Módulo Nº 1 - Sistemas de Comunicaciones Electrónicas y sus

Transcripción

Sistemas Celulares
Ing. Jose Gregorio Graterol
Email: [email protected]
Telefonos: 0416-6613779
0412-2611310
Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice-rectorado Puerto Ordaz
Introducción
Objetivos
•
•
•
Historia y progresos de las radio-comunicaciones.
•
•
•
•
•
•
Bandas de sistemas A y B.
Resumen Histórico y Evolución mundial.
Estándares Norteamericanos para telefonía celular (AMPS, TDMA, CDMA,
PCS). Estándares Europeos. GSM y GRPS.
Conceptos Generales en Telefonía Celular.
Comparación con un sistema conmutación fijo.
Componentes de un Sistema Celular.
Criterios de Desempeño.
Procesos en una Llamada.
Sistema Convencional de Telefonía
Móvil
Sistemas Convencionales

Las limitaciones operacionales de las tecnologías de telefonía
móviles convencionales dieron el empuje para la aparición de los
sistemas celulares móviles.

Las principales limitaciones eran:
 Capacidad de servicio limitada
 Desempeño pobre del servicio
 Utilización ineficiente del espectro radioeléctrico
Capacidad de Servicio Limitada.
•
•
•
•
Potencia de transmisión tan grande como la regulación
gubernamental lo permita.
Canal de frecuencia asignado a una conversación.
Conversaciones simultáneas dependientes de los canales
disponibles en el área geográfica de cobertura.
Necesidad de reiniciar llamada al pasar de un área de
cobertura a otra,
ya que
la misma se cae.
Desempeño de servicio pobre
Ejemplo de la ciudad de Nueva York en 1976:
 33 canales asignados y localizados a tres (3) sistemas de telefonía
móvil:

(1) Sistema MTS (Mobile Telephone Service), (2) Sistema IMTS
(Improved Mobile Telephone System) (MJ) y (3) IMTS (MK).

MTS: En los 40 MHz, 11 canales; MJ: En los 150 MHz, 11
canales y MK: En los 450 MHz, 11 canales. Los 33 canales
fueron asignados para cubrir un área con un diámetro de 80 Kms.
Primeros Sistemas Moviles
Caso New York 1976
Primeros Sistemas Móviles
En 1976, MJ tenía 6 canales para
servir 320 usuarios con 2400 en
lista de espera. MK tenía 225
usuarios con 1300 en lista de
espera.
Evolución de la Población Mundial
Ciudad
New York
Paris
Tokio
C.Mexico
Sao Paulo
B. Aires
Venezuela
Bolívar
1980 1990
15,6 16,0
8,17 9,15
28,5 32,5
13,0 15,3
8,5
9,5
9,9 11,1
14,5 19,7
0,7
1,0
2000 2010
17,1 19,0
11,7 12,1
34,4 35,7
18,0 19,8
10,8 11,9
12,5 14,0
24,3 28,8
1,3
1,62
2015
19,7
12,3
36,2
20,6
12,3
14,5
31,0
1,75
Utilización ineficiente del espectro

En las horas pico, la probabilidad de bloqueo de llamadas era
inmensa.

Aunque la calidad del servicio era indeseable, la demanda
continuó en aumento, lo que implicó la necesidad de ofrecer un
sistema con mayor capacidad.

Medición de Utilización de Frecuencia “Mo” en los sistemas de
telefonía convencional, dado por:
Mo = N° de usuarios / Canal

En el ejemplo de Nueva York en 1976, Mo = 53 usuarios/canal
en MJ y 37 usuarios/canal en el MK.

Asumiendo un tiempo de llamada promedio de 1,76 min y
aplicando el modelo de Erlang-B (sin llamadas perdidas). Se
calcula la probabilidad de bloqueo, utilizando seis (6) canales con
cada canal sirviendo a los dos (2) diferentes números de usuarios
especificados antes de MJ y MK.
Carga ofrecida :
A = (Tiempo de Prom Llamada*total de usuarios*canales) / 60
min (erlangs)
A1 = (1,76 x 53 x 6) / 60 = 9,33 erlangs (sistema MJ)
A2 =(1,76 x 37 x 6) / 60 = 6,51 erlangs (sistema MK)

Según las tablas del modelo ERLANG-B con los seis (6) canales
asignados y en utilización por cada sistema, se obtienen
probabilidades de bloqueo :
B1 = 50% para el MJ
B2 =30 % para el MK
y
valores muy altos e inaceptables de desempeño para la
confiabilidad de obtención exitosa de la llamada iniciada.

Para reducir los valores de B, el Mo (Usuarios*Canal) debe ser lo
más pequeño posible. En relación a la utilización eficiente del
espectro de frecuencias, el sistema convencional era imposible
que pudiera cumplir partiendo que un solo canal de frecuencia
solo podía servir a un usuario a la vez en toda el área de
cobertura.
“Necesidad de Mejora de los Servicios de Telefonía
Móvil”
Resumen Histórico e Evolución Mundial
Resumen Historico e Evolución Mundial
Desde el principio de las telecomunicaciones dos han sido las
principales opciones para llevar a cabo una comunicación: con o sin
hilos, o lo que es lo mismo, por cable o por el aire.
 En realidad ambas pueden participar en un mismo proceso
comunicativo.
En las comunicaciones móviles, en las que emisor o receptor
están en movimiento, la movilidad de los extremos de la
comunicación excluye casi por completo la utilización de cables
para alcanzar dichos extremos.
 Por tanto utiliza básicamente la comunicación vía radio. Esta se
convierte en una de las mayores ventajas de la comunicación vía
radio: la movilidad de los extremos de la conexión.
Otras bondades de las redes inalámbricas son el ancho de banda
que proporcionan.
El rápido despliegue que conllevan al no tener que llevar a cabo
obra civil.
Sin embargo el cable es más inmune a amenazas externas, como
el ruido o las escuchas no autorizadas, y no tiene que competir con
otras fuentes por el espacio radioeléctrico.
AT&T introdujo el primer servicio telefónico móvil en los Estados
Unidos el 17 de junio de 1946 en San Luis, Missouri. El sistema
operaba con 6 canales en la banda de 150 MHz con un espacio entre
canales de 60 KHz y una antena muy potente.
Este sistema se utilizó para interconectar usuarios móviles
(usualmente autos) con la red telefónica pública, permitiendo así,
llamadas entre estaciones fijas y usuarios móviles.
Un año después, el servicio telefónico móvil se ofreció en más de
25 ciudades de los EE.UU. y unos 44,000 usuarios en total aunque
por desgracia había 22,000 más en una lista de espera de cinco años.
Estos sistemas telefónicos móviles se basaban en una transmisión
de Frecuencia Modulada (FM).
La mayoría de estos sistemas utilizaban un solo transmisor muy
poderoso para proveer cobertura a más de 80 km desde la base.
Los canales telefónicos móviles de FM evolucionaron a 120 KHz
del espectro para transmitir la voz con un ancho de banda de 3KHz.
Aunque se esperaban mejoras en la estabilidad del transmisor, en la
figura de ruido y en el ancho de banda del receptor.
La demanda para el servicio de telefonía móvil creció
rápidamente y permaneció por detrás de la capacidad disponible en
muchas de las ciudades de gran tamaño.
“Es increíble que a pesar de la gran demanda que se
generó fue necesario que pasaran más de 30 años
(1946-1976) para cubrir las necesidades de telefonía
móvil”
La capacidad del sistema era menor que el tráfico que tenía que
soportar, por ello, la calidad del servicio era terrible, las
probabilidades de bloqueo eran del 65% o más altas. La inutilidad
del teléfono móvil disminuyó la frecuencia de su uso ya que los
usuarios encontraron que era mejor prevenir no hablando en horas
picos.
Los usuarios y las compañías telefónicas se dieron cuenta que un
conjunto de canales no sería suficiente para desarrollar un servicio
telefónico móvil útil. Se necesitarían grandes bloques del espectro
para satisfacer la demanda en áreas urbanas.
En 1949, la FCC (la FCC es la comisión federal de
comunicaciones, que es el organismo que regula las comunicaciones
en los EE.UU.) dispuso más canales y la mitad se los dio a la
compañía Bell System y la otra mitad a compañías independientes
como la RCC(Radio Common Carriers), con la intención de crear la
competencia y evitar los monopolios.
Fue a mediados de los 50 cuando se creó el primer equipo para
viajar en auto de menor tamaño. Esto sucedió en Estocolmo, en las
oficinas centrales de Ericsson pero no fue sino 10 años después
cuando los transistores redujeron en peso, tamaño y potencia para
poder introducirlos al mercado.
En 1956, la Bell System comenzó a dar servicio en los 450 MHz,
que era una nueva banda para tener una mayor capacidad.
En 1958, la Richmond Radiotelephone Co. mejoró su sistema de
marcado conectando rápidamente las llamadas de móvil a móvil.
A mediados de los 60’s el Sistema Bell introdujo el Servicio
Telefónico Móvil Mejorado (IMTS por sus siglas en inglés) con
características mejoradas. Las mejoras en el diseño del transmisor y
del receptor permitieron una reducción en el ancho de banda del
canal de FM de 25-30 KHz.
A finales de los 60’s y principios de los 70’s comenzó el trabajo
con los primeros sistemas de telefonía celular.
Las frecuencias no eran reutilizadas en células adyacentes para
evitar la interferencia en estos primeros sistemas celulares.
En enero 1969 la Bell System aplicó por primera vez el reuso de
frecuencias en un servicio comercial para teléfonos públicos de la
línea del tren de N.Y. a Washington, D.C. Para desarrollar este
sistema se utilizaron 6 canales en la banda de 450 MHz en nueve
zonas a lo largo de una ruta de 380 km.
Mientras que las comunicaciones de voz utilizaron el mismo FM
analógico que se había estado usando desde la II Guerra Mundial,
Dos Mejoras importantes hicieron el concepto celular realidad.
 A principios de los 70’s se inventó el microprocesador;
aunque los algoritmos complejos de control se implantaban en
lógica con cables, el microprocesador hizo más fácil la vida de
todos.
 La segunda mejora fue en el uso de un enlace de control
digital entre el teléfono móvil y la estación base.
En 1973, Martin Cooper, entonces trabajando para Motorola,
presionó una tecla, obtuvo señal de marcación e hizo la primera
llamada desde un móvil en el mundo. Cooper entró para la historia
no solo por ser el primer usuario, sino también por ser considerado
el inventor de este nuevo medio de comunicación.
El concepto de comunicaciones móviles utilizando una red celular
nació en 1947, en los Bell Laboratories, el departamento de pesquisa
de AT&T, el único operador norte-americano a la fecha. Por
entonces, la idea no era realizable debido a dificultades en la
concesión de espectro de radio por parte de las autoridades. Pero a
partir de 1960, los Bell Labs y Motorola empezaron a estudiar el
concepto y intentando ponerlo en práctica. La carrera al celular fue
vencida por Motorola en el día tres de Abril de 1973, gracias a los
esfuerzos de Cooper que pretendía que las personas fuesen capaces
de transportar y utilizar su teléfono en todos los sitios
El día tres de Abril de 1973, Cooper estaba en la esquina de una
calle en Manhattan, camino de una conferencia de prensa en un
hotel, cuando decidió intentar hacer una llamada personal. Cooper
cogió su terminal Dyna-Tac, presionó la tecla para conectar el móvil
y el aparato logró conectarse a la red fija a través de la estación-base
instalada en el tope de un edificio. Entonces Cooper marcó el
número de su rival, Joel Engel, el responsable del departamento de
pesquisa de Bell Labs. No obstante, la introducción del primer
servicio comercial apenas sucedió en 1979, en Japón, y apenas en
1982 la FCC aprobó en los Estados Unidos el lanzamiento, por parte
de la empresa Ameritech, del primer sistema móvil comercial.
No fue sino hasta marzo de 1977 cuando la FCC aprobó que Bell
probara un sistema celular en Chicago.
En 1978, en EE.UU. comenzó a operar el Servicio Telefónico
Móvil Avanzado o Advanced Mobile Phone Service AMPS.
En ese año, 10 células cubrían 355000 kms cuadrados en el área
de Chicago, operando en las nuevas frecuencias en la banda de 800
MHz.
Esta red utilizaba circuitos integrados LS, una computadora
dedicada y un sistema de conmutación, lo que probó que los
sistemas celulares podían funcionar.

La selección y asignación de la banda de 800 MHz a la telefonía
celular se basó en las limitaciones existentes en las otras bandas
del espectro.

No era la banda de frecuencia más idónea, pero con la tecnología
vigente del momento podía desplegarse y ser implementada pero
sin ir más allá de la misma. Las tecnologías futuras permitieron
despliegues en bandas superiores.

La FCC después de analizar todas las estrategias de factibilidad,
mercado, y eficiencias de operación decidió adjudicar en 1980 las
bandas de 800 MHz a dos (2) competidores dividiendo la misma
en bloques y denominándolas Banda “A” y Banda “B”.
AT&T desarrolló un modelo junto con Motorola conocido como
Dyna-TACS o TACS que significa Total Access Communications
System, el cual se puso en marcha en Baltimore y en Washington
D.C. por la compañía Cellular One el 16 de diciembre de 1983.
Otro estándar que surgió fue el de AURORA-400 en Canadá en
febrero de 1983 utilizando equipo de GTE y NovAtel. Este sistema
llamado descentralizado opera en los 420 MHz y utilizaba 86
células, funcionando mejor en áreas rurales por su poca capacidad
pero cobertura amplia.
Éste es el primer teléfono celular de la historia , el abuelo de los que conocemos en la actualidad. Su nombre es
Motorola DynaTAC 8000X y apareció por primera vez en el año de 1983
En Europa, el sistema celular Telefonía Móvil Nórdico o Nordic
Mobile Telephone System NMT450 inició operaciones en
Dinamarca, Suecia, Finlandia y Noruega en el rango de 450 MHz.
En 1985 la Gran Bretaña empezó a usar TACS en la banda de 900
MHz. Más tarde, Alemania Occidental implementó C-Netz, Los
franceses Radiocom 2000, y los Italianos RTMI/RTMS.
 Todos ellos ayudaron a que hubiera nueve sistemas
incompatibles, a diferencia de los EE.UU. que no sufrían de este
problema. Desde aquí se pensó en un plan para crear un sistema
digital único para Europa.
En 1989 surge GSM primero conocido como Grupo Especial
Móvil y luego como Sistema Global para Comunicaciones Móviles.
Lo más destacado de él es que unifica los sistemas europeos.
 Desde 1993 los sistemas se estaban desbordando de usuarios en
EE.UU., estos crecieron de medio millón en 1989 a más de trece
millones en 1993.
En 1990, el sistema celular en EE.UU. agregó una nueva
característica, el tráfico de la voz se convirtió en digital.
Esto triplicó la capacidad con el muestreo, digitalización y
multicanalización de las conversaciones.
Para 1991, el servicio celular digital comenzó a emerger
reduciendo el costo de las comunicaciones inalámbricas y
mejorando la capacidad de manejar llamadas de los sistemas
celulares analógicos.

En 1992 el primer sistema digital GSM (Groupe Speciale Mobile
primero y después consolidado como Global System Mobile)
entra en operación en Alemania siendo actualmente el estándar en
Europa. Operan en las bandas de 800 y 900 MHz

En EEUU entran en operación en 1993 el sistema NA-TDMA
(D-AMPS) y en 1995 el CDMA. Posteriormente entra en
operación un GSM en la banda de 1900 MHz llamado PCS.

En Japón su sistema PDC (Personal Digital Cellular) se desplegó
inicialmente en 1994.
En 1994, Qualcomm, Inc. propuso un escenario de espectro
esparcido para incrementar la capacidad. Construido en
conocimientos anteriores, el Code Division Multiple Access CDMA
o Acceso Múltiple por División de Código, sería en todos sus
elementos digital, además de que prometía de 10 a 20 veces mayor
capacidad.
En estos días más de la mitad de los teléfonos en el mundo
operaban de acuerdo a los estándares de AMPS, y en su inicio más
humilde nadie pensó que sería el que conviviría con TDMA o
CDMA para obtener sistemas duales con tecnología analógica y
digital.
Caso Venezuela:



Inició operaciones desde 1991 con TELCEL ahora MOVISTAR
a través de la banda A en 800 MHz, posteriormente MOVILNET
en 1993, entró a operar en la banda B. Los dos (2) sistemas
basados inicialmente en la tecnología AMPS.
Movistar de Venezuela compartió la red AMPS con CDMA2000
y GSM 850 Mhz hasta el 15 de marzo de 2007 cuando se apagó
dicha red, para liberar espectro.
MOVISTAR evolucionó a CDMA con sus variantes CDMA2000
y EV-DO para datos y ahora GSM con EDGE y posteriormente
UMTS.
Caso Venezuela:

MOVILNET de Venezuela utilizó CDMA2000 y TDMA (DAMPS) en conjunto. Este último fue apagado y se está realizando
una inversión para implantar una red GSM en 850 y 1900 Mhz
desde el año 2008.

DIGITEL arrancó directamente con GSM en los 900 MHz y
MOVISTAR desplegó GSM en 850 MHz.

MOVISTAR Y MOVILNET están en procesos de migración para
trabajar GSM en 1900 MHz para la implementación de sus redes
3.5 G.
Resumen Histórico e Evolución Mundial
El inventor del teléfono móvil y premio Príncipe de Asturias a la
Investigación Científica y Técnica 2009, Martín Cooper, aseguró
entonces que la tecnología móvil continúa siendo nueva, un
"bebé".
Sin embargo, pese a todos estos avances, el llamado "padre" del
teléfono móvil aseguró hoy que esta tecnología aún es muy nueva
y tiene enormes posibilidades para desarrollarse en el futuro.
Una de sus orientaciones, explicó, será emplear los dispositivos
móviles en el campo de la salud, lo que permitirá detectar a
tiempo los infartos, controlar el ritmo cardiaco, el peso o la
temperatura corporal.
Pero sin duda, dijo, el futuro de la tecnología móvil pasa por su
integración con Internet, combinación que mejorará la
productividad, reducirá el coste de las redes, dotará al producto
de más seguridad y "revolucionará" la interacción social, lo que
"cambiará más aún la vida a los ciudadanos".
“Las nuevas tecnologías”, aseguró, “han modificado los usos de
los usuarios y por ello se está revirtiendo la tendencia de aquellos
que prefieren tener una línea fija de teléfono a una red
inalámbrica”.
“Asimismo, los teléfonos móviles en un futuro no muy lejano
podrán realizar controles demográficos, de tráfico o incluso
determinar las pautas de comportamiento de los ciudadanos, algo
que a los Gobiernos les genera cierta inseguridad dada la falta de
privacidad que ello supone”
Martin Cooper.
Conceptos Generales
7.000
6.000
5.000
Population (Mn)
4.000
Cellular Users (Mn)
3.000
Cellular Data Users
(Mn)
2.000
1.000
0
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
Population/ Cell & Data Users (Mn)
Cellular and Data User Numbers
Continuo Crecimiento de la Base Mundial de usuarios y del uso de servicios de datos
móviles
Conceptos Generales

Con el peso mayor del mercado de data móvil recayendo en comunicación :
SMS , MMS, Mensajería Instantánea, e-mail
Evolucion de Tecnologías Moviles
Actualidad Celular
Caso Venezuela:
Según Cifras de CONATEL IV Trimestre 2012:
 Total de líneas Creció un 4,32 %.
 Penetración de 106 líneas por cada 100 habitantes.
 Líneas en uso (al menos recibiendo SMS) 102 %.
 5 millones de suscriptores a planes Blackberry 43,11% de
Incremento en el ultimo año.
 Tipo de Tecnología:
 GSM
67,52 %
 CDMA
32,48 %
Actualidad Celular
MOVISTAR CONATEL IV-2012:






Inversión Bs. 3.400,00 MM.
1.105 nodos. Incremento de 85%.
241 sitios nuevos.
97,3 Kms de fibra óptica.
Incremento de velocidad en horas pico de 255 Kbps a 425 Kbps.
Mas de 3.000.000 de smartphones (lider).
 20 % de penetración.
 55 % del total de mercados de Smartphones.
Actualidad Celular
DIGITEL CONATEL IV-2012:






Inversión $ 268 MM.
Crecimiento 2% para un total de 5.669.324 suscriptores.
783.320 banda ancha móvil.
185.499 líneas fijas.
Total 6.637.143 suscriptores
 Prepagos
6.247.383
94%.
 Postpagos
389.760
6%.
650 Kms de fibra óptica.
Actualidad Celular
MOVILNET -CANTV CONATEL IV-2012:




15.956.000 Suscriptores.
4.402.895 equipos vendidos.
 2.188.905 49,7% fabricados en el país (Orinokia-Vtelca).
240.000 Suscriptores TV satelital.
6,6 MM Suscriptores de Telefonía Fija
Surgimiento de los Sistemas Celulares
Sistemas Celulares
Conceptos Básicos
Concepto Celular

LA FCC (Federal Communications Commision) de EEUU
apunta como objetivo a sistemas que necesiten un mínimo ancho
de banda para servir a la mayor cantidad de usuarios.
“Un Sistema de Telefonía Móvil ideal, es el que pueda trabajar en
una banda de frecuencias limitada asignada y pueda servir a un
número ilimitado de usuarios en un área ilimitada”
Concepto Celular
Cuando se definió el sistema de telefonía celular se trató de realizar
un sistema que no tuviera las falencias de los sistemas de
comunicación móviles vía radio anteriores.
Para esto se plantearon objetivos que llevaron a la necesidad del
concepto celular.
Estos objetivos son:
􀂃 Alta capacidad de servicio: Capacidad para dar servicio de
tráfico a varios miles de usuarios dentro de una zona determinada y
con un espectro asignado (Algunos cientos de canales de voz).
Concepto Celular
􀂃 Uso eficiente del espectro: Uso eficiente de un recurso muy
limitado como es el espectro de radio asignado al uso público.
􀂃 Adaptabilidad a la densidad de tráfico: La densidad de tráfico
varía en los distintos puntos de un área de servicio, el sistema se
tiene que adaptar a estas variaciones.
􀂃 Compatibilidad: Seguir un estándar, de forma tal de proveer el
mismo servicio básico, con las mismas normas de operación a lo
largo de todo el país.
Concepto Celular
􀂃 Facilidad de extensión: Se trata que un usuario pueda cambiar
de área de servicio pasando a una distinta y tener la posibilidad de
comunicarse. Lo que conocemos hoy día como Roaming.
􀂃
Servicio a vehículos y portátiles.
􀂃 Calidad de servicio: Implica seguir niveles estándares de
bloqueo y calidad de voz.
􀂃 Accesible al usuario: Es decir que el costo del servicio pueda
ser afrontado por un gran número de personas.
Conceptos Generales
¿Qué es Telefonía Celular?
• Definimos telefonía móvil como aquel sistema de transmisión en
el cual el usuario dispone de un terminal que no es fijo y que no
tiene cables, y que le permite así, gran movilidad y localización en
la zona geográfica donde se encuentre la red.
• Es un servicio de radio celular que se basa en dar cobertura a un
territorio a través de diversas estaciones base, que cada una, da un
área de cobertura llamada célula (normalmente son hexagonales).
Con este sistema, al dividir el territorio, se evita el problema de la
restricción del ancho de banda. Pues se podrá transmitir en
diferentes frecuencias que no están ocupadas en otras nuevas células
Conceptos Generales
¿Qué es una Célula?
• Es la unidad básica del sistema.
• Una zona se reparte en varias células (áreas más pequeñas), de
forma hexagonal, para poder abarcar todo el espacio.
• En cada célula existe una estación base transmisora, con lo cual, se
pueden tener múltiples canales para el uso de decenas de celulares
de manera simultánea. Cuando un usuario pasa de una célula a otra
deja la frecuencia que estaba utilizando, para el uso de otro celular,
y toma la frecuencia libre de la célula a la que pasó.
Conceptos Generales
EFICIENCIA ESPECTRAL Y ESQUEMAS CELULARES.
La eficiencia espectral es diferente de la eficiencia de canal. En la
mayoría de los sistemas la eficiencia de canal está directamente
relacionada con la eficiencia espectral, pero en sistemas
celulares, donde los canales son reusados varias veces, la
eficiencia espectral no es igual a la eficiencia de canal.
Conceptos Generales
EFICIENCIA ESPECTRAL Y ESQUEMAS CELULARES.
La eficiencia de canal es definida como el máximo número de
canales que se pueden proveer sobre un dado ancho de banda
espectral.
La eficiencia espectral es definida como el número máximo de
llamadas que pueden ser servidas en un área máxima.
Por lo tanto la eficiencia espectral y no la eficiencia de canal es
el parámetro que esperamos maximizar en un sistema celular.
Conceptos Generales
CONCEPTO CELULAR
Con el fin de cumplir con los objetivos enumerados previamente,
principalmente los dos primeros, esto es brindar servicio a miles
de usuarios con un recurso limitado como es el espectro, es que
se llega al concepto de celular.
Reutilización de Frecuencias y división en Celdas.
En los sistemas celulares, el área de cobertura de un operador es
dividida en celdas. Una celda corresponde a una zona cubierta
por un transmisor o una pequeña colección de transmisores. El
tamaño de la celda depende de la potencia del transmisor, banda
de frecuencia utilizada, altura y posición de la torre de la antena,
el tipo de antena, la topografía del área y la sensibilidad del radio
receptor.
Conceptos Generales
Célula o celda: es el área en el cual un sitio de transmisión
particular es el más probable de servir las llamadas telefónicas
móviles.
Un canal de radio: consiste en un par de frecuencias, una en
cada dirección de transmisión, que son usadas para una operación
full-duplex. Un canal de radio en particular, F1, es usado en una
zona geográfica llamada celda, C1, con un radio de cobertura R.
Este mismo canal puede ser usado en otra celda con el mismo
radio de cobertura a una distancia D de separación
Representación de Celdas


Imagen de mercadeo de las celdas de forma hexagonal:
La forma hexagonal de las celdas es una imagen artificial
imposibles de generar en la realidad. La forma hexagonal en los
planos de planta o “layouts”, ha servido a los ingenieros de
desarrollo como una vía simple para la planificación y diseño de
los sistemas partiendo de su parecido a una forma circular, la cual
es la forma ideal de la imagen de cobertura, sin embargo, se
solapan entre si las áreas de cobertura haciendo poco claro el
gráfico.
Las formas hexagonales son más amigables para ajustarse al área
planificada, sin espacios vacíos o pérdidas, ni solapamiento entre
las celdas. Lo anterior ha permitido emplear mecanismos de
diseño simples sin recurrir a métodos estadísticos engorrosos
Frequency reuse exercise
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Frequency Reuse Patterns (3x3)
6
7
3
4
•
6
8
•
5
1
9
•
3
•
2
3
4
8
1
4
•
3
•
•
8
1
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6
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•
•
8
1
5
9
2
9
Conceptos Generales
Celdas:
Sistemas Celulares
Canalización
Canales de Telefonía Celular
Los 666 canales están divididos en dos grupos: el bloque del
sistema A y el bloque del sistema B. Cada mercado (cada ciudad)
tiene dos sistemas para evitar el monopolio. Cada bloque posee
333 canales, y están numerados como se indica:
Existen 42 canales de set-up, los cuales son asignados de la
siguiente forma:
􀂃 Bloque A: canales 313-333
􀂃 Bloque B: canales 334-354
Los canales de voz son asignados de la siguiente forma:
􀂃 Bloque A: canales 1-312
􀂃 Bloque B: canales 355-666
Los 42 canales de set-up son asignados en el medio de todos los
canales disponibles para facilitar la búsqueda de los mismos
mediante sintetizadores de frecuencia.
Posteriormente se otorgó un espectro adicional de 10 MHz que
proporcionó 166 canales adicionales.
En principio con un ancho de banda de 30 KHz por canal, se
establecieron 333 canales para cada banda o bloque, en grupos de
20 MHz.

BANDA
Móvil
Estación Base
A
824-835, 845-846.5
869-880, 890-891.5
B
835-845, 846.5-849
880-890, 891.5-894
En Julio de 1986, le asignaron 5 MHz adicionales a cada
banda, que implicó disponer de 83 canales más para cada
una. La acomodación de los canales adicionales estuvo
lista para 1988.
Comparación de la carga ofrecida :
Un ejemplo comparativo entre operar con un solo sistema con
666 canales, en relación a operar dos (2) con 333 canales cada
uno.
Se asumirá que:
Los canales se distribuirán en 7 celdas.
Una probabilidad de bloqueo de llamadas de 0,02.
Tiempo promedio de una llamada asumido TpL= 1,76 min.
Qi es el número de llamadas / hora pico de ocupación.
Formula: Qi = (Trafico Ofrecido(Erlangs)x 60)/TpL
Según modelo ERLANG-B,
Con N1 = 666 / 7 = 95;
y B = 0,02 (2%) implica una carga ofrecida A1 = 83,1.
Para N2 = 333 / 7 = 47,5; con B = 0,02; A2 = 38.
A1 mayor 2 x A2.
Qi = (Ai x 60) / 1,76 = llamadas / hora.
Q1 = 2832,95 llamadas /hora (Un operador)
Q2 = 1295,45 x 2 = 2590,9 llamadas/hora (Dos operadores)
Factor de degradación de eficiencia de troncalización “Ne”
Ne = (2832,95 - 2590,9) / 2832,95 = 8,5 % para un
bloqueo del 2%.
Teorema de Nyquist-Shannon
Teorema de Nyquist-Shannon
Desarrollado por H. Nyquist, quien afirmaba que una señal analógica puede ser
reconstruída, sin error, de muestras tomadas en iguales intervalos de tiempo. La
razón de muestreo debe ser igual, o mayor, al doble de su ancho de banda de la
señal analógica".
La teoría del muestreo define que para una señal de ancho de banda limitado, la
frecuencia de muestreo, fm, debe ser mayor que dos veces su ancho de banda [B]
medida en Hertz [Hz].
fm > 2·B
Supongamos que la señal a ser digitalizada es la voz...el ancho de banda de la voz
es de 4,000 Hz aproximandamente. Entonces, su razón de muestreo sera 2*B=
2*(4,000 Hz), es igual a 8000 Hz, equivalente a 8,000 muestras por segundo
(1/8000). Entonces la razón de muestreo de la voz debe ser de al menos 8000 Hz,
para que puede regenerarse sin error.
Canalización Celular
Servicio
Banda Ocupada
FM
100 Mhz
TV Abierta
41 - 960 Mhz
Sistemas de Radio
118 - 136 Mhz
Servicios Militares
225 - 400 Mhz
Servicios Localización Marítima
160 Mhz
Enlaces de Estaciones Fija
100 Mhz
Tv Educacional
800 Mhz *
Componentes del
Sistema Celular
Red Tipica
Componentes de Un Sistema Celular Basico
Un sistema celular está formado por tres partes básicas:
1. Las unidades móviles MS
2. La celda o sitio de celda BTS
3. La Oficina o central de conmutación de telefonía móvil,
denominada MTSO ó MSC de sus siglas en inglés.
Las unidades móviles (MS) en esencia general disponen de
una unidad de control, un transceptor (transceiver) y un sistema
de antena.
La celda o sitio de celda (BTS), se interconecta con la MCS y
los móviles, dispone de unidades de control, equipos de radio,
antenas, fuentes de poder y terminales de datos.
Configuración de Antenas en BTS
BTS Omnidireccional
f1,f2, f3
f1, f2
f2
f1
BTS 2 sectores
f5, f6
f3, f4
BTS 3 sectores
La MTSO o MSC, coordina la gestión entre las celdas,
dispone del conmutador celular, se interconecta con la red de
telefonía pública y otras, controla e proceso de la s llamadas y
las gestiones de tarificación .
El sistema dispone de los enlaces de radio e interconexiones de
datos de alta velocidad para la integración de los tres (3)
subsistemas.
Cada móvil utiliza un canal de frecuencia a la vez coordinado
por la celda, la cual tiene capacidades de multicanal para servir
varias unidades móviles a la vez.
La MTSO o MSC al ser el corazón del sistema, provee
coordinación central y administración celular. El conmutador
celular, el cual puede ser analógico o digital, controla las
llamadas para interconectar entre si los subscriptores móviles o
entre el subscriptor móvil a la red telefónica nacional u otra
interconectada a la red celular en gestión.
Se utilizan enlaces de voz similarmente a los enlaces intercentrales de la compañía telefónica.
Los enlaces de datos proveen supervisión entre el procesador y
el conmutador y entre las celdas y el procesador. Los enlaces
de alta velocidad no pueden (“no podían”) viajar a través de los
enlaces de voz, por lo tanto, se utilizan enlaces de microondas o
de fibra óptica, a través de los cuales también viaja voz y datos.
Arquitectura Red Celular
Base Station Subsystem
Network Management Subsystem
Mobile Stations
Base Station
Controller
Database Server
Data
Communication
Network
Base
Transceiver
Stations
Workstations
Network
Planning
System
Network
Measurement
System
Communications
Server
Network Switching Subsystem
Home Location Register/
Authentication Centre/
Equipment Identity
Register
TCP/IP
Data Communications
Server
Digital Cross
Connect
Transcoder
Submultiplexer
Mobile Switching Centre/
Visitor Location Register
PSTN/ISDN
Voice
mail
Short Message
Service Centre
A-Interface
Air Interface
X.25 Interface
IN Service Control Point
Abis Interface
CRITERIOS DE DESEMPEÑO
EN UN SISTEMA CELULAR
Se tienen tres (3) categorías Basicas para especificar y definir el
criterio de desempeño de UNA red celular:
(1) Calidad de voz,
(2) Calidad de servicio,
y
(3) Características especiales.

Calidad de Voz: Definido para sistemas comerciales, basado en
la fijación de un valor “X”, al cual un porcentaje de usuarios
“Y” designan la calidad de voz del sistema (desde el transmisor
al receptor) como bueno o excelente.

El promedio de los valores CM obtenido de los escuchas, se
llama MOS de las siglas en inglés de “ponderación de opinión
media”. Usualmente la calidad de conversación de voz está
alrededor de un MOS ≥ 4.

Los niveles de mérito (CM) están estimados de acuerdo a la
tabla siguiente:
CM
PONDERACIÓN
ESCALA DE CALIDAD
CM5
5
Excelente. Conversación perfectamente
entendible.
CM4
4
Buena. Conversación fácilmente entendible,
algún ruido
CM3
3
Regular. Conversación entendible con
pequeño esfuerzo ocasionales necesidades
de repetición de lo conversado.
CM2
2
Pobre. Conversación entendible con gran
esfuerzo, repeticiones frecuentes necesarias.
CM1
1
Insatisfactoria. Conversación no entendible.

Calidad del Servicio: Tres aspectos definen la calidad del
servicio, (1) Cobertura, (2) Grado requerido de servicio y (3)
Número de llamadas perdidas.
1. Cobertura: La idea es que se sirva un área tan grande
como sea posible, sin embargo, considerando las
configuraciones del área geográfica es imposible cubrir el
100%, debido a:
(A) Potencia de Transmisión debería ser demasiado alta
para cubrir todos los puntos oscuros o sombras que
dispararía los precios.
(B) Con mayor Potencia Transmitida más difícil controlar
la interferencia.
Lo anterior se ha estilado establecer cubrir hasta el 90% de los
terrenos
planos y hasta el 75% en los terrenos montañosos.
Por ejemplo en un sistema AMPS: 75% de los usuarios
designan calidad de voz buena en un 90% del área servida, lo
cual es generalmente terreno plano. En áreas montañosas, el
90% de los usuarios definen calidad buena de voz en un 75%
del área cubierta. La modificación de los valores anteriores
implica un sistema más caro o más barato.
2. Grado Requerido de Servicio. Relacionado con alcanzar los
niveles más bajos posibles en las probabilidades de bloqueo, se
espera en gral. un 2% de probabilidad, aunque en la horas
pico puede aumentar. Un buen sistema debe contar con
suficientes canales para combatir esta desventaja.
3. Número de llamadas perdidas: Durante Q llamadas en una
(1) hora, si una llamada es perdida y Q-1 son completadas,
implica que el promedio de llamadas perdidas es 1/Q. Valor
que se desea bajo.
Si el valor promedio es alto, puede deberse a problemas de
cobertura
o
handoffs
ejecutados
en
inadecuadas
disponibilidades de canal.

Características especiales: las que definen el desempeño y lo
atractivo de un sistema celular, como las llamadas en espera, en
conferencia, las mensajerías de voz y texto, “roaming”,
navegación internet, etc. En proceso de mejoras y evolución
con las nuevas generaciones de tecnología digital en desarrollo.
Procesos en las Operaciones de
Sistemas Celulares
Procesos en las Operaciones Celulares

Inicialización de la unidad móvil: Al activarse o encenderse
manualmente la unidad móvil, ésta busca o “escanea” los
canales configurados entre los posibles en utilización,
seleccionando el más fuerte y espera un tiempo, este canal
generalmente corresponde al controlado por el sitio de celda
más cercano a la ubicación del móvil. Este esquema de
autolocalización es realizado en la condición de desocupación
(idle) y es independiente de las decisiones del usuario, este
esquema de funcionamiento ahorra tiempo de gestión y
procesamiento a los equipos de la celda. Inicialmente el sitio de
celda no tiene información de la actividad del móvil, la cual, se
actualiza y activa al darse el proceso de “autoregistro”.
Tipos de Registration (Idle)
•
Inicializacion (Power On)
•
•
También conocido como “Location Registration”
Realizado cada vez que el Mobile Station es
encendido
M SC
•
•
Generico
•
LA 1
Hecho cada vez que el Mobile Station cambia
de celda
Periodico
•
•
Ejecutado después que expira el tiempo
establecido, desde la última transacción hecha
con la red.
Los tiempos de ejecución los establece cada
operador.
La Mobile Station siempre inicia este
procedimiento
VL R
LA 2

Llamada originada en el móvil: Al enviarse con la tecla “send”
el número registrado en la unidad móvil, implica un proceso de
requisición
transmitiéndose sobre el canal seleccionado,
obtenido del proceso de autolocalización y registro. La BTS de la
celda recibe la señal y si es direccionable, selecciona la antena
directica adecuada para el canal de voz y datos a utilizar. Al
mismo tiempo se envía una requisición a la MTSO, a través del
enlace de datos de alta velocidad, aquí se selecciona el canal de
voz apropiado para la llamada, la BTS de la celda actúa sobre el
mismo a través de la mejor antena direccionada para enlazar el
móvil receptor.

Si la llamada es hacia un abonado externo a la red celular la
interconexión al mismo con la PSTN (Red Conmutada de
Telefonía Pública de sus siglas en inglés) a hacia alguna
eventual PABX (red telefónica privada externa) ú otro sistema
celular, se hace a través de la MTSO.
Llamada Saliente desde un Movil
Ring de
Llamada?
Bill to subscriber
Billing
BSC
BC
PSTN
MSC
HLR
MSC
BC
PLMN 2
Ruta de
La llamada
PLMN 1
Llamada Origen

Llamada originada en la red: Al dializarse desde algún
abonado externo a la red celular el número de móvil deseado, se
entienden el reconocimiento por parte del conmutador del
sistema de tierra que se refiere a una unidad móvil de la red
celular en cuestión, por lo que se interconecta con la MTSO.
Ésta envía un mensaje de búsqueda (“paging”) a varios sitios de
celda considerando el número del móvil y de un algoritmo de
búsqueda. Cada sitio de celda seleccionado transmite el “page”
activado en su propio canal sintonizado. El móvil reconoce su
identificación sobre el canal sintonizado más fuerte, se enlaza y
responde al sitio de celda. También sigue la instrucción para
sintonizar el canal de voz asignado e iniciar el “alerta” al
usuario.
Llamada Entrante a Red Celular
Alo ¡
Quien llama?
Bill to subscriber
Billing
BSC
BC
PSTN
MSC
HLR
MSC
BC
PLMN 2
Ruta de
La llamada
PLMN 1
Llamada Origen
Proceso de Paging
Location Area
Paging
Paging
BTS
Movil responde
A el paging
BTS
Paging
BTS

Terminación de llamada: Cuando el usuario apaga el
transmisor, una señal particular (tono) se transmite al sitio de
celda, y ambos lados liberan el canal de voz. El móvil reasume
el monitoreo de los “pages” a través del canal más fuerte.

Procedimiento de Handoff: Durante una llamada dos usuarios
están sobre un canal de voz. Cuando la unidad móvil se mueve
fuera del área de cobertura del sitio de celda, la recepción se
hace débil. El sitio de celda solicita un handoff . El sistema
conmuta la llamada a un nuevo canal en otro sitio de celda que
controla una nueva área de cobertura en la cual entra el móvil.
No se interrumpe la llamada ni se alertará al usuario, éste no
nota la ocurrencia del handoff. Este proceso fue implementado
inicialmente en los sistemas AMPS y fue rebautizado como
“handover” en Europa debido a significados diferentes entre el
inglés de EEUU y el inglés británico.
Handoff o Handover
Air
A
BTS
BSC
TC
BTS
Old Cell / BTS
New Cell / BTS
Gracias…….
Digitalización de voz
Harry Nyquist (pron. [nʏ:kvɪst], no [naɪkwɪst]) (7 de febrero de
1889 - 4 de abril de 1976) fue un importante contribuidor de la
Teoría de la información.
Nació en Nilsby, Suecia, y emigró a los Estados Unidos de América
en 1907 y comenzó sus estudios en la Universidad de North Dakota
en 1912. Realizó un doctorado en Física en la Universidad de Yale
en 1917. El trabajó para "AT&T" desde 1917 hasta 1934, luego se
cambió a "Bell Telephone Laboratories".
Como ingeniero en los laboratorios de Bell, describió el ruido de
Johnson-Nyquist y desarrolló la teoría matemática de la estabilidad
de los amplificadores realimentados.
Su temprano trabajo teórico en la determinación de los requerimientos del
ancho de banda para la transmisión de la información, que fue publicado
en "Certain factors affecting telegraph speed" (Bell System Technical
Journal, 3, 324-346, 1924), contribuyó a cimentar los avances posteriores
realizados por Claude Shannon, el cual condujo al desarrollo de la Teoría
de la Información.
En 1927 Nyquist determinó que una señal analógica limitada en banda
debería ser muestreada como mínimo con una frecuencia doble que el
ancho de banda de la señal para poderse registrar digitalmente con
garantías. Nyquist publicó sus resultados en el artículo "Certain topics in
Telegraph Transmission Theory (1928)". Esta regla es ahora conocida
como el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon.
Se retiró de Bell Labs en 1954 y murió en Harlingen, Texas.
Resumen Historico e Evolución Mundial.
Codigos Fuentes:
The source information has to be coded into a digital form in
order for it to be further processed by the digital communication
system. One of the techniques used in wireline applications is
pulse code modulation (PCM), where the analog voice is
converted into a 64-Kbps bit stream.
Other wireline techniques, such as adaptive pulse code
modulation (ADPCM) and delta modulation (DM), are also
used. These source coding schemes for speech use what is
called “waveform coding,” where the goal is to replicate the
waveform of the source information.
Historia y progresos de las radiocomunicaciones.
Codigos Fuentes:
This is the reason why computer modems can be used over
telephones; the information contained in the waveform
generated by a transmitting modem can be reliably received by
the receiving modem on the other end, and the 32 CDMA RF
System Engineering
Figure 3.2 Principal components of a digital communication
system.
reason is that PCM attempts to replicate the waveform
regardless of whether or not the information contained in the
waveform is human speech or modulated pitches generated by a
modem.
PCM is not feasible in wireless applications because there is a
limited bandwidth available. Transmitting 64 Kbps of
information
over the
air demands
moreVice-rectorado
bandwidth
than can be
Universidad
Nacional Experimental
Politécnica
“Antonio José de Sucre”
Puerto Ordaz
afforded by most service providers.
Historia y progresos de las radiocomunicaciones.
Codigos Fuentes:
PCM is not feasible in wireless applications because there is a
limited bandwidth available. Transmitting 64 Kbps of
information over the air demands more bandwidth than can be
afforded by most service providers.
Therefore, alternative source coding techniques are needed to
represent source information (human speech, in this case) using
less bandwidth. A vocoder offers an attractive solution. It
exploits the characteristics of human speech and uses fewer bits
to represent and replicate human sounds.
Requirements of the new Cellular
Standard
Other Requirements
Primary
•
Primeramente, un sistema CDMA
puede tomara ventajas de la velocidad
de la voz humana. Durante el periodo
de silencio los transmisisores pueden
apagarse y reducir la interferencia
introducida en el canal RF comun a
todas las llamadas.
•
El canal fisico RF ouede ser Re-usado
en cada celda , ddando esto un factor
de re-uso de frecuencia muy cecano al
1.
•
CDMA’s ability to mitigate multipath
distortion. Spread spectrum, and in
particular direct-sequence spread
spectrum, gives an extra measure of
immunity to multipath distortion
•
Teoricamente,FDMA y TDMA podrian
manejar las vacios de habla humana.
Pero esti significaria mas complicacion
en los recuros de radio y en la
asigncion en tiempo real de recursos de
red.
•
En un sistema AMPS, el espectro
disponible es dividido en clusters y
asignado a diferentes celdas y es
necesarios usar metodos para reducir la
interfrencia Co-canal
•
Otros Sistemas, no tienen la capacidad
de variar rapidamente en el tiempo para
dar respuesta a ambientes de redes
moviles a este tipo de distorcion.
Componentes del
Sistema Celular
Canales Foward and Reverse.
MS
BTS
BSC
MSC
VLR
HMR
Evolución de Tecnologías Moviles
Evolución de Tecnologías Moviles
Tabla parcial de Erlangs
x Erlangs 
( calls per hour )  ( average conversation time)
3600 Seconds
Chs
1%
2%
3%
5%
...
.....
....
....
.....
15
8.11
9.01
9.65
10.60
16
8.88
9.83
10.50
11.50
17
9.65
10.70
11.40
12.50
18
10.40
11.50
12.20
13.40
19
11.20
12.30
13.10
14.30
20
12.00
13.20
14.00
15.20
21
12.80
14.00
14.90
16.20
22
13.70
14.90
15.80
17.10
....
......
......
.....
.....
....
......
......
.....
.....

Módulo Nº 1 - Sistemas de Comunicaciones Electrónicas y sus

Transcripción

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