Comunicaciones C l l Celulares

Transcripción

Comunicaciones Inalámbricas
Comunicaciones
C l l
Celulares
Iván Bernal, Ph.D.
[email protected]
http://clusterfie.epn.edu.ec/ibernal
Escuela Politécnica Nacional
Quito – Ecuador
Copyright @2006, I. Bernal
Agenda
• Problemas con AMPS
• NAMPS
• D-AMPS
D AMPS
Enero 06
Iván Bernal, Ph.D.
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1
Bibliografía
•
T.S. Rappaport, “Wireless Communications: Principles &
Practice”, Prentice Hall.
•
•
First Edition: 1995.
Second Edition: 2001.
•
A. Miceli, “Wireless Technician’s Handbook”, 2nd Edition,
Artech House, 2003.
•
W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd
Edition, Prentice Hall, 2005.
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Problemas con AMPS
• Es posible “clonar” los móviles y utilizar los minutos de otra
persona.
La protección principal en AMPS es la correspondencia del par (MIN, ESN).
¾ Esta información
i f
ió viaja
i j en un canal de control común
ú por lo que puede ser interceptada
i
y
copiada en otro teléfono.
Se han adoptado algunas medidas correctivas temporales.
¾ Ingresar un PIN luego de marcar una llamada, bajo la suposición de que un RVC es mas
seguro que un RCC.
NA-TDMA y cdmaOne
¾ En estos sistemas se incluyó
y autenticación.
9 Autenticación es parte de los estándares IS-136 (NA-TDMA) e IS-95 (cdmaOne).
¾ Son estándares dual-mode.
9 AMPS es incorporado en NA-TDMA y cdmaOne.
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Problemas con AMPS
• Capacidad
Se usaron diferentes esquemas para incrementar la capacidad pero no alcanzaba las mejoras
conseguidas en sistemas digitales de la siguiente generación.
• El estándar AMPS no especifica las interfaces entre las estaciones base y el
MSC y los elementos externos.
El sistema difiere de fabricante a fabricante.
Hasta mediados de los 90s, la comunicación entre sistemas de diferentes fabricantes (como para
el caso de roaming) era difícil y complicado.
¾ Se debía llamar al operador para registrarse cada vez que se entraba al área de un nuevo operador
durante un viaje de larga distancia.
¾ AMPS si soportó finalmente “registro autónomo”.
IS-41 (Interim System)
¾ Estándar desarrollado en los 90s.
¾ Permite MSCs de diferentes proveedores de servicio pasar información de sus abonados a otras
MSCs, bajo demanda.
¾ Sirve para tareas de autenticación, roaming, handoff intersistemas, y otros.
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NAMPS
•
Narrowband AMPS
•
Solución de Motorola que sigue siendo analógica.
•
En lugar de migrar a los sistemas digitales de segunda generación
algunos implementaron NAMPS.
A inicios de los 90s.
•
Muy similar a AMPS pero usa tres canales de 10 kHz en cada canal
AMPS de 30 kHz.
•
Teóricamente puede triplicar la capacidad del sistema.
En la práctica, como se usan señales de banda angosta, se tiene mayor susceptibilidad a
interferencia, y las frecuencias no se pueden reutilizar tanto como en AMPS.
•
S usan canales
Se
l de
d control
t l normales,
l lo
l que permite
it operación
ió en duald l
mode.
Si el móvil soporta NAMPS, la red puede llevar las llamadas a un canal de 10 kHz.
Los formatos de los mensajes de control son los mismos que los de AMPS, pero no usa
SATs y STs, sino que usa códigos digitales transmitidos en un canal de control asociado.
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NAMPS
• Incorporó nuevos servicios:
Caller ID
Indicadores de voice mail (mensajes de voz).
Mensajería corta (short messaging)
• Estos nuevos servicios se incorporaron en AMPS y en los
estándares de dual-mode.
• Incorporó versiones iniciales de MAHO.
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NA--TDMA
NA
• North American TDMA
• NA-TDMA fue diseñado a que calce fácilmente en la red AMPS preexistente.
Los canales TDMA calzarían en los canales AMPS.
Se usa el mismo plan de reutilización de frecuencias de AMPS.
Se usan las mismas estaciones base de AMPS, pero se migra progresivamente a las nuevas.
• Otras denominaciones para NA-TDMA
D-AMPS (Digital AMPS)
ADC (American Digital Cellular)
USDC (United States Digital Cellular)
NADC (North American Digital Cellular)
IS-136 (Interim Standard), el estándar que lo define.
¾ Originalmente el estándar creado para definir NA-TDMA fue IS-54 (1990).
9 Iguales canales de control que AMPS.
¾ Mas tarde se hicieron algunos cambios y mejoras se lo llamó IS-136.
9 Canal de control digital se añade (los originales también se mantienen)
¾ EIA/TIA
9 Electronic Industries Association
9 Telecommunication Industry Association
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NA--TDMA
NA
• Nuevas características respecto a AMPS:
Transmisión de voz digital
TDMA y FDMA
Incremento en la capacidad (teóricamente tres veces mas)
Autenticación para seguridad
Mejores medidas respecto al consumo de potencia
¾ Sleep mode:
9 Mayor duración de la batería
9 Menores dimensiones físicas
Sistemas de handoff mejorados (MAHO)
Estaciones móviles con dual-mode (AMPS y TDMA)
Servicios especiales mejorados (caller ID, SMS)
Soporte para la transmisión de datos
Un canal de control digital
(Se mantienen los protocolos originales AMPS y los mismos canales de frecuencia (30 kHz))
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NA--TDMA
NA
• Nueva terminología para ciertas
partes del sistema
IMSI (International Mobile Subscriber
Identification)
¾ Básicamente es el MIN pero en
formato que cumpla convenciones
internacionales.
¾ A mas del MIN y ESN.
BTS (Base Transceiver Station)
BSC (Base Station Controller)
¾ Maneja los recursos de radio para
todas las BTSs.
¾ Puntos de concentración al que se
conectan un número de transmisores,,
antes de conectarse al MSC.
¾ Esta jerarquía reduce el número de
conexiones hacia el switch,
simplificando el rol del switch.
BSS (Base Station System)
¾ Al BSC y a las BTSs se les hace
referencia como el BSS.
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NA--TDMA
NA
• Nuevos identificadores para las estaciones base
DVCC (Digital Verification Color Code)
¾ Se usa a mas del DCC.
¾ Trabaja de la misma manera que el SAT en AMPS.
LOCAID (L
(Location
i Area
A
Identifier)
Id ifi )
¾ Se asigna a una sección de estaciones base (las cuales lo transmiten).
¾ Utilidad
9 Cuando una estación móvil ingresa a una nueva área realiza un proceso de registro.
Se da cuenta que está en una nueva área porque recibe un nuevo LOCAID.
9 La red tiene una idea general del área en la que está la estación móvil.
9 Se puede hacer el page en un área geográfica (grupo de celdas) específica cuando hay una
llamada para la estación móvil.
SOC (System Operator Code)
¾ Identifica al carrier que opera el sistema.
¾ Lo transmite la BTS, pero puede programarse en la estación móvil y puede usarse para aspectos
relativos a roaming.
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NA--TDMA
NA
• Nuevos
identificadores para
las estaciones móviles
PV (P
(Protocoll Version)
V i )
¾ Para indicar las
capacidades de una
estación móvil
específica.
¾ A mas de SCM
(Station Class Mark).
A key”
“A
key (Authentication
key)
¾ Valor único de 64 bits
asignado por el
carrier.
¾ Nunca se transmite.
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NA--TDMA
NA
• Canales de tráfico
Los canales digitales ocupan el mismo ancho de banda que un canal AMPS (30 kHz).
Las transmisiones se hacen en el dominio del tiempo, además del dominio de la
frecuencia.
¾ Para encontrar la ubicación real de los datos se requieren dos parámetros:
9 El canal de frecuencia
9 La ranura de tiempo (slot)
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NA--TDMA
NA
• Cada canal de 30 kHz (tanto en un canal forward como reverso), se divide en tramas de
40 ms, que contienen seis ranuras de tiempo de 6.67 ms.
• Canales full rate
Dos ranuras de tiempo corresponden a un canal.
¾ Una conversación podría ocupar el canal de frecuencia 285, y las ranuras 1 y 4.
Los pares posibles son (1 y 4), (2 y 5), (3 y 6).
Tres conversaciones son posibles en cada canal de 30 kHz.
Tiempo libre para el móvil: 4 ranuras (26.67 ms).
¾ En realidad trabaja en MAHO.
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NA--TDMA
NA
• Canales half rate
El estándar los especifica
Permite una ranura de tiempo por conversación, o 6 llamadas por canal de 30 kHz.
¾ Si se asigna menos tiempo a cada conversación, la calidad de la conversación podría disminuir, a
menos que se desarrolle un vocoder avanzado.
• Ritmo de transmisión
Cada canal contiene 324 bits de información.
Con cada trama conteniendo 6 ranuras, se tienen 1944 bits/trama.
Los 1944 bits se transmiten cada 40 ms, la tasa por portadora es 48.6 kbps.
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NA--TDMA
NA
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NA--TDMA
NA
Durante una llamada, las ranuras de tiempo en el camino forward y reverso son
correspondientes.
¾ Las ranuras 1 y 4 en el sentido reverso, son las correspondientes a las ranuras 1 y 4 del
sentido forward.
forward
¾ A pesar que la comunicación es totalmente full duplex, se toman medidas para que la
estación móvil no tenga que transmitir y recibir al mismo tiempo.
9 La ranura de tiempo 1 en el sentido forward inicia su transmisión 1.9 ms luego de
que la ranura 1 en el sentido reverso se completó.
9 Se usa un switch de Tx/Rx en lugar de un duplexer.
¾ La estación móvil debe transmitir exactamente en su ranura asignada.
9 Si los móviles están ubicados a distancias diferentes de la estación base, puede ser
un problema si se sobrelapan las transmisiones de dos ranuras diferentes debido
al retardo de propagación.
9 Para los canales reversos de tráfico se usan bits de guarda al inicio de una ranura.
Modulación
¾ π/4 DQPSK (48.6 kbps)
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NA--TDMA
NA
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NA--TDMA
NA
Modulación
¾ π/4 DQPSK (48.6 kbps)
Códigos convolucionales para corrección de errores
Interleaving
¾ Para esparcir los errores si se producen en ráfagas
Ecualización adaptiva
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NA
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NA
Dentro de cada ranura se forman canales lógicos.
Los campos difieren de acuerdo a si es forward o reverso.
¾ La estación base transmite de forma continua.
¾ La estación móvil transmite en su ranura asignada.
Bits de guarda (6 bits) y ramp-up (6 bits)
¾ Separar ranuras de tiempo adyacentes.
¾ Para permitir que el transmisor vaya desde un estado de “reposo” a un estado de toda
potencia.
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NA--TDMA
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SYNC (28 bits)
¾ Ayuda con sincronización y ecualización (la palabra es conocida en recepción).
Parte del proceso de sincronización es definir el valor de “time alignment” para considerar los
retardos de propagación dado que las estaciones móviles están a diferentes distancias de una
BTS.
¾ Se transmiten pequeños mensajes (reducidos) con 50 bits de guarda (normalmente son solo 6), con lo
que no se interfiere con ranuras vecinas.
9 Se transmiten SYNC + DVCC
9 El resto de la ranura se llena de 0s
¾ Estos mensajes caben en la ranura respectiva a pesar que se puede estar desalineado temporalmente.
9 Estos mensajes reducidos se transmiten de forma repetitiva hasta que la estación base calcule
el valor correcto de alineación.
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NA--TDMA
NA
SYNC
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DVCC (12 bits)
¾ 8 bits protegidos con 4 bits de un Código de Hamming reducido.
¾ Trabaja como SAT (debe ser retransmitido por la estación móvil).
¾ BTS transmite en toda ranura de tiempo.
¾ MS recibe y retransmite a la BTS.
SACCH (12 bits)
¾ Se transmite en toda ranura de tiempo.
¾ Permite enviar mensajes durante la conversación sin evitar la transmisión de la información del
usuario (en paralelo), como para cambios de niveles de potencia o medidas hechas por el móvil.
¾ Los mensajes son de 132 bits
9 Requiere 11 ranuras o seis tramas.
9 Requiere 240 ms.
9 Puede no ser lo suficientemente
rápido para operaciones como handoff.
FACCH
¾ Se impide el envío de datos (como en AMPS).
¾ Se usan los 260 bits de info de usuario
¾ (No se transmite en toda ranura).
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NA--TDMA
NA
DL (11 bits)
¾ Básicamente le indica a la estación
móvil, el número de canal de un DCCH
(Digital Control Channel) que puede
usar luego de la conversación.
DATA (260 bits)
¾ Se usa ACELP vocoder.
9 Se divide la información de voz
en bloques de 20 ms, cada uno
representado por 260 bits (159
bits de voz + codificación de
canal)
canal).
260 bits/20 ms = 13 kbps
9 Forward
2*130
9 Reverso
2*122 + 16
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Mensajes en SACCH y FACCH
¾ Similares a los usados en AMPS
¾ Nuevos:
9 Para servicios como caller ID
9 Para servicios de mensajes de texto
9 Para el control de la alineación
9 Para autenticación
9 Para MAHO (handoff)
9 Servicios interactivos
Se
S requiere
i
interactuar
i t
t
con ell MSC presionando
i
d números
ú
Voicemail: requieren tonos DTMF para escuchar, guardar o borrar mensajes
Si los tonos se transmiten a través de los vocoders se distorsionan
Se requiere un medio alternativo para la transmisión de los tonos: canales asociados (el
FACCH para enviar los tonos DTMF desde la estación móvil)
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NA
• Canales de tráfico (resumen)
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• Canales de Control
Sean analógicos o digitales, también son de 30 kHz.
IS-54 mantuvo los canales de control como en
AMPS.
¾ FCC/RCC (p
(para compatibilidad
p
hacia atrás y
soportar dual-mode)
¾ Igual esquema de modulación que AMPS (10 kbps
con FSK)
IS-136 permite nuevos canales:
¾ DCCHs (Digital Control CHannels).
9 Pueden ubicarse en cualquier parte de la
banda del sistema.
9 A mas de los 42 canales de control de
AMPS
S ((21 full duplex) se espec
especifican
c 42
canales adicionales (llamados canales de
control secundarios).
Los canales de control cambian de 10 kbps
FSK a 48.6 kbps DQPSK.
Los terminales IS-54 e IS-136 no son
compatibles.
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NA
FCC/RCC
¾Los canales están ubicados en lugares específicos de la banda del sistema.
¾Se ha mantenido el formato.
formato
¾Se han agregado varios mensajes de control para:
9Soportar acceso digital
9Mejora en algunos servicios
9Nuevos beneficios del sistema (autenticación)
¾Nuevos mensajes para diferenciar entre llamadas de voz y llamadas de datos.
9
9Ejemplo:
indicadores de mensajes cortos o voicemail.
¾Nuevo mensaje del FCC para indicar a la estación móvil el canal digital que se
usará para una llamada.
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NA
FCC/RCC
¾ Se modifica un mensaje existente para proporcionar un puntero a un DCCH.
9 Para indicar a las estaciones móviles que se muevan al canal DCCH para servicio.
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NA
DCCHs (Digital Control CHannels)
¾ Se organiza en hypertramas de 1.28 s.
¾ Cada hypertrama contiene dos supertramas de 0.64 s
¾ Cada supertrama contiene 16 tramas de 40 ms.
¾ Cada trama contiene dos bloques de 20 ms.
¾ Cada bloque contiene 3 ranuras de 6.67 ms.
9 Se usan dos ranuras por trama para full rate.
9 Se usan una ranura por trama para half rate.
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NA
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NA--TDMA
NA
¾ SYNC
9 Para proporcionar temporización adecuada.
¾ PREAM
9 Preámbulo
P á b l que añade
ñ d una ayuda
d extra a sincronización.
i
i ió
¾ SFP (superframe phase)
9 En el sentido forward.
9 Indica a la estación móvil el número de bloque actual dentro de la supertrama.
Ayuda a temporización (para modo sleep)
En la misma posición de DVCC (Digital Verification Color Code) de un canal forward de voz, por lo que la estación móvil
puede determinar si es un canal de tráfico o de control.
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NA--TDMA
NA
¾ SCF (Shared Channel Feedback)
9 Ayudan con la transmisión en el canal reverso.
BRI (Busy/Reserved/Iddle).
(
y
)
9 Informa a la estación móvil si la ranura reversa está usada.
A la ranura se la denomina Random Access Channel (RACH)
9 La estación monitorea el campo y cuando esté libre, la estación móvil puede transmitir su
DCCH en un RACH específico.
La transmisión con éxito será confirmada mas tarde.
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¾ Se pueden transmitir alrededor de 60 mensajes diferentes (16 en AMPS).
¾ BCCH
9 Para todos los móviles en la celda.
¾ SPACH
9 Para estaciones móviles específicas.
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• Sleep Mode
La razón de la estructura jerárquica del DCCH es para facilitar el modo sleep.
Si la estación móvil tuviese que monitorear el canal de control continuamente, como
ocurre en AMPS, el tiempo para standby sería menor comparado con casos cuando el
monitoreo se lo hace periódicamente.
Las llamadas para el móvil llegan en subcanales de paging en el canal lógico SPACH.
¾ Se transmiten dos veces, una vez en cada supertrama (dos supertramas son una
hypertrama).
El móvil se despierta a tiempo para escuchar mensajes SPACH específicos en
hypertramas específicas.
L asignación
La
i
ió d
de que canall específico
ífi que debe
d b escuchar
h ell móvil
ó il d
depende
d d
dell MIN
MIN.
¾ Proporciona un grado de aleatoridad a la distribución de los canales de paging.
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• Sleep Mode
Cuanto duerme una estación móvil es una
función del parámetro PFN (paging frame
number).
¾ El canal de paging para un móvil específico
ocurre en una hypertrama específica.
¾ Si PFN=1, existe un canal de paging en cada
hypertrama.
9 Como cada hypertrama es de 1.28
seconds, el móvil podría dormir entre
hypertramas o 1.28 segundos.
¾ El valor mas alto de PFN es 96
9 El móvil podría dormir 96
hypertramas antes de que vea la
h
hypertrama
t
asignada
i
d a él
él.
96*1.28= 122.88 segundos
Proporciona larga duración de la
batería pero mal servicio ya que
alguien que llame a la estación debería
esperar por dos minutos de tono de
timbrado.
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• MAHO
Se monitorea otros canales en otras
estaciones base cuando no se está
transmitiendo o recibiendo.
¾ En
E 4d
de 6 ranuras no h
hay actividad
ti id d para
Tx o Rx.
Se mide BER e intensidad de la señal y se
reporta a la BTS usando el canal
SACCH.
A la estación móvil se le indica que
canales monitorear mediante un mensaje.
¾ Se especifican entre 6 y 12 frecuencias
para monitorear.
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NA--TDMA
NA
• Autenticación (breve descripción)
Estandarizado en IS-41-C (independiente
del interfaz de aire)
Llave de encripción “A key” almacenada
en una base de datos (Authentication
Center) y en la estación móvil.
móvil
¾ Nunca se transmite.
SSD (Shared Secret Data)
¾ Número de 128 bits que se usa para el
proceso de autenticación.
¾ Generado en base a la “A key”, el ESN, y
un número generado por la red
aleatoriamente.
9 Se puede actualizar mediante el
d t ”
proceso “SSD update”
¾ Formado por dos partes SSD_A y
SSD_B.
9 SSD_A se usa para autenticación.
9 SSD_B se usa para encripción de
voz y mensajes de señalización
específicos.
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• Autenticación
CAVE es el algoritmo para calcular los valores necesarios para autenticación y
encripción.
¾ Se usan retos (challenges) globales y únicos.
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NA--TDMA
NA
• Autenticación
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