Moviles Modulo 1 v1 3

2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

1

EL ACCESO RADIO CELULARLAS COMUNICACIONES MÓVILES

Módulo 1:

Comunicaciones móviles, GSM, GPRS y EDGE

Universidad del AZUAYMaestría en TelemáticaCuenca, Ecuador - 2004


2

PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR

• SERVICIO CELULAR– COBERTURA TOTAL Y SIN FRONTERAS– GRAN NUMERO DE USUARIOS

• PROBLEMAS FUNDAMENTALES– LOGRAR COBERTURA DE RADIO– NUMERO DE CANALES LIMITADO


3


• PROBLEMAS DE LAS REDES MOVILES– Interferencia debido a la estructura celular– Limitación/escasez del espectro– Calidad fluctuante de los enlaces de radio– Punto de acceso desconocido y variable en el

tiempo– Manejo de la movilidad, aún durante una

comunicación


4


• ATRIBUTOS NECESARIOS– “Agilidad” de frecuencia en el terminal

– Distribución continua de radiobases de manera que la unidad móvil siempre opere con niveles aceptables de señal de radio.

– Servicio de “roaming” para tener servicio continuo cuando el móvil se mueve por diferentes áreas de servicio.

– Red fija celular integrada que maneja todas estas operaciones.


5

Arquitectura básica


6

Celda de radio

RADIOBASE

LINEAS AL MSC

ESTACIONMOVIL

DISTANCIA DE OPERACION

RADIO PLANEADO DE CELDA

RANGO DE LA CELDA - Rmax

área de cobertura

TRAYECTO DIRECTO

TRAYECTOINVERSO

CANALES DE VOZ O DE CONTROL

CELDA DE RADIO


7

Cobertura de la celda

• COBERTURA IRREGULAR

RBS

COBERTURA IDEAL

COBERTURA REAL


8


REGION DEOVERLAP

RADIOBASE


9


radio R

60 º120º

Los hexágonos pueden ser alineadoslado a lado, dando cobertura continua.Aparece el concepto de sectorización,ver los ángulos de 60º o 120º, con seis y tres sectores, respectivamente.Una antena direccional, va a produciresta sectorización.Los hexágonos pueden ser dispuestosen clusters o grupos de celdas.


10


Cluster de 3 celdas Cluster de 4 celdas Cluster de 7 celdas

Los puntos negros son radiobases

Cobertura irregular real


11


• Temas del agrupamiento de celdas– Se necesitan otras frecuencias en las celdas

adyacentes– Manejo de la región de overlap entre celdas– Reuso de la misma frecuencia en el patrón de

celdas.– Tamaño de celdas necesita ser modificado para

cubrir demanda de usuarios.


12


1- Grupos de frecuencias A, B, C,...,GSi hay un total de 210 canales, se asignan sólo 30 canales por celda.2- Distancia media de reuso:

D/R= (3N)^1/2

Distancia dereuso D

A

B

C

D

E

FG

A

B

C

D

E

F

G

R


13


• CONCEPTOS BASICOS COMUNES A TODO SISTEMA DE RADIO– Plan de frecuencias– Control de la interferencia cocanal

• CONCEPTO DIFERENTE– Las radiobases están interconectadas para

formar sistema con cobertura continua.


14


• PROPIEDADES DEL SISTEMA CELULAR– Ubicación del móvil

• El móvil se registra periódicamente en la radiobase más cercana (con señal más fuerte).

• La red mantiene registro de la ubicación del móvil

– Handoff durante la llamada• Cuando el móvil se mueve fuera de la cobertura de

una celda, el sistema define a que otra celda debe pasar para continuar la conversación.


15


• RED FIJA CELULAR– Conecta todas las radiobases para señales de

comunicación y mensajes a y de los usuarios.

– Provee centros de conmutación para dirigir el tráfico en la red. (MSC)

– Provee registros de datos de los usuarios. (HLR, VLR)

– Provee conexión con la red telefónica fija. (PSTN)

– Provee soporte de operaciones y mantenimiento. (OMC)


16


BSC1

MSC MSC

BSCn

BS1BS2

VLR HLR EIR

AuC

PSTN

OMC

BSk

RED CELULAR FIJA


17

PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR• PROPAGACION CELULAR

– Nivel de señal medio• Espacio libre L = 32 + 20 log f + 20 log d• En medio celular L = 40 log d - 20 log hT hR

(tierra plana - 800 MHz)

– para d y h en metros

– Propagación real• Irregularidades de la superficie• Obstáculos en la línea de vista, edificios y árboles, áreas

montañosas.• L = 40 log d - 20 log hT hR + beta


18

PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR• PROPAGACION CELULAR

– Fórmula empírica de Okumura-HataHay variantes para zonas urbanas, suburbanas y rurales

• Lu (dB) = 69,55 + 26,16log10f - 13,82log10hb -

- A(hm) + (44,9 - 6,55log10hb)log10d

• El factor de corrección A(hm) depende también del tamaño de ciudad: p.ej. para ciudades de gran tamaño:

A(hm) = 3,2[log10(11,75hm)]2 - 4,97 si f > 200 MHz


19

Propagación


20

PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR• PROPAGACION CELULAR EN EL INTERIOR DE

EDIFICIOS– Fórmula empírica de Motley

Se basa en una pérdida “en el punto de referencia” a la que se le suman un factor proporcional a la distancia y parámetros de pérdida por atravesar muros, pisos y techos

– Otro método empírico

Directamente, se mide la señal en el exterior y en el interior

– Método “Exacto”Requieren una base de datos geográfica “exacta”• Resolución de las ecuaciones de Maxwell o • Trazado de rayos (ray tracing)


21


• PROPAGACION CELULAR – Multitrayectos (dispersión y reflexión en

obstáculos)• Banda angosta (no es selectiva en frecuencia)

• Banda ancha (selectiva en frecuencia)

– Efecto Doppler• fD = v/lambda

– a 60 km/h y 900 MHz, fD = 53 Hz


22


• PROPAGACION CELULAR – Los fenómenos de propagación móvil son muy

difíciles de analizar, sobre todo en ambientes urbanos y en el interior de edificios.

– Los modelos de predicción son de tipo estadístico o de tipo “exacto” (estos últimos muy difíciles de aplicar)

– Finalmente, los modelos se ajustan por mediciones sobre el terreno


23

SISTEMAS CELULARES

METODOS

DE

ACCESO


24

Definiciones

• En un sistema móvil, el acceso de los terminales a los recursos (canales radio) debe ser necesariamente compartido.

• Imposible reservar un canal a cada usuario, sobre cada sitio del sistema

• Definición de:– el método de repartición de la banda de

frecuencia en canales y– los protocolos para acceder a los canales


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Asignación de canales

• Tres etapas:– Se reparte el espectro disponible en varios

canales, según un método de acceso múltiple (fijo en el tiempo).

– Se asignan los canales a las estaciones base (esto puede ir variando en el mediano plazo).

– A cada móvil, se asigna un canal para una comunicación (esto varía en el muy corto plazo).


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Etapas en la asignación de recursos

Espectro de frecuenciasFrecuencias asignadas

al sistema

Canales a las estaciones

Canales

Canales a Móviles

RegulaciónDefinición método acceso (diseñador)

Planificación (Operador)

AccesoAleatorio


27

Métodos de Acceso

• Se conocen dos tipos:

– Con control centralizado del sistema

Se los denomina Métodos de Acceso Múltiple

XDMA

– Sin control centralizado del sistema

Denominados Protocolos de Acceso Aleatorio


28

Métodos de Acceso Múltiple

• Se conocen tres:

– Repartición o División en frecuencia (FDMA)

– Repartición o División en tiempo (TDMA)

– Repartición por código (CDMA)

• A menudo se combinan entre ellos.


29

Potencia

Tiempo

Frecuencia

Potencia

Tiempo

Frecuencia


PotenciaTiempo

Frecuencia

FDMA TDMA CDMA


30


• Se discute todavía la eficiencia de cada método respecto a capacidad.

• Límite teórico está dado por teorema de Shanon:– C = B x Log2 (1+S/R)

Para un canal GSM de 200 kHz con S/R=15dB

C = 200000 x log2(1+31,62) = 1006 kbps


31

Métodos de Duplexado

• En sistemas bidireccionales (full-duplex):– FDD (Frequency Division Duplex)

• Se utilizan frecuencias de transmisión diferentes en cada sentido. Util para celdas grandes. Consume frecuencias.

– TDD (Time Division Duplex)• Se utiliza la misma frecuencia, pero cada extremidad

transmite en momentos diferentes. Util para celdas pequeñas. Permite ahorrar ancho de banda.


32

Métodos de Duplexado

Tiempo

Tiempo

F1Móvil/Base

F2Base/Móvil

TiempoF1

M/B B/M M/B B/M M/B B/MM/B B/M

FDD

TDD


33

Canales de tráfico y señalización

• Canales de comunicación:– Canales de Tráfico

Utilizados para transportar la información del usuario– Canales de Señalización o de Control

Transportan las informaciones del sistema:a) informaciones generales que emite la red hacia los móvilesb) comandos intercambiados entre red y móviles

– Son canales lógicos diferentes que pueden compartir canales físicos idénticos


34

Ancho de Banda

• FDMA– Normalmente es de banda estrecha

• CDMA– Normalmente es de banda ancha (utiliza toda la

banda asignada)

• TDMA– Puede ser banda estrecha o banda ancha


35

FDMA

• Método de acceso múltiple más antiguo

• Utilizado principalmente en sistemas analógicos

• Puede funcionar combinado con TDMA en sistemas digitales

• Cada canal o portadora transporta una llamada


36

Características FDMA

• Un circuito único por portadora• Transmisión continua• Pequeño ancho de banda• Baja complejidad del terminal móvil• Bajo encabezamiento de transmisión• Costo alto de equipos fijos (muchos canales radio)• Necesita utilizar duplexor• Complejidad del handoff (transmisión continua)


37

Canales en FDMA

Tiempo

Frecuencias

Circuito de Voz

Circuito de Voz

Circuito de Voz

Circuito de Voz

Circuito de Control1

2

3

4

n

Ancho de banda de canal de algunas decenas de kHz


38

TDMA

• Primera alternativa a FDMA

• En sistemas digitales compite con CDMA

• Mayor capacidad y velocidad de transmisión que FDMA

• La portadora se divide en N intervalos de tiempo (TS) y puede ser utilizada de manera compartida por N terminales


39

Características TDMA

• Varios circuitos por portadora• Transmisión por bursts (no continua)• Banda ancha (GSM) o banda estrecha (DAMPS)• Alta complejidad del terminal móvil• Costo bajo de equipos fijos (menos canales radio)• No requiere duplexor (se transmite y recibe en TS

diferentes)• Menor complejidad del Handoff (intervalos

inactivos entre TS)


40

Canales en TDMA

Tiempo

Frecuencias

Voz

Control1

2

3

4

n

Ancho de banda de canal de algunas decenas hasta centenas de kHz

Voz Voz Voz

VozVozVoz

VozVozVozVoz

VozVozVozVoz

VozVozVozVoz

IT1 IT2 IT3 IT4

Control VozVozVoz

Voz Voz Voz Voz

Voz Voz Voz Voz

Voz Voz Voz Voz

Voz Voz Voz Voz

IT1 IT2 IT3 IT4


41

Jerarquía temporal típica

TS1 TS2 TSi TSN

Trama 1

TS1 TSN

Trama M

Super Trama

Preámbulo Mensaje Postámbulo


42

Tramas en sistema GSM

0 654321 7

Trama TDMA (6,15 mseg)

0 1 2 24 025 4921 50

MultiTrama de 26 (120 mseg) MultiTrama de 51 (235 mseg)

0 i21 25

0 1 2 i 504948

Supertrama = 26 multitramas de 51 tramas o 51 de 26 (6,12 seg)

Hipertrama = 2048 supertramas (3hr 28 m 53 s 760 mseg)


43

Avance de Tiempo y Tiempo de Guarda en TDMA

• Uso de TDMA supone que las transmisiones de los móviles están sincronizadas, para evitar superposición de mensajes. Necesidad de tiempo universal.

• La estación base ajusta el tiempo de emisión de cada móvil.


44


Móvil A

Móvil B

dA/c

dB/c

EstaciónBase

Interferencia

Transmisión sin avance de tiempo


45


Móvil A

Móvil B

dA/c

dB/c

EstaciónBase

SIN Interferencia

Transmisión con avance de tiempo

Delta A

Delta B


46


• La estación base determina el avance de tiempo para cada móvil, en función de su distancia (DeltaA = 2dA/c)

• Para prever variaciones de Delta-i debido a desplazamiento de móviles, se introduce un tiempo de guarda, al principio y al final del IT.


47

Sincronismo del móvil en TDMA

Móvil

Estación Base

a=d/c

delta

delta

Mensaje de asignación de canal (Delta, etc)

Mensaje de acceso Mensaje de tráfico

t

tEl móvil recibe el valor de delta


48

CDMA

• Basada sobre técnica de Spread Spectrum

• Espectro expandido: transmisión donde los datos ocupan un ancho de banda mayor que el necesario, por ejemplo, en FDMA o TDMA.

• Para expandir el espectro, se inserta en transmisión un código independiente de la secuencia de datos.

• El mismo código se usa en recepción para desexpandir el espectro.

• Por lo tanto, se puede ubicar muchos usuarios simultáneamente sobre la misma banda de frecuencia


49

CDMA

• Analogía– Sala donde varias personas hablan de a dos– Cada par de personas habla una lengua

diferente (un código en CDMA)– Cuanto más diferentes son las lenguas, menos

interferencia. Se deben elegir los códigos de manera de tener correlación mínima.


50

Técnicas CDMA• Secuencia Directa - DS

– DS-CDMA (Direct Sequence CDMA)– A cada estación se atribuye una secuencia

pseudoaleatoria, que debe estar bien descorrelada de las otras secuencias.

– Este método parece tener mejor eficiencia espectral

• Salto de Frecuencia Rápida - FFH– FFH-CDMA (Fast Frequency Hopping CDMA)– El código se usa para generar una secuencia única de

salto de frecuencia para cada estación


51

Características DS-CDMA

• Gran número de circuitos por portadora

• Anchos de banda importantes (1 a 10 MHz)

• Densidad de potencia irradiada muy baja

• Muy alta complejidad del terminal móvil

• Baja probabilidad de intercepción por 3ros

• Confidencialidad asegurada.


52


• Necesidad del control de potencia– Para maximizar el número de usuarios que se

comunican al mismo tiempo. (IS-95: 800 veces por segundo en pasos de 1 dB)

• Handoff mejorado– Permite handoff sin corte o Soft-Handoff,

minimizando la probabilidad de pérdida– También cada móvil se puede comunicar con

varias estaciones al mismo tiempo


53


• Ensanchamiento de espectro en Secuencia Directa

Portadora

Modulador

DatosVelocidad R

Codificador/Ensanche

Secuencia PNVelocidad W (Chip)

W>>RPN: Pseudo Noise

Canal Datos

Ancho BandaW

DemoduladorDecodificadorFiltro

Secuencia PN

Ancho BandaR


54


• CDMA Sistema IS-95– Principio de base

• Ganancia de expansión:– Si se transmite una modulación a 1/T = R, donde

T es la duración del símbolo. Si se utiliza técnica de espectro ensanchado, se transmite con una modulación W.R donde W vale varios cientos o miles. La ganancia de expansión en dB: 10.log10(W/R)


55


• CDMA Sistema IS-95– Secuencia PN (Pseudo Noise)

• Secuencia codificada de 1 y 0 con ciertas propiedades de autocorrelación. Son secuencias periódicas. Se eligen en función de la seguridad (encriptado) y de las propiedades de autocorrelación. c(t)


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• CDMA Sistema IS-95– La secuencia de datos b(t) se utiliza para modular

la secuencia c(t) de banda ancha PN. Se aplican las dos secuencias a un modulador de producto. La secuencia PN es un código de expansión. Al multiplicar b(t) de banda estrecha por el código de expansión c(t), cada bit de información es “recortado” en varios huecos temporales llamados “chips”


57

Características DS-CDMA• CDMA Sistema IS-95

– En Banda de Base, el producto m(t) = c(t).b(t) es la señal transmitida

– En Recepción se recibe m(t) y una interferencia aditiva i(t)r(t) = m(t) + i(t)

– Para recuperar b(t), se inyecta la misma señal PN en un modulador de productoz(t) = c(t).r(t) = c2(t).b(t) + c(t).i(t)


58

Características DS-CDMA• CDMA Sistema IS-95

– Como c(t) es una serie de 1 y -1, c2(t) = 1

– Por lo tanto, quedaz(t) = b(t) + c(t).i(t)

– Pero b(t) es de banda estrecha y c(t).i(t) es de banda ancha

– Se aplica un filtro pasabajos a la salida y se separa b(t) solamente.


59

• Principio de recepción con dos códigos


X

1

S1

+1

-1

X

Salida = 1

S1

+1

RECEPTOR 1

TRANSMISOR 1

S1XS1

X

1

S2

+1

-1

TRANSMISOR 2

XS2

+1

-1

RECEPTOR 2

CANAL RADIO

Salida = NADA

S1 S2

S1XS2

11 chips/bit


60

• Principio de recepción con dos códigos


S1x1=m -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1S1 -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1mxS1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

+1

-1

S111 chips/bit

Transmitiendo un 1 y recibiendo con S1

S1x(-1)=m 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1S1 -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1mxS1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1

Transmitiendo un 0 (-1) y recibiendo con S1

+1

-1

S2

S1x1=m -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1S2 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1mxS2 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 1

Transmitiendo un 1 y recibiendo con S2


61

Características FH-CDMA• Espectro expandido a Salto de Frecuencia

– Utilizada durante mucho tiempo en sistemas militares para evitar las interferencias

• SFH (Slow Frequency Hopping) Salto de Frecuencia LentoLa velocidad de datos Rd es un múltiplo entero de la frecuencia de salto Rs. En cada salto de frecuencia se transmiten muchos símbolos.

• FFH (Fast Frequency Hopping) Salto de Frecuencia RápidoLa frecuencia de salto es un múltiplo entero de la velocidad de datos. Durante la emisión de un símbolo, se producen varios saltos de frecuencia


62

Características FH-CDMA

Paquetes de K bits

Sintetizador de Frecuencia

Generador de PN

Secuenciador

Modulador

Información útil

Transposición Fmin...Fmax

Sigue ejemplo con modulador 4FSK y salto de frecuencia de 8 niveles


63

Características FH-CDMAFrecuencias

111

110

101

100

011

010

001

000

01

001 110

00

011 001

11

001 001

01

110 011

10

001 001

01

001 110

11

011 001

00

001 001

Frec 4FSK

Secuencia PN

Datos

t


64

Protocolos de Acceso Aleatorio

• Los móviles “compiten” por el acceso al canal.

• Pueden ocurrir “colisiones” entre los mensajes emitidos por los diferentes móviles.

• Efecto de enmascaramiento de estaciones móviles por obstáculos

• Efecto de captura o cerca/lejos.


65


• Protocolo no ranurado y sin escucha previa de los canales– El más simple es el ALOHA, desarrollado para

comunicaciones entre varias islas de Hawai.

– Cuando una estación tiene un mensaje a enviar, lo emite sin ninguna precaución. Como las estaciones emiten de manera arbitraria, se pueden producir colisiones entre paquetes

– El mayor problema es su bajo rendimiento para alta carga


66


• El mensaje 1 es emitido sin problemas, mientras que el fin del mensaje 2 está interferido por la emisión del mensaje 3. Se pierden los dos mensajes.

• En tiempo t1, ausencia de ACK del mensaje 3.

• El emisor 3, luego de un valor de tiempo de espera aleatorio, retransmite su mensaje.

1 32 4

Llegada de mensajes

Colisión Retransmisión

t1 Tiempo


67


A CB D

A emite

Colisión Tiempo

• Protocolos con escucha previa del canal– Acceso Múltiple por Sensado de Portadora - CSMA

(Carrier Sense Multiple Access)– Se reduce problema de colisión, pero se pierde una

porción de la capacidad, debido al período de escucha antes de emitir.

• CSMA 1-persistentLa estación transmite con probabilidad “1” a la liberación del canal

C y D escuchan

C y D emiten

B escucha B emite


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• CSMA 1-persistentLa distancia entre estaciones induce un retardo de propagación, llamado período de vulnerabilidad.La liberación del canal no ocurre en el mismo momento para cada estación. Esto puede producir colisiones porque dos estaciones pueden querer emitir cuando cada una de ellas ve el canal libre.


69


• CSMA 1-persistent

T1T2T3T4

T5

Estación AEstación C

Estación BEmisión de C

Emisión de BEmisión de A

ColisiónColisión

NO Colisión

Distancia AC < Distancia BC < Distancia AB

T1: Fin transmisión de C (liberación del canal a nivel de estación C)T2: Fin transmisión de C en A (liberación del canal a nivel de estación A) y comienzo transmisión de AT3: Fin transmisión de C en B (liberación del canal a nivel de estación B) y comienzo transmisión de BT4: Inicio recepción del mensaje de A en CT5: Inicio recepción del mensaje de B en C. Colisión con el mensaje de A


70


• CSMA non-persistentUna estación que detecta el canal ocupado, retarda su tentativa de emisión un tiempo aleatorio . Esto permite eliminar una gran parte de las colisiones y tiene mejor rendimiento para alta carga. Para baja carga, el tiempo alarga los retardos de transmisión e introduce una degradación con relación al CSMA- 1 persistent.

A B

B escucha e introduce aleatorio

B escucha y emite su mensajeA emite


71


• CSMA con detección de colisiónCSMA-CD: Detiene la transmisión en caso de colisión, lo que disminuye la duración de la interferencia. Utiliza técnica “listen-while-talk”. Se transmite una secuencia de interferencia (jamming packet) para forzar a las otras estaciones en colisión a detener la transmisión.

A B

B escucha B emite su mensajeA emiteC y D escuchan el canal

C transmite su mensaje

D transmite su mensaje

Detención de emisiones de C y D

Detección de colisión en B. Transmisión de un “jamming packet” por B.


72

Protocolos de Acceso Aleatorio• CSMA en ambiente radio móvil: DSMA

DSMA (Data Sense Multiple Access). Se utiliza en CDPD, ARDIS o TETRA.Utilizado en contexto centralizado: la BS incluye en cada mensaje del canal descendente una bandera de indicación de ocupación/no ocupación del canal ascendente. Las estaciones móviles escuchan la bandera antes de una emisión. Si la bandera indica canal libre, se intenta la emisión sobre el intervalo siguiente. Cuando se detecta emisión, la BS posiciona la bandera en Ocupación.Diseñado para resolver el caso de estaciones ocultas por obstáculos.

A B

C

Obstáculo


73

Protocolos de Acceso Aleatorio• DSMA/CD

Ejemplo de uso en el sistema CDPD (Cellular Digital Packet Data).El canal descendente transporta dos indicaciones utilizadas para el acceso al canal ascendente:– Estado del canal: Idle o Busy– Estado de la decodificación: indica si el mensaje enviado ha sido

correctamente recibido en la BS. En caso de colisión, se utiliza este indicador para informar a las estaciones emisoras.

Indicador Iddle

Recibe I y transmite burst

Indicador Busy, OK

Indicador Iddle

Indicador Busy

Colisión

MS 2 BS MS 1

Canal Ascendente

Canal Descendente

Indicador Busy, No OK


74


• Protocolos ranurados sin escucha del canalS-ALOHA: consiste a autorizar la transmisión solamente en instantes particulares. El canal esta recortado en intervalos de tiempo (slots) idénticos a los del método TDMA.Los mensajes deben tener todos la duración de un intervalo y las estaciones debe estar sincronizadas. S-ALOHA mejora al ALOHA simple, cuando hay una colisión, el canal queda inutilizado solamente durante un slot (y no dos como ocurriría en ALOHA puro).

A B C D

Colisión

t


75

Combinación de métodos

Grupo 1 Grupo 3Grupo 2Grupo 1Grupo NGrupo 3Grupo 2

Grupo N1 Grupo 2NGrupo N3Grupo N2 Grupo N1 Grupo N3Grupo N2

TDMA

t

FDMA

f

Mensaje

Mensaje

Mensaje

MensajeCDMACódigo

Usuario 1

Usuario 2

Usuario N


76

SISTEMAS CELULARES

CANAL RADIOELECTRICO


77

Canal radioeléctrico


78

PROBLEMAS DE TRANSMISION

• La señal sufre deterioro que implica degradación de la calidad de la comunicación percibida por los usuarios.

• Para la cuantificación se usa el BER (Bit Error Ratio):– Sistemas fijos: 10-6 a 10-12

– Sistemas móviles: 10 -1 a 10-4 (las transmisiones móviles son “mucho peores” que las fijas)

• Los sistemas móviles están diseñados para poder funcionar en ambientes más hostiles.


79

PROBLEMAS DE TRANSMISION• Se incorporan dispositivos para evitar, detectar o

corregir los errores:– A nivel de la cadena de transmisión propiamente dicha:

Codificación, ecualización, entrelazado....– Mecanismos a nivel superior::

Diversidad, margen de fading, salto de frecuencia, control de potencia, antenas adaptativas....

Codec Fuente

Codec Adapt

Codec Canal Entrelazado EncriptadoMultiplex Modulación

Demodulad Ecualizador Desencriptado Demultiplexado Decodif canalDesentrelazado Codec/Adapt

Canal

Receptor

Fte Analóg.

Fte Digital


80


• Control de errores: codificación, ARQ y FEC– Codificación Fuente

Para reducir al máximo el tamaño y número de bits del mensaje inicial, producido por el usuario. Debe retirar el máximo de redundancia del mensaje.

– Codificación Canal

Para permitir recuperar el mensaje en las mejores condiciones. Se reintroduce la redundancia. Se lo llama codificación corrector de errores. Se usa Detección de Errores, FEC (Fordward Error Correction) y ARQ (Automatic Repeat ReQuest)


81

• Codificación Fuente

• Los algoritmos de codificación reducen el flujo binario hasta 16 kbps o hasta 4 kbps.

• Se aprovecha las redundancias de la palabra y las limitaciones del oído.

• Existen Codificadores Temporales y Vocoders


Fuente AnalógicaConvertidor

A/DCodificador

de fuente


82

• Codificación Temporal– PCM/MIC: llegan desde 64 kbps hasta 16 kbps

• Codificación de Voz: VOCODER– Usan modelización del proceso de generación de la

palabra, con una secuencia de excitación y un filtro.

– Generan menores velocidades que los temporales y a veces con mejor calidad

• Codficación híbrida:– Usan codificación predictiva y por transformada. Son

muy interesantes con velocidades debajo de 16 kbps.



83

• Principales Codificadores Fuente


Sistema Codificador Veloc cod fuentekbps

Veloc cod canalkbps

IS-95 Vocoder (QCELP) 9,6;4,8; 2,4 y 1,2 28,2;19,2

IS-54 Vocoder (VSELP) 8 13

GSM Codif Híbrido(RPE-LTP)

13 22,8

PHS Codif temporal(ADPCM)

32 32

DECT Codif temporal(ADPCM)

32 32


84

• Codificación de canal– Luego de codificación fuente, se insertan bits de

redundancia según ley conocida. Se debe aumentar la velocidad de transmisión. El decodificador de canal, conoce la ley utilizada en transmisión y verifica si se sigue respetando en recepción. Si no se cumple, se deduce la presencia de errores de transmisión que en ciertas condiciones se pueden corregir.

– Se puede detectar y/o corregir errores.

– Hay códigos en bloque (mensaje se transmite en bloques) y códigos convolutivos (mensaje continuo)



85

• Codificación de canal en bloque– El mensaje se corta en bloques. Cada bloque se trata en

forma independiente por un algoritmo que le agrega redundancia y produce un bloque más largo.

• CRC (Cyclic Redundancy Check) - Detección de Errores

• Golay - Corrige tres o menos errores en un bloque de 23 bits

• BCH - uno de los más potentes

• Reed-Solomon



86

• Codificación de canal convolutiva– Trabajan en forma continua y en serie, generando n bits

por cada k bits de información a la entrada.

– Los n bits dependen de los k bits de entrada y también de m bloques precedentes. Los códigos convolutivos tienen memoria de orden m.

– Se pueden utilizar en combinación con una modulación, como la Modulación Codificada de Trellis (TCM).



87

• Control y Corrección de Errores– Se pueden usar, en forma separada o combinada, los

métodos ARQ y FEC. Se agrega redundancia.


1

2

3

R(3)

3

1

2

3

R(3)

3

Sin error

Sin error

Error

Pedido retransm

.........

1

2

4

3

1

2

4

3

Sin error

Sin error

Error detectado y corregido

..........

ARQ FEC


88

• Control y Corrección de Errores


FEC ARQ/FEC ARQ

Cod en bloque

Cod convolucStop and wait

Selective repeat

Go back N

Tipo I: FEC con

ARQ

Tipo II: ARQ con

FEC.


89

• Control y Corrección de Errores– FEC: útil para los móviles con desplazamiento rápido,

porque los burst de errores duran poco. Introduce retardos debido al tiempo de procesamiento.

– ARQ: útil para los burst de larga duración, pero introduce retardos importantes debido al ida/vuelta de la información.



90

• Ecualización– Los trayectos múltiples deforman la señal en amplitud y fase,

provocando Interferencia Intersímbolo.

– Se debe ecualizar la señal para eliminar o reducir la distorsión

– Ecualizador lineal, transversal, recursivo.Ejemplo de un ecualizador transversal


Z-1 Z-1 Z-1

0 m1

m+1 coeficientes


91

• Entrelazado– En ambiente móvil, los errores llegan en ráfagas debido

a los desvanecimientos profundos. La codificación de canal sirve solo para corregir errores aislados.

– El entrelazado sirve para dispersar los bits afectados por los errores.

– Se puede entrelazar a nivel bit y a nivel trama.– El método más simple es el de una matriz de L líneas y

n columnas. Los bits se introducen línea por línea y son leídos columna por columna.

– Inconveniente = retardo introducido



92

• Diversidad– Para luchar contra los efectos de los trayectos

múltiples.• Microdiversidad

– Antenas múltiples, frecuencias diferentes, tiempos diferentes

• Macrodiversidad– Un móvil se conecta a varias estaciones base al mismo tiempo



93

SISTEMAS CELULARES

SEGURIDAD


94

Seguridad• Se considera un sistema seguro cuando sólo

pueden acceder al mismo los usuarios autorizados.

• Se debe impedir:– Leer o modificar los datos almacenados o

transmitidos– Acceder a los recursos o servicios del sistema

• Funciones: – Autenticación, Confidencialidad, Integridad, No-

Rechazo.


95

Seguridad• Ataques a la seguridad:

– Fraude económico• Reprogramación/Cloneo

Se cambia el par MIN/ESN en un terminal

• Abono fantasmaSe falsea identidad y domicilio

• Robo del aparatoSe roban también comunicaciones

• Dispositivo señueloSimula un punto de entrada a la red (estación base)


96

Seguridad• Ataques a la seguridad:

– Espionaje o sabotaje• Ataque pasivo

Las informaciones intercambiadas se interceptan para escucha indiscreta. No se altera el estado del sistema ni las informaciones

• Ataque activoConsiste en modificar las informaciones de gestión de red (autorización de acceso ilimitado, p ej.) o de un abonado, usurpación de identidad, interferencia de canales de transmisión, grabación de mensajes para difusión posterior


97

Seguridad• Servicios y funciones de seguridad:

Encriptado Firma Control deacceso

Integridad Autentica-ciónmutua

Relleno

Autenticación

Control deacceso

Confiden-cialidad

Secretodel flujo

Integridad

Norechazo

Ser

vici

os

Funciones


98

Seguridad• Niveles de Confidencialidad

– Nivel 0: no hay ningún tipo de confidencialidad (redes analógicas)

– Nivel 1: idéntica a las de las redes fijas– Nivel 2: transacciones profesionales– Nivel 3: tipo militar o estratégico

• Datos a proteger– Datos de usuario: los que los utilizadores

envían a la red para ser transportados– Datos de señalización: utilizados por el sistema

para la gestión de las llamadas (localización de los abonados, derechos de abono, etc)


99

Seguridad• Métodos de Protección

– AutenticaciónEs el mecanismo con el que una parte prueba su identidad a una segunda parte

– EncriptadoEl mensaje sufre una transformación a través de una función parametrizada por una llave o clave.

Encriptado Des-EncriptadoTexto en claro

Ataque pasivoEscucha

Llave de des-encriptadoLlave de encriptado, K

Texto codificado

Texto en claro

Ataque activoAlteración


100

Seguridad• Encriptado

– Es importante el tamaño de la llave o clave. 3 cifras ofrecen 1000 combinaciones posibles.

– Clave compartida, simétrica o secreta K = K’.Las claves se intercambian por canal confidencial.

– Clave asimétrica o clave pública K K’. La posesión de una clave no permite conocer la otra. K’ no puede ser determinada a partir de K. Por lo tanto, K puede ser publicada.

TM en claro

Canal de transmisiónno protegido

Clave de des-encriptado K’Clave de encriptado K

Criptograma = Ek(M) M en claro des-encriptado.

M = DK’()

E D R

D(E(M)) = M


101

Seguridad• Encriptado por Clave Secreta o Compartida

– Substitución, transposición, etc.• Substitución:

Letras iniciales: a b c d e f .....Letras codificadas: w q a x s z .....

Mensaje en claro: “deba”Mensaje codificado: “xsqw”

• Encriptado por Clave Pública– Los algoritmos de codificación E y decodificación D,

deben cumplir con:• D(E(M)) = M• Es muy difícil deducir D a partir de E• E no puede ser quebrado aún si se conoce el texto inicial.

Cada utilizador U dispone de dos claves, una Clave Pública K, accesible por todo el mundo y utilizada para el encriptado de los mensajes a enviar y una Clave Secreta K’, utilizada por U para descifrar los mensajes arribados.


102

Seguridad• Encriptado por Clave Pública

– Se pueden usar para encriptado o para firma

Codificación por EB

C = EB (M)

Decodificación con DB

Encriptado

Codificación por DA

S = DA (M)

Utiliza EA

Firma: prueba la identidad del emisor y la autenticidad del mensajeRecibe S y controla que

EA(S) = M


103

Seguridad• Encriptado por Clave Pública o Secreta

– Clave pública: muy eficiente pero requiere mucha potencia de cálculo.

– Clave secreta: más peligroso porque requiere gestionar una base de datos y compartir la clave por lo que hay que encontrar un medio seguro para distribución.

– GSM, DECT, IS-136, IS-95 utilizan algoritmos con Clave Secreta por un problema de rapidez de cálculo.

– La gestión de las claves es FUNDAMENTAL, porque el sistema puede ser muy potente, pero quedar reducido a NADA si se conocen las claves por terceros.


104

SISTEMAS CELULARES

GESTIÓN DE RECURSOS


105

Gestión de recursos

• Concepto celular– Reutilización de frecuencias

• Patrón de reutilización

• Capacidades del sistema


106


• Reutilización de frecuenciasPermite resolver el problema de servir una zona o región extensa, con un ancho de banda limitado y con una densidad de usuarios importante

Usa la propiedad de atenuación de las ondas de radio, que permite reutilizar la misma frecuencia en otra zona suficientemente alejada de la primera. Cada zona constituye una célula.


107


• Reutilización de frecuenciasLas células con la misma frecuencia (cocanal) deben estar suficientemente alejadas para que el nivel de interferencia cocanal sea suficientemente bajo.

Para reutilizar las frecuencias, la banda total asignada se divide en sub-bandas. Cada sub-banda se asigna a una estación base ubicada en una célula y será reutilizada en otras células.


108

Gestión de recursos• Ejemplo de reutilización de frecuencia

Caso A: todas las frecuencias en el área. Ftot = 140 frecuencias (p ej)

Caso B: las frecuencias se reutilizan. Ftot = f1+f2+f3+f4+f5+f6+f7 =140f1=f2=.... = 20

Cluster


109

Gestión de recursos• Reutilización de frecuencia

– Cluster: grupo de células o celdas que utiliza el conjunto de canales de la banda de frecuencias. Muchos clusters yuxtapuestos permiten cubrir toda el área.– Asignación fija: las frecuencias asignadas no cambian.

Asignación dinámica: mecanismo para adaptar el sistema a las variaciones de C/I.


110

Gestión de RecursosBandas celulares de 800 MHz

Mobile TX

Cell site Tx

Freq. 869 870 880 890 8915 894 896 MHz

Channel # 991 1 333 666 716 799 1023

A”

Channel # 991 1 333 666 716 799 1023

A B A’ B’ R

Freq. 824 825 835 845 846.5 849 851

A” A B A’ B’ R


111

Gestión de RecursosBanda A celular de 800 MHz


112

Gestión de Recursos

A1A3

A2B3

B2

B1

D2D3

D1

C1

C2C3

E3 E2

E1

F3F2

F1

G3G2

G1

F3F2

F1

Patrón de 7 celdas sectorizadas en el centro de la celda

Reuso


113

SISTEMAS CELULARES

CÁLCULO DE LA CAPACIDAD


114

Definición

• Capacidad intrínseca– Canales por celda por MHz(duplex)– K= n/(N.B)

• n= número de canales voz por portadora

• N= tamaño del reuso de frecuencia

• B= Banda de frecuencia ocupada por un canal en MHz (duplex)


115

Capacidad

• Ejemplos de Capacidad Intrínseca– Sistema Analógico AMPS

• n=1; B= 2.30 kHz = 0,06 MHz (duplex); N= 21• K= 1/(0,06.21) = 0,8 canales/celda/MHz(duplex)

– Sistema Digital TDMA IS-136• n=3; B=2.30 kHz= 0,06 MHz(duplex); N= 21• K= 3/(0,06.21) = 2,4 canales/celda/MHz(duplex)

– Sistema Digital TDMA GSM• n=8; B=2.200 kHz= 0,40 MHz(duplex); N= 9• K= 8/(0,40.9) = 2,2 canales/celda/MHz(duplex)

– Sistema Digital CDMA• n= 30; B=2.1,25= 2,5 MHz(duplex); N= 1• K= 30/(2,5.1) = 12 canales/celda/MHz(duplex)


116

Capacidad

• Eficiencia espectral– Canales por MHz por km2

• e = TCH/(BW.AreaCluster)

• TCH = canales totales disponibles

• BW = ancho de banda total

• AreaCluster = área del cluster de celdas


117

Comparación de TecnologíasParameter GSM CDMA D-AMPS

Frequencies 900 MHz

1.8 GHz, 1.9 GHz

800 MHz

1.9 GHz

800 MHz

1.9 GHz

Channel bandwidth 200 kHz 1250 kHz 30 kHz

Voice paths/channel 8/16 60 10 *

Voice quality good To be improved To be improved

Roaming Effective and

international

Very limited currently Limited currently

Promised features Very rich based onISDN

Strong potential Fewer features thanGSM

Data facilities

Packet

9.6 Kbit/s circuitswitched since 1994.Trials at 56K

packet in 1998compressed at 64 K

9.6 to 14.4 Kb/s

enabled

packet in 1999compressed at 28.8K

9.6 to 14.4 kb/s

enabled

packet in 1999compressed at 28.8

Capacity Three fold increaseover analogue

Doubts about 8 foldincrease overanalogue dueimmature technology

5-6 fold increaseover analogue.

Fraud Control effective Very effective effective

Development Path Highly developedtechnology andcontinuing

Immature but withstrong potential

Immature comparewith GSM but inprogress.

* using microcells


118

Objetivos de Capacidad

• Uso de:– Tecnologías de radio de alta eficiencia

– Protocolos de señalización y control para manejar altas capacidades (p ej Aloha)

– Procedimientos de conmutación y handoff eficientes


119

Eficiencia Espectral

• Concepto elusivo– Diseño del enlace de radio

• Codecs de menor velocidad

• Modulación de mayor nivel

• Filtros más estrechos

– Diseño del sistema• Eficiencia de entroncamiento (ver fig siguiente)

• Mejor Reuso de frecuencias (cell splitting)

• Mejor gestión de tráfico (separar tipos de tráfico)


120

Eficiencia de entroncamientoTrunking efficiency

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 20 40 60 80 100 120

Number of trunks


121

Eficiencia espectral

• Eficiencia espectral (bits/Hertz.)

• Eficiencia espectral de circuito (circuitos/MHz)

• Eficiencia espectral geográfica (circuitos/MHz/km2)


122

Medición eficiencia espectral

• Eficiencia espectral (bits/Hertz) o densidad de información. Mide la eficiencia de la modulación de RF.

• Eficiencia espectral por circuito (Circuitos/MHz) dentro de una celda o de área de servicio. Mide eficiencia de codificación y de modulación:

donde C= Number of circuits per carrier

B= Channel bandwidth (including guardbands) in kHz

RA= Number of “restricted” adjacent channels

The final division by 2 is necessary to account for the use of transmit and receive frequency pairs.

MHzCircuitsMHz

RAB

C/

2

1000

1


123

Eficiencia espectral

• Cuando se pasa de AMPS a CDMA, se requieren 41 canales en la banda celular, equivalente a 1,23 MHz (41*30=1230 kHz) y 9 canales de guarda contiguos (9*30=270). TOTAL = 59 canales o 1,77 MHz.


124

Cálculo eficiencia espectralSpectrum Efficiency calculations (circuits/MHz)

SYSTEM ARCHITECTURE

CHANNEL

BANDWIDTH

CIRCUITSPER

CARRIER

CODERBITRATE

Kb/s

MODULATION

INFORMATION

DENSITY(BITS/Hz)

ADJACENT

CHANNEL

RESTRICTION

CIRCUITSPER MHz

AMPSCELLULAR

AnalogFDMA

30 kHz 1 - - Yes 5.5

DAMPSFull rate

TDMA 30 kHz 3 13 1.6 Yes 16.7

DAMPSHalf rate

TDMA 30 kHz 6 6.5 1.6 Yes 33.3

DAMPSE-TDMA

TDMA 30 kHz ~15 6.5 1.6 Yes ~80

CT-2 TDD 50 kHz 1 32 0.6 No 10

GSM TDMA 200 kHz 8 16 ~1 Yes ~7

IS-95 CDMA 1250 kHz 20 8 ~0.5 Yes 16


125

Cálculo eficiencia espectral

• Eficiencia espectral geográfica– Utiliza el reuso de frecuencia. Con N=3 mejor

eficiencia que con N=7.– Celdas más pequeñas generan más circuitos por

km2


126

Cálculo eficiencia espectral

2/ NCB

ionrumAllocatTotalSpect

overedTotalAreaC

CellrcuitsNumberofCillsNumberofCe /

overedTotalAreaCNCB

llsNumberofCeionrumAllocatTotalSpect

2/

Where B is the channel bandwidth,C is the circuits per carrier, and N is the reuse pattern

Eficiencia espectral geográfica

NumberofCircuits/Cell =


127

Tabla Comparativa

AMPS TDMA IS-136 CDMA IS-95

Cellular bandwidth 12.5 MHz 12.5 MHz 12.5 MHz

Reuse pattern 3/9, 4/12, 7/21(preferred)

3/9, 4/12, 7/21(preferred)

1/1

Channel bandwidth 30 kHz 30 kHz 1250 kHz

Number of channels 416 416 10

Voice path per channel 1 3 20 to 25

Channels per sector 19 (N=7/21) 19 (N=7/21) 10

Voice calls/Sector 19 57 200 to 250

Traffic (Erl)/Sector (1%Blocking)

11.2 44.2 Erl 180 to 228 Erl


128

Caso realREAL CASE COMPARISON

TDMA IS-136 CDMA IS-95

Total capacity BHCA 250000 250000

Total capacity subscribers 1,000,000 1,000,000

HLR subscribers 500,000 500,000

Radio base station 196 196

Number of MSC 4 4

Covered surface km2 6519 6519

Infrastructure price U$S 000,000 347 405

Erlang total 15,000 15,000

U$S/Erl/km2 3.55 4.14


129

Algunas estaciones


130

Algunas estaciones


131

Algunas estaciones


132

Algunas estaciones


133

SISTEMAS CELULARES

PLANIFICACION


134

Planificación

• Definición de la red para cumplir con los objetivos de:– COBERTURA– CAPACIDAD

• Es una de las tareas más complejas para un operador celular.


135

Planificación

• Proceso de planificación celular

Dimensionamientode los sitios radio

Posición, tamañoy capacidad de las

células Asignaciónde

frecuencias

Planificación dela red fija.

Interconexión

Datos

Herram

Algoritmos

Datos

Herram


136

Planificación • Datos utilizados para el dimensionamiento

Demanda potencial

Movilidad

de la población

Poder de compra

Medidas de

tráfico fijo y móvil

Zon

as d

ene

goci

osDemografía

Actividadeconómica

Mapasgeográficos

Dimensionamiento de la red

Modelos deTráfico yMovilidad

Calidad de

servicio


137

Planificación

• Parámetros de Calidad de Servicio– Calidad de Voz (MOS)– Cobertura (90% del área)– Grado de servicio o probabilidad de bloqueo

(2% de probabilidad de bloqueo en la hora pico)

– Número de Llamadas caídas (1%)


138

SISTEMAS CELULARES

GESTION DE LA MOVILIDAD


139

Movilidad

• Gestión de la movilidad radio o microscópica

Cambiar de célula manteniendo la comunicación.

HANDOFF o HANDOVER

• Gestión de la movilidad red o macroscópica

Usar los servicios en toda la red o en redes visitadas.

ROAMING


140

Movilidad Radio• Gestión de la movilidad radio o

microscópica

HANDOFF o HANDOVER: Transferencia Automática Intercelular.

A B A B

ANTES DESPUES


141

Movilidad Radio• Fases del Handoff

– Realización de mediciones y supervisión periódica del enlace

– Determinación de la necesidad del HO. Umbral de decisión

– Determinación de la célula objetivo y disparo del HO

– Transferencia efectiva de los enlaces


142


– Realización de mediciones y supervisión periódica del enlace

• Potencia de señal recibida• Tasa de error de bit (BER)• Distancia entre móvil y estación base

– La estación base difunde:• Identidad de la propia estación base• Las frecuencias de los canales de control de las estaciones

vecinas

– Las mediciones se hacen cada medio segundo.– El móvil puede reportar a la red las mediciones de 6

estaciones vecinas.


143


– Determinación de la célula objetivo y disparo del HO

• Potencia relativa de señales: mayor nivel recibido de estación vecina que de la estación corriente

• Potencia relativa de señales con utilización de umbral: diferencia de nivel por debajo de un umbral

• Potencia relativa con utilización de histéresis: nivel de potencia por encima de un valor

• Potencia relativa con utilización de histéresis y umbral: se combinan los dos criterios precedentes.


144


– Tipo de Handoff: Hard Handoff

MSC

Antes

MSC

Durante

MSC

Después


145


– Tipo de Handoff: Soft Handoff

MSC

Antes

MSC

Durante

MSC

Después


146

Movilidad RadioTipos de Handoff

1: Intracelular2: Intra BSC3: Intra MSC4: Inter MSC5: Inter Red o Intersistema

BSC BSC BSC BSC

MSC MSC MSC

Red 1 Red 2

1 2 3 4 5


147

Movilidad Red

• Selección de célula, Localización y Roaming– Dos procesos, cuando el móvil está inactivo:

• Selección de célula

MS recibe informaciones de la red para ubicarse sobre una célula determinada, que usará para el acceso

• Localización o Roaming

Permite a la red conocer en todo momento la posición del móvil con mayor o menor precisión


148

Movilidad Red• Localización y Búsqueda

– Localización: la red conoce la ubicación del móvil, porque el móvil la actualiza periódicamente.

– Búsqueda (paging): la red busca al móvil

• Roaming– Es la posibilidad de usar el terminal en un punto

cualquiera de la red propia o ajena. No solo para redes móviles.


149

Movilidad Red

• Métodos de Localización– Nivel cero - Sin localización, búsqueda en toda la red.

Solo para redes pequeñas. Muy simple. Riesgo de saturación (Flooding algorithm)

– Nivel uno - Localización manual, el abonado debe localizarse en la red para poder recibir llamadas.

– Nivel dos - Localización automática con zonas de localización. Una zona tiene varias células. La red busca por zona.


150

Movilidad Red

• Localización Automática– a) Al encendido del terminal

– b) Localización periódica: envío de la identidad del móvil en forma periódica. Gran consumo de recursos, sobre todo si el móvil no se mueve durante horas.

– c) Localización por cambio de zona: el móvil envía su identidad cuando detecta que ha cambiado de zona.

En GSM se usa Localización híbrida, combinando los métodos b) y c).


151

Movilidad Red

• Bases de datos para la gestión de la movilidad– Base de datos local (nominal) HLR

Hay una por red. Almacena las informaciones de los abonados de la red: nombre, número, datos de seguridad, localización actual, etc

– Base de datos visitante VLR.

Puede haber varias en una red. Almacena los datos de los abonados registrados en las zonas de localización que dependen de esta base de datos. Es una copia parcial de los datos del HLR.

MSC

MSCMSC

MSC MSCVLR

VLR VLR

HLR

VLR


152

Sistemas de segunda generación


153

Sistemas de 2GSistemas DAMPS

IS-136IS-95 GSM PDC

Acceso múltiple TDMA/FDMA

CDMA/FDMA

TDMA/FDMA

TDMA/FDMA

Banda de Frec 800/1900 800/1900 850/900/1800/1900

800/1400

Espaciam decanales (kHz) 30 1250 200 25

Modulación Pi/4DQPSK

BPSK/QPSK

GMSK QPSK

Velocidad voz(kbps)

7,95 8 variable 13 9,6

Duplex FDD FDD FDD FDD


154

Sistemas de 2G


155

Sistemas de 2G

• GSM– Desarrollado por ETSI en el marco europeo, se

transformó en una norma mundial. GSM 900, DCS 1800 o PCS 1900

– Comienzo desarrollo fin de los 80, fue implantada en principios de los 90, y fue evolucionando permanentemente.


156

Sistemas de 2G

• GSM– Interface radio

• En la banda 890-915 y 935-960 MHz hay 124 portadoras bidireccionales.

• La velocidad en aire es de 270 kbps.• Utiliza una modulación a envolvente constante

denominada GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

• Cada portadora tiene 8 Time Slots que son los canales físicos.


157

Sistemas de 2G


• Tipos de canales lógicos:– Tráfico– Señalización– Control común– Control dedicado


158

Sistemas de 2G


• Canales de Tráfico TCH (Voz o Datos)– Velocidad completa (TCH/F)– Velocidad mitad (TCH/H)– Octavo de Velocidad (TCH/8)


159

Sistemas de 2G


• Canales de Señalización – Canal de difusión (BCCH) Informaciones

generales difundidas– Sub-canal de sincronización (SCH)

Sincronización de la MS– Sub-canal de control de frecuencia (FCH)

Control de frecuencia de la MS


160


• Canales de Control Común – Canal de Asignación (AGCH) Asignación de

recursos– Canal de Paging (PCH) Búsqueda de MS– Canal de Acceso Aleatorio (RACH). Pedido de

recursos

Sistemas de 2G


161


• Canales de Señalización Dedicados (DCCH)– Canal no asociado (SDCCH) Puesta al día de

localización o establecimiento de llamada– Canal asociado (ACCH)

» Canal lento (SACCH) Transmisión de mediciones radio

» Canal rápido (FACCH) Para HO, obtenido por robo del TCH

Sistemas de 2G


162


• Trama TDMA– Comprende 8 TS de 577 microseg c/u o sea

4,616 ms. Las tramas son reagrupadas en multitramas (multitramas a 26 tramas para el tráfico y multitramas a 51 para la señalización), luego supertramas y finalmente hipertramas

Sistemas de 2G


163


• Trama TDMA. Se llama burst a un TS o Intervalo de Tiempo

Sistemas de 2G

0 654321 7

3 57 3261 1 57

Datos DatosAprendizaje

1 burst = 148 bits = 0,577 ms

4,616 ms


164


• Trama TDMA. – Tipo de Burst

» Burst normales (2 blocks de 57 bits de información, separados por una secuencia de aprendizaje y por los bits de encabezamiento y de los tiempos de guarda)

» Burst de corrección de frecuencia (142 bits en 1 o sea una frecuencia pura utilizada para ajustar los sintetizadores de los receptores)

» Burst de sincronización (secuencia de sincronización de 64 bits, informaciones sobre la identidad de la BS e informaciones sobre los TS utilizados en la trama)

» Burst de acceso (emitido por un móvil para acceder a la red)

Sistemas de 2G


165

• GSM– Arquitectura

• Central (MSC)• Bases de Datos (HLR y VLR)• Controladores de Estaciones Base (BSC)• Estación Base Transceptora (BTS)• Centros de Operación y Mantenimiento Radio y Red

(OMC-R y OMC-N)• Estaciones Móviles (MS)

Sistemas de 2G


166


• MS– Estaciones móviles embarcadas (Clase 1) de 20W– Estaciones portables (Clase 2) de 8W– Estaciones portátiles (Clases 3 a 5) de 5W, 2W y 0,8W.

• BTS– Cada BTS cubre una célula o celda– Transmisión/recepción de radio

(modulación/demodulación, ecualización, entrelazado)– Capa física (emisión en TDMA, salto de frecuencia,

codificación, encriptado)– Capa enlace (LAPDm)– Medición de calidad de señales recibidas

Sistemas de 2G


167


• BSC– Supervisan varias BTS– Gestiona los recursos radio (asignación de canales,

mediciones en las BTS, control de potencia de BTS y MS y el Handoff)

– Interface entre el MSC y las BTS– Pueden gestionar hasta varias centenas de BTS

• MSC– Supervisa varias BSC– Gestiona las llamadas hacia y desde MS– Conectado al PSTN– Un MSC puede tener función Gateway G-MSC

Sistemas de 2G


168


• HLR– Base de datos nominal con las características de los

abonos de los móviles– Tiene las informaciones de los abonos, del IMSI,

MSISDN, restricciones de los abonos, servicios suplementarios, la información de localización (identidad del VLR donde está registrado el MS)

• VLR– Base de datos de los visitantes– Datos necesarios para la gestión de los roamers– Tiene información sobre el tipo de abono, IMSI,

MSISDN, TMSI, tipo de abono y zona de localización.– Asigna el MSRN (Mobile Station Roaming Number)

Sistemas de 2G


169

• D-AMPS– Digital AMPS o NADC (North American

Digital Cellular o IS-136 o ANSI-136• Para reemplazar al AMPS analógico• Combina técnicas FDMA y TDMA como el

GSM• Las frecuencias son las mismas del AMPS, lo

que permite la transferencia de canales analógicos hacia digitales en función de la demanda permitiendo incrementar progresivamente la capacidad de la red

Sistemas de 2G


170

• D-AMPS– Estructura Interface Radio

Sistemas de 2G

Slot 1 Slot 6Slot 5Slot 4Slot 3Slot 2

G6

R6

DATOS16

SINCRO28

DATOS122

DVCC12

SACCH12

DATOS122

SINCRO28

CANALASCEND

SACCH12

DATOS130

DVCC12

DATOS130

RSDV12

CANALDESC

TRAMA DE 40 MS (1944 BITS)

RSVD: Reservado. G: Guard Time. R: Ramp Time. DVCC: Digital Verification Color Code


171

• D-AMPS– Arquitectura del sistema

• Es similar a la arquitectura GSM• Tiene MSC, HLR, VLR, BS, MS. No utiliza

BSC• Las únicas interfaces normalizadas son la

interface radio ANSI-136 y la interface MSC-MSC-HLR-VLR (IS-41)

Sistemas de 2G


172

• CDMA Sistema IS-95– Interface Radio:

• Banda 824-849 y 869-894 MHz• Ancho de Banda: 1,2288 MHz (aprox 41

canales AMPS)• Separación Duplex de 45 MHz• Control de Potencia muy crítico.• Utiliza Código Corrector de Errores,

entrelazamiento, detección de actividad vocal, codificación de voz a velocidad variable, técnicas de recepción RAKE.

Sistemas de 2G


173

• CDMA Sistema IS-95– Interface Radio:

• Datos transmitidos a 9,6 kbps con codificador de voz a 8,55 kbps

• Flujo de datos segmentado en bloques de 20 ms entrelazados y codificados con códigos convolucionales 1/2 y 1/3.

• Flujo resultante ascendente 19,2 kbps y descendente de 28,8 kbps

• Se agrega Código de Walsh ortogonal de dimension 64, pasando a 1,2288 Mbps.

Sistemas de 2G


174

• CDMA Sistema IS-95– Cadena de Transmisión

Sistemas de 2G

COD VOZCOD

VELOC 1/2

COD CORTO I

COD WALSHCOD LARGO

ENTRELAZ x x

x

xCOD CORTO I

FILTRO

FILTRO

DATOS

BLOQUES DE 20 ms A 9,6 kbps 19,2 kbps 1,2288 Mbps19,2 kbps

19,2 kbps

1,2288 Mbps

1,2288 Mbps1,2288 MbpsI

Q

MODULADORQPSK


175

• CDMA Sistema IS-95– Principio de base

• A cada estación se atribuye una secuencia aleatoria. Estas secuencias deben ser diferentes y ortogonales o sea descorrelacionadas. Estas secuencias hacen que al combinarla con la señal útil, se transforme en quasi-aleatoria y con el espectro muy expandido

Sistemas de 2G


176

Sistemas 2,5G

• HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) – No lo vemos, poco éxito.

• GPRS (General Packet Radio Service)– Conmutación de paquetes y aumento de

velocidad• EDGE (Enhanced Data rates for Global

Evolution)– Mayor aumento de velocidad– También se lo considera un sistema 3G


177

GPRS

• GPRS es una mejora de GSM y define una arquitectura de red con:– Conmutación de paquetes– Gestión de la movilidad– Acceso radio– Conexión a otras redes de datos fijas con IP o

X.25 (Redes PDP: Packet Data Protocol) y otras redes móviles GPRS para ofrecer roaming


178

GPRS• GPRS retoma la arquitectura BSS de GSM, pero

tiene arquitectura fija diferente de NSS.• Utiliza los conceptos de IP móvil y de CDPD

(Cellular Digital Packet Data) de USA

RED GPRSINTERNET

RED LOCAL

137.194.201.20137.194 210.17.114.4


179

GPRS

• Usa multiplexado estadístico en BSS para transmitir los paquetes sobre la radio

• Puede utilizar más de una ranura de tiempo por trama TDMA, lo que permitiría velocidades de hasta 171,2 kbps (máximo teórico inalcanzable)

• En la práctica, se usan como máximo 4 ranuras a 12 kbps c/u o sea 48 kbps.


180

GPRS

• Tipos de servicio– Las velocidades previstas permiten:

• Consulta de la Web (HTTP)• Transferencia de archivos (FTP)• Transmisión de video comprimido• Servicios Punto a Punto y Punto a Multipunto (para

una segunda fase)• Los servicios PTP pueden ser orientado a conexión

(X.25) o sin conexión (IP)• También tiene un servicio de mensajes cortos


181

GPRS

• Criterios de Calidad de servicio– Prioridad– Confiabilidad– Retardo– Velocidad


182

GPRS

Clase Probabilidad deperdida

Probabilidad deduplicación

Probabilidad de fuerade secuencia

Probabilidad deerror residual

1 10-9

2 10-4 10-5 10-6

3 10-2 10-5 10-2

4 Best effort (no especificado)

Clase SDU de 128 octetos SDU de 1024 octetosRetardo medio Retardo a 95% Retardo medio Retardo a 95%

1 <0,5 s <1,5 s <2 s <7 s2 <5 s <25 s <15 s <75 s3 <50 s <250s <75 s <375 s4 No especificado (Best effort)

• Clases de Calidad de Servicio


183

GPRS

• Funciones de seguridad– Autenticación del abonado– Confidencialidad de la identidad del utilizador– Confidencialidad de las informaciones

transmitidas– Tarjeta SIM


184

GPRS

• Clase de los móviles– Clase A: comunicación GPRS y clásica

simultánea– Clase B: puede tener ambos servicios, pero no

simultáneos. En stand-by escruta ambas redes.– Clase C: sólo puede estar en stand-by en un tipo

de servicio


185

GPRS

• Técnicas para aumentar la velocidad– Desarrollo de terminales que pueden transmitir

y recibir en varios TS por trama TDMA (terminales multislot)

– Reducción de la protección de los datos– Utilización de modulaciones más eficientes

(EDGE)


186

GPRS

• Terminales multislot:– En recepción no hay problema, pero en

transmisión aumenta el consumo de energía y se reduce la autonomía de batería y hay más calentamiento.

– Si es para consulta de web, no habría problema


187

GPRS

• Reducción de la protección de datos y modulaciones sofisticadas– Requiere mayor relación C/I

– Esto hará que la velocidad de datos varíe con la distancia al centro de la estación base

C/I alto 48 kbpsC/I bajo 32 kbps


188

Otra red GPRS

RED GPRS

GPRS

• Arquitectura de red

BSC

SGSN

G-MSCMSC

GGSN

SGSN

GGSN

VLR

HLR

EIR

Red datosX.25, IP

•SGSN: Serving GPRS Support Node•GGSN: Gateway GPRS Support Node)

BSC


189

RED GPRS

GPRS

• Encaminamiento de datos

BSC

SGSN GGSN

Red datosX.25, IP

•SGSN: Serving GPRS Support Node•GGSN: Gateway GPRS Support Node)

Tunel GPRS

GTP (GPRS Tunnel Prot)


190

GPRS

• Principio de encaminamiento de datos


191

GPRS• Uso de WAP con GPRS o con Conmutación de circuitos


192

GPRS• Acceso a red corporativa


193

GPRS• Roaming de terminal GPRS


194

GPRS• Protocolo de red GPRS


195

GPRS• Gestión de la movilidad

– Estados de un móvil• En GSM tiene dos estados: Inactivo o activo

• En GPRS hay tres estados: Inactivo, activo y stand-by

Inactivo(Idle)

Stand-byActivo(Ready)

LogoffLogon

Transmisión o recepción de datos

Sin datos a transmitir o recibir

Logoff

Se puede accederal móvil

No se puede accederal móvil


196

GPRS• Gestión de la movilidad

– Los datos se transmiten a un móvil, sólo cuando está activo.

– En el estado activo, el SGSN conoce la celda donde está localizado el móvil.

– En standby, se conoce la ubicación a nivel de Area de Enrutamiento (similar a Area de Localización en GSM)

– Para enviar paquetes a un móvil en standby, primero hay que hacer paging, para localizarlo, y pasar al estado activo para recibir los datos

– Para enviar paquetes a un móvil activo, se le avisa que hay paquetes y luego se le transmiten

La razón delestado standby es

para reducir la carga sobre la red para conocer

la celda donde estálocalizado el móvil

y para ahorrar batería

La razón delestado standby es

para reducir la carga sobre la red para conocer

la celda donde estálocalizado el móvil

y para ahorrar batería

En el estado inactivoel móvil no tiene dirección asignada

En el estado inactivoel móvil no tiene dirección asignada


197

GPRS >EDGE

• Con GPRS, el sistema GSM permite acceso a Internet a velocidades de cerca de 50 kbps

• Para superar ese límite, se propuso en ETSI (1997) utilizar una modulación con mejor eficiencia espectral que GMSK (1 bit/Hertz)

• Así aparece el concepto EDGE con 8PSK (3 bit/Hertz). (Enhanced Data rates for the Global Evolution)


198

GPRS >EDGE

• Al mismo tiempo, el IS-136 enfrentaba fuertes limitación de velocidad, por el poco espacio entre portadoras (30 kHz)

• El consorcio UWCC-136 (Universal Wireless Communications Consortium) adoptó EDGE en 1998, como solución para aumentar las velocidades.

• EDGE fue reconocido por UIT como un sistema IMT-2000

• EDGE permitiría alcanzar:– 384 kbps para terminales <100 km/h y

– 144 kbps para terminales <250 km/h


199

EDGE

• Modificaciones de la capa física– Modulación 8PSK

111

011

010

000

001

101

100

110

Q

I


200

EDGE

• Estructura del burst– Se conserva la estructura del burst de GSM

• Secuencia central de entrenamiento de 26 símbolos

• Dos secuencias de datos de 58 símbolos c/u

• Dos zonas de relleno para subida de potencia y retorno en recepción

• Un símbolo = 3 bits

– Hay 2 x 3 x 58 = 348 bits de datos en cada burst


201

EDGE

• Estructura del burst

3 s 58 símbolos 3 s26 s 58 símbolos

Datos DatosAprendizaje

1 burst = 148 símbolos = 444 bits = 0,577 ms

8,25 s


202

EDGE

• Dos tipos de servicios– ECSD (Enhanced Circuit Switched Data)

• Un solo canal físico permite hasta 43,2 kbps (14,4 x 3)

• Canales en modo Transparente o No Transparente

– EGPRS (Enhanced General Packet Data Service)

• Un solo canal físico permite hasta 59,2 kbps y con ocho canales tendremos 473,6 kbps


203

EDGE Compacto

• Para operadores IS-136 que deben hacer una transición hacia EDGE

• Se reduce el ancho de banda necesario para el despliegue, modificando la interface radio GSM

• Se requiere 2 x 0,6 MHz de espectro mínimo


204

EDGE Fase 2

• Debe soportar servicios en tiempo real y reposa sobre arquitectura de red todo IP

• Permite convergencia hacia UMTS

• Permitirá llevar las redes móviles en la misma dirección que las fijas, con integración sobre IP


205

EDGE Fase 2

• Clase de servicio– Conversacional con fuertes requisitos de retardo (voz,

videofonía, juegos video)

– Streaming debe restituir el ritmo de generación de datos pero puede tolerar retardos usando buffers

– Interactivo exige baja tasa de error y puede tolerar cierto retardo (consulta interactiva de servidores)

– Backgroung que exige integridad pero tolera retardos grandes (e-mail)


206

EDGE Fase 2• Una red EDGE fase 1 sólo permite las dos últimas

clases de servicio– Interactivo– Background o tráfico en tarea de fondo.

• La red EDGE fase 2 será indispensable para las dos primeras clases de servicio:– Aparece el concepto GERAN (GSM/EDGE Radio

Access Network)– Permite conexión a red GSM o UMTS, en modo

paquete o circuito– Ofrecerá servicios en tiempo real en modo paquete,

basada sobre IP


207

EDGE Fase 2

BSS

SGSN UMTS

SGSN GPRS

MSC UMTS

MSC GSM

GERAN


208

Comunicaciones MóvilesFin Módulo 1

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