Telefonía Móvil

Comunicación de DatosIng. Carlos Estrada Dejo

¿Qué impulsa la comunicación inalámbrica?

“La necesidad de movilidad (…) ha

conducido a un rápido crecimiento en la

industria de servicios de comunicaciones

móviles, entregando servicios de voz y

datos sobre teléfonos móviles, pagers, y

PDAs”.

Fuente: Yahoo! Finance

Fuente: fastTrack Wireless, Inc.

Información previa

• La telefonía celular es una de las tecnologías de más rápido crecimiento a nivel mundial.

• Actualmente está apareciendo la cuarta generación de telefonía celular. En nuestro país las redes son 3.75G (HSPA+).

Más que sólo voz

• Información de contactos

• Tareas• Agenda• Calculadora• E-mail• Música• MMS• Navegación Internet• GPS• Juegos

El concepto “celular”

Concepto básico

• Los sistemas celulares fueron desarrollados para proveer telefonía móvil: en cualquier momento y lugar.

• El primer sistema móvil telefónico fue desarrollado e inaugurado en 1945 en Missouri, Estados Unidos.

El primer celular

• Motorola DynaTAC 8000X.

• Peso: 800 gr.• Dimensiones:

33x4.5x8.9 cm.• Autonomía:

– Stand-by 8 horas– Conversación 1

hora

• Precio: US$ 4000

Arquitectura del sistema

• Una estación base provee cobertura a usuarios móviles.

• Los usuarios fuera del área de cobertura reciben señales muy bajas para una comunicación confiable.

• La estación base está conectada a las otras redes fijas o móviles.

Primer sistema de telefonía móvil

Una única estación base con la que todos los usuarios se comunican

Área de Cobertura

PSTN

Conexión cableada

Problema con el diseño original• Sólo soportaba unos pocos usuarios

en una ciudad completa.• Con sólo una estación base de alta

potencia, los teléfonos también tenían que transmitir con alta potencia.

• En consecuencia, los teléfonos de mano no eran prácticos, sólo los teléfonos en automóviles.

Concepto “celular”

• La idea central que llevó a los sistemas actuales fue el concepto celular:

• Múltiples estaciones base de menor potencia que sirven a usuarios móviles dentro de su área de cobertura y que trasladan (“handoff”) usuarios a estaciones base vecinas conforme los usuarios se mueven. Se forma un mosaico.

Tres principios básicos

• Celdas pequeñas forman un mosaico total de cobertura.

• Los usuarios hacen handoff cuando se mueven del área de cobertura de una celda a la siguiente.

• Reutilización de frecuencias.

Mosaico de cobertura

• Diagrama de cobertura

• Ya que la red recuerda las celdas de un panal de abejas, se usó el nombre “celular” para describir la red de telefonía móvil (en inglés cell = celda).

EstaciónBase

Por ejemplo

Handoff

• La red debe darle a los usuarios la capacidad de acceso continuo conforme se mueven.

• Cuando se mueven dentro del área de cobertura de la celda, no hay problema.

• Cuando se mueven del área de cobertura de una celda a otra, se necesita un handoff.

Handoff

• Un usuario está transmitiendo y recibiendo señales desde una estación base B1.

• El usuario se mueve desde el área de cobertura de una estación base al área de cobertura de otra estación base, B2.

• B1 nota que la señal del usuario se está degradando

• B2 nota que la señal del usuario está mejorando.

Handoff

• En algún punto, la señal es lo suficientemente débil en B1 y fuerte en B2 para que ocurra el handoff.

• Se transmiten mensajes entre el usuario, B1 y B2 para que la comunicación se transfiera.

Reutilización de frecuencias

• Permite soportar múltiples usuarios al mismo tiempo.

• El espectro total asignado al proveedor de servicios se fracciona en bandas más pequeñas.

• A cada celda se le asigna una de esas bandas. Todas las comunicaciones en esa celda ocurren sólo en esa banda.

• Las celdas vecinas tienen bandas diferentes, eso asegura que no interfieran entre sí.

Ejemplo de reutilización de frecuencias

Celdas usando las mismas frecuencias

Acceso múltiple en redes celulares

Múltiples transmisores, un receptor

• En muchos sistemas inalámbricos, muchos transmisores tratan de comunicarse con el mismo receptor.

• En los sistemas celulares, los teléfonos móviles de un área de servicio tratan de comunicarse con la misma torre celular.

Métodos de acceso múltiple• Frequency Division Multiple Access

(FDMA)• Time Division Multiple Access (TDMA)• Code Division Multiple Access (CDMA)

FDMA

• En FDMA, una estación base puede recibir señales de radio en una banda dada del espectro. Es decir, en un rango continuo de frecuencias.

• La banda de frecuencias es dividida en bandas más pequeñas, es decir sub-bandas.

• Cada transmisor (usuario), transmite hacia la estación base en su propia sub-banda.

• Una sub-banda es un rango de frecuencias continuas, por ejemplo de 824 MHz a 824.1 MHz. El ancho de esta sub-banda es 100 KHz.

Sub-bandas

de frecuenci

a

Usuario móvil 1

Usuario móvil 2::

Usuario móvil N

Tiempo

TDMA

• En TDMA puro, la estación base NO divide su banda de frecuencias en sub-bandas.

• La estación base se comunica con los usuarios uno a la vez, utilizando el método “round robin”.

Banda de frecuencia

asignada a la estación base

celular

Tiempo

…

Usu

ari

o 1

Usu

ari

o 2

Usu

ari

o 3

Usu

ari

o N

…

Usu

ari

o 1

Usu

ari

o 2

Usu

ari

o 3

Usu

ari

o N

TDMA

• El tiempo se divide en “ranuras de tiempo” o “time slots”, que son pequeños intervalos de tiempo de la misma longitud.

• Asumamos “n” usuarios en una celda• La estación base agrupa “n” time slots

consecutivos en una trama.• A cada usuario se le asigna un time slot por

trama. Esta asignación permanece mientras el usuario esté comunicado con la estación base.

FDMA/TDMA híbrido

Tiempo

…

…

Usu

ari

o 1

Usu

ari

o 2

Usu

ari

o 1

0

Usu

ari

o 1

1

Usu

ari

o 1

2

Usu

ari

o 2

0

…

…

Usu

ari

o 3

1

Usu

ari

o 3

2

Usu

ari

o 4

0

Usu

ari

o 2

1

Usu

ari

o 2

2

Usu

ari

o 3

0

Los sistemas celulares son, en realidad, una combinación de FDMA y TDMA.Asumamos una estación base que divide su banda de frecuencia en 4 sub-bandas y 10 time slots.

…

…

Usu

ari

o 1

Usu

ari

o 2

Usu

ari

o 1

0

Usu

ari

o 1

1

Usu

ari

o 1

2

Usu

ari

o 2

0

…

…

Usu

ari

o 3

1

Usu

ari

o 3

2

Usu

ari

o 4

0

Usu

ari

o 2

1

Usu

ari

o 2

2

Usu

ari

o 3

0

…

…

…

…

Trama

Sub-banda 1

Sub-banda 2

Sub-banda 3

Sub-banda 4

CDMA

• Todos los usuarios se comunican con la estación base en el mismo momento usando el mismo rango de frecuencias.

• En otras palabras, pueden interferirse entre ellas.

• La señal del usuario deseado se decifra usando un código único asignado a ese usuario (DSSS).

CDMA: Direct Sequence Spread Spectrum

• Revisar la clase de WiFi, DSSS

En resumen

Fuente: http://ametya.blogspot.com/2009/12/complex-technology-simple-examples.html

Estándar AMPS

AMPS

• Telefonía móvil 1G.• Transmisión analógica.

Esquema de red

• Un grupo de estaciones base están conectadas, por cables, a un “Mobile Switching Center” (MSC). El MSC está conectado a las otras redes de telefonía.

MSC

MSC

MSC

MSC

Public (Wired)TelephoneNetwork

Mobile Switching Center (MSC)• Controlan y coordinan las

redes celulares.• Sirven como intermediarios

entre las estaciones base que hacen el handoff de los usuarios.

• Las estaciones base se comunican a través del MSC.

• Llevan el registro de la suscripción de los teléfonos móviles.

• Conecta la red móvil a las otras redes de telefonía.

El sistema AMPS

• Usa FDMA: a cada operador se le da una licencia con capacidad para 832 canales (bandas) en una región geográfica, la mitad para el uplink y la mitad para el downlink.

• Quitando los canales de control, quedan 395 canales de voz, por celda, cada uno de 30 KHz.

• El operador divide la ciudad en celdas.

• Cada celda cubre alrededor de 50 Km cuadrados.

• Cada celda consiste de una torre y un armario que contiene equipo de radio.

VoiceChannels

ControlChannels

ControlChannels

Estándares TDMA: IS-136 y GSM

IS-136 y GSM

• Telefonía móvil 2G.• Transmisión digital.

IS-136: 2G TDMA en EE.UU.

• TDMA es el método de acceso especificado en el estándar IS-136 (2G) en Estados Unidos.

• Una banda de frecuencia de 30 KHz se divide en tres time slots, cada uno de 6.67 ms.

• Entonces, cada conversación utiliza el canal de radio por 1/3 del tiempo.

• Esto es posible porque la voz se ha convertido en información digital y se ha comprimido, tomando un espacio de transmisión mucho menor.

• Por lo tanto, un sistema TDMA tiene tres veces la capacidad de un sistema AMPS, usando la misma cantidad de canales.

• Opera en las bandas de 800 y 1900 MHz.

GSM: TDMA en el resto del mundo

• El estándar “Global System for Mobile Communications” (GSM) también utiliza TDMA

• Opera en las bandas de 850, 900, 1800 y 1900 MHz, dependiendo del continente.

Cobertura mundial GSMFu

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Estándar CDMA: IS-95

IS-95

• Telefonía 2G.• Transmisión digital.

IS-95: CDMA 2G

• Todos los usuarios transmiten en el mismo segmento del espectro electromagnético.

• La señal de cada usuario se “esparce” sobre el ancho de banda completo usando un código único.

• En el receptor, se usa el mismo código para recuperar la señal.

• En el mismo espacio que se transmite una llamada AMPS se puede transmitir de 8 a 10 llamadas CDMA.

• Opera en las bandas de 800 y 1900 MHz.

Evolución a 3G y 4G

Estándares

Rel-9 & Beyond

LTE

Phase I

HSPA+ (HSPA Evolved)

Rel-7 Rel-8

Phase II

Rel-8

EV-DO

CDMA2000

1X

HSPA

WCDMA

Rel-99 Rel-5

DO Advanced

1x Advanced

Rev. ARel. 0

Rel-6

Rel-10

LTE Advanced

Rel-9

EV-DO Rev. B

2009 — 2010 2011+

Excellent Mobile Broadband Today Voice and Full Range of IP Services

LTE Leverages new, wider and TDD spectrum

Enhanced User ExperienceImproved voice and data capacity

Estándares

HSPA

Rel-99 Rel-5(HSDPA)

Rel-6(HSUPA)

Rel-7 Rel-8 Rel-9 and beyond

DL: 28 MbpsUL: 11 Mbps

DL: 42 Mbps1

UL: 11 Mbps

2010 2011 2012+2009

Leverages new, wider and TDD spectrum

DL: 1.8-14.4 MbpsUL: 384 Kbps

DL: 1.8-14.4 MbpsUL: 5.7 Mbps

LTE

Rel-8 Rel-10

LTE Advanced

(Optimized mobility)

Rel-9

1 R8 will reach 42 Mbps by combining 2x2 MIMO and 64QAM in 5MHz, or by utilizing 64QAM and multicarrier in 10 MHz. 2 R9 and beyond may utilize combinations of multicarrier and MIMO to reach 84 Mbps peak rates.

Similarly, uplink multicarrier can double the uplink data rates. 3 Peak rates for 10 and 20 MHz FDD using 2x2 MIMO; standard supports 4x4 MIMO enabling peak rates of 300 Mbps.

TDD rates are a function of up/downlink asymmetry.4Peak rates can reach or exceed 300 Mbps by aggregating multiple 20 MHz carriers as considered for LTE Advanced (LTE Rel-10).

DL: 73 – 150 Mbps3 and beyond4

UL: 36 – 75 Mbps3 and beyond4

(10 MHz – 20 MHz)

DL: 84 Mbps and beyond2 (10 MHz)

UL: 23 Mbps and beyond2 (10 MHz)

Created 01/14/09Note: Estimated commercial dates

WCDMA

Enhanced performance and higher data rates

2x data capacity>2x voice capacity

Broadbanduploads, QoS

Broadbanddownloads

Multicarrier- doubled data rates to all users

HSPA+ (HSPA Evolved)

¿Qué sigue?

Topology will provide gains beyond technology

IS-95 vs. AMPS

LTE versusHSPA+ & EV-DO

Estándar actual en Perú

• Evolución del 3G.• HSPA+.• Puede llegar a 84

Mbps / 22 Mbps.• La nueva versión

llegará a 168 Mbps.

• En Perú velocidad limitada a 5 Mbps.

Referencias

• http://www.cse.lehigh.edu/~skishore/research/lucid.htm