CURSO: Planificación de redes en comunicaciones móviles

- Convergencia IMS -

Contenido de la Semana 1

Índice

Índice............................................................................................................................................... 21. Descripción general de redes móviles......................................................................................... 4

Redes móviles - Evolución ......................................................................................................... 5Sistemas analógicos - Primera generación.............................................................................. 5Sistema digital – Segunda generación .................................................................................... 6Las redes de tercera generación (WCDMA de UMTS).......................................................... 6Cuarta generación de redes (All-IP)........................................................................................ 7Técnicas de acceso múltiple.................................................................................................... 7Modulación ............................................................................................................................. 8Modelo de referencia OSI ....................................................................................................... 9Modelo OSI (Open Systems Interconnection) ...................................................................... 10

Segunda generación de redes móviles ...................................................................................... 14Subsistema de estación base (BSS)....................................................................................... 15Estación base transceiver (BTS) ........................................................................................... 15Controlador de la estación base (BSC) ................................................................................. 15Subsistema de red (NSS)....................................................................................................... 15Centro de conmutación móvil (MSC)................................................................................... 15Registro de abonados locales (HLR) .................................................................................... 16Registro de ubicación de visitantes (VLR) ........................................................................... 16Centro de autenticación (AUC)............................................................................................. 16Equipo de Registros de Identidad (EIR) ............................................................................... 16Sistema de Gestión de Red (NMS) ....................................................................................... 16Interfaces y señalización en GSM......................................................................................... 17

Interfaces ................................................................................................................................... 17Interfaz de aire ...................................................................................................................... 17Interfaz Abis.......................................................................................................................... 17Una interfaz de A .................................................................................................................. 17

Señalización .............................................................................................................................. 18LAPDm ................................................................................................................................. 18SS7 ........................................................................................................................................ 18X.25....................................................................................................................................... 18

Redes móviles de tercera generación ........................................................................................ 18Red de acceso (RNA)............................................................................................................ 19Estación base (BS) ................................................................................................................ 19Radio Network Controller (RNC)......................................................................................... 19Red de Núcleo (CN).............................................................................................................. 19WCDMA Centro de Conmutación Móvil (WMSC) y VLR ................................................. 20Gateway Centro de Conmutación Móvil (GMSC) ............................................................... 20Registro de abonados locales (HLR) .................................................................................... 20Nodo de soporte de GPRS (SGSN)....................................................................................... 20Gateway GPRS (GGSN)....................................................................................................... 20Interfaces y señalización en las redes 3G.............................................................................. 20Señalización .......................................................................................................................... 21

Evolución a Largo Plazo (LTE – Long Term Evolution) ......................................................... 23Aspectos básicos ................................................................................................................... 23Requerimientos y objetivos................................................................................................... 24Requerimientos de desempeño del Sistema .......................................................................... 25Picos de Transferencia de Datos y Eficiencia Espectral ....................................................... 25

Performance de la Celda y su Eficiencia Espectral............................................................... 26Capacidad de voz .................................................................................................................. 26

2. Planificación básica de la red de radio...................................................................................... 28Alcance de la planificación de radio ......................................................................................... 28

Forma de la celda .................................................................................................................. 28Los elementos de una red de radio............................................................................................ 29

Estación móvil (MS) ............................................................................................................. 29Estación base - Transceiver (BTS)........................................................................................ 29Configuración del canal en GSM.......................................................................................... 30Radio de la celda y propagación de ondas ............................................................................ 32

Efectos de propagación de ondas y parámetros ........................................................................ 33Dimensionamiento ................................................................................................................ 36Ejemplo 1: Cálculo del número de emplazamientos requeridos en una región .................... 37

Red de Radio - Planificación Detallada .................................................................................... 38Presupuesto del enlace .......................................................................................................... 38Ejemplo 2: cálculo del presupuesto de alimentación ............................................................ 40Salto de frecuencia ................................................................................................................ 41Mejoras en equipos ............................................................................................................... 42Cobertura de la celda y de red............................................................................................... 43Ejemplo 4: Presupuesto detallado de radio enlace de energía .............................................. 47

Planificación de la capacidad.................................................................................................... 48Estimaciones de tráfico ......................................................................................................... 48Altura Media Antena............................................................................................................. 50Asignación de frecuencia y reutilización .............................................................................. 50Ejemplo 5: Factor de reutilización de frecuencia.................................................................. 50Eficiencia espectral y planificación de frecuencias .............................................................. 50Control de potencia ............................................................................................................... 51Handover ............................................................................................................................... 51Transmisión discontinua ....................................................................................................... 51Salto de frecuencia ................................................................................................................ 51Evaluación del desempeño de la red ..................................................................................... 52Cobertura............................................................................................................................... 52Capacidad.............................................................................................................................. 53Calidad .................................................................................................................................. 53Ajustes de parámetros ........................................................................................................... 53

1. Descripción general de redes móvilesLas redes móviles se diferencian unas de otras por la palabra “generación”, por ejemplo,“primera generación”, “segunda generación”, etc. Esta modalidad es muy apropiada, debido aque hay un gran salto generacional tecnológico entre ellas.La primera generación de los sistemas móviles eran sistemas analógicos, disponibles en ladécada de los ochenta, denominados NMT (Nordic Mobile Telephone).Ofrecían principalmente servicios de voz y servicios relacionados, y eran prácticamenteincompatibles entre ellos. Por lo tanto, sus principales limitaciones eran los servicios ofrecidoslimitados y la incompatibilidad.

La necesidad creciente de un sistema que satisfaga los requerimientos de las comunicacionesmóviles, y que ofrezca una mayor compatibilidad, se tradujo en el nacimiento de la segundageneración de sistemas móviles.

Los organismos internacionales desempeñan un papel clave en la evolución de un sistema queofrezca mejores servicios y que sean más transparente y compatible con las redes a nivelmundial. Lamentablemente, los estándares de esta segunda generación de redes no pudieroncumplir el sueño de tener un solo conjunto de normas para las redes mundiales. Las normas enEuropa difieren de las de Japón y las de América, y así sucesivamente. De todas las normas, elGSM fue más allá en el cumplimiento de las expectativas técnicas y comerciales.

Pero, una vez más, se destaca, que ninguna de las normas en la segunda generación fue capaz decumplir con la globalización, el sueño de los organismos de normalización. Esto sería cumplidopor la tercera generación de los sistemas móviles. Los sistemas de tercera generación estánpredominantemente orientados al tráfico de datos, en comparación con la segunda generaciónque estaba orientada principalmente el tráfico de voz.

Los organismos de normalización más renombrados que desempeñan un papel importante en ladefinición de las especificaciones para la tecnología móvil son:

- ITU (International Telecommunication Union): La ITU, con sede en Ginebra, Suiza, esuna organización internacional en las Naciones Unidas, en la que gobiernos y el sectorprivado coordinan redes mundiales de telecomunicaciones y servicios. La ITU-T es unode los tres sectores de la ITU y produce los estándares de calidad que abarcan todos loscampos de las telecomunicaciones.

- ETSI (European Telecommunication Standard Institute): Este organismo es el principalresponsable para el desarrollo de las especificaciones para el sistema GSM. Debido aldesarrollo técnico y el éxito comercial del estándar GSM, este órgano tambiéndesempeña un papel importante en el desarrollo de sistemas de tercera generación demóviles. El ETSI desarrolla principalmente las normas en el área de las detelecomunicaciones en toda Europa y también en otros continentes.

- ARIB (Alliance of Radio Industries and Business): Este cuerpo es predominante en laregión de Asia Austral y desempeña un papel importante en el desarrollo de tercerageneración sistemas móviles. La ARIB básicamente sirve como una organización dedesarrollo de normas para la tecnología de radio

- ANSI (American National Standards Institute): El ANSI,en la actualidad, proporciona unforo para más de 270 desarrollos estándares acreditados por ANSI representandoaproximadamente a 200 distinguidas organizaciones privadas y de sectores públicos

- 3GPP (Third Generation Partnership Project): Este cuerpo fue creado para mantener engeneral el control del proceso de especificación y diseño de las redes de tercerageneración. El resultado de la obra 3GPP es un conjunto completo de especificacionesque permitan mantener el carácter global de las redes 3G.

Redes móviles - Evolución

La evolución de la red móvil se ha categorizado en "generaciones", como se muestra en la Figura1.1. Un breve resumen de cada generación es la siguiente:

Figura 1.1 – Evolución de las redes móviles

Sistemas analógicos - Primera generación

El primer sistema de comunicaciones móviles se inició en la década de 1980 y se basaba en latécnica de transmisión analógica. No estaba disponible en todo el mundo (o incluso a escalaeuropea), y a nivel sistema, tampoco existía una organización para la coordinación y eldesarrollo de normas técnicas para desplegar el sistema.Los países nórdicos desplegaron el sistema Nordic Mobile Telephones o TNM, mientras queReino Unido e Irlanda fue el Total Access Communication Sistems o TACS.La itinerancia ( Roaming) no era posible, como así también no era posible el uso eficiente delespectro de frecuencia.

1° Generación (Analógica)

4° Generación (LTE)

3° Generación

2° Generación (Digital)

GSM

GSM + EDGE

GSM + GPRS

FUTURO

Sistema digital – Segunda generación

A mediados de la década de 1980 la Comisión Europea inició una serie de actividades destinadasa liberar el sector de las comunicaciones, incluidas las comunicaciones móviles. Esto dio lugar ala creación del ETSI, que heredó todas las actividades de normalización en Europa. Éste vio elnacimiento de las primeras especificaciones, y la red basada en la tecnología digital, se llamóSistema Global para Comunicaciones Móviles, o GSM. Desde que las redes aparecieron porprimera vez a principios de 1991, el GSM ha evolucionado para satisfacer las necesidades dedatos de tráfico y ofrecer muchos más servicios que las redes originales.

GSM (Sistema Global para Comunicaciones Móviles): Los principales elementos de estesistema son :

- BSS (Base Station Subsystem), en el que hay el BTS (Base Transreceiver Station) y BSC(Base Station Controller); y el NSS (Network Switching Subsistema), en el que está elMSC (Mobile Switching Centre); VLR (Visitor Location Register), HLR (HomeLocation Register), AC (Centro de autenticación), y EIR (Equipment Registro deIdentidad) (ver Figura 1.4). Esta red es capaz de proporcionar todos los servicios básicostales como voz y servicios de datos de hasta 9,6 kbps, fax, etc. Esta red GSM tambiéntiene una extensión hacia las redes de telefonía fija.

- GSM y VAS (Servicios de Valor Agregado): El siguiente avance en el sistema GSM fuela adición de dos plataformas, llamadas de correo de voz (VMS) y el de mensajes cortosService Center (SMSC). El SMSC ha demostrado tener una gran éxito comercial, tantoes así que en algunas redes, el tráfico de SMS constituye una parte importante del total detráfico. Junto con el VAS, IN (Intelligent Services) también hizo su marca en la redGSM, con la ventaja de dar a los operadores la oportunidad de crear toda una gama denuevos servicios. La gestión del fraude y los servicios "pre-pagado" son el resultado delos servicios IN.

- GSM y GPRS (General Packet Radio Services): Como los requerimientos para el envíode datos en la interfase aire aumento, nuevos elementos tales como SGSN (ServingGPRS) y GGSN (GPRS Gateway) se han añadido al sistema GSM existentes. Estoselementos hicieron posible enviar paquetes de datos en la interfaz aire-. Esta parte de lared que se encarga del tráfico de datos también se denomina 'packet core network".Además de los SGSN y GGSN, también contiene los enrutadores IP, servidores defirewall y DNS (servidores de nombres de dominio). Esto permite el acceso inalámbricoa la Internet y la velocidad de transferencia de datos alcanza a 150 kbps en óptimascondiciones.

- GSM y EDGE (Enhanced Data rates in GSM Environment): ofrece tráfico de voz y datosen movimiento, en la que se aumento la tasa de datos, utilizando métodos de codificaciónmás sofisticados a través de Internet, aumentando así los la tasa de datos hasta 384 kbps.

Las redes de tercera generación (WCDMA de UMTS)

Con EDGE, fue posible transmitir un gran volumen de tráfico de datos, pero aún así latransferencia de paquetes en la interfase de aire se comporta como una comunicación enconmutación de circuitos. De esta manera, en la conexión, la eficiencia decae en un sistema deconmutación de circuitos. Además, las normas para el desarrollo de las redes fueron diferentespara diferentes partes del mundo. Por lo tanto, se decidió tener una red que proporciona servicios

independientes de la tecnología de la plataforma y estándares de red cuyo diseño son los mismosa nivel mundial. Así, nació la 3G. En Europa, fue llamada UMTS (Universal Terrestrial MobileSystem), y es impulsada por el ETSI. IMT-2000 es el nombre del ITU-T para el sistema detercera generación, mientras que CDMA2000 es el nombre de la variante estadounidense 3G.WCDMA es la tecnología de interfaz de aire para el UMTS.

Otro principio fundamental del IMT-2000 es unificar los diversos sistemas existentes hoy en día(incluyendo paging, cordless, telefonía celular, telefonía satelital, etc.), dentro de unainfraestructura de radio capaz de ofrecer una gran gama de servicios. En este sentido, el IMT-2000 apeló a que los prestadores de servicio hicieran sus aportes enumerando cuales eran lasnecesidades de sus clientes. Se aspira a que una infraestructura de radio unificada y flexiblepermita a los proveedores de servicio mejorar sobremanera la eficiencia operativa, y al mismotiempo, brindar un servicio más amigable al usuario final.

Los componentes principales incluyen BS (estación base) o el nodo B, RNC (controlador de redde radio), aparte de WMSC (Wideband CDMA centro de conmutación móvil) y SGSN / GGSN.Esta plataforma ofrece muchos servicios soportados en Internet, junto con el vídeo llamando eimágenes.

Cuarta generación de redes (All-IP)

La razón fundamental de la transición hacia la All-IP (todo IP) es tener una plataforma comúnpara todas las tecnologías que se han desarrollado hasta el momento, y para armonizar con lasexpectativas del usuario de los muchos servicios que se presten.La diferencia fundamental entre la GSM/3G y All-IP es que la funcionalidad de la RNC y BSCse distribuye ahora a la BTS y un conjunto de servidores y gateways. Esto significa que esta redserá menos costosa y la transferencia de datos será mucho más rápida.

Técnicas de acceso múltiple

El concepto básico de acceso múltiple es permitir que las estaciones transmisoras transmitan alas estaciones receptoras, sin ninguna interferencia. Las portadoras disponibles para latransmisión de información se programan de tal manera , que las mismas están separadas porfrecuencia, tiempo y códigos para alcanzar este objetivo.La denominación de estas tecnologías son conocidas como se detallan a continuación:

- FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia)- TDMA (Acceso Múltiple por División Temporal)- CDMA (Acceso Múltiple por División de Códigos Ortogonales)

FDMA

Esta es la técnica más tradicional en las comunicaciones de radio, y se basa en la separación de lalas frecuencias entre las portadoras. Todo lo que se requiere es que las emisoras deben transmitiren las diferentes frecuencias y su modulación, no debe interferir en las frecuencias de lasrestantes portadoras. Es decir, el ancho de banda de cada canal debe ser menor que la separaciónde cada frecuencia portadora.Habrá tantos usuarios como frecuencias portadoras disponibles. Ese método múltiple de accesose utilizó en la primera generación de redes celular analógicas. La ventaja del sistema FDMA es

que la transmisión puede realizarse sin la coordinación o sincronización de la red. La limitaciónde este sistema es la escasa disponibilidad de frecuencias.

TDMA

Cuando las comunicaciones móviles pasaron a la segunda generación, FDMA no se consideróuna manera eficaz para la utilización de frecuencias, por lo tanto se introdujo el acceso múltiplepor división temporal.Una frecuencia portadora puede ser compartida en el tiempo por varios usuarios (de allí sudenominación). Así, varios usuarios pueden usar la misma frecuencia aumentando, de estamanera, la eficiencia espectral. Cada usuario utiliza lo que se denomina una ranura temporal, quese genera continuamente. A modo de ejemplo, en la tecnología GSM, cada portadora puede serdivida en ocho ranuras temporales (time slot).Volveremos a tratar este tema con mayor profundidad.

CDMA

Con el uso de la técnica de espectro ensanchado, el acceso múltiple por división de códigocombina la modulación y el acceso múltiple para lograr un cierto grado de eficacia de lainformación y protección. Desarrollado inicialmente para aplicaciones militares, se fuedesarrollando progresivamente en un sistema que prometía una mejor eficiencia espectral ycalidad de servicio en un ambiente de congestión del espectro y de interferencia.En esta tecnología, a cada usuario se le asigna un código independiente ortogonal en la funciónde transacción. Un usuario puede tener varios códigos, en determinadas condiciones. Así, laseparación no se basa en la frecuencia o el tiempo, pero si sobre la base de los códigosortogonales. Todos los usuarios utilizan la misma frecuencia portadora, pero la información decada usuario está afectada por el código ortogonal asignado que se diferencia de los demásusuarios que están comunicándose en esa radio base (a modo de ejemplo).Las principales ventajas en la utilización de un sistema CDMA es que no hay ningún plan para lareutilización de frecuencias, el número de los canales es mayor, y se obtiene una utilizaciónóptima de ancho de banda, y la confidencialidad de la información está muy bien protegida.

Modulación

Gaussian Minimum-Phase Shift Keying (GMSK)

GMSK es el método de modulación de las señales en GSM. Se trata de un tipo especial demétodo de modulación derivado de la fase mínima Shift Keying (MSK). Por lo tanto, perteneceal esquema de modulación de frecuencia. La principal desventaja de MSK es que tiene unespectro relativamente amplio de operación, por lo que GMSK fue elegido para ser el método demodulación, ya que optimiza el uso de los recursos asignados (Ancho de banda del sistema). Lamodulación GMSK trabaja con dos frecuencias y es capaz de pasar fácilmente entre las dos. Laprincipal ventaja de GMSK es que no contiene ninguna parte de la modulación de amplitud yque el ancho de banda requerido de la frecuencia de transmisión es de 200kHz, un ancho debanda aceptable por las normas GSM. Este es el esquema de modulación utilizado en redes GSMy GPRS.

Octagonal Phase-shift Keying (8-PSK)

La razón detrás de la mejora de la gestión de datos en las redes denominadas de generación 2,5,tales como GPRS / EGPRS es la introducción de la fase octogonal o modulación por

desplazamiento de fase 8-PSK. En este esquema, la señal modulada es capaz de llevar a 3 bitspor símbolo modulada por la ruta de acceso de radio, en comparación con 1 bit en la ruta deacceso GMSK modulada. Pero este aumento en la transferencia de datos, de rendimiento bit / hz,es a costa de una disminución en la sensibilidad de la señal de radio. Por lo tanto las mayorestasas de datos se proporcionan dentro de una cobertura limitada.Este es el esquema de modulación utilizados en las tecnologías EGPRS / EDGE.

Phase Shift Keying en cuadratura (QPSK)

Para modular la señal, se ha utilizado el sistema de modulación de fase o PSK. En PSK, la fasede la onda transmitida es el parámetro que se modifica en lugar de su frecuencia. En PSK, elnúmero de cambios de fase es igual a dos.Un avance en este tipo de modulación es el supuesto de que el número de cambios de fase es demás de dos (es decir, cuatro), que es el caso de la modulación por desplazamiento de fase encuadratura o QPSK. Esto permite al sistema transmitir una mayor cantidad de bits por hz, demodo que duplica la capacidad de transmisión. Por esta razón, QPSK es el esquema demodulación elegido en las redes WCDMA

Modelo de referencia OSI

Modelo de comunicación por capas

La comprensión, diseño y construcción de redes de computadoras sería una tarea muy difícil sino se particionara el problema en tareas mas pequeñas; tradicionalmente el problema seencuentra dividido en capas o niveles. El número de capas, el nombre, el contenido y la funciónde cada una difieren de red en red. La idea de utilizar capas o niveles es que cada una esresponsable de proveer un servicio a la capa superior utilizando los servicios de la capa inferior.Esto es, ofrecer ciertos servicios a las capas superiores de modo que no tengan que ocuparse endetalle de la implementación real de los servicios.

Capa n

Capa 3

Capa 2

Capa 1

Capa n

Capa 3

Capa 2

Capa 1

Medio Físico

Protocolo de capa n

Protocolo de capa 3

Protocolo de capa 2

Protocolo de capa 1

Host 1 Host 2

Interfaz de capa 1/2

Interfaz de capa 2/3

Interfaz de capa 3/4

Interfaz de capa n-1/n

Figura Nº1.2. Capas, protocolos e interfaces.

La capa n de una máquina lleva a cabo una conversación con la capa n de otra. Las reglasy convenciones que se siguen en esta conversación se conocen colectivamente como protocolos.Las entidades que comprenden las capas correspondientes en las diferentes máquinas sedenominan pares. En otras palabras, son los pares los que se comunican usando el protocolo.

En realidad, los datos no se transfieren directamente de la capa n de una máquina hacia laotra. Más bien cada capa pasa datos e información de control a la capa que esta inmediatamente

debajo de ella, hasta llegar a la capa más baja. Debajo de esta se encuentra el medio físico através del cual ocurre la comunicación real. Entre cada par de capas adyacentes hay una interfaz.La interfaz define cuáles operaciones y servicios primitivos ofrece la capa inferior a la superior.Un conjunto de capas y protocolos recibe el nombre de arquitectura de red. La especificación deuna arquitectura debe contener información suficiente para que el implementador pueda escribirel programa o construir el hardware para cada capa de manera que cada uno obedezca de formacorrecta al protocolo apropiado. La lista de protocolos empleados por un sistema, con unprotocolo por capa se llama familia, suite o pila de protocolos.

Modelo OSI (Open Systems Interconnection)OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos), conocido como el modelo de referencia OSI,

describe como se transfiere la información desde una aplicación de software en unacomputadora a través del medio de transmisión hasta una aplicación de software en otracomputadora. OSI es un modelo conceptual compuesto de siete capas; en cada una de ellasse especifican funciones de red particulares. Fue desarrollado por la ISO (OrganizaciónInternacional de Estándares) en 1984 y actualmente se considera el principal modelo dereferencia de arquitectura para la comunicación de computadoras. La UIT adoptó la normapropuesta por la ISO (ISO7498) y la incorporó a sus estándares con la sigla X.200.

El modelo OSI divide las funciones implicadas en la transferencia de la informaciónentre computadoras de red, en siete grupos de tareas más pequeños y fáciles de manejar. Acada una de las siete capas se asigna una tarea o grupo de tareas. Cada capa esrazonablemente individual, por lo que las tareas asignadas a cada capa se puedenimplementar de manera independiente. Esto permite que las soluciones ofrecidas a cada capase puedan actualizar sin afectar a las demás. A continuación se detallan las siete capas delmodelo OSI:

Capa 7 – Capa de aplicación Capa 6 – Capa de presentación Capa 5 – Capa de sesión Capa 4 – Capa de transporte Capa 3 – Capa de red Capa 2 – Capa de enlace de datos Capa 1 – Capa física

Estas capas pueden dividirse en dos categorías: capas superiores y capas inferiores.Las capas superiores del modelo OSI tienen que ver con la aplicación y en general

están implementados sólo en software. La capa superior, la de aplicación es la más cercana alusuario final. Tanto los usuarios como los procesos de capa aplicación interactúan conaplicaciones de software que contienen una componente de comunicación.

Las capas inferiores del modelo OSI manejan lo concerniente a la transferencia dedatos. Las capas físicas y de enlace de datos se encuentran implementadas en hardware ysoftware; en general las demás sólo en software. La inferior, la física, es la más cercana almedio de transmisión de la red física.

Unidad intercambiada

APDU

PPDU

SPDU

TPDU

Paquete

Trama

Bit

Aplicación

Red

Enlace dedatos

Física

Host 1

Presentación

Sesión

Transporte

Aplicación

Red

Enlace dedatos

Física

Host 2

Presentación

Sesión

Transporte

Protocolo deAplicación

Protocolo deSesión

Protocolo deTransporte

Protocolo dePresentación

Red

Enlace dedatos

Física

Red

Enlace dedatos

Física

Protocolo hostenrutador capa

red

Protocolo hostenrutador capaenlace de datos

Protocolo hostenrutador capa

física

Protocolo hostenrutador capa

red

Protocolo hostenrutador capaenlace de datos

Protocolo hostenrutador capa

físicaEnrutador Enrutador

Protocolo interno de la subredFrontera de comunicación de la subred

Datos

Bits

DatosDH DT

DatosNH

DatosTH

DatosSH

DatosPH

DatosAH

Proceso querecibe

Proceso queEnvia

Trayectoria real delos datos

Referencias:APDU: Unidad de Datos del Protocolo de AplicaciónPPDU: Unidad de Datos del Protocolo de PresentaciónSPDU: Unidad de Datos del Protocolo de SesiónTPDU: Unidad de Datos del Protocolo de Transporte

Figura Nº1.3 - Esquema del modelo de referencia OSI

Las siete capas del modelo OSI utilizan varias formas de información de control paracomunicarse con sus capas equivalentes en otros sistemas de computadoras. Esta información decontrol consta de solicitudes e instrucciones específicas que se intercambian entre capas OSIequivalentes.De hecho, la información de control toma una de dos formas: encabezados y finalizadores. Losencabezados se agregan al principio de los datos que se han enviado hacia abajo desde las capassuperiores. Del mismo modo, los finalizadores se agregan al final.Encabezados (headers), finalizadores y datos son conceptos relativos, según la capa que analizala unidad de información. Esto es, debido a que la porción de datos de una capa OSI determinadapuede, potencialmente, contener encabezados, finalizadores y datos de todas las capas superioresa ella. A esto se lo conoce como encapsulación.Tal información de control, es retirada por las capa OSI de destino par u homóloga a la que lageneró, de forma tal que al llegar a la capa superior sólo se encuentran los datos y no lainformación de control.

Capa física del modelo OSI

La capa física abarca el interfaz físico entre los dispositivos y las reglas por los cuales se pasanlos bits de uno a otro. La capa física tiene cuatro características importantes:

- Mecánicas: relaciona las propiedades físicas de la interfaz con el medio de transmisión.Normalmente, incluye la especificación del conector a utilizar.

- Eléctricas: relaciona la representación de los bits (por ejemplo en niveles de tensión) y latasa de transmisión de los datos.

- Funcional: Especifica las funciones realizadas por los circuitos individuales de la interfazfísica entre un sistema y un medio de transmisión.

- De procedimiento: Especifica la secuencia de eventos por los que se intercambia un flujode bits a través del medio físico.

Capa de enlace de datos del modelo OSI

Mientras la capa física proporciona solamente un servicio bruto de flujo de datos, la capa deenlace de datos intenta hacer seguro el enlace físico y proporciona medios para activar, mantenery desactivar dicho enlace. El principal servicio proporcionado por la capa de enlace de datos alas capas superiores es el de detección de errores y control. Así, con un protocolo de la capa deenlace de datos completamente operacional, la capa adyacente superior puede suponer unatransmisión libre de errores en el enlace. Sin embargo, si la comunicación es entre dos sistemasque no están directamente conectados, la conexión constará de varios enlaces de datos entándem, cada uno operando independientemente. Así no se libera a la capa superior de laresponsabilidad del control de errores.Básicamente esta capa efectúa el control de flujo entre dos puntos que se comunicandirectamente, siendo esto lo que le permite realizar la detección y corrección de errores, así comoadicionalmente evitar el desborde de los buffers de recepciónOtra función fundamental de la capa de enlace de datos, la cual es especialmente importante enredes de difusión, es la función de control del acceso al canal compartido. Una subcapa especialde la capa de enlace de datos se encarga de este problema, la subcapa de acceso al medio.

Capa de red del modelo OSI

La capa de red proporciona los medios para la transferencia de información entre sistemasfinales a través de algún tipo de red de comunicación. Libera a las capas superiores de lanecesidad de tener conocimiento sobre la transmisión de datos subyacente y las tecnologías decomunicación utilizadas para conectar los sistemas. En esta capa, el sistema computador estaenvuelto en un dialogo con la red para especificar la dirección de destino y solicitar ciertasfacilidades de la red, como prioridad.Esta capa proporciona el enrutamiento mediante direccionamiento lógico de los dispositivos.Soporta servicios orientados y no orientados a la conexión de los protocolos de capas superiores.La capa de red resuelve además los problemas de fragmentación y reensamblado de paquetes queson transmitidos a través de redes cuyo tamaño máximo de paquete no es homogéneo. Ademásrealiza control de congestión.

Capa de transporte del modelo OSI

La capa de transporte proporciona un mecanismo para intercambiar datos entre sistemas finales.En otras palabras, un programa en la máquina fuente establece una conversación con unprograma similar en la máquina destino, haciendo uso de los encabezados de los mensajes y delos mensajes de control. El servicio de transporte orientado a la conexión asegura que los datosse entregan libres de errores, en secuencia y sin pérdidas o duplicados. La capa de transportetambién puede estar relacionada con la optimización del uso de los servicios de red yproporcionar la calidad de servicio solicitada. La entidad de sesión puede especificar tasas deerror aceptables, retardo máximo, prioridad y seguridad.El tamaño y complejidad del protocolo de transporte dependen de la seguridad o inseguridad delas redes subyacentes y los servicios de red. De acuerdo a esto, ISO desarrolló una serie de cincoestándares de protocolos de transporte, cada uno orientado a los diferentes servicios subyacentes.Entre las tareas habituales de la capa de transporte se cuentan el control de flujo, lamultiplexación, la administración de circuitos virtuales y la verificación y recuperación deerrores.

Capa de sesión del modelo OSI

La capa de sesión permite a los usuarios de máquinas diferentes establecer sesiones entre ellos.Una sesión permite el transporte ordinario de datos, como lo hace la capa de transporte, perotambién proporciona servicios mejorados que son útiles en algunas aplicaciones. Se podría usaruna sesión para que un usuario se conecte a un sistema remoto de tiempo compartido o pararealizar la transferencia de un archivo.Uno de los servicios de la capa de sesión es manejar el control del diálogo. Las sesiones puedenpermitir que el tráfico vaya en ambas direcciones al mismo tiempo, o sólo en una dirección a lavez; pudiendo en este último caso controlar los turnos.Los servicios clave proporcionados por la capa de sesión incluyen los siguientes:

- Disciplina del diálogo: simultánea en dos sentidos (full dúplex) o alternada en los dossentidos (semi-dúplex)

- Agrupamiento: el flujo de datos se puede marcar para definir grupos de datos.- Recuperación: La capa de sesión puede proporcionar un mecanismo de puntos de

comprobación de forma que si ocurre un tipo de fallo entre puntos de comprobación, laentidad de sesión puede retransmitir todos los datos a partir del último punto decomprobación.

Capa de presentación del modelo OSI

Brinda una gama de funciones de codificación y conversión que se aplican a los datos de la capade aplicación. Estas funciones aseguran que la información enviada desde la capa de aplicaciónde un sistema sea legible por la capa de aplicación de otro sistema. Algunos ejemplos deesquemas de codificación y conversión de la capa de presentación incluyen formatos derepresentación de datos comunes, esquemas de compresión de datos comunes y esquemas deencriptación de datos comunes.

Capa de aplicación del modelo OSI

La capa de aplicación proporciona un medio a los programas de aplicación para que accedan alentorno OSI. Esta capa contiene funciones de administración y generalmente mecanismos útilespara admitir aplicaciones distribuidas. Además, se considera que residen en esta capa lasaplicaciones de uso general como transferencia de ficheros, correo electrónico y acceso terminala computadores remotos.

Segunda generación de redes móviles

De todos los sistemas de segunda generación de telefonía móvil existentes, GSM es la másutilizada. En esta sección se describirá brevemente este sistema a través de sus componentesmás importantes. Se divide en tres partes principales, subsistema de estación base, el subsistemade red y sistema de gestión de red, como se muestra en la siguiente figura.

Figura 1.4

Cuando se hace referencia a la arquitectura de una red de telefonía móvil GSM, se tiene quetener en cuenta que este sistema está compuesto por cuatro subsistemas principales, cada uno delos cuales tiene un cierto número de unidades funcionales y están interconectados con elsiguiente subsistema a través de diferentes interfaces con sus protocolos de señalización.Cada subsistema se puede definir como un conjunto de equipos físicos encargados de realizaruna tarea específica, la unión de todas estas tareas asegura el funcionamiento de la red GSM.

En GSM se encuentran los siguientes subsistemas:

- Estación móvil (MS)- SIM (Suscriber Identify Module)

En el subsistema de estaciones base, BSS

- BSC (Base Station Controller)- BTS (Base Transceiver Station)- TRAU (Transcoder and Rate Adapter Unit)

En el subsistema de conmutación de red, NSS

- MSC (Mobile Switching Centre)- HLR (Home Location Register)

- VLR (Visitor Location Register)- AUC (Authentication centre)- EIR (Equipment Identify Register)

Otros elementos de la red:

- SGSN (Serving GPRS Support Node)- GMSC (Gateway mobile switching center)- SMSG (Short Message Services Gateways)- IWMSC (Short Message Services Inter Working mobile switching center)

Subsistema de estación base (BSS)

El BSS consiste en una estación con transmisores y receptores (transceivers) base (BTS),controlador de estación base (BSC) y sub-transcodificador multiplexor (TCSM). Esta última aveces se encuentra físicamente en el MSC , centro de conmutación de móviles. Por lo tanto elBSC también cuenta con tres interfaces estándar para la red fija, es decir, Abis, A y X.25.

Estación base transceiver (BTS)

Este administra la interfaz entre la red y la estación móvil. Por lo tanto, realiza la importantefunción de actuar como un centro para la totalidad de la infraestructura de red. Los terminalesmóviles están vinculados a la BTS a través de la interfaz aérea. La transmisión y recepción en laBTS con el móvil se realiza a través de antenas omnidireccionales o direccionales (por lo generalcon sectores de 120 grados). Las funciones principales de la estación base son la transmisión deseñales en el formato deseado, la codificación y decodificación de las señales, corregir losefectos de la propagación multitrayecto de transmisión mediante el uso de algoritmos deecualización, la codificación de los flujos de datos, mediciones de la calidad y potencia de laseñal recibida, el funcionamiento y la gestión de la estación de base del propio equipo.

Controlador de la estación base (BSC)

Esto controla el subsistema de radio, especialmente las estaciones BTS. Las principalesfunciones del controlador de estaciones base incluyen la gestión de los recursos de radio yentrega. También es responsables del control de la potencia transmitida, la dirección y gestión deO & M y su señalización, configuraciones de seguridad y alarmas.

Subsistema de red (NSS)

El subsistema de red actúa como una interfaz entre la red GSM y las redes públicas, PSTN /ISDN. Los principales componentes del NSS son MSC, HLR, VLR, AUC, y el EIR.

Centro de conmutación móvil (MSC)

El MSC es el centro de conmutación de móviles. Es uno de los elementos más importante de laNSS, ya que es responsable de las funciones de conmutación que son necesarios para lasinterconexiones entre los usuarios móviles y otros usuarios de la red móvil y fija. Con este fin, elMSC hace uso de los tres componentes principales de la NSS, es decir, HLR, VLR y las AUC.

Registro de abonados locales (HLR)

El HLR contiene la información relativa a cada abonado móvil, tal como el tipo de suscripción,los servicios que el usuario puede utilizar, actual ubicación del abonado y estado de los equiposmóviles. La base de datos en el HLR permanece intacta y sin cambios hasta la finalización de lasuscripción.

Registro de ubicación de visitantes (VLR)

El VLR entra en acción una vez que el suscriptor cambia a otra región de cobertura. A diferenciade los HLR, el VLR es dinámico por naturaleza y se relaciona con el HLR cuando es necesaria larecodificación de los datos de un abonado móvil particular. Cuando el suscriptor cambia a otraregión, la base de datos del abonado también se desplazó a la VLR de la nueva región.

Centro de autenticación (AUC)

El AUC (o AC) es responsable de vigilar las acciones en la red. Esto tiene todos los datosnecesarios para proteger la red contra los “falsos” abonados y proteger a las llamadas desuscriptores regulares. Hay dos claves importantes en los estándares GSM: el cifrado decomunicaciones entre los usuarios móviles, y la autenticación de los usuarios. El cifrado se llevaa cabo tanto en los equipos móviles, en los AUC y en la información protegida contra el accesono autorizado.

Equipo de Registros de Identidad (EIR)

Cada unidad móvil tiene su propia identificación personal, que se denota por un número -International Mobile Equipment Identity (IMEI). Este número se instala durante la fabricacióndel equipo y cumple con los estándares GSM. Cuando se realiza una llamada, los controles dered verifican este número de identificación, si el mismo no se encuentra registrado en la listaaprobada de equipo autorizado, se deniega el acceso. El EIR contiene esta lista de númerosautorizados y permite que el IMEI sea verificado.

Sistema de Gestión de Red (NMS)

La principal tarea del sistema de gestión de la red es garantizar el correcto funcionamiento de lared, sin interferencias. Para ello, tiene cuatro tareas principales a realizar: monitoreo de red,desarrollo de la red, mediciones y administración de fallas. Una vez que la red está enfuncionamiento, se inicia el NMS para supervisar su desempeño. Si existe una falla se genera laalarma correspondiente. Algunas fallas pueden ser corregidas a través del mismo sistema degestión, a través de software específico, mientras que existen otras fallas para las que seríanecesario la visita al sitio. El SNM es también responsable de la recolección de datos y elanálisis de su desempeño, lo que daría lugar a decisiones precisas en relación con laoptimización de la red. La capacidad y la configuración de la red NMS dependen del tamaño(tanto en términos de capacidad y zona geográfica) como de las necesidades tecnológicas de lared.

Interfaces y señalización en GSM

Como puede verse en la Figura 1.4, existen varias interfaces y de señalización implicadas en elsistema GSM. En este caso, analizaremos brevemente las interfaces y de señalización.

Interfaces

Interfaz de aire

La interfaz de aire es primordial y quizás la más importante en todos los sistemas móviles. Laimportancia de esta interfaz se deriva del hecho de que es la única interfaz disponible para elsuscriptor, a su vez la calidad de esta interfaz es crucial para el éxito de las redes móviles. Lacalidad de esta interfaz depende principalmente del uso eficiente del espectro de frecuencias quese asigna a la red, para la explotación del servicio.

En el sistema FDMA, (acceso múltiple por división de frecuencias) una frecuencia específica seasigna a un usuario para realizar una comunicación. En los sistemas que trabajan a pérdida, ycuando hay tráfico excesivo y se utilizan todos los recursos de radio frecuencias, la red entra encongestión temporal. A partir de ese momento se rechazan las nuevas peticiones, es decir sedegrada el desempeño de la red, aumentando las pérdidas de comunicación. Los diseñadores dered deben evaluar en la hora cargada el máximo bloqueo permitido.

En el sistema TDMA, (acceso múltiple por división de frecuencia) las señales setransmiten a modo de ráfaga y en forma periódica, ya que una misma frecuencia es compartidapor ocho ranuras temporales (en teoría ocho usuarios), a diferencia del sistema FDMA, en quelas señales son enviadas en forma permanente.Así, combinando las ventajas de ambas técnicas, TDMA permite ocho canales físicos para serservido con la misma frecuencia. Como se mencionó anteriormente, GSM utiliza la técnica demodulación .la modulación gaussiana con mínimo desplazamiento de fase (GMSK)

Interfaz Abis

Es la interfaz entre la BTS y el BSC. Es una interfaz PCM, es decir, una trama E1, a modo deejemplo, que se define por el enlace de 2 Mbps. Por lo tanto, se logra una tasa de transmisión de2,048 Mbps, con 32 canales de 64 kbps cada uno.Si el canal de tráfico es de 13 kbps en la interfaz de aire, y si mientras la interfaz Abis es 64kbps, esto implica, que la multiplexación y transcodificación debe hacer la conversión de 64kbps en la interfaz Abis, a 13 kbps en la interfaz de aire. O sea cuatro canales son multiplexadosen una trama PCM.TCSM se encuentran normalmente en el MSC para ahorrar los costos de transmisión, perotambién puede ser ubicado en el sitio de BSC.

Una interfaz de ALa interfaz de A está presente entre los TCSM y MSC o físicamente entre el MSC y el BSC (porlo general, TCSM se encuentren físicamente en el MSC). Esta interfaz se compone de uno o másenlaces PCM cada uno con una capacidad de 2048 Mbps.Hay dos partes de la interfaz A, una de las BTS a la TRAU cuando se comprime la carga útil detransmisión, y una entre las TRAU y MSC en la que no se comprimen los datos.

El TRAU normalmente se encuentra entre el MSC y BSC y deben tenerse en cuenta a la horahacer frente a esta interfaz.La señalización SS7 está presente en la interfaz A.

Señalización

LAPDm

LAPDm significa "protocolo modificado enlace de acceso de datos”. El mismo se utiliza en elenlace de radio entre la red celular y el teléfono móvil del abonado

SS7

SS7 ofrece la base de todo el tráfico de señalización en todas las interfaces de NSS.Es un estándar de señalización desarrollado por la ITU. Esto proporciona los protocolos por loscuales los elementos de redes en el móviles (y teléfono) pueden intercambiar la informaciónnecesaria para el establecimiento, mantenimiento y liberación del canal .Se usa entre el BSC y el MSC. Es capaz de gestionar la información de señalización en las redescomplejas.Se utiliza para la configuración de llamadas y gestión de llamadas. Las características tales comola itinerancia, autenticación, reenvío de llamadas, etc., no se asignan de manera permanente ysólo es necesario para el establecimiento de llamada y función de liberación de llamada.

X.25

X-25 une el BSC al centro de O & M . Se trata de un protocolo de señalización desarrollado porla ITU-, y que permite la comunicación entre dispositivos remotos.Este es un protocolo de red de conmutación de paquetes de datos que permite el flujo del controlde datos e información entre el host y la red.Mediante la utilización de los servicios orientados a la conexión, se asegura que los paquetes setransfieran en orden.

Redes móviles de tercera generación

Las redes móviles de tercera generación están diseñadas para la comunicación de tráficomultimedia, con lo que mejora la calidad de imagen y de vídeo, con el consiguiente aumento delas tasas de transmisión de datos dentro de las redes.En los foros de normalización, la tecnología WCDMA emerge como la más apta, para eldesempeño como la interfaz de aire para la redes de tercera generación. Las especificacionesfueron creadas por el 3GPP, y el sistema WCDMA es ampliamente utilizado tanto para operar enFDD (duplexación por división de frecuencia) o TDD (duplexación por división temporal).Las redes 3G consisten en dos partes fundamentales:La red de acceso radio (RNA) y la red core o núcleo (CN), como se muestra en la siguienteFigura:

Figura 1.5 Sistema de tercera generación.

Red de acceso (RNA)

Los principales elementos de esta parte de la red se encuentran en las estaciones base (BS) y enel controlador de red de radio (RNC). Las principales funciones incluyen la gestión de losrecursos de radio y gestión de las telecomunicaciones.

Estación base (BS)

La estación base en redes 3G también se conoce como nodo B. La estación base es unaimportante entidad como interfaz entre la red y la interfaz de aire WCDMA. Al igual que en lasegunda generación de redes de comunicaciones móviles, la transmisión y recepción de señalesdesde la estación base se realiza a través de antenas omnidireccionales o direccionales. Lasprincipales funciones de la BS incluyen la codificación de canal, intercalación, adaptación de latasa, difusión, etc., junto con el procesamiento de la interfaz de aire.

Radio Network Controller (RNC)

La RNC actúa como una interfaz entre la estación base y la red principal. El RNC es responsabledel control de los recursos de radio. También, a diferencia de GSM, el RNC, en relación con laestación base, es capaz de administrar todas las funciones de recursos de radio sin laparticipación de la red principal. Las principales funciones del RNC implican carga y control decongestión de las celdas, control de admisión y asignación de código, el enrutamiento de losdatos entre las interfaces Iub y Iur.

Red de Núcleo (CN)

La red básica de las redes 3G se compone de dos áreas: una de conmutación de circuitos (CS) yuna de conmutación de paquetes (PS). La parte CS controla el tráfico en tiempo real, y el PS se

encarga de otros tipos de tráfico. Estos dos dominios están conectados a otras redes (por ejemplo,CS a la PSTN, y el PS a la red IP pública).El diseño del protocolo de la UE y UTRAN se basa en la nueva tecnología WCDMA, pero lasdefiniciones CN han sido adoptadas de las especificaciones GSM.Los principales elementos de la CN son WMSC / VLR, HLR, MGW (media gateway) de la partede la CS, y SGSN (nodo de soporte de GPRS) y GGSN (Gateway GPRS) de la parte de la PS.

WCDMA Centro de Conmutación Móvil (WMSC) y VLR

El conmutador y la base de datos son los responsables de las actividades de control de llamadas.WMSC se utiliza para las transacciones del CS, y la función VLR contiene información sobre elabonado que visita la región, que incluye la ubicación del móvil dentro de la región

Gateway Centro de Conmutación Móvil (GMSC)

Esta es la interfaz entre la red móvil y el exterior de las redes de CS. Esto establece lasconexiones de llamadas que están entrando y saliendo de la red. También define el trayecto paraestablecer la conexión WMSC / VLR

Registro de abonados locales (HLR)

Esta es la base de datos que contiene toda la información relacionada con el usuario móvil y laclase de servicios suscrito.

Nodo de soporte de GPRS (SGSN)

El SGSN mantiene una interfaz entre el RNC y el dominio PS de la red. Es el principalresponsable de cuestiones de gestión de la movilidad como el registro y actualización de la UE,las actividades relacionadas con la localización, y las cuestiones de seguridad para la red PS.

Gateway GPRS (GGSN)Esto actúa como una interfaz entre la red 3G y las redes externas de la PS. Sus funciones sonsimilares a los GMSC en el dominio CS, pero para el dominio PS.

Interfaces y señalización en las redes 3G

Como puede verse en la Figura 1.5, existen interfaces y sistemas de señalización implicadas enredes 3G. En este caso, analizaremos brevemente las interfaces y la señalización.

Interfaz de aire Uu / WCDMA

Uu o la interfaz de aire WCDMA es la interfaz más importante de las redes 3G.La interfaz Uu trabaja con los principios de WCDMA asignando a cada usuario un código, quevaría con la transacción. Cada usuario tiene un código asignado, que será diferente y ortogonal alos otros códigos asignados a los demás usuarios en la BTS o nodo B.A diferencia de GSM, aquí cada usuario utiliza la misma banda de frecuencia.Hay tres variantes del CDMA, que son :

- (DS-WCDMA-FDD), secuencia -directa FDD (duplexación por división defrecuencia) ;

- (DS-WCDMA- TDD), secuencia -directa TDD (duplexación por división detiempo

- y multi-carrier WCDMA (MC-WCDMA).

En la fase inicial de las redes WCDMA, la variante FDD es la utilizada.

Bandas de frecuencia en WCDMA-FDD

En la interfaz de aire, las trasmisiones del móvil al nodo B, y recíprocamente, del nodo B almóvil están separadas en diferentes frecuencias para realizar el duplex con una distancia de 190MHz . La banda de frecuencias de enlace ascendente es 1920-1980 MHz y el enlace descendentees 2110-2170 MHz.Se definen varios anchos de banda para el sistema WCDMA (Por ejemplo, 5, 10 y 20 MHz),pero el de 5 MHz es el ancho de banda que se está utilizando actualmente en el desarrollo de lared. Aunque el ancho de banda es de 5 MHz, el ancho de banda efectivo es de 3,84 Mhz, seutiliza como banda de guarda de 0,6 MHz de cada lado (es decir, 1,2 MHz en total constituye labanda de guarda).

Iub InterfazEsta es la interfaz que conecta la estación base a la RNC. Esto está estandarizado como unainterfaz abierta, a diferencia del GSM, donde la interfaz entre la BTS y el BSC no es una interfazabierta. Esto consiste en enlaces de señalización comunes y puntos de terminación de tráfico.Cada uno de estos puntos de terminación de tráfico está controlado por enlaces dedicados deseñalización. Un punto de terminación de tráfico es capaz de controlar más de una celda.

Iur Interfaz

Se trata de una interfaz única en las redes WCDMA. Iur es una interfaz entre el RNC y RNC. Nohabía este tipo de interfaz en la red GSM (es decir, entre BSC y el BSC). Esta interfaz fuediseñada para soportar la funcionalidad entre RNC. También esta interfaz fue diseñada paraapoyar la funcionalidad entre RNC del soft - handover, d el canal común como los dedicados, eltráfico y la gestión de los recursos (por ejemplo, transferencia de las mediciones celular entre lasceldas). El protocolo de señalización utilizado para esta interfaz es RNSAP (radio networksystem application part) .

Interfaz IuEsta interfaz conecta la RAN con la CN. Se trata de una interfaz abierta y se encarga de ladistribución, la funciones de enrutamiento y de control tanto para el CS y el tráfico PS. Así, lainterfaz que conecta la RAN a la parte de CS de la NC se conoce como la interfaz Iu-cs, mientrasque la interfaz que conecta la RAN a la parte PS de la CN, se denomina interfaz Iu-PS.

Señalización

La señalización en las redes WCDMA de tercera generación está distribuida en tres planos: elplano de transporte, el plano de control y el plano de usuario.Esto se debe a que en las redes de tercera generación los flujos de datos están distribuidos en trescapas. Estas tres capas son: de transporte, de control y de usuario, como se muestra en la figura1.7

Figura 1.7 – Modelo OSI – 3G

El plano de transporte es un medio para proporcionar conexión entre la UE y la red (es decir, una interfazde aire). Consta de tres capas: física, de datos y capas de red.La capa física es la capa de WCDMA (TDD / FDD), mientras que la capa de datos es responsable deestablecer, mantener y liberar el enlace de radio, de proteger, corregir errores, etc.La capa de datos también controla la capa física. La capa de red contiene básicamente las funciones quese requieren para el plano de control de transporte. El plano de control contiene la señalizaciónrelacionada con los servicios que son administrados por la red.

Evolución a Largo Plazo (LTE – Long Term Evolution)

Evolución a Largo Plazo (LTE) es el paso mas reciente en la evolución de los sistemas detelecomunicaciones móviles.Las comunicaciones móviles nacieron en la época de los cincuenta con el desarrollo el conceptode celdas. El uso de celdas ha permitido aumentar la capacidad de una red de comunicacionesmóviles, mediante la división del área de cobertura en pequeñas celdas, y el reuso de unas pocasfrecuencias.El la época de los ochenta se introdujeron los primeros sistemas de comunicaciones móviles agran escala, conocidos como “Sistemas de Primera generación". Esta se primera generación detecnologías se basaban en moduladores analógicos:

• AMPS: Analogue Mobile Phone System, utilizado en America.• TACS: Total Access Communication System, utilizado en partes de Europa.• NMT: Nordic Mobile Telephone, utilizado en partes de Europa• J-TACS: Japanese Total Access Communication System, utilizados en Japón y HongKong.

La movilidad entre países y operadoras (Roaming), fue posible con la introducción de los“Sistemas de Segunda Generación”, la cual determino el inicio de la era digital con GSM(Global System for Mobile Communications). GSM se convirtió en un estándar robusto, inter-operable y ampliamente aceptado en el mundo.La penetración universal de teléfonos GSM en países desarrollados había proporcionado unafacilidad de comunicación nunca antes posible, primero por los mensajes de voz y texto y mástarde también por servicios de datos y el amplio desarrollo del Internet.La disponibilidad de comunicaciones móviles, junto con el aumento en la demanda, proporcionoel contexto adecuado para la inversión en investigación y desarrollo de nuevos sistemas concapacidades más avanzadas. Esto genero una serie de actualizaciones que posibilitaron ampliarlas capacidades de transmisión de datos, mediante la mejora de la eficiencia espectral queproveían nuevas tecnologías de capa física. La evolución del GSM culmina con el desarrollo delsistema actualmente conocido como LTE: la evolución a plazo largo de UMTS (UniversalMobile Telecommunications System).En esta primera introducción nos enfocaremos primero en los aspectos básicos de LTE, paraluego poder entender el procedimiento de acceso a la red para un Equipo de Usuario (UE – UserEquipment) a medida que se avance en el módulo.

Aspectos básicos

El espectro radioeléctrico es un medio compartido entre diversas tecnologías, lo que implica quela interferencia es difícil de mitigar. Como consecuencia, existen organismos reguladores, enparticular la UIT-R (Unión Internacional de telecomunicaciones, sector de la comunicación deradio) que desempeñan un papel muy importante para ayudar la coexistencia entre múltiplestecnologías.Las porciones del espectro radioeléctrico asignado a las tecnologías de comunicaciones móvilesse identifican como parte de la familia Telecomunicaciones Móviles Internacionales (IMT –Internacional Mobile Telecommunications).3GPP, Third Generation Partnership Project es actualmente el grupo de desarrollo de normasdominante para los sistemas de comunicaciones móviles y se describirá con más detalle acontinuación.Dentro de la evolución de 3GPP, tres familias de tecnologías de acceso son evidentes:

• 2G: GSM/GPRS/EDGE se basaron en la multiplexación en tiempo y frecuencia(TDMA/FDMA).• 3G: marcó la entrada de la multiplexación por códigos, Code Division Multiple Access(CDMA), siendo conocida como CDMA de banda ancha o simplemente WCDMA.• 4G: LTE ha adoptado Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA), que es latecnología de acceso dominando la evolución más reciente de todas las normas detelecomunicaciones móviles.

LTE fue diseñado desde el principio con el objetivo de evolucionar la tecnología de acceso deradio bajo el supuesto de que todos los servicios serían basados en la conmutación de paquetes.Además de la evolución en el método de acceso, LTE es acompañado por la evolución de suarquitectura de red, denominada bajo el término “System Architecture Evolution” (SAE), el cualincluye la Red Núcleo de Paquetes Evolucionada (EPC – Evolved Packet Core). Juntos, LTE ySAE comprenden el Sistema de Paquetes Evolucionado (EPS – Evolved Packet System), dondetanto el núcleo de la red como el acceso de radio son de conmutación de paquetes.LTE se beneficia de los avances más recientes en comprensión de datos, y la evolución de latecnología HSPA y HSPA+, especialmente aquellas en relación a las optimizaciones de la pila deprotocolos, mientras que también adopta una tecnología radicalmente nueva sin las limitacionesde compatibilidad con versiones anteriores y ancho de banda escalable.LTE puede funcionar en modos FDD (Frecuency-Division Duplex) y TDD (Time-DivisiónDuplex) en un marco armonizado, diseñado también para apoyar la evolución de TD-SCDMA(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access), que ha sido desarrollado en 3GPPcomo una rama adicional de la ruta de acceso de la tecnología UMTS, esencialmente para elmercado chino.

Requerimientos y objetivos

Años atrás, cuando LTE comenzaba a definirse un nuevo Elemento de Estudio formal fue creadoen 3GPP, el cual tenia como objetivo específico el de crear una tecnología de acceso que asegurecompetitividad por un marco de tiempo de mas de 10 años.Los requisitos pueden resumirse como sigue:

• Reducir el consumo de potencia a un nivel mas razonable para el terminal móvil.• Brindar una alta tasa transferencia de datos.• Efectivizar el uso del espectro radioeléctrico, tanto en bandas preexistentes comonuevas.• Reducir el costo por bit, lo que implica mejorar la eficiencia espectral.• Permitir la movilidad transparente, incluso entre las tecnologías de acceso diferentes.• Reducir retrasos de establecimiento de la conexión y transmisión de datos.• Desarrollar una Arquitectura de Red simplificada y mas eficiente.• Aumentar la eficiencia de transmisión de datos en los bordes de las celdas, donde lacobertura es marginal, para proporcionar uniformidad de prestación de servicios.

La Alianza de Operadores de Red, que se unen bajo el nombre de Next Generation MobileNetworks (NGMN), propuso sus requisitos, los cuales sirvieron como una referencia adicionalpara el desarrollo y la evaluación del diseño de LTE. Tales requisitos también guiaran eldesarrollo de la próxima fase de LTE, LTE Avanzado (LTE Advanced).Para llevar a cabo los objetivos propuestos, el diseño del sistema LTE abarca tanto en laespecificaciones para la interfaz de radio y como para la arquitectura de la red.

Requerimientos de desempeño del Sistema

La mejora en la performance fue el requerimiento más importante que exigían los operadores deredes.La Tabla 1 resume los requisitos de rendimiento en base a los cuales se diseñó la primeraversión de LTE. Muchos de los valores se dan relativos a la versión disponible más avanzada deUMTS, que en el momento de la definición de los requisitos de LTE fue HSDPA/HSUPAversión 6.

Picos de Transferencia de Datos y Eficiencia EspectralCuando se comparan las capacidades de diferentes tecnologías de comunicaciones móviles sepone gran énfasis en las capacidades máximas de transferencia de datos. Mientras que esto puedeser un indicador de cuan tecnológicamente avanzado es el sistema, puede no ser un diferenciadorclave en la practica, debido a que hay diversos escenarios de uso para un sistema decomunicaciones móviles que afectan la percepción del usuario.Además, es relativamente fácil diseñar un sistema que puede proporcionar velocidades de datospico muy alta para usuarios cercanos a la estación base, donde la interferencia de otras células esbaja y técnicas tal como MIMO puede utilizarse en su mayor medida. Es mucho más difícilproporcionar altas velocidades de datos con buena cobertura y movilidad, pero son exactamenteestos últimos aspectos los que contribuyen más firmemente a la satisfacción de los usuarios.

La tasa máxima puede definirse como el rendimiento máximo asumiendo que el ancho de bandacompleto está asignado a un único usuario, el cual posee la más alta modulación y el esquema de

codificación posible, y el número máximo de antenas compatible. La cantidad de datos decontrol (canales de control, las señales piloto, guarda de intervalos, etc.) se estiman y se tomanen cuenta para un punto dado de funcionamiento.La máxima eficiencia espectral, se obtiene dividiendo la tasa máxima por la asignación deespectro utilizado.En LTE, la tasa de datos pico para Downlink y Uplink se han fijado a 100 Mbps y 50 Mbpsrespectivamente, dentro de un ancho de banda de 20 MHz, correspondiente a la eficienciaespectral pico de 5 y 2,5 bps/Hz respectivamente.En implementaciones típicas, los usuarios se encuentran a distancias variables de la estación baseen una celda, donde las condiciones de propagación de las señales son raramente ideales, yademás los recursos disponibles deben ser compartidos entre muchos usuarios. En consecuencia,a pesar de quelas tasas de datos de pico reclamadas de un sistema son realmente alcanzables en las condicionesideales, es raro para un solo usuario poder experimentar las velocidades de datos pico durante unperíodo sostenido.

Performance de la Celda y su Eficiencia EspectralEl rendimiento a nivel de celda es un factor importante para determinar el costo deimplementación.Para evaluar LTE, se adopto un modelo de trafico cola llena (es decir, suponiendo que se disponede un flujo constante e ininterrumpido de datos transmitidos hacia el usuario) y una carga desistema relativamente alta, típicamente 10 usuarios por cada celda.

Los requisitos se definieron en términos de los siguientes parámetros:

• Promedio de rendimiento de celda [bps/celda] y eficiencia espectral [bps/Hz/celda].• Promedio de rendimiento de usuario [bps/usuario] y eficiencia espectral[bps/Hz/usuario].• Rendimiento de usuario en borde de celda [bps/usuario] y eficiencia espectral[Hz/bps/usuario]. La métrica utilizada para esta evaluación es el rendimiento de usuariode percentil 5, obtenido de la función de distribución acumulativa del rendimiento delusuario.

Para la comparación, se opto como referencia a UMTS versión 6, donde se suponía que laterminal y la estación base utilizaban una sola antena para transmisión y dos para recepción.Para la evaluación de LTE, el uso de dos antenas para transmitir y recibir fue asumido en laestación base. En el terminal, se opto por dos antenas de recepción, pero una única paratransmitir. Los requisitos originales para las métricas a nivel de celda sólo se expresaron comoganancias relativas en comparación con la establecida en la versión 6. Los valores absolutosproporcionados en la Tabla 1 se basan en las evaluaciones de la performance del sistema dereferencia.

Capacidad de vozA diferencia del modelo de tráfico de cola llena (como la descarga de archivos) el cual estípicamente tolerante al retraso y no requieren una velocidad de datos garantizada, el trafico entiempo real tales como Voz sobre IP (VoIP) tiene restricciones de demora bastantes exigentes. Esimportante nestablecer los requerimientos de capacidad para tales servicios, un reto particularpara sistemas deconmutación de paquetes tal como LTE el cual se basa en la asignación de recursos de maneradinámica.

El requisito de capacidad de voz del sistema se define basado en el número de usuarios VoIP alos que se les provee el servicio, dado un modelo de tráfico particular y limitaciones de demora.En dicho modelo, un usuario de VoIP se considera no satisfecho si más de un 2% de los paquetesde VoIP no llegan con éxito al receptor de radio dentro de 50 ms y por lo tanto son descartados.Esto supone un retraso promedio de punto a punto general (desde el terminal móvil a otroterminal móvil) por debajo de 200 ms. La capacidad del sistema para VoIP, puede definirsecomo el número de usuarios presentes por celda, cuando más de un 95% de los usuarios estánsatisfechos. El grupo de operadores de red (NGMN) expresaron como preferencia la capacidadde soportar 60 sesiones de VoIP satisfechas por MHz – un aumento de dos a cuatro veces lo quenormalmente es posible en el caso de la versión 6. Esta es un área donde hay margen para seguirmejorando LTE en versionesposteriores. Ver Tabla 1.

2. Planificación básica de la red de radioAlcance de la planificación de radio

La red de radio es la parte de la red móvil que incluye la estación base (BTS), la estación móvil(MS) y la interfaz entre ellos, como se muestra en la Figura 2.1.Como la red de radio es la parte de la red que conecta directamente con el usuario móvil, poseeuna importancia considerable.La estación base posee canales de radio frecuencia mediante las cuales se conecta con el móvil, yesta estación base debe ser capaz de comunicarse con la estación móvil dentro de cierta área decobertura, y de mantener estándares de calidad de la comunicación.La red de radio debe ser capaz de ofrecer la suficiente capacidad y cobertura.

Figura 2.1

Forma de la celda

En las redes móviles el área de cobertura se define en términos de "celdas". Una estación basepuede tener varias celdas. En general, una celda puede ser definida como el área cubierta por unsector, es decir, un sistema de antena. La naturaleza hexagonal de la celda es una forma artificialde modelar (Figura 2.1), a los efectos de implementar la red. Esta es la forma que es masaproximada a una circular, que representa la cobertura ideal de la potencia transmitida por laantena del terminal móvil.Las formas circulares de las celdas producen una superposición del área de cobertura en ciertaszonas, pero en realidad, sus formas reales se asemejan mas a la forma que se muestra en la figura2.2.

En la implementación real tendrá celdas de formas no geométricas, con algunas áreas que notendrán señal con suficiente potencia o directamente sin cubrir por varias razones.

Figura 2.2

Los elementos de una red de radio

Estación móvil (MS)

La estación móvil se compone de dos partes, el terminal y el módulo del identidad (SIM). Latarjeta SIM es personalizada y es única para cada suscriptor.

El terminal debiera tener cualidades similares a las de los teléfonos fijos en términos decalidad, además de ser fácil de usar. El equipo también cuenta con funcionalidades como lamodulación GMSK y hasta la demodulación para la codificación / decodificación del canal,generación del tono multifrecuencia y debería tener una batería de larga duración

La tarjeta SIM es básicamente un microchip operando conjuntamente con una tarjeta dememoria.

La función principal de la tarjeta SIM es almacenar los datos tanto para el operador comopara el suscriptor. La tarjeta SIM satisface las necesidades del operador y del suscriptor, demanera tal que el operador puede mantener el control sobre la suscripción pactada con elabonado, y el suscriptor puede proteger su información personal. Por lo tanto, las funciones másimportantes del SIM incluyen autenticación, la seguridad en la transmisión de información através de las frecuencias de radio y el almacenamiento de los datos de suscriptor

Estación base - Transceiver (BTS)

Desde la perspectiva del ingeniero que planifica la red de radio, la estación base es tal vez elelemento más importante en la red, ya que proporciona la conexión física con la estación móvil através de la interfaz de aire. Y del otro lado, se conecta a la BSC a través de un interfaz Abis. Undiagrama en bloques simplificado de una estación base se muestra en la Figura 2.3.

Figura 2.3 Diagrama en bloques de una estacion base

El transceptor (TRX) consiste básicamente en una unidad de baja frecuencia y una unidad de altafrecuencia. La unidad de baja frecuencia es responsable del procesamiento de las señales digitaly la unidad alta frecuencia es responsable de la modulación y demodulación GMSK.

Configuración del canal en GSM

Hay dos tipos de canales en la interfaz de aire: los canales físicos y canales lógicos. Se denominacanal físico a los intervalos de tiempo (TS) disponibles en una frecuencia portadora disponibleen la BTS.

Hay dos tipos en el presente: half-rate (HR) y full-rate (FR).El canal FR es una codificación para voz con una tasa de transmisión de 13 kbps o

también de canal de datos con una tasa de datos en bruto de 9.6, 4.8 o 2.6 kbps, mientras que ladel canal HR soporta una tasa de 7 ;4.8 o 2,4 kbps.

"Canal lógico "se refiere a una clase de información específica que es transmitida por elcanal físico.

FilterOutput/input

TXR TransmissionSystem

inputO & M

Airinterface

Abisinterface

Los canales lógicos también se pueden dividir en dos tipos: canales de tráfico (TCH) y canalescontrol (CCH).

Los canales de tráfico se utilizan para transportar datos de usuario (voz / datos) mientrasque los canales control transportan información de señalización y control. Los canales de controllógico son de dos tipos: canales comunes y dedicados. La tabla 2.1 resume los diferentes tipos decanal de control

Proceso de planificación de la red de radio.

El principal objetivo de la planificación de la red de radio es proporcionar una solución rentablepara la red de radio en términos de cobertura, capacidad y calidad.

En el proceso de planificación y diseño de redes, se aplican criterios que varían de unaregión a otra dependiendo del factor dominante, que podría ser capacidad o cobertura.

El proceso de diseño de la red de radio en sí no es el único proceso en el diseño de la redgeneral, ya que tiene que trabajar en estrecha coordinación con los procesos de la planificaciónde la red núcleo y en particular de la red de transmisión.

Pero para facilitar la explicación, se realiza una simplificación en la siguiente figura

Figura 2.4.

El proceso de planificación de la red de radio se inicia con la obtención de los parámetros deentrada, como los requisitos de la capacidad de red, cobertura y calidad.

Estas entradas se utilizan para hacer la cobertura teórica y los planes de capacidad. Ladefinición de la cobertura incluiría definir las áreas de cobertura, la probabilidad de pérdida delos servicios y los niveles de potencia de la señal en función de la sensibilidad de los equiposmóviles.

En la definición de la capacidad de incluir el perfil de abonado y de tráfico en la región yen toda el área, disponibilidad de las bandas de frecuencia, los métodos de planificación defrecuencias, y otra información como banda de guarda y la división de banda de frecuencia.

El planificador de la red de radio también necesita la información en el sistema de accesoradioeléctrico y el funcionamiento del sistema de la antena asociada al sistema de acceso.

El proceso de pre-planificación brinda resultados teóricos cobertura planes de capacidad.Hay áreas con una gran área de cobertura y áreas de gran capacidad en una determinada regióndentro de la red.

El requisito de la capacidad de una celda en una zona de servicio se calcula para cada fasedel diseño de la red. A modo de ejemplo para identificar la fase de corte de una celda, a partir delcual la cobertura es tomada por otra celda no solo está determinada por la capacidad estimada,hay otros parámetros como el nivel de la señal

Si bien el objetivo de la planificación de la cobertura, en donde la cobertura está basadaen áreas, es encontrar el número mínimo de sitios para la producción de la cobertura requerida,los ingenieros a menudo tienen que experimentar con la cobertura y capacidad.

Si los requisitos de capacidad determinan que hay que aumentar el número de sitios, loque se aplica es aumentar la frecuencia de reuso de la planificación celular, controlando lasinterferencias de las celdas con el canal en función de la distancia y la potencia de las señales-

Después de la selección del sitio, la asignación de los canales de frecuencia para cadacelda se realiza de una forma tal que causa una mínima interferencia y mantiene la calidaddeseada.

La asignación de frecuencias esta basada en la relación señal -interferencia (C / I).

Los planes de frecuencias deben ser ajustados sobre la base de los resultados de laspruebas de unidad y estadísticas de gestión de red.

Los planes de parámetros se fijan para cada uno de los sitios de la celda. Hay un conjuntode parámetros para cada celda que se utiliza para el lanzamiento de la red y la expansión. Esteconjunto podrá incluir área de la celda, definiciones de servicios, las configuraciones de loscanales l, entrega y control de potencia, las definiciones de adyacencia, y parámetros específicosde las redes.

La planificación final de radio consiste en definir los planes de cobertura, lasestimaciones de la capacidad, la planificación de interferencia, cálculos de potencia de señal, losplanes de conjunto de parámetros, los planes de frecuencias, etc.

Radio de la celda y propagación de ondas

La cobertura en una celda depende de la zona cubierta por la señal. La distancia recorrida por laseñal depende de las características de propagación de la señal de radio en una esferadeterminada. La propagación varía de región a región y debe ser estudiada cuidadosamente,mediante las predicciones tanto para la cobertura como para la capacidad.

El requisito de los planificadores de radio es en general un diseño de red que cubre el100% de la superficie. El cumplimiento de este requisito es por lo general imposible, así que sehacen esfuerzos de diseño de una red que cubra todas las regiones que puedan generar tráfico yque los denominados 'agujeros' sólo en las zonas sin tráfico.

La superficie se divide en tres clases principales - urbanas, suburbanas y rurales - basadaen estructuras hechas por el hombre y terrenos naturales.

Las celdas (sitios) que se construyen en estas áreas pueden ser clasificadas como celdasexteriores e interiores.

Las celdas al aire libre puede ser clasificadas como macro-celular, micro-celular o picocelular. (Figura 2.5).

Figura 2.5 – Celdas macro, micro y pico

Macro-celdas

Cuando las antenas de las estaciones base se colocan por encima del nivel medio de la azotea, lacelda es conocida como una macro-celda. A medida que la altura de la antena está por encima

del nivel medio de la azotea, el área que se pueda cubrir es amplia. Una gama de macro-celdapuede variar desde un par de kilómetros a 35 kilómetros, la distancia está en función del tipo deterreno y las condiciones de propagación. Por lo tanto, este concepto se utiliza generalmente paraentornos suburbanos o rurales.

Micro-celdas

Cuando las antenas estaciones base están por debajo del nivel medio de la azotea, la celda seconoce como micro-celular. El área que puede ser cubierta es pequeña, por lo que este conceptose aplica en las zonas urbanas y áreas suburbanas. La gama de micro-celdas es de unos pocoscientos de metros hasta un par de kilómetros.

Pico-celdas

Las pico- celdas se definen de la misma forma que las micro-celdas y se utilizan generalmentepara cobertura en interiores

Efectos de propagación de ondas y parámetros

La señal que se transmite desde la antena transmisora (BTS / MS) y recibida por la antena derecepción (MS / BTS) recorre un trayecto determinado y a veces complejo.

Esta señal se expone a una variedad de estructuras artificiales, pasa a través de losdiferentes tipos de terreno, y se ve afectada por la combinación de los entornos de propagación.

Todos estos factores contribuyen a la variación en el nivel de la señal, por lo que hacenque varíe la cobertura y la calidad en la red.

Antes de que considerar la propagación de la señal de radio en entornos urbanos yrurales, vamos a examinar un fenómeno asociado a la propagación de ondas de radio.

Pérdida de espacio libre

Cualquier señal que es transmitida por una antena sufrirá una atenuación durante su viaje en elespacio libre. La cantidad de energía recibida en punto un dado cualquier en el espacio, seráinversamente proporcional a la distancia recorrida por la señal. Esto puede ser entendidomediante el concepto de una antena isotrópica.

Una antena isotrópica es una antena imaginaria que irradia igual potencia en todas lasdirecciones. Cuando la potencia se irradia de manera uniforme, podemos suponer se que formauna «Esfera» de potencia, como se muestra en la Figura 2.6.

Figura 2.6 – Antena isotrópica

La superficie de esta esfera de potencia es:

La densidad de potencia S en cualquier punto a una distancia R de la antena se puede expresarcomo:

donde P es la potencia transmitida por la antena, y G es la ganancia de la antena. Así, la potenciarecibida Pr a una distancia R es:

donde GT, y Gr. son la ganancia de antenas de la transmisión y recepción, respectivamente.Convirtiendo a decibeles tenemos:

Los dos últimos términos de la ecuación 2.4 son denominados en conjunto como pérdida detrayecto en el espacio libre, o pérdida de espacio libre. Los dos primeros términos (P y Gt) sedenominan potencia isótropa radiada efectiva, o PIRE. Por lo tanto:

La pérdida de espacio libre , se puede escribir como :

donde f es la frecuencia en GHz y d es la distancia en Km.

La ecuación 2.6 da la pérdida de potencia de señal que tiene lugar desde la antena transmisora ala antena del receptor.

Conceptos de propagación de ondas de radio

La propagación de la onda de radio en el espacio libre depende en gran medida de la frecuenciade la señal y los obstáculos en su camino. Hay algunos efectos sobre el comportamiento de laseñal, y se describen brevemente a continuación.

Reflexiones y múltiple

La onda de radio transmitida casi nunca viaja en una ruta de acceso a la antena receptora, queTambién significa que la transmisión de la señal entre las antenas no es la línea de visibilidaddirecta (LOS). Así, la señal recibida por la antena de recepción es la suma de todos loscomponentes de la señal transmitida por la antena transmisora.

Difracción

La difracción es un fenómeno que se produce cuando la onda de radio impacta en una superficiey cambia su dirección de propagación debido a la incapacidad de la superficie para absorber laseñal. La pérdida debido a la difracción. La pérdida debido a la difracción depende del tipo deobstrucción en la trayectoria. En la práctica, la antena móvil está a una altura muy inferior a laantena de la radio base, y puede estar en edificios altos o colinas en la zona. Este fenómenotambién es conocido como "sombra", porque el móvil receptor está en la sombra de estasestructuras.

Construcción y penetración en vehículos

Cuando la señal llega a la superficie de un edificio, esta puede ser difractada o absorbida.Si es absorbida se reduce la potencia de la señal. La cantidad de absorción depende del tipo deedificio y su entorno: la cantidad de estructura sólida y vidrio en la superficie exterior, lascaracterísticas de propagación cerca del edificio, la orientación del edificio con respecto a laorientación de la antena, etc. Esta es una consideración importante en la planificación decobertura de una red de radio.La pérdida de penetración en vehículo es similar, excepto que el objeto en este caso es unvehículo más que un edificio.

La propagación de una señal sobre el agua

La propagación de la señal sobre el agua es una gran preocupación para los planificadores deradio. La razón es que la señal podría crear interferencias con las frecuencias de otras celdas.Además, como la superficie del agua es un reflector muy bueno de las ondas de radio, hay unaposibilidad de que la señal produzca interferencia con los patrones de radiación de la antena deotras celdas.

La propagación de una señal en vegetación (pérdida de follaje)

La pérdida por follaje es causada por la propagación de la señal de radio a través de lavegetación, principalmente bosques. La variación en la intensidad de la señal depende de muchosfactores, tales como el tipo de árboles, troncos, hojas, ramas, sus densidades, y sus alturasrelativas a las alturas de la antena. La pérdida de follaje depende de la frecuencia de la señal yvaría según la temporada. Esta pérdida puede ser de hasta un máximo de aproximadamente 20dB en los sistemas GSM 800.

Desvanecimiento de la señal

A medida que la señal viaja desde la antena transmisora a la antena receptora, pierde potencia.Esto puede ser debido al fenómeno de la pérdida en el trayecto como se explicó anteriormente, opuede deberse a el efecto Rayleigh.

El desvanecimiento de Rayleigh es debido a las variaciones rápidas del nivel de señal,tanto en términos de amplitud como de fase entre las antenas de transmisión y recepción cuandono hay una línea de visión. El desvanecimiento Rayleigh se puede dividir en dos tipos:desvanecimiento multitrayecto (multipath) y desvanecimiento selectivo en frecuencia.

La llegada de la misma señal por caminos diferentes, en diferentes momentos y sucombinación en el receptor hace que la señal pueda desvanecerse. Este fenómeno es eldesvanecimiento multitrayecto, y es un resultado directo de la propagación multitrayecto. Eldesvanecimiento multitrayecto puede causar fluctuaciones rápidas en el nivel señal .Este tipo de desvanecimiento es independiente del ancho de banda utilizado para el enlace debajada o enlace de subida

El desvanecimiento selectivo de frecuencia se da como resultado de la variación en lascondiciones atmosféricas. Las condiciones atmosféricas pueden hacer que la señal de unafrecuencia en particular pueda desvanecerse. Cuando la estación móvil se mueve de un lugar aotro, la relación de fase entre las diversas componentes que llegan a la antena móvil cambian,cambiando así la resultante del nivel de señal.

Interferencia

La señal en la antena de recepción puede ser débil en virtud de las interferencias de otras señales.Estas señales pueden ser de la misma red o puede ser debido a los objetos hechos por el hombre.Sin embargo, la principal causa de interferencias en una red celular son los recursos de radio enla red. Hay muchos canales de radio en uso en una red de uso común para compartir ancho debanda. La solución al problema es la correcta planificación de frecuencias, que es objeto delpróximo capitulo.La estación móvil puede experimentar una lenta o rápida fluctuación en el nivel de señal en unared de radio. Esto puede deberse a uno o más de los factores analizados anteriormente, como semuestra en la Figura 2.7. Estos factores constituyen la base de criterios de cobertura celular.

Figura 2.7 Factores que influyen en la propagación de ondas: (1) señal directa, (2) de difracción,(3) penetración en vehículos, (4) la interferencia; (5) la penetración en la construcción

Dimensionamiento

Una de las funciones del dimensionamiento es identificar el equipo y el tipo de red (es decir, latecnología empleada) necesaria para brindar la cobertura y los requisitos de calidad, además de

prever las necesidades de capacidad que puedan satisfacerse para los próximos años (por logeneral 3-5 años).

Cuanto mas preciso es el dimensionamiento, más eficiente será el despliegue de la red.En la práctica, el despliegue de la red sigue muy de cerca los parámetros de desempeñoobtenidos en la planificación y el dimensionamiento de la red.

Los datos que se requieren para el dimensionamiento incluyen:

- la zona geográfica a cubrir

- el tráfico estimado en cada región

- los requisitos mínimos de la potencia en cada región y los criterios de bloqueo

- la pérdida en el trayecto

- la banda de frecuencias que se utilizarán y la reutilización de frecuencias

Con los parámetros anteriores, el que planifica la red de radio puede predecir el númerode estaciones base que serán necesarios para la cobertura en el área especificada para cumplircon los objetivos de calidad individual y para satisfacer el aumento previsto del tráfico en lospróximos años.

El objetivo principal de la red de radio es aumentar el área de cobertura de una celda y ladisminución de la cantidad de material necesario en la red, obteniendo así la máxima coberturacon mínimo costo. La máxima cobertura significa que el móvil está conectado a una base conuna máxima distancia posible. Esto es posible si se logra la mínima relación señal / ruido en elBTS y MS.

Otro factor que determina la longitud del trayecto entre las dos antenas (BTS y MS), es lapérdida de propagación debido a las condiciones del medio ambiente.

Veamos los siguientes ejemplos:

Ejemplo 1: Cálculo del número de emplazamientos requeridos en una región

Una red debe ser diseñada de forma tal que pueda cubrir un área de 1000Km2.Las estaciones base que se utilizarán son de 3-sectores. Cada sector (celular) cubre un rango de3,0 kilómetros

Así, el área cubierta por cada sitio será igual aproximadamente a = R2 * k

Donde: k = 1,95implica que: Área cubierta por cada sitio = 1.95 * 32 = 17.55 kilómetrosPor lo tanto: el número total de sitios será 1000/17.55 ~ 57 sitios

La capacidad puede ser entendida en términos simples, como el número de abonadosmóviles que una BTS puede atender en un momento dado. Cuanto mayor sea la capacidad, losmás abonados móviles se pueden conectar a la BTS en un momento dado, reduciendo así lacantidad de estaciones base en una determinada red.

Esta reducción llevaría a un aumento de la eficiencia de operación y por lo tanto amayores beneficios para el operador de red. Como el número de canales de frecuencia en el

sistema GSM es constante (es decir, 125 para GSM 900 en cualquier dirección), la re-utilizaciónde estas frecuencias determina el número de abonados móviles que se pueden conectar a unaestación base. Por lo tanto, una planificación de frecuencias eficiente que incluya la asignaciónde determinadas frecuencias y su reutilización, juega un papel importante en el aumento de lacapacidad de la red de radio.

La calidad de la red es muy dependiente de la configuración de estos parámetros. Lamayoría de estos se aplican durante el despliegue de la red, justo antes del lanzamiento. Enalgunos casos estos valores son fijos, y en algunos otros casos se basan en mediciones efectuadasen las redes existentes.

Con la primera red GSM que se lanzará en una determinada región o país, es útil para losplanificadores de radio, planificar de antemano estos valores para el lanzamiento inicial de la redantes de que tengan los resultados de la primera medición. Estos pueden incluir la gestión derecursos de radio (MRR), gestión de la movilidad, señalización, entrega, y los parámetros decontrol de potencia. Una vez que existen algunas medidas disponibles desde el lanzamientoinicial de la red, estos parámetros pueden entonces ser reajustados. Este proceso se convierte enuna parte de la optimización de la red de radio.

Cuando la fase de pre-planificación está casi terminada, se inicia el proceso de búsquedadel sitio. Sobre la base de los planes de cobertura, el planificador de radio comienza laidentificación de áreas específicas para los sitios potenciales.

Hay algunos puntos a recordar durante el proceso de selección del sitio:

- El proceso de selección del sitio, desde la identificación y la adquisición del sitio, es muylargo y lento, lo que puede resultar en un retraso de lanzamiento de la red.

- Los sitios son una inversión a largo plazo y por lo general cuestan mucho dinero.

Por lo tanto, los planificadores de radio, en relación con los planificadores de la red detransporte, los instaladores y los ingenieros civiles deben tratar de hacer este proceso más rápidomediante la inspección del los sitios candidatos de acuerdo a sus criterios y llegar a una decisióncolectiva sobre si el emplazamiento propuesto se puede utilizar como un sitio de la celda o no.

¿Qué es un buen sitio para los planificadores de radio? Un lugar que no tiene grandesobstáculos en torno a ella y tiene una visión clara para el emplazamiento del soporte donde iránlas antenas correspondientes.

Red de Radio - Planificación DetalladaPresupuesto del enlace

El plan detallado de la red de radio puede ser subdividido en tres sub-proyectos:- cálculo del presupuesto,- cobertura, planificación de capacidad y la eficiencia del espectro,- la planificación de los parámetros.

Los cálculos del presupuesto del enlace dan la pérdida en la intensidad de la señal en eltrayecto entre la antena del móvil y de la antena de la estación base.

Esto ayuda a definir los rangos de celdas junto con los umbrales de cobertura. Umbral decobertura es una potencia del enlace descendente que da la potencia de la señal en el borde de lacelda para una probabilidad determinada ubicación.

Como los cálculos del costo del enlace incluyen, básicamente, la transmisión de energíaentre la estación base (incluyendo la antena RF) y la antena del terminal móvil, vamos aexaminar las características de estos dos equipos desde la perspectiva del costo del enlace.

Los cálculos del presupuesto se realizan para el enlace ascendente y descendente. Comola potencia transmitida por la antena del móvil es menor que la potencia transmitida por laestación base, el presupuesto de energía de enlace ascendente es más importante que elpresupuesto de energía de enlace descendente. Por lo tanto, la sensibilidad de la estación base enla dirección de enlace ascendente se convierte en uno de los críticos factores, ya que estárelacionada con la recepción de la potencia transmitida por la antena del terminal móvil.

En la dirección descendente, los niveles de potencia y las ganancias de las antenas sonparámetros importantes. En términos de pérdidas en el equipamiento, la pérdida en elcombinador y las pérdidas en el cable son factores a tener en cuenta. La pérdida en elcombinador solamente se tiene en cuenta en los cálculos de enlace descendente, mientras que laspérdidas del cable debe ser incorporado en ambas direcciones.

Para los otros equipos (es decir, los terminales móviles), la potencia transmitida en ladirección de enlace ascendente son muy importante. Para recibir la señal transmitida desde laantena BTS incluso en áreas remotas, la sensibilidad de la MS entra en juego.

La potencia de transmisión, la ganancia de la antena de recepción y los parámetros depérdida de cable alimentador deben ser considerados en el lado de BTS.

Importante componentes de los cálculos de presupuesto del enlace

- Sensibilidad MS: Este factor depende de la figura de ruido del receptor y el nivel mínimode Eb / No que es necesaria. Esta se calcula utilizando las especificaciones de red GSM(ETSI recomendación GSM 05.05). El valor de sensibilidad MS dado en el presentepliego es de acuerdo a la clase de móviles en uso. Los valores de sensibilidad de MSrecomendados en las redes GSM 900 y 1800 son - 102 dBm y - 100 dBm,respectivamente. Sin embargo, al hacer los cálculos de presupuesto, los valores dados porel fabricante (o los valores medidos) debe ser utilizados.

- Sensibilidad BTS: La sensibilidad de la estación base se vuelve a especificar por lasrecomendaciones de 05.05 del GSM del ETSI, y se calcula de la misma manera que lasensibilidad de MS. El valor recomendado de sensibilidad - 106 dBm es BTS. Sinembargo, al realizar los cálculos del presupuesto de energía, el valor dado por elfabricante (o del valor de medición ) debe ser utilizado.

- Margen de desvanecimiento: Esta es la diferencia entre la señal recibida y el umbral delreceptor. Por lo general, el margen de desvanecimiento rápido es de importancia en loscálculos del presupuesto de potencia. Distintos valores se utilizan para diferentes tipos deregiones, como de 2 dB para densidad urbana o 1 dB para las zonas urbanas.

- Conectores y pérdidas en los cables: como cables y conectores se usan en la transmisiónde energía, se debe tener en cuenta las pérdidas sufridas en las mismas. Estos valores sonla atenuación del cable generalmente citado en pérdida (dB) por cada 100 m. En talescasos, la longitud real del cable debe se multiplicada por este valor para obtener unapérdida teórica que tiene lugar en el cable. A veces, la pérdida teórica podrá ser superioral valor deseado, por lo que se pueden utilizar pre-amplificadores (también conocidocomo amplificadores de cabecera) para contrarrestar las pérdidas del cable. Las pérdidasde conectores suelen ser mucho menos del orden de 0,1 dB a 0,5 dB

- Ganancia de la antena de MS y BTS: Las antenas utilizadas para MS y BTS tienenniveles de ganancia significativamente diferentes. Por razones obvias, la antena de la MS

tiene una ganancia inferior, del orden de 0 dBi, mientras que la ganancia de la antenaBTS puede variar entre 8 a 21 dBi, dependiendo del tipo de antena que se utiliza(omnidireccional versus direccional). Esta ganancia puede aumentarse usando variastécnicas, como la diversidad de la antena (tanto de enlace ascendente y descendente).

Ejemplo 2: cálculo del presupuesto de alimentación

Considere una BTS y MS con los parámetros definidos como se muestra en la Figura 2.8.

Figura 2.8 Ejemplo de un presupuesto de alimentación

Cálculos Uplink (enlace ascendente)

PLU= EIRPm – PRB donde:PLU (Pérdida en el trayecto del enlace ascendente)EIRPm (PIRE máxima del Móvil)PRB (potencia recibida por la estación base)EIRPm =- PTM (Potencia transmitida por la MS ) - Pérdidas + Gm

Pérdidas = LCM (pérdida del cable en el móvil) + Lom (cualquier otra pérdida)

BCP = Gb (ganancia de la antena) - Pérdidas + Bs (sensibilidad BTS)Pérdidas = LCb (pérdida del cable en BTS) + Lob (cualquier otra pérdida)

PLu = EIRPm – BCP

= [PTm - LCm - Lom + Gm] - [-Gb + LCb + Lob + Bs]= [32-0 + 0 + 0] - [-18 + 2 + 0 + (-108)]= 32 + 124 = 156 dB

Cálculos Uplink (enlace descendente)

PLd= EIRPb – Prm donde:

PLd (Pérdida en el trayecto del enlace descendente)EIRPb (PIRE máxima de la BTSl)Prm (potencia recibida por la MS)

EIRPb= PTb (Potencia transmitida por la BTS) + Gtb – PérdidasPérdidas = LCM (pérdida del cable en el móvil) + Lccb (pérd. en el combinador de la BTS)

BCP = Gb (ganancia de la antena) - Pérdidas + Bs (sensibilidad BTS)Pérdidas = Lcb (pérdida del cable en BTS) + Lob (cualquier otra pérdida)Prm= MS ( sensibilidad del móvil) + Pérdidas – Gm( gnancia de antena móvil)Pérdidas= Lcm ( perdidas del cable) + Lom ( cualquier otras pérdidas)

PLd= EIRPb – Prm

= [Ptb – Gtb- Lcb_Lccb] - [MS – Lcm –Lom -_Gm]

= [42 + 18-2-2] - [-106 -0-0-0]

= 56+106=162dB

Como puede observarse, hay una diferencia evidente en los resultados de los enlaces ascendentey descendente de los cálculos del presupuesto de enlace, dado que la pérdida en el trayectodescendente excede la pérdida de potencia de enlace ascendente. Esto indica que el área cubiertapor la radiaciones de la antena de la estación base es mayor que el área cubierta por la antena determinal móvil, dando así una mayor cobertura en la dirección del enlace descendente.La reducción de la potencia en la dirección de enlace descendente puede reducir esta diferenciapero da lugar a una pérdida de la cobertura. Otra forma es introducir diversidad en la BTS, oincluso introducir los amplificadores de bajo ruido (LNA) en la BTS. Ambas medidas tendrán unimpacto positivo en el nivel de potencia del receptor de la BTS.

Cálculos de presupuesto del enlace - conclusiones

- Pérdida en el trayecto y potencia recibida: éste es el principal resultado de los cálculosdel presupuesto de potencia. Las pérdidas en el nivel de la señal que se producen durantela transmisión de la antena TX a la antena RX están dadas por la pérdida en el trayecto,mientras que la potencia recibida es el resultado del fenómeno de la pérdida en eltrayecto. Todos los factores que contribuyen a un aumento (por ejemplo, las ganancias dela antena) y disminución (por ejemplo, las pérdidas debidas a la propagación) se tomanen cuenta en los cálculos. Cuanto mayor es la exactitud de los datos de entrada, másprecisos serán los resultados.

- Rango de celdas: Si la pérdida en el trayecto se reduce, la señal trasmitida desde la antenade la BTS , cubrirá una mayor distancia , con lo que aumenta el área cubierta por unaBTS. Así, los cálculos del presupuesto de enlace juegan un papel directo en ladeterminación del área cubierta, y así se decide sobre el número de estaciones base que serequiere en una red.

- Umbral de cobertura: La probabilidad de localización en el borde de la celda esta enfunción de la intensidad de la señal que se recibe en ese lugar (nos referimos al enlacedescendente) Este valor se conoce como umbral de cobertura.

Aunque el margen de desvanecimiento lento y la potencia isotrópica del MS pueden serutilizados para calcular este valor, los cálculos del presupuesto del enlace se utilizan para estepropósito. Los modelos de propagación se utilizan para un cálculo más exacto del rango deceldas y área de cobertura

Salto de frecuencia

El salto de frecuencia (HF) es una técnica que básicamente mejora la relación potencia de señal ainterferencia del canal (C / I) mediante la utilización de varios canales de frecuencia.

El empleo de la técnica también FH mejora el presupuesto del enlace debido a sus efectos: ladiversidad de frecuencia y la diversidad de interferencia.La técnica de diversidad de frecuencia aumenta la decorrelación entre las diversas ráfagas defrecuencia que alcanzan a MS en movimiento. Reduce los efectos del desvanecimiento debido alas condiciones de propagación, lo que mejora el nivel de señal.Hay dos tipos de técnica de diversidad de frecuencia: aleatoria FH y secuencia DS. La de DS, enla práctica, se utiliza más en la planificación de red, ya que ofrece una mayor mejoría de lacalidad de la red.Si el número de canales de frecuencia aumenta en la red de radio, el número de las frecuenciasutilizadas en la red aumenta, reduciendo así el efecto de interferencia en la estación móvil. Estoconduce a un aumento en el nivel de la señal, y una mejora en el presupuesto del enlace.

Mejoras en equipos

Diversidad en el receptor

La diversidad es la forma más común de mejorar la potencia de recepción de la antena receptora.Las principales técnicas de diversidad son la diversidad del espacio, la diversidad de frecuencia yla diversidad de polarización. La diversidad de frecuencia también se conoce como salto defrecuencia.La diversidad del espacio implica la instalación de otra antena en la estación base. Esto significaque hay dos antenas de recepción de la señal en la estación base en lugar de una y separadas enel espacio por una cierta distancia. No hay una distancia fija de separación entre las antenas, yaque depende del entorno de propagación. Dependiendo de las condiciones del medio ambiente, ladistancia entre la antena principal y la antena de la diversidad puede variar de 1 a 15 longitudesde onda.La diversidad de polarización significa que las señales se reciben con dos polarizaciones que sonortogonales entre sí. La diversidad puede ser de polarización vertical-horizontal o se programa lapolarización en ± 45 grados

Amplificadores de bajo ruido (LNA)

Cuando la potencia recibida es limitada por el uso de cables de gran longitud, se pueden utilizaramplificadores de bajo ruido a fin de aumentar el resultado del presupuesto del enlace. Como sunombre lo sugiere, un LNA tiene un valor muy bajo de ruido y puede amplificar una señal. ElLNA se coloca en el extremo receptor. Cuando la diversidad de espacio está siendo usada, elLNA debe ser utilizado tanto en la antena principal como en la antena de diversidad, con lo quemejora la recepción de la diversidad. Como se indicó anteriormente, este es usado para elmejoramiento del enlace ascendente del presupuesto del enlace.

Power Booster (Amplificador de potencia)

La potencia en la dirección de enlace descendente se puede aumentar por el uso deamplificadores y booster de potencia. Si las pérdidas se reducen antes de la transmisión por eluso de amplificadores, que a su vez aumentan la potencia, la configuración resulta en unamplificador de potencia. Sin embargo, cuando la potencia de transmisión se incrementa,entonces se realiza mediante el booster. Los amplificadores de potencia se encuentran cerca delas antenas de transmisión, mientras que los boosters se encuentran cerca de la estación base,como se muestra en la Figura 2.9.

Figura 2.9 mejora el presupuesto de alimentación con una dosis de refuerzo y amplificador depotencia.

Cobertura de la celda y de red

La cobertura de celda y de la red celular dependen principalmente de factores naturales, comopor ejemplo del aspecto geográfico, condiciones de propagación, y sobre los factores humanos,como el paisaje (urbano, suburbano, rural), el comportamiento de abonado, etc. La calidad finalde la cobertura en la red móvil se mide en términos de la probabilidad de ubicación. Para ello, lascondiciones de propagación de radio han de predecirse con la mayor precisión posible para laregión.Hay dos formas en que los planificadores de radio pueden utilizar modelos de propagación.Pueden crear sus propios modelos de propagación para las distintas regiones en una red celular, opueden utilizar los modelos estándar existentes, que son de carácter genérico y se utilizan paratoda una zona.La ventaja de utilizar su propio modelo es que será más preciso, pero también implica utilizarmás tiempo para lograr el modelo. El uso de los modelos estándar es más económico y se puedeutilizar a partir del primer momento de adquirirlo, pero estos modelos tienen una precisiónlimitada. Por supuesto, hay un camino intermedio de salida: el uso de múltiples modelosgenéricos para los urbanos, suburbanos y entornos rurales en los términos de tamaño de macro-celda o celda-micro.

Modelo de propagación macro-celda

El modelo Okumara-Hata es el modelo más utilizado para la planificación de la cobertura de unamacro celda . Se utiliza para las gamas de frecuencias 150-1000 MHz y 1500-2000 Mhz. Elrango del cálculo es de 1 a 20 km.

La pérdida entre las estaciones, transmisión y recepción está dada por

donde f es la frecuencia (MHz), h es la altura de la antena BTS (m), a(hm) es una función de laaltura de la antena MS, d es la distancia entre el BTS y MS (km), Lother es la atenuación debidoa la topología del terreno, y a (hm) es igual a:

Para una ciudad pequeña o mediana :

Para una ciudad grande

El valor de las constantes A y B varía con las frecuencias, como se muestra a continuación:

La atenuación varía con el tipo de terreno. Esto puede incluir las pérdidas en un medio urbanoentorno en el que predominan las celdas pequeñas. Luego están las pérdidas de follaje, cuando enel paisaje hay presencia de bosques. Del mismo modo, es necesario tener en cuenta los efectos deotros aspectos naturales como el agua, colinas, montañas, glaciares, etc., y los cambios decomportamiento en las diferentes estaciones ( nieve, lluvia, etc.).

Modelo de propagación en una micro celda.

El modelo de propagación más utilizado para micro-celdas es el modelo Walfish-Ikegami. Estose utiliza básicamente para las micro-celdas en ambientes urbanos. Puede ser utilizado para lafrecuencia rango de 800-2000 MHz, para alturas de hasta 50 m (es decir, la altura del edificiomás alto de la antena BTS) a una distancia de hasta 5 km.Este modelo hace referencia a dos condiciones: la línea de visión (LOS) y sin línea de visibilidaddirecta (NLOS). La fórmula de la pérdida en el trayecto para la condición de LOS es:

Para la condición de NLOS, la pérdida en el trayecto se da como:

Los parámetros de las ecuaciones anteriores para el modelo se pueden entender en la figura 2.11.Los valores de la pérdida del techo de difracción de arriba a la calle dependen de la orientaciónde las calles, ancho de la calle y la frecuencia de funcionamiento.Las pérdidas de difracción de la multi-pantalla dependen de la distancia y la frecuencia.

Nota: el modelo de Ikegami-Walfish se puede utilizar también para las macro-celdas. Sinembargo, algunos ingenieros de diseño usan otros modelos - como el trazado de radiales - paralas micro-celdas

Figura 2.10 W-I modelo:d: distancia en kmf: Frecuencia en MHzLrds: techo de difracción de alta dispersión y la pérdida de la calleLms: multi-pantalla de pérdida de difracciónw: ancho de la calleb: distancia entre los centros de dos edificiosHbu: altura del edificio

Aplicación de modelos de propagación

Los modelos de propagación por lo general no se aplican directamente. La razón es que estosmodelos se elaboraron teniendo en cuenta determinadas ciudades en particular, y cada ciudadtiene sus propias características. Los cambios realizados en los modelos de propagación sedenominan factores de corrección y se basan en los resultados de las mediciones y pruebasrealizadas en una determinada ciudad. Si no hay una red celular existente, los ingenieros de radioinstalan una antena omnidireccional en un lugar que pueda cubrirse la totalidad o la mayoría delos tipos de regiones - denso urbano, urbano, rural, etc.Se realiza una prueba y se determinan los factores de corrección para los modelos depropagación. Este tipo de factores de corrección se muestra en el cuadro de la figura 2.11.

Figura 2.11 Factores de corrección

Probabilidad de localización

Como se mencionó anteriormente, la calidad de la cobertura se define en términos de laprobabilidad de ubicación.La probabilidad de ubicación puede ser definida como la probabilidad de que la intensidad delcampo esté por encima del nivel de sensibilidad objetivo en la zona. A los efectos prácticos, seconsidera que una probabilidad de ubicación del 50% es igual a la sensibilidad del receptor enuna región determinada.

Cuando la potencia recibida en el receptor es superior a la sensibilidad, la probabilidad deubicación debe ser superior al 50%. Anteriormente vimos las razones que provocan lasfluctuaciones y el desvanecimiento de la intensidad de la señal. Estas fluctuaciones pueden sermayores o menores que el valor de la sensibilidad del receptor.Por lo tanto, el diseño de la red de radio incorpora un término conocido como el margen dedesvanecimiento. La planificación se realiza de tal manera que la intensidad de campo de laseñal sea más alta que la sensibilidad en este porcentaje. Así, cuando la extinción está teniendolugar (desvanecimiento lento o sombra que es el más prominente), entonces el nivel de señaldespués de atenuación, está muy por encima del valor de la sensibilidad del receptor.

Ejemplo 4: Presupuesto detallado de radio enlace de energía

Planificación de la capacidad

La planificación de capacidad es un proceso muy importante en el despliegue de la red, ya quedefine el número de estaciones base necesarias y sus respectivas capacidades.Los planes de capacidad se realizan en la fase previa de planificación para las estimacionesiniciales, así como más adelante en forma detallada.El número de estaciones base necesarias en una zona viene de la planificación de la cobertura, yel número de transmisores-receptores necesarios se deriva de la planificación de capacidad yaque está directamente asociado con el factor de reutilización de frecuencia.El factor de reutilización de frecuencia se define como el número de estaciones base que puedenimplementarse antes de que se vuelvan a reutilizar las frecuencias (determina lo que se denominacluster). Un ejemplo del uso de la reutilización de frecuencias se muestra en la Figura 2.12. Elnúmero máximo de frecuencias (portadoras) en un sistema de GSM 900 es de 125 en el enlaceascendente y 125 en el enlace descendente. Cada uno de estas frecuencias se denominaportadora. Esto significa que hay 125 portadoras disponibles, en ambas direcciones.El cálculo del factor de reutilización de frecuencia mínima se basa en la relación C / I. De talforma, cuando disminuye la relación C / I, el nivel de intensidad de la señal comienza a decrecer,lo que reduce el factor de reutilización de frecuencia.Otro factor a tener en cuenta es la altura de la antena en la estación base. Si la altura de la antenaes demasiado alta, entonces la señal tiene que recorrer una distancia mayor, por lo que aumentala probabilidad de que la señal de interferencia se haga mayor. La media de altura de la antenadebe ser tal que el número de estaciones base, sea suficiente para la capacidad necesaria de lared. Por supuesto, como hemos visto, esto depende en gran medida del factor de reutilización defrecuencia.Hay tres parámetros esenciales necesarios para la planificación de la capacidad: el tráficoestimado, promedio de altura de la antena y el factor de reuso de frecuencia.

Figura 2.12 Ejemplo de reutilización de frecuencias

Estimaciones de tráfico

La estimación de tráfico o de modelo se basa en estimaciones teóricas o supuestos, y en losestudios de las redes existentes (es decir, la experiencia). El tráfico en la red depende de la tasade comunicación del usuario y el movimiento del usuario en la red. La tasa de comunicación del

usuario se refiere a la cantidad de tráfico que es generado por el abonado y por cuánto tiempo. Elmovimiento del usuario es una estimación del uso del usuario de la red en modo estático y mododinámico.La estimación de tráfico en la red se da en términos de "Erlangs”.Un erlang (1 Erl) se define como la ocupación del canal (que el abonado utiliza) con referencia ala hora cargada. Otro término que se utiliza con frecuencia en la planificación de la red es el«bloqueo». El bloqueo describe la situación en la que un usuario está tratando de hacer unademanda de comunicación (ej una llamada), y no se concreta la comunicación debido a la faltade recursos de la red. Este tipo de redes trabajan a pérdida. Las mismas deben estar acotadas a unvalor que sea razonable para el operador e la red.En general, se supone que un usuario puede generar cerca de 25 milierlang de tráfico durante lahora cargada, y que en promedio la ocupación del canal (uso de la red) será de unos 120segundos. Estas cifras pueden variar de una red a otra, algunas redes utilizan las cifras promediode 35 milierlang y 90 seg.

A = c * dm / T

Donde A es el tráfico o intensidad de tráfico, dm es la duración media de las comunicaciones, ces el número de ocupaciones y T periodo de observación (hora cargada).De aquí resulta que si el usuario realiza una sola comunicación en la hora cargada, y ocupa elcanal 120 segundos :

A = 1 * 120 segundos / 3600 segundos = 0,033 Erlang= 33,33 milierlang

Otro factor es el comportamiento del usuario en términos de movilidad. En los primeros años delsistema GSM, la proporción de usuarios estáticos y usuarios dinámicos fue alrededor de 0,7, perodebido a los rápidos cambios de tecnología, esta relación puede convertirse pronto en 1.0!. Lamovilidad de los usuarios afecta al seguimiento del abonado desde el punto de vista de la red,conocido como “handover”, por tanto aumenta la tasa de handover que, a su vez, afecta laplanificación de la capacidad de la red.El tráfico real que fluye en la red se puede calcular mediante el uso de las tablas de Erlang. Éstaspermiten determinar el tráfico máximo que una estación de base puede cursar, en función de laprobabilidad de bloqueo diseñada a tal efecto. Comúnmente se utilizan las tablas de Erlang:Erlang B y Erlang C.Erlang B asume que si las demandas no tienen éxito, desaparecen del sistema. Es decir, no seforma una cola de espera, debe existir un servidor libre o se rechaza la comunicación. Sedenominan sistema a pérdida.El modelo de Erlang C considera que si en el sistema no hay servidores libres, entonces lademanda pasa a cola de espera, es decir, se trata de un sistema a espera. Estas tablas de Erlangson lo suficientemente buenas para el cálculo de tráfico en conmutación de circuitos, pero nopara la conmutación de paquetes. Trataremos la conmutación de paquetes en capítulosposteriores. (Ver en anexo las tablas de Erlang B).Es importante que al planificar la red de acceso, el planificador de radio pueda conocer lacapacidad que se puede ofrecer por los transceptores instalados en las BTS, lo que significa quees prioritario para la planificación de capacidad conocer el tráfico que pueden cursar lostransceptores.Debido a la modulación, el flujo de bits modulado se envía en ráfagas de una duración finita.Estas ráfagas se denominan ranuras de tiempo (TS) en GSM; tienen un lugar relativamente fijoen la trama y se producen después de 0,577 ms. Estas ranuras temporales conforman un anchode banda de 200 kHz. En el sistema GSM que se conoce como un espacio de tiempo. Debido alos esquemas de modulación (es decir, TDMA), hay ocho TS en una frecuencia en cada

dirección. La trama completa con ocho ranuras de tiempo puede utilizarse para enviarinformación de tráfico o la información de señalización.La composición una trama típica se muestra en la Figura 2.13.

Fig 2.13

La señalización requiere una ranura de tiempo (por ejemplo, TSO), y las siete ranuras restantes puedenser utilizadas para el tráfico. En esta configuración, el número de abonados que pueden hablarsimultáneamente es de siete, en los canales de tráfico (TCH).Ahora, cuando el número de receptores aumenta en la celda, el tráfico y la asignación de canal deseñalización también cambian. Generalmente, los dos transceptores (TRX) tendrían un 15 TCH y un SCH(canal de señalización). Cuatro TRX entonces se configuran de 30 TCH y dos SCH, lo que significa quelos canales de tráfico aumentan en 7 + 8 + 7 + 8 • • •

Altura Media Antena

El concepto de la altura media de la antena es la base de los patrones de reuso de frecuenciadeterminando los cálculos de la capacidad en una red celular. El promedio de altura de la antenaes la base del ambiente celular (es decir, si se trata de macro-micro celda o celda).Si el promedio de altura de la antena es baja, entonces el área cubierta es pequeña en un entornourbano. Esto dará lugar a la creación de más celdas, y por lo tanto aumentar el número de vecesque la misma frecuencia puede ser re-asignada. Exactamente lo contrario es si el mediocorresponde al de una macro-celda. Aquí el área de cobertura sería mayor, por lo que la mismafrecuencia puede reasignarse menos veces. Todos estos cálculos se basan en el análisis deinterferencia del sistema, así como la topografía y las condiciones de propagación.

Asignación de frecuencia y reutilización

El uso de frecuencias es un concepto importante relacionado con la cobertura y uso de lacapacidad. El reuso de frecuencia significa básicamente que la frecuencia asignada a un sectorpuede volver a utilizarse en la red. Si el número promedio de los transceptores y el número totalde frecuencias son conocidos, el factor de reutilización de frecuencia de se puede calcular.

Ejemplo 5: Factor de reutilización de frecuencia

Si hay 3 TRX que se utilizan por la estación base y el número total de frecuencias disponibles esde 27, entonces el número total de frecuencias disponibles para su reutilización es de27 / 3 = 9.

Eficiencia espectral y planificación de frecuencias

La eficiencia espectral no es más que el máximo aprovechamiento de las frecuencias disponiblesen una red. En el proceso de planificación de radio, esto se conoce como la planificación de

frecuencias. La capacidad y la planificación de frecuencias, por supuesto, no van mano a mano,pero los conceptos descritos hasta ahora en este capítulo proporcionan los insumos para laplanificación de frecuencias. Un buen plan de frecuencia se asegura de que los canales defrecuencia se utilicen de tal manera que se cumplan los criterios de capacidad y cobertura sinninguna interferencia. Esto se debe a que la capacidad total en una red de acceso de radio entérminos del número de sitios depende de dos factores: la potencia de transmisión y lainterferencia.

Control de potencia

La potencia que se transmite tanto desde el equipo móvil y de la estación base tiene un efecto degran importancia en el uso eficiente del espectro. El control de potencia es una función esencialen las redes móviles, tanto en las direcciones del enlace ascendente como descendente. Cuandoun móvil transmite potencia elevada, hay suficiente margen de desvanecimiento en la direccióncrítica del enlace ascendente, pero puede causar interferencias en las conexiones de otrosusuarios. La potencia debe mantenerse a un nivel que la señal sea recibida por la antena delterminal móvil por encima del umbral requerido sin causar interferencias a otros móviles. Lasestaciones móviles por lo tanto, tienen una función tal que su potencia de transmisión puede sercontrolada. Esta característica está generalmente controlada por el BSS. Este control se basa enun algoritmo que calcula la potencia recibida por la estación base y, basándose en su evaluación,aumenta o disminuye la potencia transmitida por la estación móvil.

Handover

El handover es la transferencia automática de los abonados de una celda a otra durante el procesode llamada, sin causar ningún obstáculo a la llamada. Hay dos aspectos principales para esto: lanecesidad de encontrar un modo dedicado en la celda vecina cuando el móvil estácomunicándose, y el proceso de conmutación que no es bastante rápido con el fin de liberar esacomunicación.Entonces, ¿de qué manera se realizará el handover? Se pueden utilizar muchos procesos, pero elmás utilizado se basa en las mediciones de potencia. Cuando un móvil está en la interfaz de dosceldas, la BSS evalúa la potencia que se recibe por ambas estaciones base, y luego el que mejorsatisfaga los criterios de potencia y de menos interferencia es seleccionado. Este tipo de traspasoestá directamente relacionado con el control de potencia, proporcionando una oportunidad paramejorar la eficiencia del uso del espectro.

Transmisión discontinua

La transmisión discontinua (DTX) es una función que controla la potencia de transmisión cuandoel móvil se encuentra en modo de 'silencio'. Cuando el abonado no está hablando en el móvil, undetector de voz en el equipo lo detecta y envía una ráfaga de bits de transmisión de BTS, lo queindica esta inactividad. Esta función de los móviles se llama la detección de actividad de voz(VAD). Al recibir este flujo de bits que indica DTX, el BTS le solicita al móvil reducir supotencia para ese período de tiempo, reduciendo así las interferencias en la red y mejorar laeficiencia de la red.

Salto de frecuencia

Antes de entrar en el concepto y el proceso de salto de frecuencia, debemos comprender loscriterios de asignación de frecuencias en la red GSM. En GSM 900, las bandas de frecuenciautilizadas son de 890-915 MHz en la dirección de enlace ascendente y 935-960 MHz en ladirección descendente, lo que significa un ancho de banda de 25 MHz en cada dirección.La totalidad o una fracción de este banda se encuentra a disposición del operador de red. Lasfrecuencias centrales comienzan a partir de 200kHz en "borde" de la banda y se distribuyan deforma equilibrada en la misma. Hay 125 portadoras de frecuencia en esta banda. El problemamayor es la interferencia entre las bandas adyacentes, debido al solapamiento de las frecuenciaen las fronteras de las portadoras individuales. Por esta sencilla razón, las frecuencias adyacentesno se utilizan en las celdas que pertenecen al mismo sitio (sectorizadas).

El salto de frecuencia es una técnica mediante la cual la frecuencia de la señal se cambiacon cada ráfaga de tal forma que haya un mínimo de interferencia en la red, y al mismo tiempolas ranuras temporales ( time spot) asignadas se utilicen eficazmente. Este proceso en GSM estambién conocido como salto lento de frecuencia (SFH). Mediante el uso de SFH, la mejora selleva a cabo en virtud de la diversidad de frecuencia y la diversidad de interferencia.

- la diversidad de frecuencia: Puesto que cada ráfaga tiene una frecuencia diferente, sedesvanecerá de diferente forma y tiempo. Así, la decorrelación entre cada ráfagaaumenta, lo que aumenta la eficiencia de la codificación de señales. La asignación de lafrecuencia se puede hacer de dos maneras: de forma secuencial o al azar. En el primercaso, el sistema sigue un patrón estricto de asignación de frecuencia a cada ráfaga, en elsegundo, asigna las frecuencias al azar.

- la diversidad de interferencias: Si cada móvil tiene una frecuencia constante, algunosmóviles pueden verse afectados por la interferencia más que otros. Con el uso de salto defrecuencia, se extiende la interferencia en el sistema porque el efecto de la señalinterferente se reduce. A medida que la interferencia sea menor, el espectro defrecuencias se pueden utilizar mejor, y por lo tanto la capacidad del sistema aumenta.

Evaluación del desempeño de la red

Los indicadores para evaluar el desempeño de la red son los siguientes:

- cantidad de tráfico y el bloqueo- disponibilidad de recursos y el acceso- handover (misma celda / celda adyacente, el éxito y el fracaso)- nivel de reopción y calidad- de control de potencia.

Cobertura

Los resultados de las mediciones realizadas dará el nivel de penetración de las señales enlas diferentes regiones de la red. Estos resultados pueden ser comparados con los planeselaborados antes del lanzamiento de la red. En las áreas urbanas, la cobertura será generalmentemenor en las partes más lejanas de la red, en las áreas detrás de los edificios altos y el interior deedificios.

Estas cuestiones se vuelven graves cuando en áreas importantes y con edificios de granaltura no están teniendo el nivel deseado de señal, incluso cuando se ha tenido cuidado durante lafase de planificación de la red. Esto conduce a un control inmediato de los lugares de la antena,la altura e inclinación.

Los problemas suelen resolverse moviendo los lugares elegidos para la ubicación de laantena y la modificación de la inclinación de las mismas . Si la optimización se hace después deun tiempo prolongado, también se puede añadir nuevos sitios.La cobertura también se vuelve crítica en las zonas rurales, donde la capacidad de las celdas esen cierta forma escasa. Las zonas pobladas y carreteras por lo general constituyen las regionesque deberían tener el nivel de cobertura deseado. Un factor que puede disminuir el nivel de laseñal podría ser el de las condiciones de propagación, por lo que el estudio de los cálculos depresupuesto del enlace junto con el perfil del terreno se convierte en una parte crítica de laoptimización de las zonas rurales. Para la cobertura de carreteras, la adición de nuevos sitiospuede ser una de las soluciones.

Capacidad

Los datos recopilados desde el sistema de gestión de red se usan generalmente paraevaluar la capacidad de la red. Como cobertura y capacidad están relacionadas entre sí, los datosrecopilados de las mediciones y pruebas de la unidad también se utilizan para la evaluación de lacapacidad. Los dos aspectos de esta evaluación son las llamadas caídas y la congestión.

En general, los problemas relacionados con la capacidad surgen cuando la optimizaciónde la red está llevando a cabo tras un largo período de tiempo.

La optimización de red de acceso de radio también incluye el suministro de nuevascapacidades a los nuevos puntos ¨calientes´, o mejorar la cobertura en interiores. Una vez que laregión / área de cobertura es planeada y ejecutada en la fase de planificación normal, laoptimización debe tener en cuenta la prestación de la mayor cobertura posible a los lugares endonde se espera un tráfico elevado, como en el interior de edificios de oficinas, dentro de loscentros comerciales, túneles, etc.

Calidad

La calidad de la red de acceso de radio depende de su cobertura, capacidad y asignación defrecuencia. La mayoría de los problemas graves en una red de radio se pueden atribuir a la señalde interferencias. Para obtener una calidad de enlace ascendente, se utilizan las estadísticas de laBER, y para el enlace descendente se utilizan las estadísticas FER. Cuando existe interferenciaen la red, la fuente tiene que ser encontrada. Todo el plan de frecuencias se vuelve a comprobarpara determinar si el origen es interno o externo. El problema puede ser causado por fallas en elplan de frecuencias, en los planes de configuración (por ejemplo, inclinación de la antena), losfactores de corrección inexactos utilizados en modelos de propagación, etc.

Ajustes de parámetros

El final del proceso de evaluación, se empieza el complejo proceso de ajuste en forma precisa deparámetros. Los principales parámetros que están bien afinados son parámetros de señalización,parámetros de recursos de radio, los parámetros de handover y parámetros de control depotencia.La mayor complejidad de este proceso es la falta de homogeneidad de la red de radio. En laplanificación de la red se han utilizado los modelos estándar de propagación y los factores decorrección basados en algunos métodos de prueba y error que puede ser válido para algunaspartes de la red y no válido para otras partes. Luego, durante el despliegue de la red, se realizannuevas mediciones y se trata de ajustar con mayor precisión los parámetros de desempeño

Una vez que la red está en funcionamiento, las mediciones que se realizan permiten ajustar losparámetros de desempeño en forma precisa, y es en este punto que se define un conjunto deincumplimiento de parámetros para toda la red. Sin embargo, como la red no es homogénea,estos parámetros por defecto no pueden ser lo suficientemente precisos en todas las regiones, conlo que menoscaba la calidad general de la red y que conduce a una disminución de ingresos en eloperador de la redLa optimización de red de reacceso de radio debe ser un proceso continuo que comienza durantefase del prelanzamiento y continúa durante toda la existencia de la red.