Semana 1 - Introduccion a Los Sistema Moviles

AREA DE TRANSFERENCIA DE CONOCIMIENTOS

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POSTGRADO A DISTANCIA: INGENIERIA DE TELECOMUNICACIONES

COMUNICACIONES INALÁMBRICAS

COMUNICACIONES INALAMBRICAS

OBJETIVO GENERAL DEL CURSO

Brindar una visión amplia de la tecnología celular aplicada a comunicaciones móviles, sobre la base del funcionamiento de sistemas AMPS. La orientación del curso está dirigida al conocimiento de la estructura, el funcionamiento y las bases teóricas de los sistemas celulares móviles aplicados a la radiotelefonía celular. La base obtenida en este curso permitirá al participante el estudio de tecnologías celulares digitales emergentes y su aplicación en móviles, considerando la tendencia hacia la portabilidad de los servicios.

SUMARIO

1. Introducción a las Comunicaciones Móviles. 2. Sistemas Móviles Celulares. 3. Consideraciones para el Diseño de un Sistema Celular. 4. Conmutación y Tráfico 5. Radiopropagación del Ambiente Móvil 6. Sistemas de Comunicación Troncalizados

INTRODUCCIÓN

La tecnología celular ha surgido como evolución de los sistemas de comunicaciones móviles, se caracteriza por ser un proceso acelerado en los últimos años por la gran demanda de servicios móviles de telefonía, datos y otros servicios complementarios basados en redes celulares. La radiotelefonía móvil surge como consecuencia de la necesidad de integrar las redes de radiocomunicaciones móviles y las redes de telefonía fija. Las primeras surgieron en la década de 1920 y se desarrollaron durante la segunda guerra mundial. En la década de 1970 ya se tenía operando en varias ciudades sistemas de radiotelefonía analógica gracias al desarrollo de los semiconductores y los circuitos integrados que permitieron en desarrollo de terminales de menor tamaño en relación a los empleados en la mitad del siglo XX. La demanda de servicios de telefonía móvil fue en aumento y los sistemas de telefonía existentes no se abastecían, por lo que la industria desarrolló un sistema avanzado que permitiría mejorar la performance de los sistemas existentes en cuanto a calidad de comunicaciones, capacidad de atención a abonados, en la forma, reducción del tamaño y consumo de los terminales móviles, dando paso al surgimiento de la actual era celular. A partir de 1980 se ingresa en la era celular en donde se pueden distinguir tres generaciones: la primera generación 1G motivo del presente curso, conformada por sistemas analógicos entre ellos el AMPS empleado en nuestro medio; la segunda generación 2G consistente en sistemas digitales: DAMPS, GSM, CDMA, PDC con velocidades promedio de 9,600 bps; la generación 2.5 con GPRS, CDMA rev B con velocidades de 64 Kb/s y finalmente la tercera generación 3G con sistemas operando con tecnologías WCDMA y CDAM200, con velocidades actuales de 144 Kb/seg y proyecciones de llegar a 2 Mb/seg.


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En el primer módulo analizaremos al sistema de comunicaciones de manera general, desde los elementos que lo conforman hasta los parámetros necesarios para evaluar la calidad del sistema hasta la evolución a los sistemas 3G actuales, luego en el siguiente módulo se estudiara la eficiencia en el uso de frecuencias dada la gran cantidad de usuarios de estos servicios, analizaremos cuales son los criterios para el buen desempeño del sistema, partiendo de esto en el módulo 3 estudiaremos el principio de rehúso de frecuencias, asimismo determinaremos los factores que afectan el sistema celular (interferencia, C/I, etc). El mecanismo que permite que dos o más usuarios puedan comunicarse, se denomina conmutación, trataremos este concepto en el módulo 4, y en el siguiente módulo abarcaremos las técnicas que nos permitirán ofrecer un mejor servicio a los usuarios, esto implica el estudio de la propagación de las señales, y las posibles perdidas de las mismas en el medio ambiente y el futuro de la evolución al desarrollo de comunicaciones móviles a lago plazo (LTE) también denominada 4G. Finalizaremos este curso con el estudio de los sistemas de radio bidireccional denominado sistema troncalizado.


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MÓDULO 1

INTRODUCCION A LAS COMUNICACIONES MÓVILES

OBJETIVOS

• Distinguir los elementos de los sistemas de comunicaciones. • Identificar los elementos que permiten evaluar la calidad de un sistema de comunicaciones

móviles. • Describir las diversas tecnologías usadas en los sistemas móviles celulares, tales como

técnicas de acceso múltiple, técnicas de duplexión, técnicas de codificación de voz y las técnicas de modulación digital.

CONTENIDO DEL MODULO

COMUNICACIONES INALAMBRICAS .............................................................................................. 1 OBJETIVO GENERAL DEL CURSO.................................................................................................. 1 SUMARIO.......................................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN............................................................................................................................... 1 INTRODUCCION A LAS COMUNICACIONES MÓVILES.................................................................. 3 OBJETIVOS....................................................................................................................................... 3 CONTENIDO DEL MODULO............................................................................................................. 3 INTRODUCCIÓN............................................................................................................................... 4

1.1 INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES .................................................. 5 1.1.1 Visión global de un sistema de comunicaciones móviles ................................................ 5 1.1.2 Sistema básico de comunicaciones móviles: .................................................................. 6

1.2 PRINCIPIOS DE RADIOCOMUNICACIONES.................................................................... 6 1.2.1 Calidad de los sistemas y servicios de Radiocomunicaciones ........................................ 6 1.2.2 Tráfico cursado:.............................................................................................................. 7 1.2.3 Grado de servicio (GoS): ................................................................................................ 7 1.2.4 Dimensionamiento de canales........................................................................................ 7

1.3 SISTEMA IRRADIANTE ..................................................................................................... 8 1.3.1 Cables coaxiales ............................................................................................................ 8 1.3.2 Conectores ..................................................................................................................... 9 1.3.3 Antenas .......................................................................................................................... 9 1.3.4 Combinador .................................................................................................................. 10 1.3.5 Multiacoplador .............................................................................................................. 10 1.3.6 Duplexor ....................................................................................................................... 10

1.4 HISTORIA Y CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES CELULARES.................. 11 1.5 TECNOLOGÍAS USADAS EN SISTEMAS MÓVILES CELULARES................................. 13 1.6 TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE ............................................................................... 14 1.7 TÉCNICAS DE DUPLEXIÓN............................................................................................ 15

1.7.1 FDD (Frequency División Duplex)................................................................................. 15 1.7.2 TDD (Time División Duplex) ......................................................................................... 16

1.8 TÉCNICAS DE CODIFICACIÓN VOCAL.......................................................................... 16 1.8.1 Codificadores de la Forma de Onda ............................................................................. 17 1.8.2 VOCODERS (Voice CODERS)..................................................................................... 19 1.8.3 Codificadores Híbridos ................................................................................................. 20

1.9 TÉCNICAS DE MODULACIÓN DIGITAL.......................................................................... 20 1.9.1 Modulación de Desplazamiento de Amplitud (ASK): ..................................................... 20 1.9.2 Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (BFSK): .............................................. 21 1.9.3 Modulación por desplazamiento de Fase (PSK, BPSK): ............................................... 22


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1.10 Tecnologías Celulares de Tercera Generación (3G):........................................................ 25 1.10.1 Tecnología UMTS – evolución. ................................................................................. 25 1.10.2 Agrupación de servicios: (Service bundling) ............................................................. 26 1.10.3 Arquitectura UMTS ................................................................................................... 27 1.10.4 Modelo universal de protocolos UTRAN. .................................................................. 31 1.10.5 Evolución de la red de acceso UTRAN ..................................................................... 33 1.10.6 Evolución UMTS....................................................................................................... 35 1.10.7 Proyección de la evolución de la industria 3G y 4G. ................................................. 38 1.10.8 Comparación HSPA, UMTS, EDGE.......................................................................... 39

INTRODUCCIÓN

El análisis de los sistemas de comunicaciones, requiere el conocimiento de los elementos, sus características y la interrelación entre ellos. Todo sistema de comunicaciones está compuesto por elementos transductores de entrada y salida, trasmisor, receptor y medio de transmisión cuyo conjunto representa el canal de comunicaciones. Por otro lado en un sistema de comunicaciones entre otros aspectos, estamos interesados en la calidad de la comunicación y la disponibilidad del sistema. La calidad de la comunicación depende del nivel de la portadora (que lleva la información) en relación con la suma del ruido más la interferencia a la entrada del receptor. Existen técnicas de modulación como la de espectro ensanchado la cual se ha implementado en sistemas celulares CDMA, los cuales resisten un nivel elevado de interferencia, incluso superior al nivel de la señal portadora.


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DESARROLLO DEL MÓDULO

1.1 INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES MÓVILES

Los sistemas de comunicaciones móviles son aquellos que permiten la comunicación entre usuarios que se desplazan libremente en lugares geográficos diferentes. Estos sistemas constituyen grandes redes de comunicaciones (redes públicas) o redes pequeñas (redes privadas). Las redes de comunicaciones móviles permiten cursar diferentes servicios, entre ellos:

• Telefonía móvil • Envío de mensajes cortos y largos • Comunicaciones grupales • Servicio de buscapersonas • Correo electrónico • Vídeo de baja velocidad

1.1.1 Visión global de un sistema de comunicaciones móviles

Un sistema de comunicaciones consta de los siguientes elementos:

• Equipo transmisor: elemento que permite la adaptación de la señal de información a transmitir al medio de transmisión radioeléctrico, este proceso es realizado por medio de la modulación:

• Equipo receptor: elemento que permite recuperar la información de la señal modulada emitida por el transmisor, el receptor permite discriminar la señal de interés dentro de un conjunto de señales indeseadas (interferencia o ruido).

• Medio de transmisión: El medio lo constituye el espacio que une al transmisor y el receptor en el cual están presentes señales perturbadoras (interferencias y ruido). En el medio se presentan fenómenos que afectan a la señal emitida por el transmisor haciendo que varíe de nivel a tal punto que se presente un desvanecimiento de la comunicación.

Figura 1. Modelo de sistema de comunicaciones

La calidad de la comunicación depende de la relación señal a ruido (S/N) en el momento de recuperarse la información (demodulación). En el caso de los sistemas analógicos la calidad se puede evaluar mediante métodos cualitativos, en los que se da un valor referencial al nivel de audio o vídeo recibido en el receptor. El cambio en los sistemas digitales la calidad puede ser cuantificada mediante la tasa de error BER (Bit Error Rate).


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1.1.2 Sistema básico de comunicaciones móviles:

En un sistema básico se tiene:

• un canal de radio • una estación base • un conjunto pequeño de equipos de abonado

Un sistema básico de comunicaciones móviles denominado también sistema convencional, permite el intercambio de comunicaciones entre un grupo reducido de usuarios que en general pertenecen a una empresa o a una institución. Este sistema también podría hacer posible comunicaciones en la cual los usuarios del sistema se comuniquen con abonados de la red telefónica pública. La calidad del servicio brindado está en función de: la calidad de señal recibida por los usuarios que se encuentran dentro del área de servicio y la disponibilidad del sistema frente a requerimientos de comunicación por parte de los usuarios. Un sistema básico es el que se muestra a continuación.

Figura 2. Configuración básica de un sistema radio móvil

1.2 PRINCIPIOS DE RADIOCOMUNICACIONES

Los sistemas de radiocomunicaciones están conformados por equipos de radio, unidades de control e infraestructura de interconexión. Para analizar adecuadamente un sistema de comunicaciones es necesario tener claros los siguientes conceptos: calidad de servicio, tráfico de comunicaciones, equipamiento de radio, los que serán explicados a continuación. 1.2.1 Calidad de los sistemas y servicios de Radioc omunicaciones

La calidad es posible evaluarla considerando los siguientes parámetros:

• Calidad de señal: La calidad de señal está relacionada a la claridad de la comunicación, ausencia de ruido y comodidad de comunicación. En los sistemas analógicos está relacionado con el error cuadrático medio entre la señal transmitida y la recibida; en los sistemas digitales está relacionada con la tasa de error de la señal recibida.

• Calidad de servicio: La calidad de servicio está asociada a la disponibilidad (grado de servicio), la tasa de llamadas perdidas y la cobertura.

• Servicios adicionales: Es otro elemento considerado para la evaluación, de los sistemas de comunicaciones y consiste en los servicios adicionales que permite el sistema tales como: servicio de mensajes cortos, multimedia, localización, etc.


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1.2.2 Tráfico cursado:

El tráfico cursado en un sistema de comunicaciones está relacionado con el tráfico de abonado (Tab), el grado de servicio del sistema (GoS), y el número de canales. El tráfico total de un sistema es el producto del tráfico de abonado por el número de abonados.

Figura 3. Tráfico en los sistemas de comunicaciones

1.2.3 Grado de servicio (GoS):

Es la disponibilidad que tiene un sistema de comunicaciones e indica la probabilidad de bloqueo de un intento de comunicación debido a congestión en los canales. Por ejemplo un GoS de 2% indica dos llamadas bloqueadas de 100 intentos de comunicación.

Figura 4. Tráfico de abonado (Tab)

1.2.4 Dimensionamiento de canales

La cantidad de canales necesarios para una condición dada de tráfico se determina de los estudios de tráfico de Erlang1. Para esto es necesario calcular en primer lugar el tráfico total del sistema y dado un grado de servicio se intersecta en la gráfica mostrada (para 10 Erlang y grado de servicio 2%, se tiene N=10 que es el número de circuitos necesarios). Este procedimiento también puede realizarse mediante tablas.

1 El Erlang es una unidad adimensional utilizada en telefonía como una medida estadística del volumen de tráfico. Recibe el nombre del ingeniero danés A. K. Erlang, pionero de la teoría de colas. Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Unidad_Erlang.


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Figura 5. Determinación del número de canales

1.3 SISTEMA IRRADIANTE

El sistema irradiante está conformado por:

• Cables coaxiales. • Conectores. • Antenas. • Torre.

Figura 6. Sistema Irradiante

1.3.1 Cables coaxiales

Son elementos que permiten guiar la señal electromagnética a transmitir, desde el transmisor a la antena.


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Figura 7. Partes de un cable coaxial

1.3.2 Conectores

Los conectores hacen posible el empalme o conexionado entre los diferentes elementos que intervienen en el sistema irradiante. Entre los más comunes tenemos: Tipo N, Tipo PL259, Tipo BNC.

Figura 8. Conectores Tipo N

1.3.3 Antenas

Las antenas son elementos que permiten la irradiación eficiente de las ondas electromagnéticas. Entre las antenas mas empleada en comunicaciones celulares tenemos las antenas sectoriales.

Figura 9. Patrón de radiación de una antena


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1.3.4 Combinador

El combinador es un dispositivo que permite compartir una antena de transmisión por varios transmisores.

Figura 10. Combinador Hibrido de 4 Canales

1.3.5 Multiacoplador

El multiacoplador permite derivar a varios receptores la señal captada por una antena

Figura 11. Multiacoplador de Recepción de 4 Canales

1.3.6 Duplexor

El duplexor es un dispositivo que permite el empleo de una antena para transmisión y recepción en modo full duplex.


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Figura 12. Duplexor de 6 Cavidades

1.4 HISTORIA Y CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILE S CELULARES

El sistema de telefonía celular está diseñado para proveer servicios móviles, mediante un plan de frecuencias, de cobertura angular o radial mediante celdas sobre un área definida. El primer sistema inició sus operaciones en USA luego de la Segunda Guerra Mundial y operaba con conmutación manual en onda métrica. En 1946 la FCC (Federal Communication Commission) garantizó a AT&T (American Telephone & Telegraph) la licencia para telecomunicaciones móviles en St. Louis del tipo Trunking de 120 kHz con modulación FM, y en 1949 reconoce el nuevo servicio de radio móvil. Anteriormente, en los años 20, la policía de New Jersey disponía de un radio de 2-vías. Las bandas de baja frecuencia tenían el problema del ruido de ignición de los vehículos. IMTS (Improved Mobile Telephone Service). En 1964 se introduce el sistema "Trunking" conmutado. Este sistema disponía la asignación de canales tipo full-dúplex entre un grupo de posibles canales por demanda. El sistema se denomina IMTS e introduce la idea de celdas de servicio. Hasta 1978 existían en USA tres sistemas en funcionamiento:

• MTS (Mobile Telephone Service) en 40 MHz con 11 canales de radiofrecuencia. • IMTS-MJ en la banda de 150 MHz con 11 portadoras. • IMTS-MK en la banda de 450 MHz con 12 canales.

Por ejemplo, la ciudad de New York poseía en aquella época 12 canales con 550 usuarios y 3700 en lista de espera. AMPS (Advanced Mobile Phone Service). En 1971 Bell System introduce el término "celular". El primer sistema celular se instala en Chicago-1978; pero hasta 1983 no se implementó totalmente debido a dificultades del plan de frecuencias. Se utilizó en la banda de 800 MHz asignada previamente por la FCC para TV educacional. La FCC adoptó en 1980 la política de 2 empresas por área; previamente asignaba a una empresa el servicio de telefonía móvil. La misma política se repite para América Latina para facilitar la competencia entre empresas. Se dispone de una empresa ligada al servicio telefónico básico (denominado wire-line) y otra no ligada a dicho servicio (non-wire-line) para establecer una base de competencia. La división de la banda en dos operadores produce una degradación en el uso del espectro debido a que ciertas portadoras deben reservarse para el acceso. Sin embargo, dicha degradación se estima en 8,5 % y es tolerable. Hacia 1995 simultáneamente en varios países de América se licitan las bandas A y B para el sistema PCS (Personal Communication System) con un máximo de 6 operadores (bandas A...F). Los sistemas de telefonía y datos celulares se diversifican y el mercado crece rápidamente. Clasificación. En los años ´90 los sistemas digitales comienzan a dominar el mercado impulsados por el desarrollo de técnicas de fabricación de alta densidad de componentes VLSI. Esta tecnología


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permitió implementar en un reducido espacio los criterios de codificación vocal y procesamiento digital ya conocidos teóricamente pero de difícil realización debido al elevado número de compuertas. Se desarrolló entonces una amplia variedad de soluciones basadas en sistemas radioeléctricos. En la Tabla 1 se presenta una clasificación de los sistemas.


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1.5 TECNOLOGÍAS USADAS EN SISTEMAS MÓVILES CELULARE S

Los sistemas móviles celulares forman una familia con amplia “diversidad genética” (están en permanente mutación; si la analogía es válida). Existen diversos procesos que identifican a un sistema móvil, muchas veces pueden ser caracterizados mediante unos pocos parámetros (forma de codificación, corrección de errores, velocidad, forma de multiplexación, forma de duplexión, plan de frecuencias, forma de modulación, posibilidad de handoff y roamer, etc). La Tabla 2 presenta una clasificación de algunos elementos básicos de análisis: -Métodos de codificación del canal vocal para compresión de la velocidad de transmisión; -Métodos de modulación para acotar el espectro ocupado; -Métodos de multiplexación y acceso al enlace radioeléctrico y -Métodos de duplexión para combinar la transmisión y recepción.

CODIFICACIÓN VOCAL VSELP (Vector Sum Excited Linear Predictive). División de la palabra en vectores de

corto y largo plazo. Es usado en D-AMPS y en Iridium a 8 Kb/s. Los métodos siguientes son variantes del mismo proceso genérico.

RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction). Análisis de predicción de corto y largo plazo. Se transmite el código de error residual. Usado en GSM y DCS1800 a 13 Kb/s.

CELP (Code Excited Linear Prediction). Transmisión de predicción lineal de corto y largo plazo junto con el error residual. Usado en CDMA con un ajuste de velocidad de acuerdo con el ruido entre 1,2 y 9,6 Kb/s.

ADPCM (Adaptative Delta Pulse Code Modulation). La codificación diferencial PCM adaptativa se usa a 32 Kb/s en DECT, CT2 y TFTS. Este método corresponde de codificación por muestra. Tiene menor retardo y mayor calidad pero ocupa también mayor ancho de banda.

TÉCNICAS DE MODULACIÓN. FSK (Frequency Shift Keying). Se define así a la modulación de frecuencia cuando

la señal modulante es digital. Normalmente se utilizan filtros de señal digital antes del modulador. Se utiliza en Ermes.

GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). FSK con filtrado gaussiano. Se aplica en DECT y CT2.

CP-FSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying). Se produce un filtrado de la señal digital antes de alcanzar al modulador FSK. Esto entrega una transición continua entre frecuencias.

MSK (Minimum Shift Keying) Corresponde a una desviación máxima igual a la mitad de la tasa de bits (índice de modulación K= 0,5). El índice de modulación se define como K= 2.∆F/Rb, donde ∆F es el corrimiento de frecuencia máximo y Rb la tasa de datos. En MSK la palabra Minimun significa que es el menor valor (mínima separación de frecuencia) que es factible de ser demodulada en forma coherente (ortogonal). Cuando el tipo de filtro es Gaussiano la modulación se denomina GMSK.

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Se adopta un filtrado gaussiano y se utiliza en GSM y DCS1800. El filtro Gaussiano (Gaussian Pulse-Shaping Filter) no satisface el criterio de Nyquits de ISI cero. La función transferencia en frecuencia y la respuesta temporal a un impulso de señal son exponenciales: H(f)= exp (-α2. f2) donde α= 1,1774/BW y el ancho de banda BW es a 3 dB. Si el valor de α se incrementa la eficiencia espectral disminuye y la dispersión temporal del pulso de salida aumenta.


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TÉCNICAS DE MODULACIÓN. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Se trata de la modulación de fase PSK de

cuatro niveles (4PSK). Se utiliza en el uplink (Forward) de los sistemas CDMA. OQPSK (Offset QPSK).Versión de la modulación QPSK donde solo un bit cambia por

vez. Se usa en CDMA en el enlace downlink. DQPSK (Differential PSK). Se trata de la modulación QPSK con codificación diferencial. π/4DQPSK (Differential PSK). Se trata de una variante de QPSK con codificación

diferencial. El corrimiento offset es de π/4 Se utiliza en D-AMPS. TECNICA DE ACCESO FDMA (Frequency Division Multiple Access) El acceso múltiple por división de

frecuencia asigna un canal para cada portadora. TDMA (Time DMA) El acceso múltiple por división de tiempo distribuye mediante una

trama los intervalos de tiempo para distintos usuarios. En general se presenta como una combinación de TDMA sobre varias portadoras FDMA.

CDMA (Code DMA) El acceso múltiple por división de código se trata de un acceso sobre la misma portadora de varios usuarios en banda ancha al mismo tiempo. La principal ventaja está dada por la posibilidad de reutilización del plan de frecuencias en todas las celdas. La capacidad de canales está limitada por el procesamiento soft de la señal.

TECNICA DE DUPLEXIÓN FDD (Frequency Division Duplex). La duplexión por división de frecuencia asigna

distinta banda para las portadoras de subida y bajada. TDD (Time Division Duplex). La duplexión por división de tiempo asigna sobre la

misma portadora distintos intervalos de tiempo (ping-pong). Tabla 2. Tecnologías Utilizadas en los Sistemas Móv iles

1.6 TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE

Las principales técnicas de acceso múltiple en sistemas de radiocomunicaciones son: Acceso múltiple por división de frecuencia FDMA Acceso múltiple por división de tiempo TDMA Acceso múltiple por división de código CDMA

• FDMA: Es una técnica de multiplexación de la información en la que diferentes usuarios comparten un ancho de banda, y cada uno de ellos ocupa una porción de dicha banda empleando diferentes frecuencias portadoras.

• TDMA: Es una técnica en la que varios usuarios emplean una misma portadora para transmitir información en diferentes tiempos. Cada usuario tiene asignado un intervalo de tiempo dentro de una trama de transmisión de información.

• CDMA: En esta técnica varios usuarios con diferente codificación de información emplean una misma portadora, los códigos empleados tienen una cross correlación casi nula, lo que permite que la interferencia entre las comunicaciones sea mínima.


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C O M P A R A C IO N D E A C C E S O S M U LT IP L E S

F D M A (A M P S ) = 1 A b o n a d o e n c a d a ca n a l, to d o e l tie m p o

T D M A = 3 A bo n ad o s e n c ad a c a na l, un o a la ve z

C D M A = 6 0 A b o n ad o s e n c ad a c a n a l, p o r E R B d is tin g u id o s p or u n c ód ig o e xc lu s ivo

Figura 13. Comparación de las Técnicas de acceso mú ltiple

1.7 TÉCNICAS DE DUPLEXIÓN

1.7.1 FDD (Frequency División Duplex)

Provee 2 canales de transmisión en forma simultánea, el primero es usado por la estación móvil y el segundo es usado por la estación base. En la estación base se usan dos antenas separadas de transmisión y recepción para acomodar los 2 canales.


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Mientras que en la estación móvil se usa una sola antena para manejar los canales de transmisión y recepción en forma simultánea, esto se logra usando un dispositivo conocido como “Duplexor” el que es conectado a la antena y se encuentra dentro de la estación movil. Para facilitar el funcionamiento de FDD, los canales se separan en el 5% de la frecuencia nominal de los canales, con la finalidad de reducir la interferencia entre ellos.29 1.7.2 TDD (Time División Duplex)

Trabaja utilizando el concepto de que es posible utilizar un solo canal de radio segmentado en el tiempo. Esto es, una porción del tiempo es usado para la transmisión desde la estación base a la estación móvil y la otra porción de tiempo es usada para la transmisión desde la estación móvil a la estación base. Si la velocidad de transmisión en los canales es mucho más rápida que la velocidad con que los usuarios se comunican, es posible simular una comunicación “Full Duplex”, aunque en realidad no lo es. Esto es posible realizando almacenamiento de información en las estaciones móviles y luego volverlas a emitir en la misma secuencia a una velocidad determinada. TDD es únicamente posible mediante el uso de formatos de transmisión y modulación digital. 29 1.8 TÉCNICAS DE CODIFICACIÓN VOCAL

Las señales de voz para ser transmitidas en un sistema digital, deben previamente digitalizarse mediante conversores en la unidad transmisora del sistema. En el receptor la señal digital recibida es reconvertida a analógica mediante un conversor digital a analógico. Teorema de muestreo: Las señales analógicas deben previamente digitalizarce para ser transmitidas por un sistema de comunicaciones digitales. Para ello es necesario tomar muestras de la señal en forma periódica. De los estudios realizados por Nyquist se obtuvo que la frecuencia mínima de muestreo debe ser igual al doble de la frecuencia máxima de la señal de información.

FmaxFs ×= 2 Conversión A/D La conversión análoga a digital es un proceso por el cual una señal analógica es digitalizada. Existen diversos tipos de conversores A/D, entre ellos podemos citar:

o Conversores de doble pendiente o Conversores de aproximaciones sucesivas o Conversores Flash

Las características principales de un A/D:

o Resolución: número de bits o Precisión. o Tiempo de establecimiento: tiempo de conversión


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Conversión D/A Un valor digital codificado con formato binario puede ser representado por un valor de voltaje o corriente mediante un dispositivo conversor análogo a digital. Los conversores D/A se realizan mediante redes de resistencias y amplificadores operacionales. Las principales características de un D/A son:

o Resolución: número de bits o Precisión: error a escala completa y error de linealidad o Tiempo de establecimiento: tiempo de conversión o Voltaje de offset: desplazamiento de voltaje de salida

CLASIFICACION DE LOS CODIFICADORES DE VOZ Los codificadores de voz se clasifican en 3 grandes grupos, a saber:

• Codificadores de la forma de onda • Vocoders • Codificadores híbridos

1.8.1 Codificadores de la Forma de Onda

PCM (Pulse Code Modulation) Es la codificación de forma de onda más simple; la cual involucra una etapa de muestreo y otra de cuantización de la forma de onda de entrada. Cada muestra que entra al codificador se cuantifica en un determinado nivel de un conjunto finito de niveles de reconstrucción. Cada uno de estos niveles se hace corresponder con una secuencia de dígitos binarios, y esto es lo que se envía al receptor. El ancho de banda típico para voz es de 4 KHz y la frecuencia de muestreo es de 8 KHz, si se usa cuantización lineal se tendrá una buena calidad de voz con un código de 8 bits por muestra esto da un total de 64 kbps. La tasa de bits por segundo puede reducirse si se utiliza un método de cuantización no lineal de las muestras, en la codificación del habla la aproximación logarítmica se usa con más frecuencia, tales cuantificadores tienen una relación señal a ruido que se mantiene constante sobre todos los niveles de entrada. La cuantización logarítmica se estandarizó en 1960 y es utilizada ampliamente hasta hoy.

Figura 14. Muestreo, cuantificación y codificación de una señal analógica


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Resumiendo la explicación del diagrama anterior podemos decir que:

• Muestreo: Es el proceso por el cual se toman muestras periódicas de la señal a transmitir, la frecuencia de muestreo debe ser como mínimo el doble del ancho de banda de la señal.

• Cuantificación: La cuantificación es la asignación de un valor a las muestras obtenidas en el proceso de muestreo.

• Codificación: Representación de la muestras mediante un código numérico generalmente binario.

DPCM (Modulación por codificación de pulsos diferen cial): Puesto que PCM no tiene en cuenta la forma de la señal a codificar, funciona muy bien con señales que no sean las de la voz, sin embargo, cuando se codifica voz hay una gran correlación entre las muestras adyacentes. Esta correlación puede aprovecharse para reducir el bit-rate2. Una forma sencilla de hacerlo sería transmitir solamente las diferencias entre las muestras. Esta señal de diferencia tiene un rango dinámico mucho menor que el de la voz original, por lo que podrá ser cuantificada con un numero menor de niveles de reconstrucción. En la figura siguiente se muestra el funcionamiento de DPCM, donde la muestra anterior se usa para predecir el valor de la muestra actual.

Figura 15. Sistema DPCM

ADPCM (Modulación por codificación de pulsos difere ncial adaptiva): En DPCM tanto el predictor como el cuantificador permanecen fijos en el tiempo. Se podrá conseguir una mayor eficiencia si el cuantificador se adaptase a los cambios del residuo de predicción. Además, también se podría hacer que la predicción se adaptase a la señal de la voz. Esto aseguraría que la raíz cuadrada del error de predicción se minimice continuamente, con independencia de la señal de voz y de quien la emita. La siguiente figura muestra un codificador / decodificador ADPCM.

2 Tasa de bits (en inglés bit rate) define el número de bits que se transmiten por unidad de tiempo a través de un sistema de transmisión digital o entre dos dispositivos digitales. Así pues, es la velocidad de transferencia de datos. Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Tasa_de_bits.


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Figura 16. Codificador/Decodificador ADPCM

ADPCM es muy útil para codificar voz a bit rates medios. El CCITT propone un estándar de codificación de voz telefónica a una velocidad de 32 kbps. Es el estandar G.721. Usa un esquema de adaptación feedbackward tanto para el cuantificador como para el predictor. El predictor tiene dos polos y seis ceros, por lo que produce una calidad de salida aceptable para señales que no son de voz. 1.8.2 VOCODERS (Voice CODERS)

Los codificadores de la forma de onda no tienen en cuenta la naturaleza de la señal a codificar. Sin embargo, si codificamos una señal de voz, podemos aprovechar sus características intrínsecas para que la codificación se realice de forma más eficiente. Así, los vocoders suponen el siguiente modelo de predicción de voz:

Figura 17. Modelo de predicción de voz


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Los vocoders intentan producir una señal que suene como la voz original, independientemente de si la forma de onda se parece o no. En el transmisor se analiza la voz y se extraen los parámetros del modelo y la excitación. Esta información se envía al receptor donde se sintetiza la voz. El resultado es que se produce voz inteligible a muy bajo bit rate, pero tiene el problema que no suena natural. Algunos tipos de vocoders son:

• Vocoder por predicción lineal • LPC-10 (FS-1015)

El bien conocido vocoder LPC se basa en un algoritmo en el dominio del tiempo. Por citar un ejemplo el Departamento de Defensa de U.S.A. emplea vocoders LPC10 de 2400 bps (2.4 Kbps), tienen una buena inteligibilidad, pero la calidad de voz es pobre (sin calidad de toll). 1.8.3 Codificadores Híbridos

En la codificación hibrida se combinan las técnicas de los codificadores de la forma de onda con las de los vocoders con el propósito de obtener alta calidad de voz a bajos bit –rates (inferiores a 8 kbps). En estos codificadores, las muestras de la señal de entrada se dividen en bloques de muestras (vectores) que son procesados como si fueran uno solo. Llevan a cabo una representación paramétrica de la señal de voz para tratar que la señal sintética se parezca lo más posible a la original. Entre los codificadores híbridos mas conocidos tenemos:

• Codificación RELP. • Codificación CELP (FS-1016). • Codificación VSELP. • Codificación RPE – LTP.

1.9 TÉCNICAS DE MODULACIÓN DIGITAL

1.9.1 Modulación de Desplazamiento de Amplitud (ASK ):

En el conmutador de desplazamiento de amplitud, la amplitud de una señal portadora de alta frecuencia se alterna entre dos a más valores en respuesta al código. En el caso binario, la elección habitual es el Conmutador encendido-apagado (abreviado a veces OOK). La onda de amplitud modulada resultante consiste en pulsos RF, llamados marcas, que representan al binario 1, y espacios que representan al binario 0. Como en el caso de AM el ancho de banda básico se duplica. La onda ASK para un pulso (es decir, un binario) puede escribirse:

Figura 18. Modulación ASK


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)(.)( WctSenAt =φ , 0 < t <=T. 0 , en cualquier otro caso.

La respuesta a un impulso del filtro acoplado para la detección óptima de esta onda ASK en presencia de ruido blanco es,

)()( tTth −= φ La salida del filtro acoplado para la entrada (sin ruido) t) es

)().()( thtty φ=

∫ −= dttTtty )().()( φφ, evaluado entre +/- ∞

)(.)( tTrty −= φ donde r es la función autocorrelación en el tiempo de la señal de energía finita φt). El receptor debe tomar la decisión en t=T basándose en las dos posibilidades:

)()( Tnoty = y )()( tnoEty += . Para iguales probabilidades de unos y ceros y ruido con función densidad probabilística simétrica, el umbral óptimo de decisión se ajusta en E/2. Por tanto, el cálculo de la probabilidad neta de error se reduce al de un sistema encendido-apagado de banda básica. Para ruido gaussiano, se obtiene lo siguiente:

=n

EErFcPe

2 Con el propósito de comparar con otros sistemas, la probabilidad de error se expresa en términos de la energía media de la señal por bit Emed=ST por lo que la ecuación anterior se puede expresar como:

=n

EmedErFcPe

Se puede deducir que el sistema ASK es equivalente a un sistema encendido-apagado de banda básica en términos de la razón de señal a ruido media para una probabilidad de error dada; sin embargo, se puede notar que la razón señal pico a ruido se multiplica por dos, es decir aumenta en 3 dB. La densidad espectral de potencia ASK se centra en Wc y tiene una forma idéntica a la de la correspondiente señal encendido-apagado de banda básica. Como en el proceso de modulación se ha duplicado el ancho de banda, la máxima eficiencia teórica de ancho de banda es 1bps/Hz. Típicamente, los sistemas operativos utilizan dos o tres veces esta cantidad de ancho de banda. 1.9.2 Modulación por Desplazamiento de Frecuencia ( BFSK):

En este tipo de modulación la frecuencia instantánea se alterna entre dos o más valores en respuesta al código PCM y se podría considerar como compuesta por dos ondas ASK de diferentes frecuencias portadoras. Por tanto, para enviar cualquiera de los símbolos binarios pueden elegirse dos ondas:

)(.)(1 WctSenAt =φ , 0 < t <=T


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0, en cualquier otro caso.

Figura 19. Modulación BFSK

)(.)(2 nWctSenAt =φ , 0 < t <=T

0, en cualquier otro caso. Las dos ondas recibidas son ahora diferentes, por lo cual se usan dos filtros acoplados. La energía media por dígito binario es:

∫

==2

)(. 2

0

22 TAdttmwSenAE

, (evaluado entre 0 y T). Si existe una frecuencia de la señal en ausencia de ruido, se supone que la salida de un filtro acoplado es cero y la del otro es E. Inversamente, si está presente la segunda frecuencia de la señal, la salida del primer filtro es cero y, debido a la sustracción, la salida es -E.

Figura 20. Salida de un Transmisor FSK binario

1.9.3 Modulación por desplazamiento de Fase (PSK, B PSK):

Aunque en la característica de operación del FSK se obtuvo una distribución simétrica con respecto a cero, no pudo obtenerse el rendimiento de probabilidad de error superior del sistema polar de banda básica.


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Figura 21. Diagrama de bloques de un modulador BPSK

El receptor óptimo para PCM binaria sólo necesita decidir sobre la diferencia entre dos posibilidades basándose en la observación en un intervalo de tiempo finito. Si se tienen dos señales elegidas para transportar la información binaria y además:

g(t) = f1(t) - f2(t), 0 < t <=T la razón señal pico a ruido correspondiente a la salida del filtro acoplado es:

[ ] [ ] dwwGntn

tg 2

2

0

2

0 )(..

1

)(

)(∫=

π, evaluado entre +/-

Resolviendo:

[ ] dttftfntn

Tg 2

212

0

2

0 )()(.2

)(

)(∫ −=

, evaluado entre 0 y T. calculando la energía para f1(t) y f2(t) e igualando se tiene:

[ ] [ ] Etfdttf == ∫∫2

2

2

1 )()(

de esta ecuación se tiene que la máxima razón señal pico a ruido para una energía dada de la señal se obtiene para la condición:

f2(t) = - f1(t) La clase óptima de señales para las que son válidas las ecuaciones anteriores se llama ANTIPÓDICA; es decir, las dos señales que denotan los dos posibles símbolos de información tienen exactamente la misma forma pero con polaridad opuesta. En canales lineales invariables con el tiempo, alterados sólo por ruido aditivo blanco gaussiano, las señales antipódicas son óptimas en el sentido de que requieren E/n mínima para una probabilidad de error específica. En este tipo de modulador, la fase se alterna entre dos (o más) valores en respuesta al código PCM. Para PCM binaria, es conveniente un desfase de 180° por que simplifica el diseño del modulador y por ello se emplea a menudo. Esta elección particular se conoce como conmutador inverso de fase (PRK). La onda PRK puede expresarse como:

f1(t) = A.sen Wct f2(t) = -A.sen Wct

Es necesario mencionar que el PRK tiene el mismo rendimiento de probabilidad de error que los sistemas polares de banda básica, además se puede agregar que para alcanzar determinada probabilidad de error, la potencia media requerida para FSK y ASK es el doble que para PRK.


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Una representación más general de la señal para PSK binaria (BPSK) es:

φ (t) = A.sen (Wct + ∆θ p(t)) donde ∆θ es la desviación de fase pico y p(t) es una función binaria de conmutación con los posibles estados +/- 1. Además, es conveniente definir un índice de modulación m para la BPSK como:

m = cos ∆θ, donde 0 <= m <= 1. Junto con el rendimiento superior del PSK está la desventaja de la necesidad de detección sincrónica por que la información está en fase. Una ventaja de retener un componente portador en la onda del PSK es que se puede usar para recibir sincronización. Por ejemplo se puede usar un bucle de enganche de fase (PLL) para demodular el BPSK si está presente un componente portador suficiente. Sin embargo, esto se obtiene a expensas de la degradación de Pe a menos que se asigne más potencia al transmisor. Una reducción de ∆θ de 90° a 63° tendrá un costo de 1dB de S/N para Pe fija mientras que proporciona m²=21% de la potencia total de la componente portadora para la sincronización de la portadora. La densidad espectral de potencia de la PRK se centra en Wc y tiene una forma idéntica a la de la densidad espectral moduladora de doble banda lateral. Aunque la densidad espectral de potencia de la señal PRK modulada aleatoriamente es más alta alrededor de la portadora, no hay líneas espectrales (o impulsos) a la frecuencia portadora. Por tamaño, la PRK es realmente una técnica de modulación de doble banda lateral y portadora suprimida. De hecho, el modulador de fase binaria puede disponerse simplemente como un mezclador balanceado con una entrada polar binaria. En la BPSK con ∆θ < π/2, hay una componente portadora y, por tanto, la densidad espectral tiene una línea espectral discreta (un impulso) a la frecuencia portadora. En este caso, la densidad espectral es análoga a la de la doble banda lateral con portadora, aunque la componente portadora no necesita ser grande comparada con las bandas laterales. La eficiencia teórica de ancho de banda de los sistemas BPSK es 1 bps/Hz. Uno de los grandes problemas e inconveniente, de esta técnica de modulación, es la búsqueda de sincronismo, una manera de soslayar este problema es una modificación del PSK conocida como PSK Diferencial (DPSK), en el cual la información se codifica usando las diferencias entre fases en dos intervalos sucesivos de bit. Del mensaje binario de entrada en el transmisor, se genera una secuencia binaria diferencial, que tiene un dígito adicional de comienzo arbitrario. Los dígitos sucesivos del código diferencial se determinan por la regla de que no hay cambio en el estado de salida si está presente un 1, y hay cambio si está presente un 0.


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1.10 Tecnologías Celulares de Tercera Generación ( 3G):

1.10.1 Tecnología UMTS – evolución.

UMTS, siglas que en inglés hacen referencia a los Servicios Universales de Telecomunicaciones Móviles. Es parte de la familia global IMT-2000 del sistema de comunicaciones móviles de “tercera generación” de UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones). En los últimos diez años, UMTS ha sido objeto de intensos esfuerzos de investigación y desarrollo en todo el mundo, y cuenta con el apoyo de numerosos e importantes fabricantes y operadores de telecomunicaciones ya que representa una oportunidad única de crear un mercado masivo para el acceso a la Sociedad de la Información de servicios móviles altamente personalizados y de fácil uso. UMTS busca basarse en y extender las actuales tecnologías móviles, inalámbricas y satelitales proporcionando mayor capacidad, posibilidades de transmisión de datos y una gama de servicios mucho más extensa, usando un innovador programa de acceso radioeléctrico y una red principal mejorada3. UMTS ha sido concebido como un sistema global, que incluye tanto componentes terrestres como satelitales globales. Terminales multimodales capaces de funcionar también por sistemas de Segunda Generación (2G), tales como las bandas de frecuencias GSM 900, 1800 y 1900 extenderán aún más el alcance de muchos servicios UMTS. Con estas terminales, un abonado tendrá la posibilidad de usar el roaming desde una red privada hacia una red pública picocelular/microcelular, luego a una red macrocelular de un área amplia (por ejemplo, una red de 2G), y luego a una red satelital, con interrupción ínfima de la comunicación. El gráfico siguiente muestra la evolución de las tecnologías celulares:

Figura 22. Diagrama de la evolución celular

Otra forma de ver esta evolución mostrando las velocidades de Mbps (millones de bit por segundo) y sus principales aplicaciones y servicios:

3 Tomado de: http://www.umtsforum.net/mostrar_tecnologia.asp?u_action=display&u_log=4


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Figura 23. Diagrama de la evolución celular

1.10.2 Agrupación de servicios: (Service bundling)

Las tecnologías denominadas 3G incluyen diversos tipos de servicios. La agrupación de estos se refiere a la forma como satisfacen necesidades de los usuarios y pueden ser:

1) Acceso a Internet: como correo electrónico (E-mail), navegación por WEB (WWW), transferencia de archivos (protocolo FTP) y negocios electrónicos (Electronic business).

2) Servicios de información: tales como video bajo demanda (VOD). VP, televisión, radio y servicios multimedia.

3) Servicios de telecomunicaciones: voz, movilidad, acceso instantáneo a Messenger4 y mensajería electrónica.

Figura 23 agrupación de servicios.

4 Wíreles Ramble® permite que los usuarios BlackBerry® ingresen a la red AOL instantánea de Messenger®. La aplicación es libre y funcionará en los dispositivos BlackBerry de la versión 4.0 o superior. El proveedor SRA, lider en soluciones BlackBerry para el gobierno federal de USA proporciona Ramble como servicio para la comunidad BlackBerry. Beneficios: Fácil acceso a Messenger instantáneo AOL, sin costo de uso o de bajar del programa, amplia el uso de dispositivos BlackBerry. Tomado de: http://www.sra.com/ramble/ device.


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A continuación haremos un resumen de la arquitectura UMTS utilizada en redes 3G. 1.10.3 Arquitectura UMTS

Comprende (ver figura 24):

• UE equipo de usuario (User Equipment). • UTRAN Red terrestre de radio acceso UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access Network) como

red de acceso (AN). • CN red central (core network) • Redes externas

Figura 24 arquitectura UMTS.

Si consideramos una arquitectura más detallada de la red UMTS, podemos encontrar diferentes elementos como USIM, ME, Nodo B, RNC, MSC/VLR, HLR, GMSC, SGSN, GGSN entre otros y diferentes interfaces como son: interfaz lu, Uu, lub y lur. Un gráfico más desarrollado aparece en la figura 25:

Figura 25 arquitectura UMTS


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Cabe destacar que la interfaz entre el UE y la red UTRAN se denomina Uu y corresponde a la tecnología WCDMA, es decir la conexión entre el equipo de usuario y la red de acceso de radio para UMTS. Asimismo, entre la UTRAN y la CN se denomina interfase Lu.


1.10.3.1 Subsistema de acceso UTRAN - UE (User Equi pment)

El estándar UMTS no restringe de forma alguna la funcionalidad de los equipos de usuario. Los terminales trabajan como parte del interfaz aire-nodo-B y tienen muchos tipos diferentes de identidades. La mayoría de estos tipos de identidades UMTS se toman directamente de las especificaciones GSM. A saber:

• Identidad de usuario móvil internacional (International Mobile Subscriber Identity - IMSI). • Identidad de usuario móvil temporal (Temporary Mobile Subscriber Identity - TMSI). • Identidad de usuario temporal móvil de paquetes (Packet Temporary Mobile Subscriber

Identity - P-TMSI). • Identidad de enlace lógico temporal (Temporary Logical Link Identity - TLLI). • Estación móvil RDSI (Mobile station ISDN - MSISDN). • Identidad de equipo de estación móvil internacional (International Mobile Station Equipment

Identity - IMEI). • Identidad de equipo de estación móvil internacional y numero software (International Mobile

Station Equipment Identity and Software Number - IMEISV). La estación móvil UMTS puede operar en uno de tres modos de funcionamiento:

1.10.3.1.1 Modo de operación PS / CS (packet switch ed / circuit switched)

La MS (mobile station) adjunta a dominios, tanto para PS como para CS, y esta MS es capaz de funcionar simultáneamente con servicios PS y servicios CS.


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1.10.3.1.2 Modo de operación PS (packet switched):

La MS se une sólo al dominio PS y sólo cuando se puedan explotar servicios del dominio PS. Sin embargo, no impide que los servicios similares a-CS se ofrezcan a través del dominio PS (tal como VoIP).

1.10.3.1.3 Modo de operación CS: (circuit switched)

La MS sólo se une al dominio CS y sólo podrá explotar los servicios del dominio CS. La tarjeta IC-UMTS tiene las mismas características físicas que la tarjeta SIM-GSM. Tiene varias funciones:

• Aplicación de apoyo al servicio de usuario del módulo de identidad (Identity Module - USIM) (opcionalmente más de uno).

• Soporte de uno o varios perfiles de usuario en la tarjeta USIM. • Actualizar la información específica USIM en el aire. • Funciones de seguridad. • Autenticación de usuarios. • Inclusión opcional de métodos de pago. • Opción de descarga segura de nuevas aplicaciones.

1.10.3.2 Subsistema de interfase de aire UTRAN (Rad io Access)

La tecnología CDMA de banda ancha fue seleccionada para la interfaz de aire (UTRAN). UMTS WCDMA es un sistema CDMA de secuencia directa donde los datos del usuario se multiplica por bits seudo-aleatorios derivados de códigos WCDMA difuso. En UMTS, además de la canalización, se utilizan códigos para sincronización y cifrado. WCDMA tiene dos modos de operación básicos:

• Frequency Division Duplex (FDD) (Ver 1.7.1) • Time Division Duplex (TDD). (Ver 1.7.2)

Las interfaces UTRAN se muestran en la figura a continuación (red UMTS).



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1.10.3.2.1 Las funciones del Nodo-B son:

• Interfaz de transmisión/recepción al aire. • Modulación / Demodulación. • Canal físico de codificación CDMA. • Micro diversidad. • Manejo de errores. • Control de potencia de lazo cerrado

1.10.3.2.2 Las funciones del RNC son

• • Control de recursos de radio • • Control de Admisión • • Canal de Distribución • • Configuración de control de potencia • • Control de Entrega • • Macro Diversidad • • Ciphering • • Segmentación / Reensamblaje • • Difusión de señalización • • Control de Potencia de lazo abierto

1.10.3.3 Core Network La red de núcleo está dividida en circuito conmutado y dominios de conmutación de paquetes. Algunos de los elementos de conmutación de circuitos son servicios tipo Centro de la conmutación Móvil (MSC), registro para ubicación de visitantes (VLR) y gateway MSC. Los elementos de conmutación de paquetes están al servicio del nodo de soporte GPRS Support Node (SGSN) y gateway GPRS Support Node (GGSN). Algunos elementos de red, como EIR, ELO, VLR y las AUC son compartidos por ambos dominios. Se define el modo de transferencia asincrónica (ATM) para la transmisión del núcleo UMTS.

• Capa de adaptación de ATM tipo 2 (AAL2) encargada de la conexión del circuito conmutado. • Paquete de protocolo de conexión AAL5 diseñado para la entrega de datos.

La arquitectura de la red de Core puede cambiar cuando se introducen nuevos servicios y características. Se utiliza base de datos de portabilidad númerica (NPDB) para permitir al usuario cambiar de red manteniendo su antiguo número de teléfono. El registro de ubicación en la puerta de enlace (GLR) se puede utilizar para optimizar la manipulación del suscriptor dentro de los límites de la red. MSC, VLR y SGSN se pueden combinar para convertirse en MSC de UMTS.


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1.10.4 Modelo universal de protocolos UTRAN.

Conjunto de subsistemas de la red radio (Radio Network Subsystems RNS) conectados al núcleo de red a través del interfaz Iu. Las RNS están interconectadas a través del interfaz Iur .

1.10.4.1 Requisitos de UTRAN: • Capacidad de proporcionar QoS en diferentes entornos. • Uso eficiente del espectro. • Permitir terminales ligeros, pequeños y baratos. • Despliegue económico de la infraestructura de red. • Flexibilidad a la hora de proporcionar cobertura. • Procedimientos de acceso múltiple y protocolos para el control de potencia y traspaso. • Se requieren anchos de banda grandes, pero también acomodar eficientemente los servicios con poca demanda de ancho de banda (BW).

1.10.4.2 UTRAN: Capa física • Funciones: – Ejecución del traspaso con continuidad (Macrodiversidad). – Detección de errores. Indicación. – Codificación/decodificación FEC. – Multiplexación /demultiplexación de los canales de transporte. – Adaptación de velocidades. – Ajuste de potencia y combinación de canales físicos. – Modulación/demodulación, ensanchamiento y recuperación. – Sincronización en frecuencia y tiempo (Chip,bit,slot,trama). – Medición de las características de la señal radio. – Control de potencia. – Procesado RF de la señal.


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Figura 28 protocolos UMTS

1.10.4.3 UTRAN Canales de transporte comunes

1.10.4.3.1 FACH -- Forward Access Channel.

Información de control asociada a un móvil cuando la red lo tiene localizado. E.g. Asignación de un canal. Usa el canal físico S-CCPCH (Secondary-Common Control).

1.10.4.3.2 PCH -- Paging Channel.

Información de control asociada a un móvil cuando la red no lo tiene localizado. E.g. Aviso de llamada. Usa el canal físico S-CCPCH (Common Control) y el PICH (Paging Indication).

1.10.4.3.3 BCH -- Broadcast Channel.

Difunde información del sistema y específica a la celda. Tiene tasa fija (SF=256). Se transmite a toda la celda. Usa el canal físico P-CCPCH (Primary-Common Control)

1.10.4.3.4 SCH -- Synchronisation Channel.

Siempre en un mismo código para que un terminal al encenderse encuentre la sincronización (Chip, símbolo, Slot, Trama).

1.10.4.3.5 CPICH – Common Pilot Channel.

Usado por los móviles para estimar la potencia recibida en los procesos de selección de celda y handover. Siempre usa el mismo código de canalización. A continuación ejemplo de uso de los canales físico y de transporte:


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Figura 29 ejemplo de protocolo UMTS

1.10.5 Evolución de la red de acceso UTRAN

1.10.5.1 red de acceso R-99 – Red de Acceso Radio basada en ATM – Núcleo de red GSM+GPRS

Figura 30 red de acceso UTRAN R-99 (UMTS)

1.10.5.2 red de acceso R4

– Red de Acceso Radio basada en ATM – Dominio CS independiente del transporte


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o Voz/ATM y Voz/IP o Arquitectura all IP


1.10.5.3 red de acceso R5

– Red de Acceso de Radio basada en IP



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1.10.5.3.1 • Problemas a resolver en R5

– Sobrecarga de cabeceras IP – Multiplexación de tráfico de varios usuarios – Segmentación de paquetes de datos – Soporte de mecanismos de Qos en IP

Integración total red de acceso

Figura 33 red de acceso UTRAN 5

1.10.6 Evolución UMTS

Hasta ahora las características de la interfaz radio del UMTS, si bien han supuesto un gran avance respecto a las que proporcionaba el GSM sobre todo en lo que respecta a la transferencia de datos, todavía resultan un poco limitadas cuando se utilizan aplicaciones que requieren transferencias de información a muy alta velocidad o cuando coinciden muchos usuarios de aplicaciones 3G en un área reducida. Esto es especialmente cierto en comparación con el acceso fijo, que en los últimos años ha ido aumentando su capacidad rápidamente gracias a la tecnología xDSL. Dado que las aplicaciones de datos se descargan mayoritariamente desde la red al terminal, en el estándar del 3GPP, la versión 5 del WCDMA introduce el HSDPA ( High-Speed Downlink Packet Access ) como primer paso en la evolución de la interfaz radio, permitiendo alcanzar velocidades de transmisión de datos muy superiores a las actuales en el enlace descendente. Esta funcionalidad ya está disponible y se está desplegando actualmente en la red de Telefónica Móviles España. A continuación, en la versión 6, aparece el HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) que permite algo similar en el canal ascendente. Pero la evolución de la radio no termina aquí: el 3GPP5 está trabajando en la especificación técnica de lo que se denomina LTE ( Long Term Evolution ) que pretende garantizar la competitividad de la tecnología 3G en el largo plazo frente a cualquier otra tecnología móvil.

5 3GPP (3rd Generation Partnership Project) es un acuerdo de colaboración establecido en Diciembre de 1998, cooperación entre ETSI (Europa), ARIB/TTC (Japón), CCSA (China), ATIS (Norte America) and TTA (Korea del Sur), para elaborar especificaciones técnicas globalmente aplicables para los sistemas de telefonía móvil de tercera generación (3G). 3GPP lleva a cabo los estándares de UMTS como la respuesta europea a los requisitos IMT-2000 de la UIT para los sistemas radio celulares 3G. Tomado de: http://sociedaddelainformacion.telefonica.es/jsp/articulos/detalle.jsp?elem=3847.


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Figura 31 evolución UMTS

• HSPA son las siglas de HighSpeedPacketAccess, tecnología de acceso basada en WCDMA

para la mejora de tasas de transferencia de datos. • Existen 2 tecnologías relacionadas: HSDPA (HighSpeedDownlinkPacketAccess) y HSUPA

(HighSpeedUplinkPacketAccess) para los enlaces de bajada y subida respectivamente. Estas técnicas se pueden implementar independientemente

• HSDPA provee velocidades teóricas de hasta 14.4 Mbps y HSUPA de hasta 5.6 Mbps. • Para lograr estas velocidades se han modificado los protocolos, añadido canales radio,

desarrollado algoritmos y técnicas de modulación codificación sobre la estructura de WCDMA. 1.10.6.1 Características de la tecnología HSDPA

La tecnología HSDPA consigue esta mejora gracias a una serie de técnicas empleadas en la interfaz radio, como son: Transmisión en canal compartido. Se introduce un nuevo canal de transporte en el enlace descendente denominado HS-DSCH ( High-Speed Downlink Shared Channel ). Con ello los usuarios comparten una serie de recursos utilizados por la radio (como los códigos de canal y la potencia) de forma dinámica en el tiempo con lo que se consigue una mayor eficiencia. Asimismo, los intervalos utilizados para cada transmisión son más cortos (2 ms). Adaptación rápida del enlace . La velocidad de transmisión de datos varía de forma rápida según las condiciones del canal de radio. Este método es más eficiente, para los servicios que pueden tolerar este tipo de variaciones en periodos muy cortos, que compensar las degradaciones de la radio aumentando la potencia de la señal (que es lo que se hacía hasta ahora). Ver Figura .


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Figura 32 adaptación de las condiciones del enlace de radio UMTS

Retransmisiones rápidas. Los datos que se reciben de forma errónea, debido a las condiciones de propagación, se solicitan de nuevo al transmisor para su corrección. Programación rápida de transmisiones (fast scheduling). Según las condiciones radioeléctricas en las que se encuentra cada usuario, en cada momento se programa el orden en que debe transmitir cada uno. Con ello, se consigue un uso más eficiente de los recursos compartidos. También, si las condiciones de propagación de las ondas de radio lo permiten, puede utilizarse, como complemento, la modulación 16QAM que es más eficiente que la normalmente empleada QPSK. Con estas técnicas se consiguen básicamente las siguientes mejoras: Aumento de la velocidad de descarga , con lo que se mejora la percepción del servicio por los usuarios. Ver Figura 33. Menores retardos. La respuesta de la red es más rápida por lo que la percepción de muchos servicios (como web browsing ) es mejor y es posible introducir servicios de tipo interactivo (como juegos en tiempo real en red). Aumento de la capacidad del sistema. Por lo que se evitan problemas de congestiones en determinadas circunstancias.

Figura 33 mejoras en la velocidad de descarga HSDPA


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Todas estas mejoras suponen una serie de cambios en el sistema: Por un lado el terminal actual deberá sustituirse por uno que incorpore las capacidades HSDPA. Básicamente, al tratarse de servicios de datos, los terminales serán tarjetas PCMCIA para PCs portátiles. Los cambios en la red son fundamentalmente de software en los nodos de radio (nodos-B y RNC) y del aumento de la capacidad y potencia de procesado para incrementar la capacidad total del sistema. Telefónica Móviles España, después de ser uno de los primeros operadores en el mundo en realizar pruebas con HSDPA, ha comenzado desde hace unos meses el despliegue de esta funcionalidad en su red. La velocidad de transmisión dependerá del tipo de terminal utilizado.

1.10.6.2 El HSUPA Así como el HSDPA mejora la percepción del cliente para los servicios de datos que hacen uso de las descargas desde la red al terminal, el HSUPA hace lo propio con el envío de datos desde el terminal hacia la red. En este momento, la combinación del HSDPA con el HSUPA se denomina HSPA (High Speed Packet Access). Esto es útil para usuarios que envían ficheros multimedia directamente a otros, para aquellos que deben enviar grandes cantidades de información (con imágenes o videos) en tiempo real, como los periodistas, etc. Asimismo, el retardo global del sistema se reduce también mejorando la percepción del usuario de los servicios de datos. Los mecanismos que hacen posible el HSUPA son semejantes a los descritos para HSDPA. Con ello, se consigue pasar de los 384 kbit/s a los 5.76 Mbit/s (máximo teórico posible). El HSUPA estará disponible comercialmente en la segunda mitad del 2007.

1.10.7 Proyección de la evolución de la industria 3 G y 4G.

Figura 34 evolución UMTS

La Sociedad de la Información implica cada vez más a todos los actores. Las nuevas necesidades de transferencia de información van más allá de "en cualquier momento y desde cualquier sitio" requiriendo de la tecnología móvil que además ofrezca "alta velocidad y bajos retardos" en sus servicios de transmisión de datos. Se está trabajando en todos los frentes para que la percepción de la calidad de los servicios sea óptima.


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Así, después de la evolución desde GSM a UMTS, se está preparando el siguiente paso, la LTE, la evolución a largo plazo. 1.10.8 Comparación HSPA, UMTS, EDGE

El gráfico siguiente muestra la evolución actual de las redes móviles.

Figura 35 comparación HSPA, UMTS y EDGE


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ENLACES

• Multiplexación y Acceso Múltiple

http://www.eie.fceia.unr.edu.ar/ftp/Comunicaciones/MUX.PDF

• Técnicas de Acceso Múltiple http://docentes.uacj.mx/vhinostr/Nuevo%20Formato/CLASES/COM%20II/Unidad%20III%20tecnicas%20de%20acceso%20multiple.pdf

• CDMA: Acceso Múltiple por División de Códigos

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/tecuanhuehue_r_j/capitulo2.pdf

• Sistemas Móviles: GSM, CDMA y TDMA http://www.une.edu.ve/~iramirez/te1/sistemas_moviles.htm

• Técnicas de Modulación

http://www.udistrital.edu.co/comunidad/profesores/jruiz/jairocd/texto/usm/cd/modulacion_digital.doc

• Modulación Digital: FSK, PSK y QAM

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/MODULACION-DIGITAL-FSK-PSK-QAM.php

Semana 1 - Introduccion a Los Sistema Moviles

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