13/04/2023

INSTITUCION UNIVERSITARIA DE ENVIGADO

Tecnología en Gestión de Redes 2012-1

Redes MóvilesCurso Introductorio

Agenda Introducción

Historia Definiciones y conceptos Clasificación de técnicas y tecnologías Clasificación de aplicaciones y servicios

Radiopropagación Electromagnetismo y propagación Fenómenos de propagación y modelos de canal

Pérdidas de espacio libre Multitrayectoria Ensombrecimiento Otros efectos

Radiocomunicaciones Modulación

Modulaciones analógicas Modulaciones digitales

Codificación Duplexación

FDM, TDM y CDM Técnicas de acceso al medio

FDMA, TDMA y CDMA OFDM/OFDMA

Agenda (cont)

Soluciones y Sistemas Estandarización, normalización y legislación Sistemas Trunking

TETRA iDEN

Sistemas celulares de primera generación (1G) AMPS, TACS

Sistemas celulares de segunda generación (2G) DAMPS, IS-136, GSM/DCS, IS-95A, PDC

Sistemas para transición/evolución/migración (2.5G) HSCSD y CDPD, GPRS/EDGE, IS-95B GSM/GPRS/EDGE y el concepto GERAN

Agenda (cont)

Sistemas celulares de tercera generación (3G) El proyecto IMT-2000 y UMTS CDMA2000, WCDMA, UWC-136, TD-SCDMA El sistema UMTS/UTRAN

Sistemas más allá de 3G (B3G y 4G) Tecnologías y tendencias LTE y LTE Advanced

El Mercado de la Movilidad El entorno mundial El entorno latinoamericano El entorno colombiano

Agenda (cont)

Caso de estudio: Planeación y diseño básico Consideraciones generales Herramientas Procedimiento general

Conclusiones y recomendaciones Discusión del grupo (foro/panel)

Agenda (cont)

Q:

A:

¿Are wireless technologies

the solution to all our

communication problems?

No, they aren’t. Actually,

they are a problem by

themselves!

Historia Definiciones y conceptos Clasificación de técnicas y tecnologías Clasificación de aplicaciones y servicios

INTRODUCCIÓN

1880 19471878 1910 1986-96 2001

Algo de Historia

Timeline…

13/04/2023

Año Estados Unidos Europa y Japón

1934Creación de la FCC (Federal Communications Commission)

1946Primer sistema comercial, AT&T y Bell Labs. en Saint Louis. MO-MTS

1947Nace el concepto de sistema celular en los Bell Labs.

1969Primer sistema celular comercial disponible, Bell system

1976565 clientes del Sistema Móvil Bell en Nueva York

1979 Prueba de AMPS (estándar IS-54) NTT - Japón

1981C-Netz (Alemania), NMT (Países nórdicos), Comvik (Suecia)

1982Desarrollo de GSM (Groupe Speciale Mobile) en Europa

1983AMPS comercial. Expansión a nivel mundial. Aurora 400 (Canadá)

1985TACS (Total Access Communication Systems) en Europa, RadioCom (Francia)

1986 NMT 900 (Países nórdicos)1987 ETACS (Extended TACS) en UK1988 Publicación del estándar IS-41

1990US inicia despliegue de sistemas anlógico/digitales con IS-54B (utiliza TDMA)

1999 IS-95BGSM - UMTS (UTRAN), definiciones para Europa; trabajos del 3GPP y UMTS Forum

2000GSM -GPRS (General Packet Radio Service). Definiciones 3G para América; trabajos de 3GPP2 y UWCC

GSM - GPRS

20013G 1x (IS-2000) comercialmente disponible. EDGE (Enhanced Data for Global Evolution)

IMT-2000 1x MC en Asia (Corea)

2002

3G 1x-EVDO (Evolution Data Only). AT&T escoge GSM/GPRS/EDGE como ruta evolutiva para su infraestructura IS-136. Licitación de PCS en Colombia. GSM 800/900 disponible.

WCDMA (Japón), WCDMA en Europa???

2003Diversidad de rutas para migración. Colombia Móvil gana licitación de PCS en Colombia, desplegará GSM/GPRS/EDGE

Retraso en despliegue de infraestructura 3G por varios operadores

HOY Situación financiera delicada de los operadores a nivel mundial. Despliegue de infraestrucutra

Year Americas Europe and Asia

2004

Telefónica Móviles acquires the entire operation of BellSouth in the AmericasGSM SURPASSES ONE BILLION CUSTOMERS!!!

GSM SURPASSES ONE BILLION CUSTOMERS

2005 Qualcomm acquires Flarion First HSDPA network goes live

2006

GSM SURPASSES TWO BILLION CUSTOMERS!!!Millicom International acquires Colombia Móvil

1x EV-DO Rev.A deploymentGSM SURPASSES TWO BILLION CUSTOMERS

2007 Introduction of HSUPA

2008 WiMAX (IEEE 802.16e) included as a 3G RTTLTE, UMB and IEEE 802.16m are defined for B3G and 4G

2009 Historical fusion between Alvarion and Nortel NTT DoCoMo starts LTE trial

2010Fusion between Telmex and América Móvil in America, except Mexico

At least twelve mobile operators are planning to launch LTE (Long Term Evolution) services during 2010

Qué pasó el año pasado???

Que se espera que pase este año?

Definiciones y conceptos básicos

Comunicación Señal Sistema Espectro Banda de frecuencia Ancho de banda Onda Potencia Frecuencia Amplitud Fase Retardo

Dominio del tiempo Dominio de la frecuencia Canal Simplex Duplex Full Duplex UpLink/UpStream DownLink/DownStream Enlace Celda o célula Roaming Handoff/Handover

Emisor ReceptorMedio

Capa 3

Capa 1

Capa 2

Red

Físico

Enlace de Datos

Protocolos de Internet

Interfaz con el medio

Control de Acceso al Medio (MAC)

Control Lógico de Enlace (LLC)

Transporte Protocolos de transporte

Sesión Control de sesión

Presentación Interpretación (OSs y MW)

Aplicación Aplicaciones

Capa 6

Capa 4

Capa 5

Capa 7

Un vistazo al mundo de las telecomunicaciones:

Investigación, desarrollo e innovación como la escencia de la evolución tecnológica, impulsores del mercado y medio para mejorar la calidad de vida.

Mercado como el ambiente socio-económico y cultural en el cual interactúan la oferta y la demanda de bienes y servicios.

Estandarización y regulación como formas de asegurar la “buena salud” del mercado y la adecuada implementación/asimilación de la tecnología.

SECTOR DE LAS TELECOMUNCIACIONES

Canales de TIC

Sistemas y Soluciones

Técnicas y Tecnologías

Aplicaciones y servicios Estandarización y Normalización

Legislación + Regulación

Contenidos

Regulación… Tecnología… Mercado…

La importancia de las redes inalámbricas…

• Brindan facilidades de acceso en

zonas apartadas.

• Permiten un rápido despliegue.

• Facilitan el cubrimiento de amplias

áreas y zonas geográficas.

• Pueden proporcionar portabilidad y

movilidad.

• Complementan a las redes

cableadas como una “extensión”.

• Pueden reducir costos (CAPEX y

OPEX).

• Ofrecen soluciones más flexibles en

muchos casos.

Clasificación de técnicas y tecnologías

Fijas

SatéliteDirectTV, enlaces satelitales fijos, telefonía rural, estaciones para clima, ciencia y milicia.

Celulares fijas WLL, LMDS, WiMAX.

Redes de transporteEnlaces punto a punto con microondas y FSO.

Móviles

RadiotelefoníaBanda ciudadana y servicios civiles y militares de radioteléfonos.

Pager Beeper, localizadores.

Redes celularesIS-136, IS-95, GSM/GPRS/EDGE, PDC, UMTS/HSxPA, CDMA2000, LTE, otras.

Sistemas trunking TETRA e iDEN.

SatéliteTelefonía móvil satelital (Iidium y Globlastar), GPS, sistemas Non-GEO.

WLANRedes locales inalámbricas (802.11), WiFi, IrDa.

WPAN Bluetooth, UWB, ZigBee.

Téc

nic

as y

tec

no

log

ías

Plataformas, Protocolos

IPv6, H.323, SIP, Parlay, JAIN

WAP

i-Mode

Desarrollo: Java2ME, BREW, Microsoft .Net

Symbian, WinMobile, iOS, Android

Servicios

SMS, EMS y MMS

Telefonía, PCS, televisión, conexión a Internet, acceso a BD, conexiones corporativas, enlaces punto a punto, teleservicios, automatización, posicionamiento, entre otros.

Ap

lica

cio

nes

y s

ervi

cio

s

Clasificación de aplicaciones y servicios

En términos generales, los servicios inalámbricos se refieren a aquellos que se prestan utilizando medios de transmisión no guiados.

La decisión de dar una solución inalámbrica a un problema de comunicaciones, depende de los requerimientos del usuario y de las condiciones/restricciones físicas en las cuales se debe prestar el servicio o implementar la red.

La decisión de dar soluciones móviles o soluciones fijas inalámbricas depende de los requerimientos particulares de los usuarios del servicio. Existe la necesidad de movilidad?

Servicios inalámbricos

Servicios móviles…• Implican movilidad del usuario.• La movilidad puede ser completa o puede ser nomádica:

• Movilidad completa:• El servicio se mantiene sobre toda la red mientras el usuario

se desplaza.• Normalmente utiliza terminales más pequeños, pero con

mayores limitaciones.• Enlaces punto-multipunto en configuraciones LOS y nLOS.

• Movilidad nomádica:• El servicio se mantiene sobre toda la red, pero solo cuando

el usuario está estático.• Utiliza terminales más grandes, pero con más prestaciones.• Enlaces punto-punto y/o punto-multipunto en condiciones

LOS.

• La red necesita componentes adicionales para soportar la

movilidad y gestionarla.• Canales físicos tienen mayor variabilidad en el tiempo y

fenómenos de propagación más desfavorables.• Menor eficiencia en el uso de recursos.• Procesos de direccionamiento y enrutamiento más

complejos.

La red móvil celular…

• Celdas más irregulares con cobertura restringida.• Reuso de frecuencias dinámico.• Componentes para gestión de la movilidad existente:

– Procesos AAA más complejos.– Location updates.– Control de handoff/handover.– Posibilidad de roaming.

• Limitaciones en alimentación para los terminales.• Procesos de predicción de canal más robustos y más complejos.• Tráfico dinámico : Dimensionamiento más complejo.

Mov

ilid

ad c

ompl

eta…

Mov

ilid

ad n

ómad

a…

Servicios fijos…

• Implican usuarios estáticos.• Pueden considerar usuarios nomádicos:

• Movilidad nomádica:• El servicio se mantiene sobre toda la red, pero solo cuando

el usuario está estático.• Utiliza terminales más grandes, pero con más prestaciones.• Enlaces punto-punto y/o punto-multipunto en condiciones

LOS.• No requieren gestión de movilidad en ninguna de las

capas, al menos para usuarios fijos.• Operan típicamente en configuraciones punto-punto y

punto-multipunto en condiciones de LOS.

• No se necesitan componentes adicionales para soportar y

gestionar la movilidad.• Canales físicos con menor variabilidad en el tiempo y

fenómenos de propagación menos desfavorables.• Mayor eficiencia en el uso de recursos.• Procesos de direccionamiento y enrutamiento más simples.• Velocidades de transmisión más altas.

La red fija celular… (Wireless Local Loop)

• Celdas más regulares con cobertura optimizada.

• El reuso de frecuencias puede ser estático.

• Componentes para gestión de la movilidad inexistentes o inoperantes parcialmente:

– Procesos AAA más simples.

– No hay location updates.

– No se realiza control de handoff/handover.

– No existe posibilidad de roaming.

• No hay limitaciones en alimentación para los terminales.

• Procesos de predicción de canal menos robustos y menos complejos.

• Tráfico estático: Dimensionamiento más sencillo.

Mov

ilid

ad in

exis

tent

e…

Electromagnetismo y propagación Fenómenos de propagación y modelos de

canal Pérdidas de espacio libre Multitrayectoria Ensombrecimiento Otros efectos

RADIOPROPAGACIÓN

En 1873, James Clerk Maxwell publicó su “Treatise on Electricity and Magnetism”, el cual extiende los estudios de Michael Faraday e inicia la fundamentación sobre el electromagnetismo como lo conocemos hoy.

Los inicios…

• Ahora seriamente… El espectro electromagnético y los servicios…

Fuente: Digital communications, J. Proakis

Fu

en

te:

Min

Co

mu

nic

aci

on

es

Co

lom

bia

(h

oy

Min

TIC

s)

Atenuaciones, desvanecimientos, ruido,

interferencia.Medio de transmisión

Fuente

Destino

Distorsiones de la señal debida a los fenómenos presentes en la propagación de la misma a través del medio de transmisión.

Es necesario describir el medio de transmisión, caracterizarlo para diseñar los sistemas. Dichas descripciones formales del medio se denominan “modelos de propagación”.

Fenómenos de propagación

Los fenómenos de propagación son diversos. Para la formulación de teorías que conduzcan al planteamiento de técnicas y tecnologías para la implementación de sistemas, es necesario describir formalmente el medio de propagación.

Las descripciones formales del medio de propagación se denominan “modelos de canal”. Aunque existen varias formas de lograr dichos modelos y de tipificarlos, básicamente los modelos de propagación y sus descripciones son de varios tipos: Determinísticos, Probabilísticos, Geométricos, Empíricos, Físicos, entre otros.

El análisis general considera la relación entre el nivel de la señal que se percibe en recepción, y el nivel de la señal de ruido que también percibe el receptor. Esta relación es comúnmente denominada “Relación señal a ruido” (S/N), y determina directamente el cubrimiento de un sistema (alcance) y la calidad del servicio prestado.

En sistemas analógicos, se habla exclusivamente de S/N o de C/N que es la “relación portadora a ruido”.

En los sistemas digitales se “traduce” la S/N a un indicador de calidad denominado “Tasa de Errores de Bit” (BER).

Pérdidas de espacio libre (Free space loss):

2

2

2 44 f

cGG

d

PP rt

tr

rttr GdLogfLogGPP )(20)(2044,32

Pérdidas de espacio libre (Lfs)

Estación MóvilEstación Base d

Pt, Gt, f

Pr, Gr, f

G se da en veces, P se daen Vatios y f se expresaen Mhz

Multitrayectoria (Multipath):

Las señal transmitida se propaga en diversas direcciones y sigue “caminos” diferentes antes de llegar al receptor. En algunos casos las señales llegan en fase y se refuerzan, pero en otros hay diferencias de fase que se traducen en degradaciones de la señal recibida.

Este fenómeno se modela de forma probabilística.

Estación Móvil

Estación Base

Rayleigh

x (dB)

Pro

ba

bili

da

d d

e a

ten

ua

ció

n <

x (

dB

)

2

2

21)( x

r exPP

(a) Señal transmitida

(b) Señal transmitida (retardo corto)

(c) Señal transmitida (retardo largo)

1

0 tiempo

tiempo

tiempo

Ensombrecimiento (Shadowing):

Varios modelos para macroceldas asumen las pérdidas de trayecto sólo como una función de ciertos parámetros como la altura de las antenas, el ambiente y la distancia. Esto implica que las pérdidas serán constantes si dichos parámetros permanecen fijos, pero en la práctica (realmente) no ocurre eso.

El fenómeno de ensombrecimiento implica variaciones en los niveles de pérdida debidos a la presencia de edificios, movimiento del receptor, multitrayecoria, entre otros.

Tiende a afectar directamente la cobertura de la celda.

Se caracteriza de forma probabilística.

Es imposible evitarlo.

dB.e.2.

1dBpρ

22.σ

2m(dB)p

Donde, m es la media de la distribución normal y para efectos de modelado del canal será igual a cero, lo que equivaldrá a tener un valor medio de atenuación aproximado al de atenuación por path loss, mientras que (sigma) es la desviación estándar de la distribución normal, la cual varía

de acuerdo al ambiente de propagación y a la frecuencia del sistema, según el cuadro de abajo.

Ambiente/Frecuencia 76 MHz 465 MHz 851 MHz

Urbano denso 4.3 dB. 4.5 dB. 7.2 dB.

Urbano 4.5 dB. 3.9 dB. 6.1 dB.

Suburbano 2.7 dB. 2.6 dB. 6.5 dB.

Rural 3.1 dB. 2.7 dB. 3.0 dB.

Otros efectos:

Desvanecimientos por lluvia, bruma o polvo. Son selectivos en frecuencia y dependientes

predominantemente del clima. Difracción y reflexión.

Para algunos sistemas se han desarrollado modelos centrados en estos dos fenómenos.

Interferencias. También pueden considerarse selectivas en frecuencia y son

un factor importante a considerar durante el diseño y despliegue de una red.

Cell breathing. Particularmente crítico en sistemas basados en CDMA;

consiste en un “aparente” cambio en la cobertura dependiendo de ciertos factores.

Modelos de propagaciónModelos de pérdidas de trayecto:

dBdo

d.10.n.logLs(do)Lp(d) 10

do es una distancia de referencia que típicamente tiene los siguientes valores: 1 Km. para celdas grandes, 100 metros para microceldas y un metro para propagación en interiores (indoor channels); n es el exponente de path loss, éste factor depende del ambiente de propagación y se comporta de acuerdo al cuadro inferior.

Ambiente Exponente n

Espacio libre 2

Radio celular en área urbana 2.7 – 3.5

Radio celular en área urbana con shadowing 3 – 5

Interior de edificios con línea de vista 1.6 – 1.8

En interior de edificios sin línea de vista 4 – 6

Al interior de fábricas 2 – 3

• Clutter factor model

• Okumura-Hata model (ITU,529)

• COST-231: Hata model

• Lee model

• Ibrahim and Parsons model

• Allsebrook and Parsons model

• Ikegami model

• Flat edge model

• Walfisch-Bertoni model

• COST-231: Walfisch-Ikegami model

• Blaustein model

• Durging model

• Saunders-Bonar model

• Constantinou/Chuen model