas un conjunto de pares, desde sólo una a un máximo de 15.

• El tamaño de las células varía de 1 a varios kilómetros.


• Cada una de las portadoras se ha segmentado en tiempo, de acuerdo a un esquema de acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA), en 8 intervalos de tiempo de duración 0.577 ms/intervalo.

• Los intervalos de tiempo se numeran del 0 al 7 en la trama, cuya duración es de 4.615 ms.


• Esta misma estructura se emplea en los enlaces ascendente y descendente, pero con un desplazamiento de 2 intervalos, para que un móvil que utilice un canal físico concreto transmita y reciba en instantes de tiempo diferentes.

• De este modo se evita el duplexor de antena.

• Además, el móvil monitoriza la señal enviada desde células adyacentes para, en su caso, solicitar un cambio de célula

Relación temporal entre los canales de transmisión, recepción y

monitorización para un móvil cualquiera en un sistema GSM


• La estación móvil transmite en ráfagas, cuando llega el intervalo de tiempo correspondiente, de 148 bits, más 8.25 bits de guarda para permitir pequeños desplazamientos de tiempo dentro del intervalo.

• La velocidad de transmisión es de 156.25 bits/ 0.577 ms = 270.833 Kbit/s.

• Estos valores numéricos son aproximados puesto que en la recomendación GSM los tiempos se dan tomando como referencia una multitrama

Descripción de los distintos tipos de ráfagas en un sistema GSM


• La recomendación define 5 tipos de ráfagas:

– ráfaga normal,

– ráfaga de corrección de frecuencia,

– ráfaga de sincronización,

– ráfaga muda (dummy) y

– ráfaga de acceso.

• La ráfaga muda se usa para el envío de señal de continuidad, sin información


• la ráfaga muda tiene la misma estructura que la ráfaga de corrección de frecuencia.

• La ráfaga de tráfico de abonado consta de 148 bits con la siguiente asignación:

– 3+3 bits de cabecera-cola (Tail Bits). Tienen por objeto lograr ecualización de todos los bits por igual.

Estructura de canal de radio

– 2x57+2 bits de información (bits encriptados). De ellos 2x57 son información y otros dos indican si la ráfaga es de tráfico de abonado o de señalización por robo de intervalo

– 26 bits que constituyen la secuencia de entrenamiento. Esta es secuencia conocida de bits que permite al receptor adquirir la sincronización y analizar las condiciones del canal con objeto de ajustar el ecualizador.

• La modulación utilizada es la denominada GMSK (Gaussian Mínimum Shift Keying)

Canales físicos y canales lógicos

• Un canal físico se forma mediante la repetición periódica de un intervalo de tiempo.

• La tasa binaria que ofrece un canal físico se comparte entre varios canales lógicos, soportándose de esta forma una multiplexación de canales lógicos sobre físicos.

Canales físicos y canales lógicos

• En GSM se definen, fundamentalmente, dos tipos de canales lógicos: – los de tráfico de abonado y – los de señalización y control.

• Para soportar estos canales lógicos se definen dos estructuras de multitrama:– una de 26 tramas (con una duración de 120 ms)

para los canales de tráfico y – otra de 51 tramas (con una duración de 235.38

ms) para canales de señalización y control

Jerarquía de tramas en un sistema GSM

Multitrama de 26 tramas

• La estructura de 26 tramas soporta canales de tráfico (Traffic Channel, TCH) y sus correspondientes canales asociados de control, que pueden ser:

– lentos (Slow Associated Control Channel, SACCH) o

– rápidos (Fast Associated Control Channel, FACCH).

Estructura de la multitrama de 26 tramas (que soporta el tráfico de abonado)

Estructura de la multitrama de 26 tramas


• Se han definido dos tipos de TCH:

– de velocidad máxima: Un TCH de velocidad máxima permite la transmisión de voz codificada a 13 Kbit/s o de datos a 3.6, 6, ó 9.6 Kbit/s.

– de velocidad a mitad: Un TCH de velocidad a mitad, que se consigue usando en media una ráfaga de cada dos, permite transportar voz codificada a 6.5 Kbit/s y datos a 2.4 y 4.8 Kbit/s.


• Estas velocidades son las velocidades de información útil, puesto que las velocidades reales son algo mayores (22.8 Kbit/s) debido a la información de control que hay que incluir.

• Los TCH de velocidad máxima se implementan sobre 24 de las 26 tramas de la multitrama, donde cada TCH ocupa el mismo intervalo de tiempo en cada trama.


• La trama 12 (numeradas desde la 0), se dedica a los canales SACCH (Canales de Control Asociados Lentos), obteniéndose 8 canales SACCH, uno para cada uno de los 8 TCHs.

– Los canales SACCH llevan señalización correspondiente a la información recurrente, como ajuste de potencia, medidas de calidad de canal, información de tarificación, etc...

• La trama 25 está reservada para implementar los 8 SACCH adicionales requeridos para soportar los 8 canales TCH adicionales de velocidad a mitad


• El canal lógico FACCH se obtiene bajo demanda mediante el robo de intervalos a un TCH.

• Se utiliza para el envío de mensajes urgentes como son los relativos al control del handover entre células.

• El robo de un intervalo se indica mediante los l/fogs correspondientes en la ráfaga de tráfico.


• Soporta los canales de señalización y control de tipo general como son:

– El inicio/final de la llamada,

– identificación y actualización del móvil


Los canales lógicos de que se dispone son:

• SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel).

– Se utiliza para transferencia de señalización de control de la llamada, desde y hacia el móvil durante el establecimiento de la llamada.

– Como los canales TCH, el SDCCH tiene asociado su propio SACCH y se libera cuando la llamada ha sido establecida.


• BCCH (Broadcast Control Channel). Se utiliza en la dirección base (BS) a móvil para la difusión de información a nivel de sistema como puede ser: parámetros de sincronización, servicios disponibles e identificador de célula.

– Este canal está activo de forma permanente, enviando ráfagas mudas cuando no hay información que transmitir, pues los móviles monitorizan el nivel de Fi recibida de este canal para la determinación del handover


• SCH (Synchronization Charmel). Se utiliza para difundir información, desde la BS al móvil, de sincronización de trama.

• FCCH (Frequency Control Channel). Se utiliza para difundir información, desde la BS al móvil, de sincronización de portadora.


• CCCH (Common Control Channels). Son un conjunto de canales lógicos que se utilizan para transferir información de señalización entre todos los móviles y la BS, p.e cuando se origina una llamada o se realiza una búsqueda mediante llamada (paging).

• Hay tres canales de control comunes:

– PCH (Paging Channel)

– RACH (Random Access Channel).

– AGCH (Access Grant Channel).


• PCH (Paging Channel). Lo utiliza el sistema para realizar la búsqueda de los móviles.


RACH (Random Access Channel).

• Lo utilizan los móviles que tratan de comunicarse con el sistema.

• Se utiliza un protocolo de acceso denominado ALOHA RANURADO para solicitar la adjudicación de un canal SDCCH con el que poder iniciar el establecimiento de una llamada.


• AGCH (Access Grant Channel). Lo utiliza el sistema para asignar recursos a los móviles como puede ser un SDCCH.

• los canales PCH y AGCH nunca son usados por el sistema en el mismo instante y por tanto pueden estar implementados sobre el mismo canal lógico.


• Todos los canales lógicos descritos, excepto el SDCCH, se implementan sobre el intervalo 0 de las tramas que forman la multitrama (de 51 tramas).

• Para ello se utiliza una frecuencia dedicada exclusivamente a tareas de control y que se asigna de forma individual a cada célula


• El SDCCH y su canal SACCH se implementa sobre un canal físico seleccionado por el operador.

• Dependiendo de las necesidades y criterios del operador, se pueden crear tres estructuras de multiplexación de canales lógicos alternativas:1. Un canal de difusión (BCCH) y un canal común

(CCCH). Ver Figura2. Ocho canales dedicados independientes (SDCCHs).3. Cuatro canales de control SDCCH, un BCCH y un

CCCH.

Multitrama de 51 tramas que soporta la señalización y control

Deslizamiento de la multitrama de 51 tramas sobre la de 26 tramas

• Los canales de transmisión y recepción están desplazados en el tiempo de manera que el receptor dispone de cierto tiempo para sintonizarse a la nueva frecuencia.

• Para permitir que todos los terminales móviles puedan monitorizar los canales de control, la multitrama de 51 tramas se desliza en el tiempo respecto a la, multitrama de 26 tramas tal y como se ve en la Figura

Deslizamiento de la multitrama de control sobre la de tráfico para permitir la monitorización de

cualquier intervalo temporal

• De esta forma, cada estación móvil transmite en un intervalo de tiempo y recibe en otro, de los seis restantes tres se utilizan para conmutar en frecuencia y los otros tres se dedican a monitorización de los canales de control.

Codificación de la información

• El medio de transmisión radio que se usa para las comunicaciones móviles está sujeto a una gran variedad de interferencias.

• Las señales que interfieren son principalmente de tipo ráfaga y proceden bien de fuentes externas al sistema o bien de interferencias internas provocadas por la reutilización de frecuencias o la propagación multicamino.

Codificación de la información

• Para conseguir una tasa de error aceptable (superiores a 10 para voz) se usan diversas técnicas de codificación en el transmisor:

– Codificación de fuente

– Codificación de canal

Codificación de fuente

• Comprende las operaciones necesarias para transformar una señal analógica en otra digital de velocidad relativamente baja.

• En un entorno de comunicaciones móviles la codificación de fuente se aplica a la señal de voz.

• Los algoritmos de codificación de fuente pueden clasificarse en tres categorías:

– Codificadores de Forma de Onda

– Codificadores parametrito

– Codificadores mixtos

Codificadores de Forma de Onda

• En estos se transmite la información sobre la forma de la señal.

• Algunos son:

– la técnica MIC (Modulación por Impulsos Codificados) o PCM (Pulse-Code Modulatiori),

– la modulación delta (Delta Modulation, DM) o versiones adaptativas de esta ADM (Adaptative Delta Modulation) o ADPCM.

• El límite inferior de velocidad, con una calidad aceptable, es demasiado elevado para aplicaciones móviles

Codificadores parametrito

• Hacen uso de la estacionariedad a corto plazo de la voz, para extraer y transmitir parámetros de un modelo matemático de la generación y percepción del habla.

• Los codificadores paramétricos, llamados también, vocoders, pueden funcionar con velocidades binarias muy reducidas del orden de 2 a 4 Kbit/s, pero la calidad que ofrece es mediocre y requieren un elevado grado de protección contra errores.

Codificadores mixtos

• De ellos podemos destacar los de la familia RELP (Residual Excited Linear Prediction).

• Estos son los que se han normalizado para el uso en GSM, con una velocidad de 13 Kbit/s.

Codificación de canal

Codificación de bloque:

• En este caso, la información se codifica en paquetes de k bits. A cada grupo de k bits se le hace corresponder de forma unívoca la palabra-código de n =r+ k bits

Códigos convolucionales.

• Aquí los bits de redundancia se van generando a medida que entra cada bit de información al codificador.


• Conceptos Básicos

información paridad

k

n

n-k

Código(n,k)

Rc = k / n

Se adhieren con

el objeto de detectar

o corregir errores


Código Convolucional:

• La mayoría de estos códigos tienen un rendimiento igual a 1/2, es decir, cada bit de información genera un bit de redundancia directamente.

• Interviene además con otros en la producción de p bits, siendo p una característica del código llamada longitud obligada del código.


• Conceptos Básicos

Secuencia de

información

Secuencia de

Inform. codificadaEncoder

• Mapeo altamente estructurado.

• Puede lograr mayor ganancia de Código que los códigos de bloque.


k bits

de

datos

N etapas

k kk1 11

+ ++

1 2 n

• Codificación

N:= restricción de longitud (poder y complejidad) Rc = k / n

(n,k)


• Los códigos convolucionales producen un tren continuo de bits y tienen gran poder corrector.

• Existe para ellos un método de decodificación muy potente, el algoritmo de Viterbi, que efectúa la decodificación mediante la selección de la palabra-código más probable del conjunto de las posibles, de acuerdo a una métrica.


• Algoritmo de Viterbi:

B

d e

A

f

1 V(S 0,0)=0 , i=1

2 Se calculan las

medidas para las

rutas que entran

a cada nodo

3 7

3 V(SA,1) = 3

4 Se borran las ramas

que no sobreviven


• Algoritmo de Viterbi: 1 V(S 0,0)=0 , i=1

2 Se calculan las

medidas para las

rutas que entran

a cada nodo

d e

A

3

3 V(SA,1) = 3

4 Se borran las ramas

que no sobreviven

5 si i < L+ m

i = i + 1

y vuelve a 2


• En la práctica, la codificación de canal hace uso de ambas estructuras, utilizándose un código externo de tipo bloque, con gran capacidad de detección de errores, y otro código interno superpuesto al anterior, de tipo convolucional para la corrección de errores.


• Con objeto de minimizar la redundancia, se aprovecha la propiedad de que en el tren producido por el codec vocal hay bits mucho más sensibles que otros, por lo que son objeto de un mayor grado de protección que los menos significativos.


• Los bits de la palabra-código de canal no deben transmitirse de forma consecutiva, ya que una ráfaga de errores en el canal afectará a toda la palabra, destruyendo las propiedades correctoras del código.

• Es necesario distribuir el efecto de la ráfaga entre palabras-código diferentes


• Para ello se utiliza una técnica denominada "entrelazado de bits", mediante los m bits de la palabra-código de canal se transmiten separados entre sí, entrelazándolos con bits de otras palabras para aleatorizar el efecto de los errores de transmisión por el canal, como se puede observar en el ejemplo de la filmina siguiente

Ejemplo del impacto del entrelazado con errores tipo ráfaga

Proceso de la información

en el transmisor

Protocolo de capa 2 en el sistema GSM

• Interfaz móvil a estación base

• Interfaz entre estación base y centro de conmutación móvil

Interfaz móvil a estación base

• El protocolo de la capa de enlace de datos se denomina LAPDm (Link Access Protocol for D-channel), que es el protocolo LAPD, utilizado para soportar la señalización sobre canal D en la RDSI, pero convenientemente modificado para su uso en un entorno de radio como es el caso de GSM.

La estructura de la trama LAPDm

Está compuesta de los siguientes campos:

• Flags. No se usan flags y por tanto tampoco bit stitffing, es la capa física la que delimita las fronteras de la trama.

• Indicador de Longitud. Delimita el campo de información del campo de relleno (de acuerdo a requerimientos de la capa física).

La estructura de la trama LAPDm

Campo de Direccionamiento.• consta de los siguientes subcampos:

– Identificador del Punto de Acceso al Servicio (Service Access Point Identifier, SAPI). Define el ente origen o destino de la trama.

Campo de Direccionamiento

Algunos SAPI interesantes y sus usos:

• 0: Procedimientos de control de llamadas.

• 16: Comunicación de modo de paquetes conforme al protocolo X25 de capa 3.

• 63: Intercambio de información de administración de capa 2.

• 32-61: Conexiones Frame-Relay.


– Discriminador de Protocolo (Link Protocol Discriminator, LPD). Se usa para especificar alguna de las recomendaciones especiales de LAPDm.

– C/R Indica Comando o Respuesta y su uso es el mismo que el del LAPD.


– Dirección Extendida (Extended Address, EA). Se utiliza para extender el campo de direccionamiento más allá de un octeto. Se debe poner a "1" en el último octeto y a “0" en los demás.

– El bit número 8 se ha reservado para uso futuro.

Campo de Control

• Soporta los números de secuencia y especifica el tipo de trama, todo ello de forma análoga a como se hace en LAPD.

Campo de Control

• En LAPDm se utilizan los mismos tipos de trama que en LAPD:

– tramas no numeradas de información y control (soportan las comunicaciones sin reconocimiento),

– tramas de transferencia de información (soportan las comunicaciones con reconocimiento) y

– tramas de supervisión (soportan el envío de ACKs cuando no hay información que transmitir en sentido contrario).

Campo de Detección de Errores

• No se utiliza este campo en el LAPDm, puesto que la detección (y corrección de errores) se realiza en la capa física.

Interfaz entre estación base y centro de conmutación móvil

• El interface entre la BS y el MSC se realiza sobre un enlace de 2.048 Mbit/s enel que los canales de voz y los de señalización comparten el medio mediante unmultiplexado por división en el tiempo.

Interfaz entre estación base y centro de conmutación móvil

• Los canales lógicos de señalización son elsoporte de la Parte de Transferencia de Mensaje (MTP) del SS7 de la UIT-T(antes CCITT), que provee los servicios típicos de capa 2 como son:

– detección de errores,

– control de flujo y

– secuenciamiento correcto de los paquetes

Protocolos de capa 3 en el sistema GSM

• Introducción

• Gestión de recursos de radio

Introducción

• Las funciones atribuidas a la capa 3 en GSM no son compatibles con las que se han otorgado a la capa 3 de OSI.

• Los protocolos de capa 3 en GSM se utilizan para soportar funciones tales como:

– la gestión de los recursos de radio,

– la gestión de la movilidad y

– la gestión de la información relacionada con una llamada.

Introducción

• En el modelo OSI estas funciones estarían atribuidas a capas superiores.

• Por ello, se prefiere llamar "Nivel de Mensaje (NM)" a la capa 3 en GSM.

• El NM está compuesto de 3 subcapas:

• la subcapa de gestión de los recursos de radio (Radio Resource Management, RR),

• la subcapa de gestión de la movilidad (Mobility Management, MM) y

• la subcapa de gestión de la conexión (Connection Management, CM).

Introducción

• El NM también implemento funciones del SS7 de la UIT-T (antes CCITT), tanto de la parte de transferencia de mensajes (Message Transfer Parí, MTP) como de la parte de usuario (User Part, UP) para el control de la conexión entre la BSC y el MSC

Gestión de recursos de radio

• El conjunto de protocolos de capa 3 controla el enlace entre los terminales y la red.

• Un terminal equipado con una tarjeta SIM, cuando se pone en funcionamiento, explora los canales radio para encontrar el canal (lógico) de sincronismo y así sincronizarse.

• Se queda entonces en un modo semi-activo, esperando bien el ser llamado mediante el canal de búsqueda, bien una petición para acceder a la red enviando un mensaje en el canal de acceso aleatorio


• En el último caso se asigna un canal dedicado mediante el canal de acceso.

• El proceso de búsqueda es tal que permite al terminal estar en modo semi-activo (stand by) para ahorrar energía.


Handover

• En GSM el concepto del handover se ha extendido al ámbito intra-células, lo que implica que se pueden seleccionar distintos canales incluso en la misma célula.

• Antes de tomar la decisión de realizar un handover, el controlador de la estación base acumula información sobre el tráfico y sobre la situación del enlace de radio, como la calidad (tasa de errores), la potencia transmitida, el nivel de señal recibido y la desviación en tiempo.


• Tanto la BS como los terminales realizan medidas de calidad.

• Aprovechando la estructura TDMA, el terminal mide parámetros de la señal que recibe de las células vecinas (a petición de la BS).

• Los algoritmos para la decisión del handover se implementan en la BS, pero no están especificados en las recomendaciones GSM.

– Así cada fabricante es libre de diseñar un algoritmo exclusivo, esto es especialmente decisivo en entornos de alta densidad de tráfico con células pequeñas.

Control de potencia

• Las dos direcciones del enlace radio entre el terminal y la BS están sujetas a ajustes de potencia continuos (de hecho cada 60 ms) en un margen de unos 26 dB.

• Este ajuste de potencia, tanto del transceptor de la BS como del terminal se realizan bajo la supervisión del sistema de control de la BS.

• Esto mejora el aprovechamiento del espectro al limitar las interferencias dentro del sistema y ahorra batería.

Control de la desviación en tiempo

• Como los terminales que se encuentran dentro de una misma célula se encuentran a distintas distancias de la BS (diferentes retardos de propagación), las ráfagas que ésta recibe tienen diferentes retardos.

• La dispersión en tiempo hace necesario un tiempo de guarda grande entre ráfagas, lo que da lugar a un bajo aprovechamiento del ancho de banda

Control de la desviación en tiempo

• Para minimizar este efecto en el interfaz aire, se hace un ajuste de tiempo en el terminal.

• Este ajuste cubre un margen de 233 ms, que permite la corrección para células de un radio máximo de 35 Km.

• La BS monitoriza la desviación en tiempo de cada terminal y lo utiliza como un criterio para realizar el handover y también para ayudarle a corregir su desviación antes de llevar a cabo un handover sincronizado.

gestión de los canales radio

• Las recomendaciones GSM dejan una gran flexibilidad a la hora de definir una estrategia de asignación en tiempo real de canales comunes y dedicados.

• En particular, el conjunto de canales dedicados puede escogerse dinámicamente utilizando colas, asignación por partes o prioridad para los canales "de mejor calidad".

Gestión de la seguridad

• La autentifícación se realiza pidiendo al terminal el resultado de un cálculo específico sobre un número aleatorio (RAND) que envía el sistema, y comprobando después este resultado con el correcto.

• Este proceso de cálculo depende de hecho de una clave secreta (Ki) que es especifica para cada tarjeta SIM de cada abonado.


• El calculo se hace siguiendo un algoritmo de cifrado A3, que tiene la propiedad de que conociendo el resultado y una entrada (RAND), no puede deducirse prácticamente la otra entrada (Ki).

• La clave secreta (Ki) y el algoritmo A3 se almacenan, con protección, en la tarjeta SIM y en el HLR.


• El cifrado de la ráfaga de datos se logra con un segundo algoritmo de cifrado A5, que se aplica a una clave (Kc) que se escoge para cada conexión y a un número que cambia en cada ráfaga.

• La clave Kc se calcula en el terminal y en el HLR con un tercer algoritmo A8, similar al A3.

• Los algoritmos A3 y A8 no se especifican en las recomendaciones GSM, sino que se dejan a la elección del operador.

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS• Eberspacher Jorg y Vogel Hans-Jorg, "GSM Protocols," John

Wiley & Sons. 1999.

• Heine Gunnar, "GSM Networks: Protocol Implementation," Artech House (Artech Library.), 1999.

• Hernando Rábanos José Ma, "Transmisión GSM, Editorial Centro de Estudios Ramón Arcces S.A .

• Mehrotra Asha, "GSM System Engincering." Ail. Communications Series, 1997.

• Mouly M. y Pautet M.B., "The GSM Communications,", publicado por los autores I SU I 1992.

• Redi Siegmund, Matthias Weber, Malcolm W. “Personal Communications Handbook," Artei. Mobile Communications Library). 1998

Sistemas de telefonía celular (1)

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