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2º TP comunicaciones - telefonía celular

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Sebastián Rapetti

on 25 June 2014

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Origen de la telefonía celular
En 1920, en Detroit la policía comienza a usar sistemas de radio para comunicarse entre las estaciones base y los moviles.
En 1927 se desarrolla el primer enlace celular entre Estados Unidos y el Reino Unido.
Los principales problemas fueron los ruidos y desvanecimientos.
Se cominza a trabajar en metodos de modulación de la onda.

LA GENERACIÓN DE TELEFONÍA CELULAR (G)
La generación de telefonía celular (G) generalmente se refiere a un cambio en la naturaleza fundamental del servicio, tecnología de transmisión no compatible hacia atrás, y las nuevas bandas de frecuencia.


Primera Generación 1G
(analógica)
Tercera Generación 3G
(WCDMA en UMTS, CDMA2000 & TD-SCDMA)
Segunda Generación 2G
(digital)
Los sistemas móviles de primera generación utilizaban la transmisión analógica para servicios de voz.


1979 ==> el primer sistema celular en el mundo comenzó a funcionar por Nippon Telephone and Telegraph (NTT) en Tokio, Japón.

1981 ==> la época del celular llegó a Europa.

1982 ==> se landa el sistema de teléfono móvil avanzado (AMPS Advanced Mobile Phone System)

El sistema fue asignado a un ancho de banda de 40 MHz dentro de la gama de frecuencias de 800 a 900 MHz por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de AMPS.

Las transmisiones desde las estaciones base a móviles se producen a través del canal hacia adelante usando frecuencias entre 869-894MHz.
El canal inverso se utiliza para transmisiones desde móviles a la estación base, utilizando frecuencias entre 824-849 MHz AMPS y TACS utilizan la frecuencia técnica de modulación (FM) para la transmisión de radio.
El tráfico se multiplexa en un FDMA (división de frecuencia de acceso múltiple) del sistema.


...Introducidos a finales de 1980...

En comparación con la primera generación de sistemas, los de segunda generación (2G) utilizan la tecnología de acceso múltiple digital, como TDMA (Time División Multiple Access) y CDMA (Code Division Multiple Access).

Entonces, se tiene:
mayor eficiencia del espectro
mejores servicios de datos
itinerancia más avanzado.

La comunicación 2G se asocia generalmente con el sistema global de servicios móviles (GSM)
2.5G es generalmente identificado como alimentada por el servicio de radio por paquetes (GPRS), junto con GSM. 

En EDGE, el movimiento de grandes volúmenes de datos fue posible, pero aun así la transferencia de paquetes en la interfaz de aire se comporta como un circuito de interruptores de llamada.

Por lo tanto parte de esta eficiencia de conexión de paquetes se pierde en medio del ambiente interruptor de circuito.




Ademas, las normas para desarrollo de las las redes fueron diferentes para las distintas partes del mundo es por eso que se decidió tener una red que proporciona servicios independientes de la plataforma tecnológica y cuya red de normas de diseño son igualmente global.

En consecuencia nació el 3G nació.


Este no es una norma; es una familia de normas para que todos podamos trabajar de forma conjunto.


Una organización denominada 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha continuado el trabajo mediante la definición de un sistemas móviles que cumplen con el estándar IMT-2000.
3G utiliza la red inalámbrica Amplia Marca con la que se aumenta la claridad.



Los servicios 3G de soporte de red proporcionan una velocidad de transferencia de información de al menos 2Mbps.






En Europa, fue llamado UMTS (Universal Terrestre MobileSystem), que es impulsado por la ETSI. IMT2000 es el nombre de la UIT-T para el sistema de tercera generación, mientras que cdma2000 es el nombre de la variante americana 3G.
....
MTS
En 1946 Bells Labs y AT&T introducen el sistema denominado MTS.
VHF y UHF
En 1950 se generon dos bandas, la VHF (Very High Frecuency, o en español Muy Alta Frecuencia) que funcionaba a 150 MHz y la UHF (Ultra High Frecuency, o en español Ultra Alta Frecuencia) a 540 MHz.
En 1973, el dr Martin Cooper realiza en las calles de New York la primera llamada celular.
La llamada se realiza mediante el Motorolla DynaTAC, Dynamic Total Access Communication System.
En 1990 se revoluciona el servicio de comunicaciones celulares cuando el tráfico de voz se convierte en digital.
Conceptos de la teléfonia celular
Una célula es una unidad básica de un sistema celular, dentro de la cual las unidades de radio móvil se pueden comunicar en dos vías o full dúplex.
Geometría celular
El objetivo de dividir en celulas es demarcar las zonas donde se usara cada canal.
Es importante diseñar correctamente el patón de celulas.
No es un problema estatico, es importante revisar periodicamente la geometría para determinar si esta evolucionando correctamente.
Celula omnidireccional
Esta se produce cuando la estación base está equipada con una antena omnidireccional en el centro de la célula, transmitiendo igualmente en todas direcciones. Un dispositivo dentro de esta área, normalmente, tendrá una buena conexión con la estación base.
Celula sectorial
Para formar este tipo de células, las estaciones base deben contar con varias antenas direccionales, generalmente tres o seis. Cada antena cuenta con un cierto ángulo para cubrir áreas de las células. Las mismas deben ser hexagonales y estar dispuestas en forma de panal.
Este diseño es muy utilizado cuando se desea enlaces más eficientes, sobre todo en áreas de alta densidad. A cada una de las superficies cubiertas se la denomina sector. En esta estructura, cada sector es una célula en sí mismo y la estructura sectorizada genera muy poco interferencia con las demás.

Clasificación de las células
Según la capacidad y cobertura requeridas en el área de influencia de las redes, su diseño implicara la utilización de células de diferentes radios y antenas de diversas alturas y potencias. De este concepto surge una clasificación en Macrocelulas, Microcelulas y Picocelulas.
Macrocelulas
Son el modelo más común para las comunicaciones celulares, su rango de cobertura varía entre uno y treinta kilómetros. Son muy utilizadas para usuarios que se encuentran en velocidad, reduciendo así las probabilidades de que se caiga la llamada. Las antenas se instalan a una altura con respecto al suelo comprendida entre 15 y 40 metros en azoteas o torres.
Microcelulas
Tienen un rango entre cien y mil metros y permiten incrementar el manejo de tráfico por la red. La potencia es generalmente pequeña, en torno a unos pocos watios. Las microcélulas proporcionan cobertura a nivel de calles y las antenas se instalan a una altura entre 3 y 6 metros.
Picocélulas
Son las estaciones que menos potencia emiten. Se utilizan para proporcionar cobertura dentro de edificios y las antenas se instalan en paredes o techos. Permiten mejorar las zonas de transito muy intenso.
Diseño de células
Cluster
Se le conoce como Cluster a la cantidad total de los canales que la banda de frecuencias requiere y se distribuye entre varias celdas. A ese aglomerado número de celdas se le da el nombre de Cluster, o conjunto de celdas, que pueden ser de distintos tipos o patrones de reutilización.
Las células se agrupan con la totalidad de frecuencias que se encuentran disponibles para la red celular, lo que permite que ningún canal pueda ser reusado dentro del mismo.
El uso de las frecuencias en ellos se realiza usando patrones de re-utilización de las mismas.
En general agrupan 4, 7, 12 o 21 celdas por conjunto. Cabe destacar que a menor número de celdas posee el mayor número de canales por celda.

Reutilización de frecuencias
Básicamente el reuso de frecuencias permite que un gran número de usuarios puedan compartir un número limitado de canales. Esto se logra asignando a varias celdas el mismo número de frecuencia. La única condición es que la distancia entre dos células con la misma frecuencia sea alta para poder evitar la interferencia.
El concepto de re uso de frecuencias, se basa en la expresión matemática: F = GN
F es el número de canales full dúplex disponibles en un cluster. G es el número de canales de una célula. Y N es el número de canales en el cluster o factor de re uso de frecuencias.
Cuando el cluster es multiplicado un número “M” de veces dentro del sistema, entonces el número total de canales full dúplex que podemos encontrar se expresa: C = MGN
Donde C representa la capacidad del canal y M el número de clusters.
Se puede apreciar que la capacidad del canal es directamente proporcional a la cantidad de veces que un cluster es multiplicado.

Distancia
La mínima distancia que permite la reutilización de una frecuencia depende de diversos factores, como ser número de celdas co-canales, características geográficas, etcétera. De esta forma, la distancia puede ser determinada por la ecuación:
D = (3KR)^(1/2)
Donde K es el número de celdas por cluster, o patrón de re-uso. Si todas las bases transmiten con la misma potencia, entonces un incremento en K, manteniendo el radio R producirá un incremento en la distancia D. Este incremento reduce las posibilidades de que se produzcan interferencias co-canales
Asignacion de canales
Cualquier llamada producida dentro de una celula puede ser atendida por cualquier canal disponible dentro de ella. Si todos los canales están ocupados, la llamada se bloqueara y el usuario no dispondrá de servicio. Esta estrategia se denomina FCA (Fixed Channel Allocation). Existen variantes de esta estrategia, por ejemplo para que la célula vecina le preste canales si ocurre la situación mencionada. El MTSO (Mobile Telephone Switching Office o en español, Oficina de Conmutación de Telefonía móvil) supervisa estos mecanismos de préstamo para que no interfieran con ninguna llamada en progreso de la célula donadora.
En una estrategia dinámica DCA (Dynamic Channel Assignment), los canales no se colocan en diferentes células de manera estática. En su lugar cada vez que se produce un requerimiento de llamada, la estación servidora realiza una solicitud al MTSO. Este entonces, coloca un canal en la célula que realizo el pedido siguiendo algoritmos que tienen encuentra la reutilización de frecuencias. Los algoritmos dinámicos ofrecen marcadas ventajas por sobre los estáticos, pero en contra parte requieren una gran capacidad de computo en tiempo real por parte del MTSO.
Cell Splitting
Si el número de usuarios de una célula se incrementa al punto de que se acerca al máximo que puede dar servicio la misma, entonces esta puede ser sub dividida en células más pequeñas.
Cuando un sistema se satura, se produce el bloqueo de llamadas. Cuando se detecta la necesidad de dividir una célula, cada división hija cuenta con el mismo número de canales que la célula original, esto permite aumentar considerablemente la capacidad de la red.
El único punto a tener en cuenta es que la potencia de las estaciones debe ser disminuida para no crear interferencia co-canal con las nuevas células.
En la práctica, el límite de la sub división está dado por el costo económico asociado con la misma.
Interferencias
La interferencia es la degradación producida en la recepción de una señal útil provocada por una perturbación radioeléctrica. En ocasiones las mismas pueden hacer inviable la comunicación. Dado que es imposible la supresión total de la misma, esta debe mantenerse en niveles permitidos.
La interferencia co-canal es la interferencia causada por células que utilizan la misma frecuencia nominal. Es una situación normal dentro de las telefonías móviles, por lo que se suele aceptar un mínimo de interferencia co-canal en el tema. Por ello se define RPC como el factor de relación de protección co-canal es decir, la división entre la potencia de señal deseada y la potencia total de las señales interferentes co-canal.
Fading
El Fading, o desvanecimiento, es un efecto común en los sistemas de comunicación móvil. Esto ocurre por un fenómeno complejo que generalmente está asociado al bloqueo de la señal en áreas denominadas “de sombra”. El problema con el desvanecimiento, es que se produce en múltiples direcciones y de manera irregular. Por lo que es muy difícil de predecir.
Capacidad
Se refiere a la cantidad de tráfico que puede soportar en toda el área de cobertura. Por lo general, los sistemas de comunicación celular se diseñan para soportar grandes cantidades de tráfico. La capacidad puede ser calculada mediante la aplicación de la fórmula de Earlng E = Lth
(Donde L es el número de llamadas entrantes del sistema en una unidad de tiempo, por ejemplo llamadas por hora. La multiplicación de factores th es el tiempo promedio de holding expresado en horas por llamada)
Earlng fue el inventor de la teoría de tráfico telefónico. En su honor se denomina la unidad de adimensional que se utiliza para expresar la densidad de tráfico telefónico E.
Si la línea está permanentemente ocupada se denomina 1E, mientras que si está permanentemente libre será de 0E.
Calidad
Se establece que la calidad del servicio debe ser comparable con la del servicio de telefonía convencional.
El GoS (Grade of service), establece el nivel de calidad y se define por la cantidad de llamadas perdidas, o que no pudieron llevarse a cabo.
En la práctica el GoS se expresa como un porcentaje de las llamadas que no pudieron realizarse en la hora pico por falta de canales.
Como máximo, se establece que el GoS debe ser del 2%.
Funcionalidades celulares
Transmisión y Recepción
La transmisión celular utiliza dos frecuencias separadas para transmitir y recibir llamados, estos se denominan Forward Link y Reverse Link. Estos enlaces se separan por 45 MHz para evitar interferencias. Mediante dichos enlaces se logra la comunicación full dúplex.
Llamadas
Para poder establecer una llamada se requiere de los siguientes procesos:
Registro
Cada estación móvil posee su propia identidad y está asignada a un área de locación. Esto permite enviar los mensajes de control asignándole un HLR (Home Location Register o Registro de Locación) dentro del MTSO. Cuando el dispositivo móvil se cambia de área de locación, se envían mensajes de control para cambiar la misma dentro del MTSO. Esto permite usar eficientemente los canales dentro del mismo.
Paging y Roaming
El paging permite encontrar un dispositivo móvil dentro del área de cobertura para que pueda recibir llamadas entrantes. Cuando se debe encontrar al usuario entre sistemas operados por múltiples compañías el proceso se vuelve complejo. El roaming es el proceso de cambiar de área de locación de la central propia al área de locación de otra central.
Dispositivo móvil que origina la llamada
Cuando el usuario disca el número y toca la tecla send, o enviar, se procede a enviar una solicitud de canal de comunicación a la MTSO.
Recepción de llamada
Cuando la MTSO recibe la petición de llamada para un determinado móvil, da la orden a las estaciones base del área de locación donde se encuentra el móvil para que identifiquen al mismo. Cuando el móvil recibe el mensaje de búsqueda, se identifica y espera la asignación del canal de control de la MTSO. Una vez asignada la estación base y el canal, entonces, se activa la función de timbrado. Luego de que el usuario conteste, se concreta la comunicación. Luego de finalizada, se liberan los recursos.
Handoff
Se denomina handover o traspaso (también handoff o transferencia) al sistema utilizado en comunicaciones móviles celulares con el objetivo de transferir el servicio de una estación base a otra cuando la calidad del enlace es insuficiente en una de las estaciones. Este mecanismo garantiza la realización del servicio cuando un móvil se traslada a lo largo de su zona de cobertura.
Sistema de telefonía celular
La telefonía móvil consiste en ofrecer un acceso vía radio a un abonado, de tal forma que puedan realizar y recibir llamadas. El área geográfica, es sub dividida en áreas más pequeñas denominadas celdas. Cada celda cuenta con un conjunto de elementos que se comunican entre sí mediante interfaces específicas.
Móvil
Es el hardware que desempeña las tareas de comunicación con la estación base. Está compuesto de los siguientes módulos:
Módulo de radiofrecuencia: controla la transmisión y recepción de las señales.

Módulo de antena: Es un complemento al módulo de radiofrecuencia, es por donde se
consigue irradiar y recibir señales electromagnéticas.

Unidad lógica: es la encargada de realizar la conversión analógica – digital.

Módulo de control: Gobierna la operación de la terminal.

Módulo de interface con el usuario: Básicamente, podríamos decir que comprende
el teclado, el auricular, micrófono y display. Es la encargada de mostrar al usuario en
forma fácil las opciones y mensajes provenientes de la terminal así como de recibir los
imputs del usuario a la terminal.

Módulo sintetizador: Es el encargado de modular y demodular las señales.

Estación Base
Es una instalación fija o moderada de radio para la comunicación media, baja o alta bidireccional. Se usa para comunicar con una o más radios móviles o teléfonos celulares. Las estaciones base normalmente se usan para conectar radios de baja potencia, como por ejemplo la de un teléfono móvil, un teléfono inalámbrico o una computadora portátil con una tarjeta WiFi. La estación base sirve como punto de acceso a una red de comunicación fija (como la Internet o la red telefónica) o para que dos terminales se comuniquen entre sí yendo a través de la estación base.
MTSO
La función de MTSO es controlar el procesamiento y establecimiento de llamadas así
como la realización de llamadas, lo cual incluye señalización, supervisión, conmutación y
distribución de los canales de radio frecuencia. También proporciona una administración
centralizada y el mantenimiento crítico para toda la red e interfaces con la Red de Telefonía
Pública Conmutada (PSTN), asimismo, acordar las instalaciones de transmisión de voz con líneas
alámbricas y servicios de telefonía con líneas alámbricas convencionales.

Un MTSO se conoce por diferentes nombres, dependiendo del fabricante y la configuración del
sistema. MTSO (Oficina de conmutación de Telefonía móvil), fue el nombre dado por los laboratorios
Bell; EMX (Intercambio Móvil Electrónico) por Motorola; AEX por Ericson, NEAX por NEC; SMC
(Centro de conmutación Móvil) y MMC (Centro Móvil Maestro), por Novatel.

Las principales aplicaciones del sistema GSM son las comunicaciones de voz (mediante conmutación de circuitos) y de datos (mensajes cortos) y permite alcanzar velocidades de transmisión de hasta 9600bps
GSM comienza su evolución con la mejora de su red, nace GPRS (Global Packet Radio Service) y con esta tecnología se agrega la conmutación de paquetes a través de un núcleo basado en IP y se aumenta la velocidad de tráfico ( a 40 kbps en recepción y 20 kbps de transmisión en GPRS).
GPRS sobre GSM
Evolución a EDGE
Incrementa las velocidades en un factor de 3 sobre GPRS y duplica la capacidad de datos
Permite aumentar la velocidad de datos sobre el enlace de radio GSM.
Introduce una nueva técnica de modulación y de codificación utilizadas tanto para voz como para datos (por conmutación de paquetes y de circuitos).
Evolución de GSM
En 1982 se estableció un grupo de trabajo
para desarrollar un sistema paneuropeo al
que se denominó GSM, con las siguientes características:

Intinerancia Internacional
Soporte para nuevos servicios
Compatibilidad con la Red Digital de Servicios Integrados (voz y datos)
(Global System for Mobile communications)
Otro de los aspectos más destacados de GSM es
el empleo del denominado Subscriber Identity
Module (SIM)
EDGE sobre GPRS
EDGE alcanza 384Kbps de velocidad en transferencia de datos
También llamado 2,75 G
Para funcionar solo necesita de dos upgrades sobre la arquitectura anterior:
EDGE Evolution
2.9 G
UMTS
1) EDGE TRU (EDGE Transcoding Units)
2) Estación Móvil+Estación Transceptora
Base
Brinda mayor eficiencia del uso espectral y educción de latencias por debajo de los 100ms
Incremento de la velocidad de transferencia a 1.3Mbps de bajada y 653Kbps de subida
Implementa el uso de doble antena tanto en el teminal móvil como en las BTS (Base Transceiver Station)
(Universal Mobile Telecommunications System)
Utiliza a tecnología de radio WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)
3G
Opera en los rangos de frecuencia de 1920-1980 (uplilnk) 2110-2170 MHz (downlink).
Alcanzaa tasas de transferencia hasta 384 kbit/s para circuit switched y hasta 2 Mbit/s para packet switched (en transferencia de datos y servicios multimedia)
Movile Telephone Service
El camino hacia 4G
HSPA
(Hight Speed Packet Access)
HSPA+
Mejor eficiencia del espectro HSPA
Mayor velocidad de transmisión de datos (hasta 40-50 Mbit/s) y más baja latencia.
Compatibilidad con UMTS/HSPA
LTE
(Long Term Evolution)
Arquitectura
3.5G
Mejora el rendimiento de WCDMA en los paquetes de datos
Su introducción se realizó en dos pasos:
1) HSDPA (downlink): dmite tasas de transmisión de datos de hasta 14.4 Mbps
2) HSUPA (uplink): Habilita tasas de transmisión de datos de hasta 5.76 Mbps
3.75G
Es compatible con UMTS
Super 3G
Es una mejora de UMTS/HSPA
Optimiza la arquitectura UTRAN (Universal Terrestrial Access Network) y alcanza tasas de transferencia de datos de hasta 100 Mbit/s
Implementa EPS (Evolved Packet System) basado exclusivamente en IP
El nuevo acceso de radio se denomina OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
Tasas de transferencia de hasta 3 Gbps (DL), y 1.5 Gbps (UL) teoricas.
Mayor eficiencia espectral desde un maximo de 16bps/Hz hasta 30 bps/Hz
Roaming a travs de redes heterogeneas
Introduce CA (Carrier Aggregation) para sumar ancho de banda.

LTE presentado por Ericsson
LTE-A
4G
(Long Term Evolution Advanced)
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