TESIS.pdf

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Centro de Investigación y Desarrollo

de Tecnología Digital

MAESTRÍA EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN SISTEMAS DIGITALES

DDIISSEEÑÑOO DDEE UUNNAA RREEDD DDEE RRAADDIIOOCCOOMMUUNNIICCAACCIIÓÓNN

MMÓÓVVIILL NNPPCCSS DDEE DDOOSS VVÍÍAASS

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS

P R E S E N T A:

HUGO TORRES TAPIA

JUNIO DEL 2001 TIJUANA, BC

Hugo TORRES-TAPIA

[email protected]

http://www.citedi.net

Hugo TORRES-TAPIA

Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Digital Av. del Parque No. 1310 Mesa de Otay Tijuana, Baja California, México C.P. 22510 Tel. local: (6)623-1344. FAX local: (6)623-1388

Hugo TORRES-TAPIA

Hugo TORRES-TAPIA

Hugo TORRES-TAPIA

Hugo TORRES-TAPIA

Dédicace À l’Être se trouvant là-dessus qui toujours soigne mes pas à la recherche de mes rêves.

MMNDG

À mes parents, lesquels m’ont infiniment donné leur amour : ma douce source d’inspiration vers l’amélioration.

VTOT À mes frères, par leur appui infini toujours concédé.

JGJBLA Je vous aime et je vous garderai toujours chez-moi

AgradecimientosAgradecimientos A mi director de tesis MC V. Izquierdo por sus excelentes asesorías en la sección de planeación de la red y por proveer los recursos de software y bases de datos para realizar los estudios de propagación. A mi codirector de tesis MC E. Quiroz por sus valiosas sugerencias y críticas en el diseño del sistema de acceso que enfatiza el esfuerzo de originalidad de la tesis. A los Señores Sandra y Jaime Piña, que amablemente me concedieron las facilidades en su empresa para llevar a cabo la asimilación de la tecnología paging, aspecto clave para el desarrollo de esta tesis. Al Ing. Horacio Aldana por el apoyo técnico dedicado en los aspectos relevantes del sistema paging, los cuales hicieron posible el enfoque práctico en los temas de este documento. A mis revisores de tesis, en especial, al Dr. D. Covarrubias, cuyas excelentes críticas e indicaciones contribuyeron a consolidar la forma final de la tesis. Al Dr. Ciro Martínez por el apoyo brindado para llevar a cabo la culminación de los estudios de maestría y la tesis. A los compañeros de generación: César Ortega, Julio Mendoza, Jaime Esqueda y Luis Palafox porque fueron excelentes co-integrantes en grupos de trabajo mostrando dedicación y profesionalismo en los estudios de maestría. A la MC Ana María Flores por su apoyo y amistad ofrecidos.

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CCoonntteenniiddoo

RESUMEN ........................................................................................................................................................3

ABSTRACT........................................................................................................................................................4

LISTA DE FIGURAS.........................................................................................................................................5

LISTA DE TABLAS ..........................................................................................................................................8

LISTA DE ACRÓNIMOS..................................................................................................................................9

CAPÍTULO 1 ..................................................................................................................................................10

INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................................................10

1.1 ANTECEDENTES. .......................................................................................................................10

1.2 OBJETIVO. ...................................................................................................................................13

1.3 ALCANCES. .................................................................................................................................14

1.4 ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO......................................................................................................14

CAPÍTULO 2 ..................................................................................................................................................16

TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS NPCS.................................................................................................16

2.1 EL SISTEMA DE RADIOLOCALIZACION DE PERSONAS............................................................16

2.1.1 Descripción de una Red Paging basada en enlaces satelitales.............................19

2.1.2 Formato de codificación binaria. .........................................................................22

2.1.3 Protocolo FLEX...................................................................................................24

2.1.4 Componentes de la Central de Operaciones de Red. ...........................................28

2.2 TECNOLOGÍA NPCS ...........................................................................................................................35

2.2.1 Arquitectura del sistema NPCS ...........................................................................38

2.2.2 Parámetros de los protocolos NPCS ....................................................................40

2.2.3 Sistema FLEX......................................................................................................41

2.2.4 Sistema ReFLEX .................................................................................................42

2.3.5 Sistema InFLEXion .............................................................................................43

2.2.6 Sistema de Sólo Registro .....................................................................................44

2.2.7 Sistema Paging de Reconocimiento.....................................................................45

2.2.8 Sistema de Respuesta de Mensajes Cortos ..........................................................46

2.2.9 Reuso de Frecuencia ............................................................................................47

2.3 EFECTO DOPPLER PARA EL AMBIENTE NPCS ............................................................................49

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CAPÍTULO 3 ..................................................................................................................................................51

PLANEACIÓN Y DISEÑO DE LA RED NPCS..........................................................................................51

3.1 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO NPCS ......................................................................................51

3.2 PREMISAS DEL DISEÑO....................................................................................................................53

3.3 ARQUITECTURA DEL SISTEMA NPCS PROPUESTO. ..................................................................55

3.3.1 Protocolo para el sistema NPCS. .........................................................................58

3.3.2 Frecuencias Asignadas.........................................................................................58

3.4 ESTUDIO DE RADIOPROPAGACION...............................................................................................59

3.4.1 Características de la zona de servicio. .................................................................60

3.4.2 Selección del modelo de radiopropagación. ........................................................61

3.4.3 Estudio de la parte de envío.................................................................................63

3.4.4 Análisis de la técnica Simulcast..........................................................................74

3.4.5 Estudio de cobertura de la etapa de retorno. ........................................................76

3.5 TRÁFICO PARA LA ETAPA DE ENVÍO ...........................................................................................79

3.6 DISEÑO DE LA ETAPA DE RETORNO.............................................................................................82

CAPÍTULO 4 ..................................................................................................................................................89

SISTEMA DE ACCESO DE LA ETAPA DE RETORNO .........................................................................89

4.1 ESTRUCTURA DEL ESQUEMA DE ACCESO..................................................................................89

4.2 TRÁFICO PARA LA ETAPA DE RETORNO. ....................................................................................95

4.3 ESTUDIO DE INTERFERENCIA PARA EL SISTEMA NPCS........................................................102

CAPÍTULO 5 ................................................................................................................................................108

CONCLUSIONES, APORTACIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................108

CONCLUSIONES .....................................................................................................................................108

APORTACIONES .....................................................................................................................................109

RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS ........................................................................111

ANEXO I .......................................................................................................................................................112

ANEXO II......................................................................................................................................................113

ANEXO III ....................................................................................................................................................115

III.1 Cálculo del enlace de microondas ......................................................................115

III.2 Cálculo del enlace satelital .................................................................................118

BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................................................125

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RReessuummeenn

Desde la aparición de los Sistemas de Comunicaciones Personales (PCS), se ha ido acrecentado la demanda de servicios de comunicaciones móviles digitales cada vez más especializados y eficientes. Un ejemplo son los sistemas de Radiolocalización de personas, que durante años fueron unidireccionales, pero que tanto la tecnología disponible como la exigencia de los usuarios, ha llevado al desarrollo de un esquema bidireccional de intercambio de mensajes cortos. Este nuevo esquema de servicio motiva el presente trabajo de tesis, que consiste en el diseño de una red de radiocomunicación móvil NPCS (Narrow Band Personal Communications Systems) de Dos Vías. Para probar el diseño bajo condiciones extremas, se elige una región que posee relieve accidentado. Para llevarlo a cabo se cuenta con herramientas computacionales modernas, que permiten efectuar simulaciones mediante modelos de propagación probados y aceptados, y con bases de datos reales que representan al relieve de terreno de la zona de servicio. Para el diseño de la red NPCS se propone una metodología de trabajo, que incluye la caracterización de la zona de servicio, diseño de cobertura de RF, y la aplicación teorías de tráfico para las trayectorias de envío y retorno de información. Además, se propone un modelo de acceso híbrido ALOHA/TDMA/Espacio para la etapa de retorno, el cual se caracteriza y verifica tanto, en el dimensionamiento de tráfico, como en el aspecto de la interferencia co-canal. Se comprueba que el sistema de acceso propuesto garantiza el funcionamiento de la etapa de retorno, debido a que opera siempre en la región lineal de curva de ALOHA clásico, proporcionando un acceso múltiple libre de congestionamientos de tráfico. Basado en los resultados del dimensionamiento de tráfico del sistema de acceso ALOHA/TDMA/Espacio, se realizó un estudio de interferencia de co-canal para el diseño celular. Los resultados obtenidos muestran que el sistema propuesto se compara ventajosamente con sistemas que utilizan modulación de espectro disperso. Palabras clave: PCS, Tráfico, ALOHA, TDMA, Propagación

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AAbbssttrraacctt Following the inception of the Personal Communications Systems (PCS), the

demand of specialized and efficient digital mobile communications services has been steadily growing, and Personal radiolocation systems (Paging Systems) are no exception of this trend. Paging Systems have been by definition unidirectional, with the capability to deliver short alphanumerical messages to tiny terminals, nevertheless, users’ demand and technological advances have given the paging terminal the capability to send messages, leading to the development of a bi-directional communication system. This novel concept of Radio Paging motivated the development of this thesis, which endeavors in the design of a bi-directional Narrow Band Personal Communications System (NPCS). In order to test the design under non-optimal conditions, a region with a complex terrain was chosen. Modern computing tools were available to develop the design, which allowed us to perform simulations using proved and accepted radio propagation models, as well as real databases that represented the exact terrain profile of the service zone. A methodology is proposed to carry out the NPCS design, which encompasses the service zone characterization, RF coverage design, application of traffic theory for the outbound and inbound information paths, and the link budget calculations for a satellite and a microwave link. In addition, an ALOHA/TDMA/Space hybrid access system for the inbound path is proposed, specified and verified for traffic, and co-channel interference scenarios. Aloha-channel traffic results show that the access system proposed guarantees the correct operation of the inbound path, since the system’s operation point was located in the lower part of the linear stability-region of the classic ALOHA graphic, meaning this a multiple access with near-zero collisions. For the same inbound link, the co-channel interference analysis of the cellular setting yields very promising C/I figures, which compare favorably with those of commercial systems based on spread spectrum access scheme.

Key words: PCS, Traffic, ALOHA, TDMA, Propagation.

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LLiissttaa ddee FFiigguurraass

Fig. 2.1. Métodos para enviar la señal paging desde la estación maestra hasta los sitios de

servicio: enlace satelital, enlace UHF o VHF, enlace de microondas y enlace por línea

telefónica o red datos. ...................................................................................................19

Fig. 2.2 Diagrama a bloques de la red paging (Glenayre Inc.). ............................................20

Fig. 2.3 Asignación de niveles para: (a) 2FSK y (b) 4FSK. .................................................21

Fig. 2.4 Espectro en tiempo para 4FSK. ...............................................................................22

Fig. 2.5 Formato de ciclo para el protocolo FLEX...............................................................26

Fig. 2.6 Definición de trama para el protocolo FLEX. ........................................................26

Fig. 2.7 Definición de intercalado. .......................................................................................27

Fig. 2.8 Formato de palabra código ......................................................................................28

Fig. 2.9 Arquitectura de la Central de Conmutación Paging Glenayre GL3000. ................30

Fig. 2.10 Diagrama a Bloques de la Central de Mensajería por Operadora. ........................35

Fig. 2.11 Uso del espectro para el protocolo ReFLEX25.....................................................37

Fig. 2.12 Arquitectura general de un Sistema NPCS...........................................................39

Fig. 2.13 Sistema FLEX. ......................................................................................................42

Fig. 2.14 Sistema ReFLEX. ..................................................................................................43

Fig. 2.15 Sistema Inflexión...................................................................................................44

Fig. 2.16 Sistema de Sólo Registro Paging...........................................................................45

Fig. 2.17 Sistema de Reconocimiento Paging. .....................................................................46

Fig. 2.18 Sistema de Mensajes Cortos. .................................................................................47

Fig. 2.19 Reuso de Frecuencia del Canal de Retorno...........................................................49

Fig. 3.1. Metodología propuesta para el desarrollo del diseño NPCS. .................................52

Fig. 3.2 Diagrama a bloques del sistema NPCS propuesto. .................................................57

Fig. 3.3. Zona de servicio para el diseño NPCS.(1) región esencialmente plana, (2) parte en

la que predomina una colina alta (504 m SNM), (3) zona con múltiples colinas

consecutivas, y (4) región cercana al mar.....................................................................61

Fig. 3.4 Contornos Okumura para el sitio de transmisión 1. ................................................66

Fig. 3.5 Contornos Bullington. a) 50 W de transmisión, b) 200 W de transmisión. ...........69

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Fig. 3.6 Simulación F Bullington, sitio 2, con antena de sector 60° y simulación C

Bullington para el sitio 1...............................................................................................71

Fig. 3.7 Simulación G Bullington, sitio 2, con antena de sector 37° y simulación C

Bullington para el sitio 1...............................................................................................72

Fig. 3.8 Contornos Carey F(50,50) para una intensidad de campo eléctrico de 40.8

dBµV/m. .......................................................................................................................73

Fig. 3.9 Cobertura simulcast para el sistema de envío NPCS propuesto..............................75

Fig. 3.10 Diseño de cobertura celular para la etapa de retorno de la red NPCS. Contornos

Okumura 40 dBµV/m. ..................................................................................................79

Fig. 3.11 Curvas E1,N para calcular el número de canales a partir del tráfico y de la

probabilidad de bloqueo................................................................................................81

Fig. 3.12 Representación de la etapa de retorno para el diseño NPCS.................................83

Fig. 3.13 Distribución del reuso de frecuencia para el diseño celular. .................................85

Fig. 3.14 Perfil del enlace de microondas del sistema de retorno. .......................................88

Fig. 4.1 Diagrama del acceso ALOHA para el sistema NPCS propuesto. ...........................91

Fig. 4.2 Esquema del acceso ALOHA/TDMA/Espacio propuesto. .....................................93

Fig. 4.3. Efecto del acceso al canal al omitir el retraso de tiempo de trama. Se muestra el

ejemplo para la célula tipo Ia. .......................................................................................94

Fig. 4.4 Representación del sistema de acceso propuesto. ...................................................95

Fig. 4.6 Probabilidad de no colisión (P) y colisión (Q) de paquete en función del número de

usuarios por célula que transmiten a lo máximo un mensaje. Para a=0.04, Cu=88 y

Cr=22. .........................................................................................................................101

Fig. 4.7. Interferencia de co-canal para el grupo de células tipo II. ...................................105

Fig. I.1 Diagrama del proceso para la obtención de contornos Bullington, Carey y Okumura

mediante el programa TAP de Softwright Inc ............................................................112

Fig. II.1 Patrones a) horizontal y b) vertical de la antena utilizada para las simulaciones

Okumura, Bullington y Carey para el sitio Cerro Colorado, en el proceso de envío.

(Simulaciones A, B, C, D y E)....................................................................................113

Fig. II.2 Patrones a) horizontal y b) vertical de la antena utilizada para las simulaciones

Bullington para el sitio Lázaro Cárdenas, en el proceso de envío.(Simulación F ) ....113

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Fig. II.3. Patrones a) horizontal y b) vertical de la antena utilizada para las simulaciones

Bullington para el sitio Lázaro Cárdenas, en el proceso de envío. (Simulación G ) ..114

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LLiissttaa ddee TTaabbllaass Tabla 2.1 Tipos de formatos para el sistema paging.............................................................23

Tabla 2.2 Tipos de servicios Paging. ....................................................................................23

Tabla 2.3 Palabra código por trama. .....................................................................................27

Tabla 2.4 Tipos de pagers .....................................................................................................33

Tabla 2.5 Número de canales para diferentes anchos de banda............................................38

Tabla 2.6 Capacidad del canal respecto a velocidad de transmisión. ...................................40

Tabla 2.7 Protocolos aplicados para sistemas NPCS............................................................41

Tabla 3.1 Especificaciones del protocolo ReFLEX50..........................................................58

Tabla 3.2 Resumen de modelos de propagación...................................................................63

Tabla 3.3 Simulaciones Bullington para el sitio 1. ...............................................................67

Tabla 3.4 Resultados de la simulación Bullington con diferentes tipos de antenas para el

sitio 2.............................................................................................................................70

Tabla 3.5 Especificaciones del equipo portátil de radiocomunicación.................................76

Tabla 3.6 Resultados del estudio de cobertura de la etapa de retorno, aplicando el modelo

Okumura.. .....................................................................................................................78

Tabla 3.7 Estudio de crecimiento de tráfico. ........................................................................81

Tabla 3.8 Características del sistema de retorno inalámbrico. .............................................83

Tabla 3.9. Relación de k para diferentes valores de C/I. ......................................................85

Tabla 3.10. Resumen del sistema celular de retorno. ...........................................................86

Tabla 3.11 Características de las frecuencias de microondas disponibles............................87

Tabla 4.1. Resumen de cálculos para el acceso TDMA. ....................................................100

Tabla 4.2. Intensidad de campo eléctrico y potencia en el receptor de la célula 4 .............104

Tabla III.1.Resumen del Cálculo de Microondas ...............................................................117

Tabla III.2. Pérdidas del sistema satelital ...........................................................................121

Tabla III.3. Resumen del cálculo satelital...........................................................................123

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LLiissttaa ddee AAccrróónniimmooss AGL Altura Promedio respecto al Suelo. BMIC Tarjeta de Interfaz de Memoria de Buffer. BSC Controlador de Estación Base CDMA Acceso por Multiplexión de División de Código CPT Tono de Progreso de Llamada. CPU Unidad Central de Procesamiento. DID Marcación de Entrada Directa ERP Potencia Irradiada Efectiva ETE Marcación de Extremo a Extremo. GPS Dispositivo de Posicionamiento por Satélites. LCC Tarjeta Controladora de Enlace. LNB Bloque de Bajo Ruido. NMS Servicio de Administración de Red. NOC Central de Operaciones de Red. NPCS Sistema de Comunicaciones Personales de Banda Angosta OAP Central de Mensajería Asistida por Operadora O&M Administración de Operaciones PCS Sistema de Comunicaciones Personales POCSAG Grupo Consultivo de Estandarización de Código para Oficinas Postales. PSTN Red Telefónica Pública de Conmutación. QoS Calidad de Servicio SCPC Canal Único por Portadora TAS Servicio Asistido Telefónico. TNPP Protocolo Paging de Red Telocator UOE Codificador de Salida Universal. VME Ducto de Tarjeta de Tecnología Europea Versa Module. VSAT Terminal de Apertura muy Pequeña VSB Tarjeta de Almacenamiento de Voz. Wmapi Interfase de Programación para Aplicaciones de Mensajería Inalámbrica

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CCaappííttuulloo 11

IInnttrroodduucccciióónn 1.1 ANTECEDENTES.

En la obtención de un sistema de comunicaciones personales (PCS), los aspectos de

movilidad, el medio y la energía han sido formidables obstáculos que se han ido

subsanando gracias al avance de la tecnología en este aspecto. En este contexto,

actualmente se dispone de cuatro conjuntos de servicios con sus correspondientes

protocolos: teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos de uso doméstico, computación

móvil y radiolocalización móvil de personas (“paging”, en adelante se utilizará este

término). Todos éstos aparecieron en los 70’s y 80’s como servicios y productos separados.

Debido a la demanda del público por las comunicaciones personales, todos ellos atrajeron

grandes intereses de los mercados en los 90’s.

Concretamente en México, en 1994 se realizaron las subastas para la tecnología

PCS en aplicaciones de tipo celular. Los proveedores de servicios PCS actualmente

compiten con los dos operadores de telefonía celular tradicional para cada una de las nueve

regiones en todo el país. Aunque algunos operadores de telefonía celular comenzaron a

introducir sistemas digitales, la tecnología PCS es la primera que ofrece de una manera

abierta y al mayoreo la introducción de servicios de comunicaciones digitales en México.

También en ese mismo año se realizaron acuerdos internacionales con los Estados Unidos

relativos a la asignación de bandas de frecuencias para los servicios terrestres de

comunicaciones personales, excepto para radiodifusión, en las bandas de 901-902, 930-931

y 940-941 MHz, correspondientes al sistema PCS de banda angosta. El siguiente paso de

las comunicaciones personales en México será la integración de la computación móvil

mediante los servicios PCS que ofrecerán, al emplear tecnologías como CDMA,

conexiones seguras y de calidad para la transferencia de datos y servicios como Internet

inalámbrico.

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Siendo las Comunicaciones Móviles una de las áreas más importantes del sistema

de comunicaciones personales a nivel internacional, es esencial que el envío o la

transferencia de información cumpla con ciertas características mínimas de calidad y

seguridad.

De esta manera, el término PCS se adapta a la definición:

Un sistema de comunicaciones personales(PCS) que proporciona a los

usuarios, acceso inalámbrico a servicios de información [1].

Esta es una definición muy amplia que se aplica a una variedad de sistemas

existentes y futuros. Como características de los Sistemas de Comunicaciones Personales,

se pueden citar:

§ Dispositivos de Información Personal

§ Dirección personal

§ Perfil personal

§ Disponible en todas las localidades

§ Suscriptores móviles

§ Múltiples Formatos de Información.

El sistema de radiolocalización móvil de personas (sistema “paging”) es el

precursor más antiguo de los servicios de comunicaciones móviles; es el más simple y

como consecuencia el menos costoso. El sistema paging típicamente es un servicio de una

vía y toda la información viaja desde una estación central de control de operaciones de red

(NOC, Network Operation Central) hacia el usuario. Otra razón por la cual el paging es

relativamente más simple, es que utiliza estaciones radiobase, que pueden ser diseñadas

para radiar alta potencia, dando lugar una cobertura de áreas más grandes con respecto a

las radiobases utilizadas en la telefonía celular.

A medida que la tecnología de paging progresa, los formatos de información se

vuelven cada vez más diversos y complejos. El equipo de radiocomunicación móvil

(pager) más simple no hace más que avisar a su usuario cuando alguien quiere contactarlo,

así la persona con el pager entonces hace una llamada telefónica para enterarse del

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mensaje. Los pagers introducidos en 1990 son más sofisticados, de hecho algunos

despliegan el número telefónico de la persona que lo está tratando de localizar. Otros

reciben mensajes de texto, incluyendo correos electrónicos. Los pagers más avanzados,

reciben correo de voz en forma de conversación digital pregrabada.

Debido a su naturaleza, el sistema paging es un servicio que requiere gran atención;

no obstante, unas cuantas compañías han sido capaces de operarlo en modo automático.

Obviamente, los codificadores de reconocimiento de voz, serían un adelanto para el

sistema paging, y su llegada significará el fin de una era para el operador de un tablero de

conmutación. Los sistemas de reconocimiento de voz no son aún una alternativa

económica, pero su inicio estará probablemente a la vuelta de unos pocos años.

La industria de radiolocalización ha sido, por mucho tiempo, una industria no

regulada en el sentido de que es común encontrar varios operadores en una ciudad o

región. Esta competencia ha sido bien vista por la industria en general, lo que para otros

tipos de comunicaciones móviles, no es posible.

Actualmente en México el sistema paging ofrece una gama de servicios digitales

derivados del protocolo utilizado. Entre los servicios más comunes que proporcionan las

empresas están: el servicio básico de envío de mensajes por operadora, el envío de

mensajes de grupo, el envío directo de mensajes a la clave o claves determinadas por el

usuario, la identificación del número telefónico que ha enviado un mensaje (sin

intervención de Operadora, mensajes preformados) y el servicio informador de correo de

voz. El costo básico de este servicio es de aproximadamente 130 pesos mexicanos

mensuales[2].

El servicio de paging de dos vías en México está siendo apenas explorado,

solamente algunas empresas han iniciado este servicio y la cobertura es solamente en las

principales ciudades del país ( Distrito Federal, Guadalajara y Monterrey), cubriendo toda

la zona metropolitana y municipios vecinos de estas ciudades. Entre los servicios que se

proporcionan están: recepción de mensajes ya sea por Internet o a través de una operadora,

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envío y recepción de correo electrónico, enviar mensajes a radiolocalizadores de una o dos

vías, posibilidad de enrutar una cuenta de correo electrónico al radiolocalizador de dos

vías. Las tarifas de este servicio van desde 285.00 pesos mexicanos mensuales, que

consiste en entrega de 315 páginas de 80 caracteres máximo, hasta de 1090.00 pesos

mexicanos para la entrega de un número ilimitado de páginas[2]. Las redes paging de dos

vías en México usan el espectro en la banda de los 900 MHz desde 1993, según NOM-083-

SCT1-19931. El tipo de mensajes que se pueden enviar con un sistema de dos vías no ha

sido limitado, pero debido al ancho de banda restringido, probablemente no será práctico

enviar mensajes más largos que 500 caracteres.

1.2 OBJETIVO.

Diseñar un Sistema de Radiolocalización Móvil de Personas de Banda Angosta de

dos Vías que se ajuste a las Normas de Telecomunicaciones en México y a los acuerdos

internacionales para la frontera entre México y Estados Unidos. El diseño considerará los

efectos de relieve de la zona de servicio y estará basado en equipos disponibles en el

mercado actual de las radiocomunicaciones, así como en estándares de comunicaciones

decir, el enfoque del diseño será en un sentido práctico.

El diseño considera la simulación de los modelos de propagación seleccionados.

Para el sistema de acceso se presenta un modelo que se resuelve para las condiciones de

tráfico en hora pico en la etapa de retorno. La simulación y el análisis probabilístico

detallado del sistema de acceso están fuera del alcance de la tesis. El diseño se comparará

con sistemas PCS reportados en la literatura debido a que no se cuenta con información

reportada de sistemas NPCS funcionando actualmente en México.

Cabe mencionar que el trabajo presentado se desarrolló bajo un ambiente

desfavorable de información sobre sistemas NPCS disponible en la literatura de la

comunicaciones, tampoco se encontraron tesis sobre sistemas NPCS en México para

1 PROYECTO de Norma Oficial Mexicana NOM-083-SCT1-1993, Instalación y operación de estaciones

destinadas al servicio de radiolocalización móvil de personas.

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Hugo Torres

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comparar los resultados obtenidos. Sin embargo, se ha utilizado literatura de sistemas de

comunicaciones paging, telefonía celular y PCS como base esencial para completar el

objetivo propuesto. Para auxiliarse en el desarrollo de la etapa de envío de la red NPCS, se

basó en un sistema paging trabajando con tecnología Glenayre.

1.3 ALCANCES.

En el desarrollo de la tesis se plantearon las siguientes metas:

§ Estudio de la tecnología NPCS (Narrowband Personal Communications System) y su

aplicación tomando en cuenta los aspectos regulatorios en México y acuerdos

internacionales entre México y Estados unidos.

§ Desarrollo de una metodología adecuada para el diseño de un sistema NPCS de acuerdo

a una serie de premisas establecidas.

§ Resolver el problema de propagación para la etapa de envío y retorno que involucra una

zona compleja, es decir, una región que consiste en la combinación de varios tipos de

terrenos.

§ Proponer un sistema NPCS a bloques completamente inalámbrico para la zona de

servicio.

§ Determinar el modelo de tráfico que caracteriza al sistema NPCS para la zona de

servicio en cuestión.

§ Implementar el sistema de retorno aplicando tecnología de comunicaciones actualmente

existente.

§ Proponer un sistema de acceso para la etapa de retorno.

1.4 ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO.

En el capítulo 2 se presentaran los conceptos fundamentales de la tecnología

inalámbrica NPCS, en donde también se expondrán de forma esquemática las diferentes

arquitecturas existentes.

En el capítulo 3 se lleva a cabo el análisis y estudios de propagación considerando y

justificando la aplicación de los modelos de propagación Carey, Bullington y Okumura. Se

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Hugo Torres

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analiza el modelo de tráfico para la zona de servicio en cuestión, se desarrolla el sistema

NPCS mediante una serie de tecnologías de comunicaciones para la parte de envío, donde

se aplica la tecnología simulcast. Finalmente, para la parte de retorno se utiliza la técnica

celular y se implementa un sistema de acceso múltiple.

En el capítulo 4 se propone un sistema de acceso nuevo que organiza y controla la

comunicación para la trayectoria de retorno, es decir, desde el usuario hasta la NOC. Se

realiza un análisis sobre tráfico para la trayectoria de retorno y se presenta un estudio de

interferencia co-canal considerando el diseño celular del capítulo 3 y el estudio de tráfico

de retorno.

Se ha incluido el capítulo 5, en el cual se mencionan los resultados y conclusiones

de esta tesis; así como también se hace énfasis sobre los trabajos futuros y aportaciones

que genera este trabajo de investigación.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

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TTeeccnnoollooggííaass IInnaalláámmbbrriiccaass NNPPCCSS En este capítulo se explica la tecnología que hace posible los Sistemas de

Radiolocalización de Personas de una y dos vías, y se presenta a NPCS como la siguiente

generación del sistema de comunicaciones paging. Es importante mencionar que las

descripciones se proporcionarán a nivel esquemático o de bloques, y no se especificarán los

circuitos electrónicos incluidos en cada etapa, debido a que no es el propósito de este

trabajo de tesis. Los sistemas de comunicaciones aquí expuestos se describirán como redes

capaces de interactuar con otras tecnologías de telecomunicaciones. Para auxiliarse en la

comprensión de los temas, se ha utilizado la tecnología canadiense Glenayre, aunque cabe

mencionar que existen otras compañías que actualmente han penetrado en México como

Motorola y Zentrom.

2.1 EL SISTEMA DE RADIOLOCALIZACION DE PERSONAS

Un servicio Paging básico consiste en un sistema de envío de mensajes que

provienen de usuarios (llamadores) localizados en un red telefónica pública, los mensajes

se reciben en forma numérica o alfanumérica en un equipo portátil de comunicación (pager,

que posen los suscriptores del servicio paging) mediante un enlace inalámbrico de una vía

que permite un acceso continuo a un suscriptor fuera de la red de comunicación alámbrica

[3]. La industria de paging se inicia con los primeros sistemas de radio móvil iniciados por

el Departamento de Policía de los Estados Unidos a principios de 1921, cuando el concepto

de radiodifusión de una vía fue introducido. En la década de los 30’s se notó la

proliferación del radio paging por las agencias de gobierno, departamentos de policía y

fuerzas armadas de los EUA, usando poderosos transmisores para radiodifundir mensajes

de voz desde un sitio estacionario (estación base) a una unidad móvil. De un servicio de

radiodifusión de voz, el sistema paging evolucionó a un servicio digital con capacidad de

direccionamiento, con lo cual los mensajes podrían ser dirigidos a pagers específicos. Los

primeros modelos de radio pagers, no tenían pantalla ni almacenamiento de mensajes.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

17

El código POCSAG (Post Office Code Standardisation Advisory Group) que

permite alojar dos millones de códigos debido a que es un formato digital, permite expandir

la capacidad de usuarios en una red paging, proporcionando servicios de entrega de

mensajes alfanuméricos. Este formato paging se desarrolló en 1976 por un grupo

internacional de ingenieros. Otros códigos, como el GSC y el tono 5/6, se usan todavía en

algunos mercados de comunicación. Posteriormente apareció una nueva generación de

protocolos de paging: FLEX, el cual ofrece a los usuarios de paging velocidades de

mensajería rápidas, con mayor capacidad y confiabilidad.

Actualmente los sistemas paging de una vía han migrando a protocolos como el

FLEX, proporcionando servicios que van desde simples mensajes numéricos hasta

mensajes alfanuméricos que pueden recuperarse vía correo electrónico, mediante una

cuenta reconocida por el proveedor del servicio paging. También se ofrecen servicios de

transmisión de mensajes en grupo, que pueden enviarse a través de una página de Internet.

El servicio identificador proporciona información del número de teléfono desde donde el

mensaje ha sido enviado, siempre y cuando haya ingresado al sistema sin intervención de la

operadora, mediante un número de identificación personal.

El servicio de paging requiere de un sistema de enlace para llevar la señal paging

que contiene los mensajes de los llamadores y que deben entregarse a los suscriptores, es

decir, esta información debe enviarse desde la estación maestra hasta cada uno de los sitios

donde se encuentran ubicados los transmisores de RF. Para esto se han utilizado

tradicionalmente las líneas telefónicas, las redes públicas de datos, los radioenlaces en

VHF-UHF, los enlaces de microondas y los enlaces satelitales (Ver figura 2.1).

La ubicación de los transmisores paging depende de la cobertura deseada, y se

determina mediante estudios de propagación y generalmente se encuentran en sitios altos y

poco accesibles, por lo que las líneas telefónicas y los enlaces de redes públicas de datos

son caros y requieren líneas físicas para ir a los transmisores RF de paging. Los

radioenlaces de VHF-UHF y los enlaces terrestres de microondas (enlaces cortos) cubren

CITEDI-IPN

Hugo Torres

18

distancias o regiones limitadas, en consecuencia se requieren múltiples saltos con varios

repetidores de enlace.

Un enlace satelital puede considerarse como un radioenlace de dos saltos y como un

repetidor de enlace. Su ventaja es que la señal de satélite puede cubrir una área

extremadamente amplia que proporciona la capacidad de una expansión futura de la

cobertura del sistema. Un sistema de comunicación por satélite con acceso SCPC (Single

Channel per Carrier), incluye una terminal de paging, un codificador, un centro de subida al

satélite y un sitio de paging remoto. La configuración real puede variar según el diseño y la

topología. Toda información entre terminales de paging remotas se realiza mediante un

protocolo de comunicación estándar de paging: TNPP (Telocator Network Paging

Protocol). Se dispone de una tarjeta controladora de enlace (LCC, Link Controller Card).

EL LCC convierte los datos de paging en una señal de enlace digital, y se envía al repetidor

de enlace localizado en el centro de subida del proveedor de servicios satelitales[4]. El

equipo de subida produce una portadora de RF que es modulada por la señal de enlace

digital, posteriormente la señal de RF de subida se recibe mediante el satélite y es

retransmitida en una frecuencia de portadora diferente como la señal de bajada. La señal de

bajada es detectada en cada uno de los sitios de servicio paging mediante receptores

satelitales y trasladada a los transmisores de RF de Paging para su emisión final a los

equipos terminales o pagers.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

19

Enlace satelital

Enlace de microondas

Enlace por línea telefónicao red de datos

Enlace UHF o VHF

Antena de subida

al satélite

Sistema decomunicaciones

paging

Antena derecepción de

satélite

Antenatransmisora

paging

Transmisorpaging

Receptorpager

Estación MaestraRegión de Servicio Paging

Fig. 2.1. Métodos para enviar la señal paging desde la estación maestra hasta los sitios de servicio: enlace satelital, enlace UHF o VHF, enlace de microondas y enlace por línea telefónica o red datos.

2.1.1 Descripción de una Red Paging basada en enlaces satelitales

En la figura 2.2 se muestra un diagrama a bloques de un sistema paging típico. La

central de operaciones de red (NOC, Network Operation Central) recibe las solicitudes de

mensaje de los llamadores, éstas son enrutadas hacia una terminal asistida por operadora,

donde se formará una cola de solicitudes. Cada solicitud de mensaje, proveniente del

llamador, será atendida por una operadora que ingresará el mensaje en una terminal. La

información obtenida por la operadora se envía al codificador local, éste verifica el estatus

del suscriptor, así como los servicios disponibles y la cobertura asignada hacia el cual se

dirigirá el mensaje. Si el suscriptor posee los atributos adecuados en su cuenta, la

información ingresada por la operadora se codificará con el formato del protocolo

seleccionado; pero si el suscriptor no posee una cuenta válida, se avisará a la operadora

para informar al llamador que el servicio es denegado.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

20

Satélite decomunicaciones

Sitios remotos enlazados al

codificador localpor la red TNPP

Codificadorlocal de laterminalpaging

GL-3000

LCC

Antena de subida

al satélite

Equipo desubida alsatelite

Repetidor deenlace

GL-C2100

Terminalpaging

GL-3000del sitio remoto

Terminalpaging

GL-3000del sitio remoto


satélite

Antenatransmisora

pagingReceptorde satélite

Controladordel transmisor

GL-C2000

Transmisorpaging

Receptorpager

Troncales Central de Operaci n de Redó

TerminalTAS/OAPGL-3930

Audio

Datos TNPP

Operadores

Terminal

Terminal

Llamadores

RedTelefónica

Pública

Fig. 2.2 Diagrama a bloques de la red paging (Glenayre Inc.).

Esta información codificada se envía hacia una estación satelital que transmitirá la señal

codificada al satélite utilizando la modulación y frecuencia adecuadas. Posteriormente, el

satélite envía la señal cubriendo la región donde se encuentran los sitios de transmisión

paging local [4].

El sitio de transmisión local del sistema de radiolocalización consiste

principalmente de un sistema de antena receptora satelital, un sistema transmisor UHF, un

controlador del sistema paging y una antena radiadora con línea de transmisión en la banda

CITEDI-IPN

Hugo Torres

21

de 900 MHz. La señal proveniente del satélite, es recibida por la antena tipo VSAT (Very

Small Aperture Terminal) y convertida por el LNB (Low Noise Block) a una frecuencia

apropiada para la demodulación. La señal del enlace digital vía satélite, es posteriormente

decodificada por el receptor y enviada al equipo de control del transmisor. Mediante una

antena omnidireccional, la señal conteniendo el mensaje del suscriptor se transmite

utilizando la modulación 4FSK con portadora de 930 MHz, de esta manera se cubre un área

local a la cual se proporciona el servicio paging. Todos los radiolocalizadores reciben la

señal 4FSK, pero solamente el que posee la identificación del suscriptor decodifica el

mensaje que le pertenece.

Los esquemas de modulación en sistemas de paging antiguos utilizaban el formato

2FSK, mientras que los nuevos formatos usan modulación 4FSK, con lo cual aumenta la

capacidad de transmitir información al doble, es decir, se utilizan símbolos de 2 bits con la

asignación de niveles mostrados en la figura 2.3. La figura 2.4 muestra la representación de

una señal 4FSK en tiempo para cada uno de los niveles asignados en la figura 2.3.

fo+4.8KHz

fo+4.8KHz

fo-4.8KHz

fo-4.8KHz

fo+1.6 KHz

fo-1.6KHz

00 0111 1001 11

0 1 0 1 1 0

(a)

(b)

fo= frecuencia de la portadora

Fig. 2.3 Asignación de niveles para: (a) 2FSK y (b) 4FSK.

CITEDI-IPN

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22

Am

plit

ud

Tiempo

100100 11

Fig. 2.4 Espectro en tiempo para 4FSK.

Características un sistema paging típico.

§ Sistema Satelital

Estación terrena transmisora

Banda C o Ku

Acceso QPSK/SCPC

FEC 1/2

Sistema VSAT de recepción

§ Transmisión terrestre

Esquema de modulación 4FSK

Cobertura onmidireccional

2.1.2 Formato de codificación binaria.

Los formatos de codificación permiten expandir la capacidad de usuarios en un

sistema paging, integrar métodos de corrección de errores, así como la posibilidad de

ofrecer servicios digitales a usuarios. En los formatos de codificación binaria, los códigos

de direcciones e información que serán enviados a los pagers se codifican en la terminal de

paging en formato binario. Las palabras código binario son enviadas usando la señal de

portadora del transmisor. Se hace que la portadora varíe entre dos frecuencias discretas

CITEDI-IPN

Hugo Torres

23

conforme las palabras código varían entre unos y ceros. El tipo de modulación aplicado es

FSK.

Los formatos codificados en binario proporcionan el siguiente avance y

características sobre los formatos analógicos:

§ Un mayor número de códigos con mayor capacidad de direcciones.

§ Capacidad de multifunción

§ Ahorro por operación eficiente de batería.

§ Excelente corrección de error

§ Velocidad de señalización más rápida.

La tabla 2.1 presenta los formatos de codificación disponibles para el sistema

paging y la tabla 2.2 presenta los tipos de servicios disponibles para cada formato de

codificación.

Tabla.2.1 Tipos de formatos para el sistema paging.

ANALOGICO DIGITAL SINCRONO 2 tonos POCSAG FLEX

Tonos 5/6 Golay NEC

Tabla.2.2 Tipos de servicios Paging.

CODIGO TIPO DE SERVICIO

Formato Tono Voz Numérico Alfanumérico Numérico/Voz Datos Binarios Dos tonos ×× ×× Tonos 5/6 ×× ×× POCSAG ×× ×× ××

FLEX ×× ×× ×× ××

CITEDI-IPN

Hugo Torres

24

2.1.3 Protocolo FLEX.

El protocolo FLEX procede de un grupo de tecnologías inalámbricas creadas por

Motorola Inc., la cual mejora la eficiencia del canal y reduce el costo de los sistemas paging

tradicionales, además de proveer nuevos productos y servicios. El grupo de protocolos

FLEX incluye el protocolo FLEX de una vía y el FLEX de dos vías (ReFLEX). El

protocolo FLEX opera en un canal de 25 kHz y hasta 6400 bps. Al integrar un canal de

respuesta al sistema paging tradicional, el protocolo ReFLEX permite que las portadoras de

los canales suministren un sistema de mensajería de dos vías.

Características

§ Formato síncrono.

§ Puede administrar el uso de energía de la fuente de poder del receptor (“pager”).

§ Base ampliada de suscriptores, hasta 600,000 suscriptores por canal.

§ Tasas de 1600, 3200 y 6400 bps

§ Permite la combinación de otros formatos de paging en el mismo canal.

§ Modulación de 2FSK (desviación 4.8 kHz) y 4FSK (desviaciones 4.8 kHz y 1.6

kHz)

§ Los pagers automáticamente se ajustan a varias tasas de datos

§ Soporta 2 millones de identificadores de suscriptor por canal local y un billón de

identificadores para un área nacional

§ Soporta datos binarios encriptados sin formato.

Requerimientos:

El protocolo FLEX tiene un requerimiento estricto de sincronía que se resuelve

usando receptores GPS (Global Position Satellite) que garanticen una exactitud de

sincronía de ±1 µs. Para hacer posible esto, las páginas deben transmitirse usando el

controlador de transmisor FSK local. Los receptores GPS se localizan en los equipos de

transmisión local de cada sitio paging

CITEDI-IPN

Hugo Torres

25

(1)Designación de Código.

Una palabra de direcciones FLEX estándar se compone de: un ciclo de batería de

dígito uno, una letra y una cadena de siete (corta) o nueve (larga) dígitos, como se muestra

a continuación:

bCa6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 ó b A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

b = rango del dígito de ciclo de batería (0-7 ó 4 por omisión)

C = símbolo alfanumérico adicional (A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K ó L)

a0-6 = dígitos de direcciones cortas (rango de 1 – 2009087)

A0-8 = dígitos de direcciones largas (002101249 – 999999999)

(2)Formato de ciclo.

Un ciclo tiene una duración de 4 minutos y está formado por 128 tramas. Cada

trama es de 1.875 segundos de longitud para cualquier tasa de datos usada. Un segmento de

sincronización se encuentra al principio de cada trama. A la mitad del segmento de

sincronización existe un bloque identificando el número de trama. Dentro de cada trama se

alojan 11 bloques de 160 ms de largo para cualquier tasa de datos. La primera palabra de

código en el bloque 0 de todos los bloques se asigna como una palabra que contiene la

información de la estructura del sistema y de trama. Los bloques restantes se usan para

direcciones, vectores e información de mensaje. La figura 2.5 muestra la definición del

ciclo FLEX en un diagrama a bloques.

(3)Definición de trama.

Como puede observarse en la figura 2.6, una trama se divide en dos partes: la

sección de sincronización que se encuentra al principio, y la sección de información que

consiste en tres campos: dirección, vector y mensaje. El campo reservado para las

direcciones contiene todos los identificadores de usuario (capcodes) de los mensajes que se

transmitirán. Posteriormente se encuentra el campo vector que relaciona la información del

campo de direcciones con la información del campo de mensajes. Este último campo

contiene los datos numéricos y alfanuméricos para las direcciones en esta trama. Cuando el

campo de mensaje no está completamente lleno, las palabras código restantes se llenan con

una palabra código inactiva (ociosa).

CITEDI-IPN

Hugo Torres

26

Trama 0 Trama 1 Trama 2

Bloque 0

Trama 3

Bloque 1

Trama 4

Bloque 2

Trama 5

Bloque 3 Bloque 9 Bloque 10

Trama127

Trama126

Trama127

Ciclo de 128 tramas = 4 minutos

Sinc

roni

zaci

ón

Trama (1.875 seg)

Sinc 1 Sinc 2Inf. de laTrama

Sinc = 115 ms184bits y 1600bps Bloques =160 ms

Palabras de 8 x 32 bits y 1600 bps 2FSKPalabras de 16 x 32 bits y 3200 bps 4FSKPalabras de 32 x 32 bits y 6400 bps 4FSK

Fig. 2.5 Formato de ciclo para el protocolo FLEX.

Bloque 0Bloque 1Bloque 2Bloque 3 Bloque 9Bloque 10

Tiempo de trama completa = 1.875 seg.

160ms

115msCampoDirec.

CampoVector

CampoDatos de Mensaje

Palabras códigono usadas(se llenará conpalabras inactivas)

Sinc.

Fig. 2.6 Definición de trama para el protocolo FLEX.

(4)Tasas de señalización.

El formato FLEX tiene tres velocidades de señalización (tabla 2.3). Las palabras de

campo de datos totales para cada bloque y trama dependiendo de la velocidad de datos son:

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27

Tabla 2.3. Palabra código por trama.

Velocidad de datos(bps)

Palabras código Por bloque

Palabras código por trama

Modulación

1600 8 88 2FSK 3200 16 174 4FSK 6400 32 348 4FSK

(5)Estructura de bloque intercalado.

Para tener una protección en los bloques de una trama, las palabras código se

intercalan para la transmisión. El proceso de intercalado consiste en transmitir el primer bit

de la primera palabra, posteriormente el primer bit de la segunda palabra, y así

sucesivamente hasta terminar con todas las palabras, a continuación se trasmite el segundo

bit de todas las palabras en el orden secuencial descrito, el proceso se repite hasta transmitir

todos los bits de todas las palabras de la trama. Este proceso se usa debido a que en el

ambiente de comunicaciones inalámbricas, la transmisión por intercalado tiene una mejor

inmunidad al desvanecimiento que la transmisión por ráfagas, así se tiene una mayor

probabilidad de corregir un bit perdido de cada palabra transmitida que corregir toda una

palabra de información transmitida por el método sin intercalado. Las transmisiones de

palabras de código intercaladas proporcionan la capacidad de corregir una ráfaga de errores

de 16 bits. El proceso de intercalado se puede apreciar en la figura 2.7.

Bit 1 Bit2 … Bit 32

1 … … 32 1 … … 32 1 … … 32 1 … … 32 1 … … 32 1 … … 32 1 … … 32 1 … … 32

Bit 1

Bits 1 Bits 2 Bits 32

Fig. 2.7 Definición de intercalado.

Transmisión

Palabra 1

Palabra 8

.

.

.

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(6)Estructura Palabra de código genérica

El formato usa palabras código de 32 bits con la distribución mostrada en la figura

2.8, donde se puede notar que la información va contenida en los primeros 21 bits, los bit

de paridad se encuentran en los siguientes 9 bits, el último bit queda ocioso.

1 a 21 22 a 31 32 Bits de información Bits de paridad Bit de relleno

Fig. 2.8 Formato de palabra código

(7)Estructura de la palabra código de campo del mensaje

La palabra código permite 21 bits de información. Para caracteres numéricos se usa

un código de 4 bits, es decir, una palabra código puede contener 5 caracteres numéricos.

Para un código alfanumérico se usa un código ASCII de 7 bits (código reducido), es decir,

una palabra código puede retener 3 caracteres alfanuméricos.

2.1.4 Componentes de la Central de Operaciones de Red.

Como parte principal del sistema de radiolocalización móvil, se encuentra la

estación central de operaciones de red (NOC, Network Operation Central) donde se llevan a

cabo todas las funciones de administración de la red de comunicaciones.

2.1.4.1 La central de conmutación.

El equipo central de conmutación es una terminal de paging digital que procesa las

llamadas telefónicas que entran y automáticamente envía las páginas de información hacia

los transmisores usando formatos de codificación (analógico y digital) y de servicio (tono,

voz, numérico y alfanumérico) apropiados para los pagers de cada suscriptor. El equipo

central de conmutación incluye un sistema de recuperación de correo de voz. Se pueden

almacenar típicamente mensajes hasta de 60 segundos con la tarjeta de Almacenamiento de

Voz (o 320 segundos con la tarjeta avanzada VSB [Voice Storage Board]). Provee una

interfaz entre la Red de Telefónica de Conmutación Pública (PSTN, Public Switch

Telephone Network) y los radiotransmisores, ver figura 2.9.

CITEDI-IPN

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29

Arquitectura de la Central de Conmutación Paging

Se incorporan los siguientes módulos a la NOC.

(a) Tarjeta de la Unidad Central de Procesamiento

Un microprocesador Motorola 68000 16/32 bits con unidades de procesamiento

distribuido sobre las tarjetas de los sistemas periféricos.

(b) Tarjetas de troncales

Las tarjetas troncales son la interfaz de la NOC con la red telefónica, éstas aceptan

señalización de tonos y de pulsos. Pueden ser de tres tipos: de marcación de entrada directa

(DID, Direct Inward Dial), de extremo a extremo (ETE, End-To-End) y Troncales digitales.

(b1)Tarjetas troncales DID

Estas tarjetas reciben los dígitos de dirección del suscriptor de la compañía

telefónica antes de que la llamada sea contestada (como parte del número marcado). Estos

dígitos se usan para localizar el estado del suscriptor en la base de datos. Con el DID el

suscriptor puede tener su propio número telefónico. La figura 2.9 muestra un diagrama a

bloques de una central típica de conmutación paging.

(b2) Tarjetas de extremo a extremo (ETE, End-To-End )

Este tipo de tarjetas no recibe los dígitos de direcciones de la compañía telefónica,

sino que se le pide al llamador que marque los dígitos después de ser conectado. Una vez

que los dígitos son accesados, se localiza el suscriptor en la base de datos.

(b3) Tarjetas de troncales digitales

Estas tarjetas son conectadas directamente a una línea troncal digital desde la

oficina central (C.O). Hay dos versiones a este tipo de tarjetas:

El tipo T1 (sistema Americano). Posee 24 canales funcionando a 1.544 Mbps.

La versión PCM30 (Sistema Europeo). Consiste en 32 canales a 2.048 Mbps. Sistema

adoptado en México para comunicaciones digitales.

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30

(c) Tarjetas Buffer de Voz

Las tarjetas de voz recolectan información de los llamadores. La voz es digitalizada

y posteriormente almacenadas antes de enviarse a los discos duros para un almacenamiento

permanente. Cuando se solicita que la voz se reproduzca a un llamador, el mensaje de voz

correcto se envía desde el disco duro a la tarjeta de VSB, y así reproducida al llamador vía

una tarjeta troncal.

CPU

ALARMAS

FUENTE DE PODER

BU

S D

E A

LA

RM

AS

CP

U

ALARMASIO

CONMUTADOR RAM

CONTROLADORDE DISCO

SCSI

CONTR.DE DISCOFLEXIBLE

VSB VSB

DUCTO DE PERIFERICOS VSB

DUCTO VME

DUCTO DE PERIFERICOS UOE

DUCTO DE TRONCALES

UOE UOETRONCALTRONCAL

PANEL DE DISTRIBUCION

Red TelefónicaPública

BUS DEEXPANSION

PERIFERICOS

DISCOSCSI 1

DISCOSCSI 2

TRANSMISORES

TARJETAS DEADAPTADORPERIFERICO

TERMINAL

IMPRESORA

PUERTOSRS232

#1

PUERTOSRS232

#2

Impresora

Monitor

Modem

Tarjeta deAdaptador

DMA

Ducto deexpansión

DMA

DUCTO DMA

Conector de expansión

SCSI

DUCTO SCSI

DU

CT

O D

E

PE

RIF

ER

ICO

S

Fig. 2.9 Arquitectura de la Central de Conmutación Paging Glenayre GL3000.

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31

Las tarjetas de retenedores de información (buffers) pueden operar en los siguientes modos:

§ De la troncal hacia el área de almacenamiento de datos

§ Del área de almacenamiento a la troncal.

§ Del área de almacenamiento al Codificador de Salida Universal.

(g) Tarjeta de memoria RAM

La tarjeta de memoria RAM es una tarjeta de memoria de ducto VME

(VersaModule Eurocard bus) de propósito general para aplicaciones en sistemas paging y la

Central de Mensajería por Operadora (TAS, Telephone Assisted Service). La tarjeta de

Interfaz de Memoria de Buffer (BMIC, Buffer Memory Interface Card) es la interfaz entre

los Buffers de Voz y el ducto VME.

(h) Tarjeta de Conmutación

Es la interfaz entre el ducto de la CPU y el ducto de periféricos. Provee distribución

de Reloj del Sistema, control de periféricos y funciones de Conmutación para los

componentes periféricos de la terminal paging.

(i) Tarjeta de Codificación Universal (UOE, Universal Output Encoder)

Las tarjetas UOE envían páginas al transmisor de radio paging o al controlador del

transmisor, cada UOE controla un canal de radio. Este módulo utiliza un procesador 6805

para controlar la salida de páginas y para comunicarse con el CPU del servidor. Tiene un

enlace paralelo al CPU del servidor y que se usa para pasar información de control así

como información de mensajes digitales. Esta tarjeta soporta formatos analógicos y

digitales de cualquier tipo de servicio.

(j) Tarjeta de Tono de Progreso de Llamada (CPT, Call Progress Tone)

La tarjeta CPT suministra troncales hasta con siete tonos programables o conjunto

de tonos incluyendo: adquisición, ocupado, aceptar página, timbrado de retorno, y tono de

marcación. Los tonos se transmiten a las tarjetas a través de la vía PCM.

(k) Tarjeta de Interfaz de Caja.

CITEDI-IPN

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32

Cada anaquel de gabinete, o “caja”, tiene una tarjeta controladora en la ranura 0

(ubicada a la izquierda). Esta tarjeta es la interfaz entre las tarjetas de los anaqueles y el bus

periférico principal. La tarjeta controladora de caja determina la dirección del anaquel.

(l) Controladores de Disco Duro.

El sistema utiliza un controlador de disco de tipo SCSI. Este es un estándar que

define los requerimientos físicos, eléctricos y de transferencia de datos.

2.1.4.2 Software

El conjunto de programas de la Central de Conmutación Paging usa un Sistema

Operativo de Multitarea de tiempo real llamado MTOS. Las tareas del programa están

escritas en lenguaje C y en ensamblador 68000 usando un diseño modular, estructurado con

niveles de jerarquía. Un sistema operativo de multitarea permite que varios programas de

aplicación compartan toda la capacidad de procesamiento de computadora como si fueran

ejecutados simultáneamente. Cada aplicación ejecuta sus códigos secuencialmente,

respondiendo a cualquier entrada de los dispositivos involucrados. Sin embargo, se asignan

prioridades a cada tarea, de esta manera una tarea dada tiene que esperar a que una de más

alto nivel se ejecute primero o pueda ser parcialmente culminada para continuar con la

siguiente tarea.

Las prioridades se asignan basándose en la rapidez requerida de la respuesta de

tiempo real. En cualquier momento, cada tarea esta en una de los tres posibles estados:

ejecutando, listo o esperando. El estado de ejecución indica que la tarea se está llevando a

cabo. El estado de listo se refiere que la tarea esta disponible para ser ejecutado pero que el

sistema ha tenido que decidir que se ejecute otra tarea. El estado de espera señala que la

tarea espera a que algún evento ocurra y que se afectuará hasta entonces.

2.1.4.3 Tipos de pagers soportados

La tabla 2.4 resume los tipos de pagers, así como su función y sus modos de

comunicación para el sistema de paging convencional.

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33

Tabla.2.4 Tipos de pagers

PAGER FUNCION MODO DE COMUNICACION

Tonos Timbra

Luz intermitente Vibración

Audible 1 Audible 2 Audible 3 Audible 4

Visual Mecánico

Tonos y Voz Timbra Luz intermitente

Vibración Mensaje de voz

Audible Visual

Mecánico Audible

Numérico Timbra Luz intermitente

Vibración Número en pantalla

Audible Visual

Mecánico Mensaje Leíble

Alfanumérico Timbra Luz intermitente

Vibración Números, Letras

y puntuación

Audible Visual

Mecánico Mensaje Leíble

2.1.4.4 La central de mensajería por operadora

La Central de Mensajería por Operadora (OAP, Operator Assited Paging), figura

2.10, es un equipo de tipo de servicio proporcionado vía telefónica, TAS (Telephone

Assisted Service). La Central de Conmutación Paging y mensajería asistido por Operador

proporciona las troncales de teléfono, rutas de audio y funciones administrativas necesarias,

bajo el control de un procesador que administra un programa almacenado. Este equipo

trabaja en conjunto con la Central de Conmutación Paging, así las llamadas se enrutan

desde la PSTN a la terminal OAP, éste a su vez distribuye los mensajes de voz desde la

Central de Conmutación hacia los operadores OAP a través de una ruta analógica o digital.

Un sistema analógico OAP con dos tarjetas de entrada/salida (E/S) serie soporta hasta 10

operadores. Un sistema digital de tipo Central de Mensajería por Operadora con una tarjeta

de red de interfaz soporta hasta 30 operadores.

Componentes del TAS

Tarjeta de CPU

§ Tarjetas de Disco Duro

CITEDI-IPN

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34

§ Manejador de Disco Flexible

§ Tarjetas troncales DID

§ Tarjetas troncales DOI

§ Tarjetas troncales digitales T1

§ Tarjetas de salida digital PCM-30

§ Tarjetas de Tono de Avance de Llamada

CITEDI-IPN

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35

Fig. 2.10 Diagrama a Bloques de la Central de Mensajería por Operadora.

2.2 TECNOLOGÍA NPCS

Los sistemas NPCS transmiten simultáneamente (simulcast) datos en canales de

envío a través de una zona y emplea canales de retorno para registro de los equipos de

CITEDI-IPN

Hugo Torres

36

radiocomunicación móvil, reconocimientos y respuestas de mensajes cortos. El canal de

retorno opera ranuras de tiempo sincronizadas (TDMA) y no sincronizadas (ALOHA

clásico). El ancho del canal de retorno, así como su número, varían debido a las diferencias

en la arquitectura del sistema y los servicios proporcionados por el sistema [5].

Zona de servicio

Una zona de servicio es una región confinada por la señal transmitida desde puntos

estratégicos con los niveles de intensidad de campo eléctrico que estén dentro de las

especificaciones o regulaciones para la zona en cuestión. La zona de servicio debe ser lo

suficientemente grande para incluir la mayor parte de los sitios donde se encuentran los

suscriptores.

Registro.

Cuando un pager entra a una zona, éste captura uno de los canales de control que se

transmiten en forma simultánea a toda la zona. El pager, entonces transmite un mensaje de

registro al sistema. El sistema responde con un mensaje de reconocimiento provocando que

el pager cese de transmitir.

Entrega de mensaje.

El sistema transmite simultáneamente mensajes de datos a los equipos de

comunicación móvil localizados en toda la zona. Para sistemas de reconocimiento o de

mensajes cortos, el equipo de comunicaciones responde con un mensaje de reconocimiento

después de recibir el mensaje con éxito.

Uso del espectro

Para el protocolo ReFLEX se tienen dos versiones: ReFLEX25 y ReFLEX50. El

protocolo ReFLEX25 opera en una canal de envío de 25 kHz o 50 kHz. En un canal de

25kHz, las velocidades son de 1600, 3200 o 6400 bps. Como segunda opción, se pueden

colocar tres canales en un ancho de 50kHz, donde el canal de retorno es de 12.5KHz a tasas

hasta de 9600 bps. Para el protocolo ReFLEX50, el ancho de banda del canal de envío es

CITEDI-IPN

Hugo Torres

37

50 kHz con tasas de envío máximas de 25600 bps; para el canal de retorno de 12.5kHz se

tienen mensajes de respuesta de 9600 kHz y se ubican en otro rango de frecuencia.

El protocolo ReFLEX usa el mismo conjunto de frecuencias para situar el control

simulcast de una zona dada y la información del mensaje. Es posible subdividir el ancho de

banda total disponible para crear subcanales Por ejemplo, una sección de 50 kHz del

espectro de RF se usaría de la manera mostrada en la figura 2.11 para el protocolo

ReFLEX25 con tres canales. Cada canal se utiliza de manera independiente, expandiendo la

capacidad de usuarios, pero disminuyendo la tasa de transmisión de 6 400 kbps hasta 1 600

kbps, para mantener la misma relación señal a ruido de acuerdo con la regla de Shannon

para la capacidad máxima de un canal de comunicaciones. Para el ejemplo, se utilizan tres

canales de 12.5 kHz con una tasa de transmisión de 1 600 kbps.

Extremode banda

Extremode banda

50kH

z

Canales FSK

9.37

5kH

z12

.5kH

z9.

375k

Hz

Fig. 2.11 Uso del espectro para el protocolo ReFLEX25

Debido a la brecha en los extremos de la banda, mientras más amplia sea la sección

del espectro continuo, más eficiente es el uso del espectro. La tabla 2.5 muestra el número

de canales de control para diferentes anchos de banda de espectro continuo.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

38

Tabla.2.5 Número de canales para diferentes anchos de banda

Ancho de Banda Contínuo Canales de Control 25 kHz 1 50 kHz 3 100 kHz 7

Cabe mencionar que existen también otros protocolos para sistemas NPCS como el

RAMP de Phillips, el ERMES de dos vías de ETSI y el pATC de AT&T.

Características del transmisor

En el diseño de transmisores se deberán considerar ciertas características que actúan

sobre el sistema. El transmisor deberá cubrir un cierto ancho de banda (típicamente 25 kHz

para transmisores convencionales FSK y 50 kHz para transmisores lineales). Los

transmisores FSK convencionales tienen la capacidad de transmitir un canal simple,

mientras que los transmisores lineales pueden transmitir comúnmente hasta 3 canales FSK

simultáneos. De esta manera, los transmisores convencionales están limitados a operar en

zonas que transmiten simultáneamente sólo una portadora a la vez. Los transmisores

lineales se usarán en zonas que requieren más de un canal en simulcast para poder soportar

capacidades de tráfico alto.

2.2.1 Arquitectura del sistema NPCS

La entrada de mensajes hacia la central de conmutación paging se puede llevar a

cabo usando varias técnicas incluyendo servicio telefónico de marcación por tonos,

operadora, Protocolo Paging de Red Telocator (TNPP, Telocator Network Paging

Protocol) o Interface de Programación para Aplicaciones de Mensajería Inalámbrica

(Wmapi, Wireless Messaging Applications Programming Interface). Las terminales paging

se comunican con cualquiera de los controladores de red del sitio que se requiere para

enviar datos paging a la zona donde se encuentra registrado el pager. El sitio de la estación

base emplea un transceptor para el enlace satelital. Los enlaces también pueden ser

circuitos de datos terrestres. La figura 2.12 muestra un sistema NPCS que utiliza un

protocolo ReFLEX.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

39

Un receptor se usa para capturar las transmisiones de los pagers, tales como

registros, reconocimientos y mensajes cortos. Se cuenta también con un equipo controlador

para el transmisor y un receptor GPS en cada sitio para proporcionar sincronización con

propósitos de transmisión simulcast. Las alarmas del sistema y las condiciones

operacionales se reportan a una estación de administración de red (NMS, Network

Management Service).

Enrutador

Director RF

Mensajede Entrada

GPS

GPS

Wm

tp&

RL

SP

AntenasTX/RX

Transreceptor

Receptor

Controlador

TransmisorFSK

Red WmtpTPC/IP

Conmutador CentralPaging

A otrasTerminales Paging

y Directores RF

Red del SitioTCP/IP

Administrador de Red

Frame Relay oCircuitos de Datos

para Enlace de Retorno

Wmtp = Protocolo de Transferencia

de Mensajes Inalámbricos

RLSP = Protocolo de Comparticiónde Enlace Remoto

LC

C

Fig. 2.12 Arquitectura general de un Sistema NPCS.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

40

Planeación de la capacidad del sistema

Capacidad del canal de envío

Un canal típico de envío de 25 kHz operando a 6400 bps tiene una capacidad de

aproximadamente 672 000 palabras código por hora. Cada canal de envío tiene un

encabezado de 6 palabras código. Cada 3 caracteres de longitud de mensaje requiere una

palabra código. Un mensaje de envío de 90 caracteres requiere 90/3 + 6 palabras código.

De esta manera, un total de 18 600 (90 caracteres) mensajes se podrían enviar en una hora

sobre un canal. Esto implica una capacidad de suscriptores de 75 000 usando una razón de

llamadas de horas ocupadas de 0.25.

Capacidad del canal de retorno

Los mensajes de los canales de retorno consisten de solicitudes de registro,

reconocimientos de mensaje y respuesta de mensajes cortos. Todos los mensajes toman la

misma cantidad de tiempo en un canal de retorno. Sin embargo, debido a las ineficiencias

de acceso de canal, cada mensaje ALOHA clásico (por ejemplo la solicitud de registro) se

retransmite 2.7 veces (en promedio) cuando el sistema está completamente saturado. Por lo

tanto, cada registro de zona debe de constar de 2.7 mensajes. Diferentes zonas pueden usar

diferente número de canales de retorno. Cada canal de retorno es 21.5 kHz de ancho y

puede operarse a 800, 1600, ó 9600 bps. (Mientras más alta la tasa de transmisión, se

requerirá más receptores). La capacidad resultante es mostrada en la tabla 2.6.

Tabla.2.6 Capacidad del canal respecto a velocidad de transmisión.

Velocidad (bps) Mensaje por segundo 800 5.87 1600 12.27 6400 41.1 9600 61.9

2.2.2 Parámetros de los protocolos NPCS

La tabla 2.7 presenta un resumen de las características de varios protocolos usados

para el sistema de radiolocalización de la empresa Motorola.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

41

Tabla.2.7 Protocolos aplicados para sistemas NPCS.

Protocolo FLEX ReFLEX25 ReFLEX50 In FLEXion Velocidad (bps)

Envío 6 400 6 400 25 600 112 000 Retorno No disponible 800 – 9600 9600 800 – 9600

Ancho de Banda (kHz) Envío 25 25 50 50

Retorno No disponible 12.5 12.5 12.5 (múltiple)

Subcanales 1 1-3 4 7 Red de TX FM FM Lineal Lineal1

Enlaces (Típicos) Enlaces Satélite Satélite Satélite DDS2 Retorno n/a DDS DDS DDS

Capacidad de Canal (Típica)

600 00 Numéricos, o 100 000

alfanuméricos

= FLEX < 4 × FLEX 50 000 Voz

Servicios principales Numéricos, Paging,

Alfa Paging

Ack Paging, Paging 2-vías

Extendido Alfanumérico

E-mail, Datos

Entrega de voz

Reuso de frecuencia Ninguno Por región Por región Por grupo de células

2.2.3 Sistema FLEX

Las páginas se enrutan desde todos los conmutadores (switches) en la red a un

codificador remoto en el sitio de subida satelital vía TNPP. Toda la codificación FLEX se

realiza por el codificador remoto. El enlace a todos los sitios transmisores es vía satélite y

el canal de envío opera en modo simulcast todo el tiempo. Como puede verse en la figura

2.13, la información de alarmas se envía desde el controlador paging en la estación base vía

módem a través de la PSTN a la consola central de Administración de Operaciones (O&M,

Operations Management).

1 Un Transmisor Lineal tiene la capacidad de transmitir simultáneamente varios canales FSK. 2 DDS (Data Digital Services), Servicios Digitales de Datos.

42

Central deConmutación

Paging

CodificadorRemoto

SubidaSatelital

ConsolaO&M

RX Satelital

Control del TX

TX

PSTN

CentralTNPP

Otras regiones

Datos Paging

Datosde Alarmas

Fig. 2.13 Sistema FLEX.

2.2.4 Sistema ReFLEX

En este sistema los mensajes se enrutan desde un conmutador central en la red a un

Director RF por medio de un protocolo de interconexión en una red TCP/IP. Toda la

codificación ReFLEX se lleva a cabo en el Director RF, y los mensajes codificados se

envían a un sitio de subida satelital. En el codificador remoto, el proceso paging ReFLEX

codificado puede ser multiplexado sobre un enlace con el sistema paging POCSAG o

FLEX. El enlace de la NOC hacia todos los sitios transmisores se realiza vía satélite y

posteriormente se usa un canal de envío que transmite en modo simulcast en una región. El

reuso de frecuencia es posible de región en región debido a la capacidad de registro del

dispositivo ReFLEX. Un ejemplo de arquitectura ReFLEX se muestra en la figura 2.14.

Los receptores del canal de retorno se comunican a través de enlaces DDS de 9.6

kbps hacia el Director RF responsable de la región. El registro del dispositivo del suscriptor

se envía por los Directores RF hacia los conmutadores centrales paging del dispositivo vía

un conmutador avanzado (Interswitch). Para convertir un sistema FLEX en uno ReFLEX se

requiere una actualización de la red del Interswitch, la adición de un Director RF y la

43

infraestructura de un receptor. Los receptores de enlace satelitales, los controladores de

transmisor y los transmisores de cada sitio no requerirían cambios.


Paging

DirectorRF

CodificadorRemoto

SubidaSatelital

ConsolaO&M

RX Satelital

Control del TX

TX

PSTN

Otras regiones

Datos PagingEnrutador Central

(TCP/IP)

Red de DatosDDS

Regional

Receptor

9.6 kbps

Fig. 2.14 Sistema ReFLEX.

2.3.5 Sistema InFLEXion

Para este sistema, ambos canales (envío y retorno) se enlazan desde el Director RF

vía DDS (típicamente de 56 kbps). El enlace satelital no es económico debido al gran ancho

de banda consumido, puesto que cada estación base se alimenta con flujos independientes

de datos.

La transmisión InFLEXion requiere un transmisor lineal, debido a la naturaleza de

la señal transmitida. El control del transmisor lineal es por medio del Controlador de la

Estación Base (BSC, Base Station Controller) requerido para soportar el protocolo

InFLEXion para enlace DDS. Una conexión de marcado PSTN no se requiere en el sitio de

la estación base, puesto que el CEB envía toda la información de supervisión y alarmas vía

DDS al Director RF. El Director RF envía paquetes de alarma sobre una red TCP/IP del

CITEDI-IPN

Hugo Torres

44

Interswitch a la Consola de monitoreo. La figura 2.15 muestra un diagrama a bloques de un

esquema NPCS InFLEXion.


Paging

DirectorRF

Consolade Monitoreo

BSC

TX Lineal

Otras regiones

Datos PagingRuteador Central

(TCP/IP)

Red de DatosDDS

Regional

Receptor

Receptor

9.6 kbps

56 kbpsDDS Multiplexado

sobre T1

Sitio RX único

Sitio RX/TX

Fig. 2.15 Sistema Inflexión.

2.2.6 Sistema de Sólo Registro

Un sistema de sólo registro proporciona servicios similares a un sistema FLEX de

una vía. El sistema de una vía multiplica el potencial de la capacidad del canal de envío por

el número de zonas construidas dentro del sistema y por lo tanto tiene una ventaja

importante sobre el sistema FLEX de una sola vía. En la figura 2.16 se puede notar que este

sistema usa una red pequeña de receptores operando en toda la zona. La red de receptores

se usa solamente para recibir los registros de los pagers. Así, el sistema es capaz de saber

donde están los pagers basándose en una zona. Los mensajes se transmiten en modo

simulcast a toda la zona para dar servicio a todos los pagers registrados en la zona.

Ventajas:

§ Reuso de Frecuencia por Zona.

§ Razón de transmisión más baja que el Paging de Reconocimiento.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

45

§ Canal de Retorno de baja tasa de bits.

Ciudad A Ciudad B

Ciudad C

Conmutador Centralpaging



DRF DRF

DRF

Wmapi Wmapi

Wmapi

Zona 1 Zona 2

Zona 3

= EstaciónBase

Fig. 2.16 Sistema de Sólo Registro Paging.

2.2.7 Sistema Paging de Reconocimiento

Un sistema que ofrece servicio de reconocimiento garantiza la entrega de mensajes

enviados a los pagers operando en el sistema. Un sistema capaz de procesar

reconocimientos de pager ofrece nuevas características sobre los servicios de mensajería de

datos tradicionales, tales como correo electrónico y telemetría. Como en el sistema de Sólo

Registro explicado anteriormente, la capacidad del canal es similar a la del sistema FLEX

multiplicado por el número de zonas en el sistema, y número de canales FLEX simultáneos

por zona.

Un sistema operando en el modo de reconocimiento, figura 2.17, normalmente

requiere más receptores que un sistema de registro. Esto es debido a los altos niveles de

tráfico, haciéndose necesario operar el canal de retorno a una tasa de transmisión de datos

más alta. Además, para un sistema de reconocimiento es necesario proveer una buena

cobertura urbana (incluyendo la penetración de edificios) para evitar en lo posible las

CITEDI-IPN

Hugo Torres

46

retransmisiones. Esto incrementa el número de sitios del receptor, comparado con un

sistema de únicamente registro.

Ventajas del Sistema Paging de Reconocimiento:

§ Mensajería Garantizada.

§ Reuso de frecuencia por zona.

§ Nuevos servicios disponibles.

Ciudad A Ciudad B

Ciudad C




DRF DRF

DRF

Wmapi Wmapi

Wmapi

Zona 1 Zona 2

Zona 3

= EstaciónBase

= Receptor

Fig. 2.17 Sistema de Reconocimiento Paging.

2.2.8 Sistema de Respuesta de Mensajes Cortos

Es un sistema que ofrece respuesta de mensajes cortos (figura 2.18) cuando se

envían mensajes desde los pagers, éste provee la última capacidad en mensajería en los

sistemas de paging de datos. Es sistema capaz de responder sobre un canal de retorno y

además ofrece grandes ventajas sobre los servicios de mensajería de datos tradicional que

hace uso de mensajería asimétrica (respuesta en un tiempo razonable). Ejemplos de estos

servicios son las respuestas de mensajes “enlatados”, es decir, que usa mensajes

preprogramados y respuestas alfanuméricas que proporciona al suscriptor la capacidad de

CITEDI-IPN

Hugo Torres

47

regresar mensajes cortos redactados por el suscriptor en el equipo de comunicación móvil.

Como en el sistema de sólo registro, la capacidad del canal de envío es similar al sistema

FLEX multiplicado por el número de zonas en el sistema, y el número de canales FLEX

simultáneos por zona para determinar la potencia de la capacidad del sistema. Un sistema

operando en la configuración de mensajes cortos normalmente requerirá más receptores que

los sistemas de registro y reconocimiento. Esto se debe a niveles de tráfico más altos en el

canal de retorno, haciendo necesario operar el canal de retorno a velocidades más altas,

reduciendo la sensibilidad del receptor.

Además, para los sistemas de respuesta de mensaje corto es necesario proporcionar

una buena cobertura urbana para evitar un número substancial de intentos (“snowballing”)

ya que las personas que no han recibido una respuesta a su mensaje inicial intentan enviar

el mismo mensaje de nuevo.

Ciudad A Ciudad B

Ciudad C




DRF DRF

DRF

Wmapi Wmapi

Wmapi

Zona 1 Zona 2

Zona 3

= EstaciónBase

= Receptor

Fig. 2.18 Sistema de Mensajes Cortos. 2.2.9 Reuso de Frecuencia

Un sistema siempre toma ventaja del reuso de frecuencia para hacer más eficiente la

utilización del ancho de banda disponible, debido a que esta técnica proporciona una

CITEDI-IPN

Hugo Torres

48

capacidad del sistema más alta sin tener que incrementar los recursos de frecuencia usados

por el sistema. El reuso de frecuencia hace posible utilizar simultáneamente las mismas

ranuras de tiempo para enviar o recibir mensajes hacia o desde múltiples equipos de

comunicación portátiles a través de una zona o subzona.

El reuso de frecuencia es posible en el canal de retorno, pero no tanto como podría

esperarse: el problema es que la antena de transmisión del pager es direccional y el equipo

de comunicaciones móviles puede utilizarse bajo diferentes condiciones de propagación.

Por ejemplo, un equipo de comunicación portátil podría apuntarse hacia el suelo de un

edificio mientras que otro puede ser dirigido hacia fuera del vigésimo piso de otro edificio

alejado unas pocas millas, podría resultar una diferencia de 25 dB en la transmisión de

potencia. Si estos equipos de comunicación estuvieran transmitiendo en la misma

frecuencia al mismo tiempo, el equipo de comunicación portátil localizado a nivel del suelo

probablemente no sería recibido.

Cuando se calcula la capacidad del canal de retorno, los siguientes puntos deben

considerarse:

1. Atenuación entre células.

2. Variación en la potencia transmitida debido a la orientación del pager y localización en

un edificio.

3. Efecto de captura de señales FM.

Para sistemas que trabajan en modo simulcast a través de una zona, el reuso de

frecuencia se calcula para cada zona para transmisiones de canales de envío. Sistemas que

usan where-are-you’s (WRU’s) para localizar los pagers al transmisor más cercano, logran

un reuso de frecuencia entre zonas y subzonas sobre el canal de envío. La figura 2.19

muestra una forma de reuso de frecuencia para un sistema de canal de retorno. El grupo de

equipos de comunicación localizado en la célula “e” y “f1” pueden ser temporizados para

transmitir mensajes de reconocimiento y mensajes alfanuméricos largos al mismo tiempo

ya que estas células no interfieren entre ellas. Sin embargo, los pagers en la célula “d”

deben ser temporizados para transmitir durante diferentes ranuras de tiempo que los

CITEDI-IPN

Hugo Torres

49

equipos de comunicación portátiles en la célula “e” debido a la interferencia generada por

la proximidad de las dos células. Los mensajes no temporizados de los equipos de

comunicación (registros y respuestas cortas) logran reuso de frecuencia dependiendo de

dónde están los equipos de comunicación portátiles entre el área de cobertura y cuántos

equipos tratan de enviar mensajes al mismo tiempo.

Célula b Célula g

Célula c Célula a

Célula d Célula e

Célula f

Célula b1 Célula g1

Célula c1 Célula a1

Célula d1 Célula e1

Célula f1

Fig. 2.19 Reuso de Frecuencia del Canal de Retorno.

2.3 EFECTO DOPPLER PARA EL AMBIENTE NPCS

En el ambiente de comunicaciones móviles se puede suponer que mientras el

usuario esta en movimiento hay tres casos extremos que se deben considerar: La ausencia

de obstáculos, la presencia de solamente un obstáculo y la presencia de múltiples

obstáculos en el entorno de la unidad móvil. Si se supone que la unidad móvil está viajando

en la dirección positiva a una velocidad V y está recibiendo una señal con un ángulo θ con

respecto al plano de movimiento, la señal recibida puede expresarse como [6]:

)]cosVtt(jexp[a)t(s 000 θβ−φ+ω= (2.3.1)

Pager

CITEDI-IPN

Hugo Torres

50

donde β =2π/λ, λ es la longitud de onda, a0 es la amplitud de la señal y φ0 es el ángulo de

fase. Una frecuencia adicional aparece como resultado del movimiento de la unidad móvil y

se debe al efecto Doppler. Esta frecuencia Doppler adicional se expresa como sigue:

fd = fm cosθ

donde,

( )λ

=

θ

λ==

Vcos

Vmaxfmaxf dm (2.3.2)

La modulación en frecuencia resultante de la frecuencia Doppler más alta para una

velocidad V dada es la causa más probable de un cambio Doppler en un receptor móvil.

Esta frecuencia Doppler puede ser positiva o negativa, dependiendo del ángulo de llegada

θ. Aparentemente todas las componentes en una señal transmitida estarán sujetas a este

efecto Doppler. Sin embargo, para el caso de las comunicaciones NPCS el ancho de banda

es estrecho y se puede considerar que todas estarán afectadas de la misma manera [7]. En

resumen, una señal NPCS que se recibe por una unidad móvil desplazándose, no será

redistribuida en frecuencia, sino que la señal permanecerá casi inalterada. Únicamente

habrá un corrimiento global de todas las frecuencias con respecto a una frecuencia de

referencia. Es aquí como el proceso de captura del receptor FM es de gran importancia,

debido a que determinará cuando la señal se perderá cuando se alcance una velocidad

límite.

En este capítulo se ha presentado un panorama general del estado actual de la

tecnología paging y de su evolución a la tecnología NPCS. Para ello se revisaron los

protocolos de comunicación, tipos de modulación y métodos usados en la transmisión de

radiomensajes, etc. Estos conceptos forman la base para la propuesta de diseño de una red

NPCS, establecido como objetivo de este trabajo de tesis.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

51


PPllaanneeaacciióónn yy DDiisseeññoo ddee llaa RReedd NNPPCCSS En el diseño de la red, los servicios a proporcionar están determinados por el tipo de

arquitectura del sistema a implementar y la demanda esperada. Para iniciar el diseño se

parte de un conjunto de premisas; tales como tecnologías disponibles (Capítulo 2),

normatividad vigente en México e infraestructura de redes públicas de telecomunicaciones.

En este capítulo se propone una metodología para realizar el diseño de enlaces de un

sistema NPCS, se presenta el diagrama a bloques del sistema NPCS propuesto, y se

realizan los estudios de propagación y tráfico de la zona de servicio.

3.1 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO NPCS

En esta sección se presenta el procedimiento para el desarrollo del diseño NPCS,

ver figura 3.1. Como punto inicial se tiene las premisas que incluyen especificaciones

técnicas y de normas de comunicaciones nacionales e internacionales. Posteriormente se

seguirá con el desarrollo del diagrama a bloques del diseño propuesto. Los estudios de

propagación consisten en la selección de modelos apropiados para caracterizar la zona de

servicio, así como la simulación para la obtención de los contornos de cobertura. En-

seguida, se realizará un estudio de propagación simulcast par la trayectoria de la NOC al

pager, y un estudio celular para la trayectoria de comunicación del pager a la NOC. Se

llevará a cabo un estudio de tráfico por separado para cada vía de comunicación del sistema

NPCS. Se presenta el diseño de un esquema de acceso que organizará la comunicación para

la vía de retorno del diseño, como se verá este sistema de acceso se ajustará a la tecnología

disponible actualmente en materia de telecomunicaciones. Para validar el diseño celular, se

realizará un estudio de interferencia co-canal y se comparará con resultados típicos

obtenidos de sistemas PCS reportados en la literatura de comunicaciones. Finalmente, para

completar el estudio del diseño NPCS se presentarán los cálculos correspondientes a los

enlaces satelital y de microondas para las vías de envío y retorno, respectivamente; éstos

complementan el diseño NPCS propuesto.

CITEDI-IPN

HUGO TORRES

52

Diseño de una Red NPCS de dos vías

Premisas de Diseño

Diagrama a bloques del diseño NPCS propuesto

Estudios de tráfico para la etapa de envío

Diseño celular para la etapa de

retorno

Estudio de propagación § Etapa de envío § Etapa de retorno

Estudio de interferencia co-canal

Resultados y conclusiones

no

sí

Estudios de tráfico

Sistema de acceso parala etapa de retorno

para la etapa de retorno

Cálculo de enlaces terrestresy satelitales

¿Se cumplen las premisas?

Fig. 3.1. Metodología propuesta para el desarrollo del diseño NPCS.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

53

3.2 PREMISAS DEL DISEÑO

Para iniciar el diseño de la Red es necesario acotarlo para trabajar bajo ciertos

límites debido a que sería impráctico establecer un sistema NPCS general; es decir, debe

estar sujeto a regulaciones de la SCT en México, a acuerdos con Estados Unidos en el área

fronteriza y a condiciones de la zona de servicio.

Servicios a proporcionar:

Los requerimientos que deberá satisfacer le diseño se resumen a continuación:

1. Servicio de envío de mensajes alfanuméricos en ambas vías, envío de datos en ambas

vías para aplicaciones digitales en general, y mensajes de aviso de recuperación de

mensajes de voz.

2. La calidad de servicio del sistema estará basada en el parámetro de latencia; es decir, el

tiempo que toma enviar una mensaje para cada una de las trayectorias de comunicación

mencionadas. Para ambas vías se establece una latencia de 10 s.

3. Se pretende realizar un diseño NPCS completamente inalámbrico.

4. Se propone un grado de servicio de 0.02 para llamadas que entran al sistema paging

desde la red telefónica pública.

5. Obtener los resultados de cobertura más precisos posibles. Para esto, el diseño de

cobertura debe tomar en cuenta los efectos reales del relieve de la región de servicio.

6. El diseño debe ajustarse a estándares de equipos actuales de comunicación, así como en

regulaciones vigentes en materia de telecomunicaciones nacionales e internacionales.

Aspectos regulatorios en México.

Es importante especificar que existen bases regulatorias que hacen viable el diseño

de un sistema de comunicaciones NPCS en México. Estas bases están especificadas en el

Proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM-083-SCT1-1993 donde se incluyen aspectos de

propagación, asignación de frecuencias y límites de potencia de transmisión, para regiones

en el interior de México. También existe un Protocolo Internacional relativo al uso de las

bandas: 901-902 MHz, 930-931 MHz y 940-941 MHz para los servicios de comunicaciones

personales, a lo largo de la frontera común entre México y Estados Unidos de

América[8][10].

CITEDI-IPN

Hugo Torres

54

Entre las especificaciones más importantes de la normatividad NOM-083-SCT1-

1991[8][10], se tienen:

1. En la autorización de estaciones para radiolocalización móvil de personas se

considera el contorno de intensidad de campo eléctrico de 110 µV/m (40.8

dBµV/m) para las bandas de frecuencias de 148 a 174 MHz y de 930 - 932 MHz

como límite aproximado del área cubierta sobre el terreno, libre de interferencia

objetable por parte de otras estaciones de la misma clase.

2. Las bandas en las que hay asignadas frecuencias para el servicio de

radiolocalización móvil de personas son: 30-50 MHz, 148-174 MHz y 930-932

MHz.

3. Las estaciones transmitirán a lo más a la potencia máxima autorizada por la

Secretaría de Comunicaciones y Transportes y en ningún caso las emisiones

sobrepasarán la potencia radiada aparente de 1500 Watts.

Por otra parte, en el Acuerdo Internacional entre México y Estados Unidos de América se

especifican los siguientes puntos[8]:

1. Las bandas de frecuencias serán canalizadas para proporcionar 14 canales con un

ancho de banda de 50 kHz para cada una de las administraciones de comunicaciones

en cada país: 16 canales con 50 kHz de ancho de banda apareados con 16 canales

con 12.5 kHz de ancho de banda; 10 canales no apareados con 50 kHz de ancho de

banda, y 8 canales no apareados con 12.5 kHz de ancho de banda, para un total de

48 canales.

2. Cada administración tendrá un uso primario de 24 canales. Cada administración

tendrá pleno uso de todos los canales más allá de 120 km de la frontera común.

3. La máxima densidad de uso de potencia en cualquier punto de la frontera común o

más allá de ésta no debe exceder de –99 dBW/m2.

4. Una estación base que opere en las bandas 930-931 MHz y 940-941 MHz está

limitada a un máximo de 3500 W de potencia radiada efectiva.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

55

Grado de servicio

Un parámetro importante que mide la confiabilidad de un sistema de

comunicaciones es el grado de servicio que presenta el sistema ante el tráfico a atender.

Para el diseño se especifica un valor de 0.02, es decir, que de 100 intentos para que un

usuario entre al sistema, a lo máximo 2 intentos se tolerarán como fracaso (por norma).

Cabe mencionar que este grado de servicio es sin considerar el grado de servicio que tiene

debido a la PSTN local, que también es de 0.02.

Zona de servicio

La región geográfica a la cual se planea dar servicio NPCS (dadas las

consideraciones complejas de su topografía) es la ciudad de Tijuana, que presenta una

población estimada de 2.5 millones de habitantes (al año 2000)[9]. En el diseño

presentado se estima con impacto en un mercado potencial del 2.5% del total de la

población [9], es decir, el sistema de comunicaciones debe soportar una demanda potencial

de servicio de 62 500 suscriptores entre todos las proveedores de servicios NPCS, de los

cuales se plantea tomar un número real de 10 000 suscriptores para un plazo de 5 años.

3.3 ARQUITECTURA DEL SISTEMA NPCS PROPUESTO.

En la figura 3.2 se muestra el diagrama del sistema propuesto. Este se divide en dos

etapas:

1. La etapa de envío, que es la trayectoria de comunicación desde la NOC hasta los

pagers ubicados en las células. Esencialmente es la misma para un sistema paging

tradicional, ya descrito en el capítulo 2.

2. La etapa de retorno, se define como la trayectoria de comunicación desde los pagers

hasta la NOC. Se utiliza una serie de receptores que funcionan bajo el esquema

celular; de tal manera que se presentan dos posibilidades: el sitio de célula puede

coincidir con el sitio de transmisión de envío, o bien se instalan receptores separados

que capturan la señal transmitida por el equipo de radiolocalización móvil.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

56

El estudio para la etapa de retorno se decidió implementar dos secciones:

a) Etapa 1: Retorno inalámbrico.

La señal se transmite por medio de una red inalámbrica (este sistema se

detallará posteriormente) desde cada una de las células que conforman el sistema de

cobertura de retorno, hasta un receptor (repetidor) ubicado en el sitio 1: Cerro Colorado, el

cual concentra todas las señales recibidas de cada célula. Se seleccionó este sitio para

instalar el repetidor debido a que se tiene una línea de vista desde todas las células de

enlace de retorno, específicamente para el estudio de propagación en cuestión. Además, la

distancia máxima para una recepción aceptable (que de acuerdo a especificaciones del

equipo es de 20 km), es apropiada para enlazar la célula más alejada con el receptor en el

sitio 1.

b) Etapa 2: Retorno de microondas.

Para la etapa repetidora de retorno se propone un equipo de comunicación de

microondas punto a punto trabajando en la frecuencia de 23 GHz. El objetivo de este

equipo, es entregar la información a un Director de RF que trabaja conjuntamente con un

Enrutador para identificar y clasificar la información proveniente de cada célula, para su

posterior envío mediante el sistema paging. Además, se presenta la facilidad de poder

estudiar el rendimiento y tráfico del sistema mediante un equipo de monitoreo que puede

enlazarse vía TCP/IP y capturar la información proveniente de otras regiones para

propósitos de análisis estadísticos de todos los sistemas.

CITEDI-IPN

HUGO TORRES

Satélite decomunicaciones

Sitios remotos enlazados al

codificador localpor la red TNPP

Codificadorlocal de laterminalpaging

Terminalpaging del sitio remoto

Terminalpaging del sitio remoto

Troncales

TerminalTAS/OAP

Enrutador

Datos TNPP

Central de Operaciones de Red

Operadores

Terminal

Terminal

Llamadores

ConsolaO&M

Otras regiones

Datos Paging

Sitio Repetidor

Enlace UHF 380-512MHz

Enlace UHF 380-512MHz

Enlace microondas23 GHz

Sitio de Trasmisión Paging 1

Central(TCP/IP)

TXmicroondas

23GHz

Rxmicroondas

23GHz

LCC

CELULA 1

CELULA 2

Otros accesos

Equipode comunicación

portátil

Equipode comunicación

portátil

Banda Ku

DirectorRF

TX

RX

Receptor

Receptorde satélite

TransmisorLineal

Antena TXOmnidireccional

Antena RX

Antena RX


satélite

TX

Receptor

Red TelefónicaPública

Fig. 3.2 Diagrama a bloques del sistema NPCS propuesto.

57

CITEDI-IPN

Hugo Torres

58

3.3.1 Protocolo para el sistema NPCS.

Puesto que se pretende proveer a los suscriptores con una variedad de servicios

digitales, y se considera la posibilidad de implementar una arquitectura que incluya una

expansión de la capacidad por medio del reuso de frecuencia de tipo celular, es necesario

un protocolo de tipo ReFLEX50 con las especificaciones mostradas en la tabla 3.1,

Tabla 3.1 Especificaciones del protocolo ReFLEX50.

Protocolo ReFLEX50 Tasa de Transmisión (bps)

Envío 25600 bps Retorno 9600 bps

Modulación 4FSK Ancho de Banda (kHz)

Envío 50 kHz Retorno 12.5 kHz

Subcanales (máximo) 4 Red de TX Lineal

Enlaces (Típicos) Enlaces de Envío Satélite

Enlaces de Retorno Servicios Digitales de Datos (DDS).

Capacidad de Canal (Típica) < 4 × FLEX Servicios principales Extendido

Alfanumérico, E-mail, Datos

Reuso de frecuencia Por región Modulación

Envío 4FSK Retorno 4FSK

3.3.2 Frecuencias Asignadas

Para el diseño del sistema NPCS propuesto se requieren tres enlaces inalámbricos:

a) Enlace satelital. Se selecciona el sistema satelital como medio para enviar la

información desde la estación principal hasta cada uno de los sitios que proveerán el

servicio de radiolocalización. Un enlace de tipo satelital tiene las siguientes características:

1. Cobertura completa de la(s) región(es) de servicio.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

59

2. Alta confiabilidad del enlace.

3. Buena relación confiabilidad/inversión.

Para el enlace satelital seleccionado se usa el siguiente servicio:

Banda Ku Acceso SCPC Portadora de 50 kbps QPSK, FEC ½

Los equipos del enlace de subida quedarán instalados en la estación maestra (NOC),

con el propósito de poder tener acceso rápido y eficiente en cualquier momento que se

requiera para el mantenimiento de la red.

b) Enlace Terrestre de Envío. El enlace terrestre de envío es la trayectoria de

comunicación desde cada sitio transmisor hasta los equipos receptores de radiolocalización.

La banda de frecuencia asignada para el servicio NPCS es de 930 MHz a 931 MHz con un

ancho de banda de 50 kHz con modulación 4FSK. Cabe mencionar que son posibles otras

bandas de frecuencia: 901 MHz a 902 MHz y 940 MHz a 941 MHz [8][10].

c) Enlace Terrestre de Retorno. El enlace terrestre de retorno es el medio por cual serán

enviados los mensajes cortos desde los equipos de comunicación móvil hasta las células de

TX y/o RX. Este enlace tendrá las siguientes características:

§ Frecuencia de retorno: 901 MHz

§ Ancho de banda: 12.5 kHz

§ Modulación: 4FSK

§ Sistema de acceso: ALOHA clásico/TDMA/Espacio (Se detallará en el capítulo 4).

3.4 ESTUDIO DE RADIOPROPAGACION

El propósito de esta sección es caracterizar la zona de servicio, para lo cual es

necesario encontrar un método que defina el modelo de propagación más adecuado y con el

cual se puedan realizar los estudios de cobertura para las etapas de retorno y envío del

sistema de comunicaciones NPCS. Cabe señalar lo importante que son estos estudios de

CITEDI-IPN

Hugo Torres

60

propagación, debido a que representan la base sobre la cual se “edificará” el diseño, es

decir, cualquier error de apreciación del modelo seleccionado impactaría en forma severa

sobre los resultados de cobertura y por ende en la planeación de la red.

3.4.1 Características de la zona de servicio.

Como primer paso para la determinar las características de la zona de servicio, es

necesario ubicarla dentro de un mapa que muestre el tipo de relieve. En la figura 3.3, se

muestra región sobre la cual se realizará el diseño (representada por un polígono). Esta

información se obtuvo mediante una base digitalizada con precisión de 3 segundos y un

programa para graficar el relieve llamado Surfer de la Goldensoftware Inc. El polígono se

generó mediante mapas que muestran la mancha urbana de la ciudad de Tijuana[9]. Como

puede apreciarse en la figura 3.3, la región de servicio representa una “zona compleja”, es

decir, ésta es una combinación de varios tipos de relieves:

1. Una región esencialmente plana,

2. Una parte en la que predomina una colina alta (504 m SNM),

3. Una zona con múltiples colinas consecutivas, y

4. Una región cercana al mar.

Otras características importantes que deben considerarse son:

§ La región posee una baja densidad de edificios.

§ Existe una baja densidad forestal.

§ El relieve es de tipo desértico.

Debido a que el diseño se ha enfocado en un sentido práctico, o sea, se pretende

tomar en cuenta las características reales del relieve de la ciudad y satisfacer los

requerimientos de las premisas, el desarrollo del diseño implica cierta dificultad para su

análisis por métodos analíticos. Por lo tanto, se plantea el método de análisis experimental

mediante simulaciones que serán realizadas con la ayuda de un programa de propagación

TAP (Terrain Analysis Package) de Softwright Inc. Es importante señalar que existen otros

programas disponibles para el modelado de propagación como el RFCAD de

Communications Data Services, Inc. y el CELLCAD de LCC International, Inc.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

61

Fig. 3.3. Zona de servicio para el diseño NPCS.(1) región esencialmente plana, (2) parte en la que predomina una colina alta (504 m SNM), (3) zona con múltiples colinas consecutivas, y (4) región cercana al mar.

3.4.2 Selección del modelo de radiopropagación.

El estudio de radiopropagación propuesto se ha dividido en dos partes:

1. La etapa de envío. En esta sección se utilizará la técnica de Simulcast para tener una

mejor eficiencia en el proceso de cobertura.

2. La etapa de retorno. En esta etapa se aplicará la técnica de cobertura celular.

En la literatura de propagación se ha considerado que en un ambiente de radio móvil

una señal de desvanecimiento instantánea que se recibe en un tiempo t, puede expresarse

como[6]:

1

3

4

2

Océano Pacífico

9.38km/div

Contorno de la zona de servicio

Frontera entre México y EUA

CITEDI-IPN

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62

(t)jr(t)es(t) ψ= (3.2.1)

donde ψ(t) es el término para la fase de la señal s(t) y r(t) es el término de la envolvente de

la señal de radio. Este último término puede ser simplificado para su análisis en dos

componentes[6]:

(t)m(t)rr(t) o= (3.2.2)

donde m(t) representa el desvanecimiento de la señal debido a la componente grande,

también llamada componente lognormal y ro(t) es el desvanecimiento multitrayectoria de la

señal, también llamada componente corta o Rayleigh.

Una variedad de modelos experimentales se han desarrollado para predecir la

radiopropagación en sistemas móviles terrestres. Algunos de los modelos que se han

reportado en la literatura se listan en la tabla 3.2.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

63

Tabla 3.2 Resumen de modelos de propagación.

Parámetros de entrada Factores de propagación

Parámetros de salida

Altura de antena

Modelo

Sob

re

ter

reno

pro

med

io

Sob

re n

ivel

de

calle

s

Alt

ura

efec

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Móv

il (1

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m)

Dat

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lexi

ón p

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racc

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por

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edif

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s

Des

viac

ión

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Var

iaci

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zaci

ón

Des

vane

cim

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o po

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Pér

dida

de

tran

smis

ión

med

ia

Bullington N E L E L N N L E E E L N E N N N L L E Egli E N L E N N N N E N N L N N N N N E N E Carey E N N N N N N N N N N N N N N N N L L E Tech. Note 101

N E E E E N L L E E E E N E E L N E E E

R-6602-Lm E L N L N N N N E N N N N N N N N L L E Longley-Rice Pt.-a Pt.

N E E E E N N L E E E E N L E N N E E E

Area Longley -Rice

N E L E N N N N E E E E N N E N E N E E

Okumura N E E E L N L L E E E N N L N N L E N E TIREM E E E E E N N L E E E E N E E N L E E E Regla gen. Electric.

N E L E N N N N L L L L N N N N N E N E

Lee N E L N L N N L L N N L N L N N N N N E Reporte CCIR 567

E L N N N N N N E E E N N N N E N E E E

Bertoni & Walfisch

N E L E L E N N E E N N N N N N N N N E

Descripción: N = No tratado, L = Tratado en forma limitada, E = Extensamente tratado.

3.4.3 Estudio de la parte de envío

En el estudio de envío se propone demostrar que la zona de servicio presenta

características donde predomina la componente lognormal debido a que las variaciones de

terreno de propagación son más relevantes que la baja densidad de edificios que

contribuyen en gran medida a la componente Rayleigh.

Para demostrar esta hipótesis se seccionó dos modelos de propagación:

a) El modelo Bullington, de acuerdo a los siguientes criterios,

CITEDI-IPN

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64

1. Este modelo considera extensamente la distancia del transmisor al punto de análisis,

así como la atenuación por distancia. Se requiere incluir estos parámetros para

precisar cuál es la cobertura de la señal, especialmente para respetar los tratados

internacionales[8].

2. Los efectos difracción por terreno plano y colinas, y la reflexión por superficie son

extensamente tratados, aunque éste último en menor grado. Estas propiedades son

necesarias debido a que casi el 50% de la zona de servicio se caracteriza con un

terreno con colinas consecutivas que producen especialmente efectos de atenuación

de la señal por difracción.

3. El modelo es geométrico[7][11]. Siendo un modelo geométrico, o bien no

experimental, no se han tomado en cuenta los efectos de desvanecimiento de

multitrayectoria; es decir, el modelo Bullington incluye únicamente la componente

lognormal. Esta característica será de gran utilidad para determinar el tipo de

desvanecimiento que predomina en la zona de servicio.

b) El modelo Okumura, en base a las siguientes características,

1. El modelo es experimental. Este modelo fue determinado para un ambiente de radio

móvil donde predomina un alto efecto de desvanecimiento por multitrayectoria (alta

densidad de edificios), es decir, esta característica predomina sobre la componente

lognormal[7][11].

2. Este es un modelo que incluye una variedad de factores de corrección que facilitan la

caracterización del terreno de estudio[7][11][12].

3. El modelo considera la distancia desde el transmisor. Además, la propagación por

espacio libre es extensamente tratada.

Para realizar el estudio se utilizó un simulador que emplea un modelo geométrico y

uno experimental: Modelos Bullington y Okumura, respectivamente, para calcular los

contornos de campo eléctrico de 40.8 dBµV/m y se analizaron los resultados. Como sitio de

prueba se eligió el Cerro Colorado (Sitio 1, 32º28’24’’N, 116º53’47’’W) debido a que es

un punto localizado dentro de la zona de servicio y por su altura con respecto al nivel del

mar; es decir, se prevé una buena cobertura [7][11]. Los estudios de propagación que se

presentan en este trabajo se realizaron utilizando el programa Terrain Analysis Package

CITEDI-IPN

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65

(TAP) versión 3.0b de Softwright Inc.(Anexo I)[13]. Además, se usó una base de datos

digitalizada de la zona de Tijuana con resolución de 3 segundos.

3.4.3.1 Simulaciones con el modelo Okumura

Como primera simulación se seleccionó el modelo Okumura, debido a que éste es

un modelo experimental orientado para un ambiente en el que predomina el

desvanecimiento de multitrayectoria [7][11][12][14].

Para estos experimentos se realizaron simulaciones sin incluir algunos factores de

corrección bajo las siguientes consideraciones:

a) Cuando no se incluyen los factores de corrección para las regiones con colinas

sucesivas, se está considerando todos los valores de la base de datos. Es decir, se

están obteniendo resultados precisos (no promedios).

b) Los factores de corrección orientación por calles, colinas aisladas y desnivel de

trayectoria promedio no se consideraron con el propósito de favorecer los efectos de

propagación, debido a la naturaleza multitrayectoria del modelo.

Cabe mencionar que no se consideraron las restricciones del modelo Okumura

relacionadas con el tipo de edificios del ambiente (Tokio, Japón) en que fue diseñado el

modelo.

Se llevaron a cabo varias simulaciones con diferentes potencias y se hizo énfasis en

determinar el contorno de intensidad de campo de 40.8 dBµV/m. Se seleccionó una altura

del centro de radiación por arriba del nivel del suelo de 30 m para el transmisor y de 1.2 m

para el receptor, se utilizaron antenas omnidireccionales con una ganancia de 0 dBd. El

propósito de elegir este tipo de antenas es garantizar una cobertura apropiada en las partes

bajas y cercanas al centro de radiación. En la figura 3.4 se muestran los contornos

obtenidos de la simulaciones Okumura para varias potencias de transmisión.

CITEDI-IPN

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66

Fig.3.4 Contornos Okumura para el sitio de transmisión 1.

De la figura 3.4 se puede observar que:

§ Los contornos Okumura no muestran los efectos de borde debido a los obstáculos

topográficos, así como tampoco no se aprecian los efectos en las zonas que representan

claros, donde el campo debería escaparse para tener una cobertura más extendida.

§ Un aumento drástico (300 a 500 W) en la potencia de transmisión no muestra un

aumento significativo en la cobertura de transmisión.

§ Los puntos anteriores corroboran que el modelo Okumura no es adecuado para describir

el comportamiento de la radiación del campo electromagnético para las condiciones

especificadas debido principalmente a que este modelo fue diseñado para un ambiente

donde predomina un desvanecimiento de multitrayectoria (ambiente celular). Por lo

tanto, implica que la componente de multitrayectoria para las condiciones consideradas

no es relevante.

50W

300W

200W

500W

9.38km/div

Sitio 1

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67

3.4.3.2 Simulaciones con el modelo Bullington

A continuación se hicieron simulaciones con el modelo geométrico Bullington. Se

realizaron varias simulaciones con diferentes potencias, resumidas en la tabla 3.3. Los

parámetros de las simulaciones son: ubicación del transmisor, 116°53’47’’ W, 32°28’24’’

N; antena omnidireccional con 0 dBd de ganancia; altura sobre el nivel del mar 540; altura

de la antena transmisora con respecto al suelo (AGL, Average Ground Level), 30 m; AGL

de la antena receptora 1.22 m. Se trazaron 180 radiales1 espaciados cada 2 grados y se

tomaron lecturas de intensidad de campo cada 0.4 m a partir del origen.

Tabla 3.3. Simulaciones Bullington para el sitio 1.

Simulación Potencia Efectiva Radiada (W)

Resultado

A 50 No hay una cobertura completa Efectos de Sombra

B 150 No hay una cobertura completa Efectos de Sombra

C 200 No hay una cobertura completa No hay de efectos de sombras relevantes

D 250 No hay una cobertura completa No hay de efectos de sombras relevantes

E 300 No hay una cobertura completa No hay de efectos de sombras relevantes

Las figuras 3.5a y 3.5b muestras los contornos de radiación para los casos de 50W y

200 W para la simulación Bullington.

1 Los radiales son líneas trazadas desde el centro de radiación en forma de radios, que seleccionan los puntos

de la base de datos para realizar las simulaciones de propagación.

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(a)

__ Contorno Bullington 40.8dBµµV/m. ---- Contorno de la Cd.

Zona de cobertura incompleta

Sitio 1

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(b)

Fig. 3.5 Contornos Bullington. a) 50 W de transmisión, b) 200 W de transmisión.

A partir de los contornos en la figura 3.5 se puede observar que:

§ Aunque ninguna simulación satisface una cobertura completa de la zona de servicio se

muestran efectos de propagación de campo de radiación que obedecen a los efectos de

barreras, donde el campo es retenido, y zonas de claros donde el campo escapa y se

extiende.

§ Aun cuando se incrementa la potencia de transmisión (500 W), no es posible cubrir el

100% de la zona de servicio, esto se debe a efectos de sombras producidas por barreras

del terreno.

§ Con un transmisor de 200 a 250 W es posible cubrir aproximadamente el 80 % de la

zona de servicio.

§ El modelo Bullington presenta un comportamiento más significativo del contorno de

intensidad en comparación de los efectos observados en el modelo Okumura.

__ Contorno Bullington 40.8dBµµV/m. ---- Contorno de la Cd.

Zona de cobertura incompleta Sitio 1

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§ Siendo el modelo Bullington un modelo puramente geométrico, es decir, que no toma

en cuenta efectos de multitrayectoria ni absorción, se puede considerar que con la

potencia de transmisión y bajo las condiciones de operación, los efectos de

desvanecimiento lognormal para el proceso de envío son relevantes.

Después de haber caracterizado la zona de servicio, obteniéndose parcialmente el

diseño de cobertura para la etapa de retorno, se decidió completar el estudio de propagación

instalando un segundo transmisor en la zona Lázaro Cárdenas (sitio 2). Precisamente en la

zona cercana a la región donde se muestran efectos de cobertura incompleta debido a

colinas sucesivas (ver figura 3.5b). Se realizaron dos simulaciones con las siguientes

condiciones comunes: ubicación 32°31’00’’N y 117°06’11’’W, nivel de suelo promedio de

50 m de transmisión, AGL de recepción 1.2 m, 180 radiales, se tomaron lecturas cada 0.4

km, Potencia Radiada Efectiva (ERP, Effective Radiated Power) 200 W. Los resultados de

las simulaciones se presentan en la tabla 3.4.

Tabla 3.4 Resultados de la simulación Bullington con diferentes tipos de antenas para el sitio 2.

Simulación Antena Resultados F Sector de 60° Aproximadamente 80% de la potencia se extiende fuera de

la región de interés. G Sector de 37° Aproximadamente 40% de la potencia se extiende fuera de

la región de interés.

La simulación G, figura 3.7, provee mejores resultados en comparación de la

simulación F, figura 3.6. Al visualizar ambos contornos, se puede concluir que debido a

que el efecto conjunto del sitio 1 y sitio 2 proporciona una cobertura del 95% de la zona de

interés. Por lo tanto, éste es el diseño de radiopropagación más adecuado para la parte de

envío. En el anexo II se muestran los patrones de radiación de las antenas utilizadas para las

simulaciones.

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Fig 3.6 Simulación F Bullington, sitio 2, con antena de sector 60° y simulación C Bullington para el sitio 1.

__ Contorno Bullington 40.8 dBµµV/m. ---- Contorno de la Cd.

Sitio 1

Sitio 2

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72

Fig 3.7 Simulación G Bullington, sitio 2, con antena de sector 37° y simulación C Bullington para el sitio 1.

3.4.3.3 Simulaciones con el Modelo Carey

En esta sección se presentan los estudios de cobertura obtenidos con el modelo

Carey para los sitios seleccionados. Este es un modelo estadístico, F(a,b), que utiliza la

Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de los Estados Unidos de América y la

Secretaría de Comunicaciones y Transportes de México (SCT), y que representa la

intensidad de campo en función de la distancia para propagación bajo condiciones de

terreno promedio. Nótese que a representa la intensidad de campo que excede el a% de los

lugares para el b% del tiempo [15].


G

C

Sitio 1

Sitio 2

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Fig. 3.8 Contornos Carey F(50,50) para una intensidad de campo eléctrico de 40.8 dBµV/m.

Para el estudio propuesto se utilizaron los resultados F(50,50) debido a que

proporcionan mayor información sobre el contorno de intensidad de campo en comparación

de las intensidades F(50,10). En estas simulaciones se aplicó la potencia determinada en el

estudio Bullington (200 W). De la figura 3.8 se puede ver que:

1. Los estudios Carey proporcionan solamente una idea de la propagación en RF para la

banda de 900 MHz en comparación de los resultados obtenidos con el modelo

Bullington.

2. Aunque se utilizan las simulaciones F(50,50) que aparentemente ofrecen una cobertura

apropiada de la zona de servicio, en general no es posible basarse en un

comportamiento de los contornos de propagación Carey debido a que no se afectan

adecuadamente con los obstáculos en la propagación del campo electromagnético.

Contorno Carey 40.8 dBµµV/m. ---- Contorno de la Cd.

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74

Como consecuencia, no es recomendable utilizar los contornos Carey para realizar

diseños de cobertura enfocados a las comunicaciones móviles.

3.4.4 Análisis de la técnica Simulcast

A partir del diseño de cobertura presentado en la figura 3.9 se realiza el análisis de

transmisión simultánea (simulcast) entre los dos transmisores. Simulcast es la técnica de

radiotransmitir información común desde múltiples transmisores en la misma frecuencia, al

mismo tiempo, sobre áreas geográficas comunes [16].

El propósito de la técnica simulcast es reforzar la intensidad de la señal recibida en

una zona de traslape; con ésto se evitan posibles zonas de silencio, es decir, regiones con un

nivel de intensidad menor al seleccionado en el diseño (40.8 dBµV/m). Las señales que

entran a la región de traslape deben estar dentro de un margen de fase común; de esta

manera ocurre un efecto constructivo o reforzamiento de señal. Cuando las señales no se

encuentran en este rango, ocurre el efecto contrario, es decir, efecto destructivo o de

cancelación de señales. Este fenómeno es conocido como dispersión por retraso (delay

spread).

En la práctica la dispersión por retraso ocurre en áreas de traslape de cobertura

simulcast cuando la diferencia en distancia de la trayectoria, con respecto a los dos

transmisores, causa que la diferencia de fase de símbolo exceda ¼ del periodo del mismo.

Para el protocolo seleccionado (ReFLEX50) se tiene una tasa de transmisión de 25600 bps,

con un ancho de bit 39.06µs; utilizando modulación 4FSK, el ancho de un símbolo es el

doble, 78.125µs; es decir, la diferencia de retraso máxima permitida es 0.25×78.125µs; es

decir, tmax=19.5µs.

CITEDI-IPN

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75

Fig. 3.9 Cobertura simulcast para el sistema de envío NPCS propuesto.

En el diseño de cobertura simulcast existe un área de especial interés a analizar: la

región representada por la intersección de las distancias d1 (11.13 km) y d2 (9.37 km),

donde la dispersión por retraso puede ocurrir y donde es necesario reforzar la señal debido

a posibles zonas de silencio originadas por el tipo de terreno. Con respecto a TX1, la región

del extremo de d1 representa un retraso de 37.1µs y el correspondiente para d2 con TX2

como referencia es de 31.23µs. La diferencia en tiempo es,

max12 87.5 tsttt <<==−−== µ (3.2.3)

lo cual cumple con las condiciones esenciales del proceso simulcast. A partir del análisis

anterior se verifica que la técnica simulcast se puede aplicar a la región de cobertura,

principalmente en la región de traslape entre los dos transmisores.


G

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76

3.4.5 Estudio de cobertura de la etapa de retorno.

Para el proceso de retorno se utiliza la técnica de cobertura celular, debido a que se

aplica el concepto de reuso de frecuencia que expande la capacidad y eficiencia del sistema.

Para iniciar el diseño se partió del sitio 2 debido a que esta región presenta una mayor

complejidad de propagación con respecto al resto de la zona de cobertura. Posteriormente

se crearon células ubicando sitios de recepción en toda la región de cobertura.

Es necesario tener en cuenta las especificaciones del equipo de radiocomunicación

portátil típico para el sistema NPCS de dos vías que utiliza el protocolo ReFLEX50, sus

especificaciones se muestran en la tabla 3.5.

Tabla.3.5 Especificaciones del equipo portátil de radiocomunicación.

Bandas de frecuencia RX 930, 940 - 941 MHz Bandas de frecuencia TX 901-902 MHz

Ancho del Canal Recepción Transmisión

50 kHz

12.5 kHz Tasa de transmisión 9600 bps

Señalización 4FSK Desviación de frecuencia +/- 800 Hz y +/- 2400 Hz Estabilidad de frecuencia 0.5 ppm Potencia de transmisión 1.0 W en la antena ERP de transmisión 300 mW mínima en 8

posiciones

Simulaciones con el Modelo Okumura

Para la parte de retorno se selecciona el Modelo Okumura por las siguientes

razones:

§ La potencia de transmisión de los equipos de comunicación móvil es de solamente 1 W,

por lo tanto, se determina que los efectos de reflexión y de difracción son despreciables.

§ Los efectos de propagación que se prevén, debido al tipo de zona de servicio: son

absorción de señal debido a obstáculos, y en menor grado a efectos de multitrayectoria.

§ El modelo Okumura es un modelo experimental para un ambiente donde predomina un

desvanecimiento multitrayectoria.

CITEDI-IPN

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77

Para la simulación del modelo Okumura normalmente se procedería a utilizar al

pager de dos vías como centro de radiación, pero dado que se trata de un transmisor móvil,

no se puede precisar su posición y por lo tanto no se puede determinar su contorno de

cobertura bajo las consideraciones mencionadas. El problema se soluciona aplicando el

Teorema de Reciprocidad de Antenas [17], con el cual es posible considerar la antena

receptora de cada célula como si fuera un transmisor con potencia equivalente a la que

puede transmitir un pager de dos vías (1 W). En la simulación de cobertura para el receptor

de cada célula se usaron diferentes tipos de antenas transmisoras con una potencia de 1 W.

Las simulaciones Okumura se obtuvieron tomando en cuenta factores de corrección,

dependiendo del tipo de ambiente de radiopropagación, para cada célula [12]. El factor de

corrección de tipo de área suburbana se eligió debido a que el área de cobertura se puede

considerar como combinación de regiones edificadas e industriales, según el modelo de

propagación Okumura. Otro factor que se eligió es el de corrección por colinas que se

aplicó específicamente a la región suroeste de la ciudad debido a su topografía. El factor de

corrección de calles transversales (SC) proporciona una reducción de los efectos de

propagación que deben de considerarse, sobretodo en la zona centro de la ciudad.

En la tabla 3.6 se muestra un resumen de las simulaciones obtenidas para el diseño

celular con las siguientes condiciones comunes:

Método Okumura

Altura del Centro de radiación: 50.00 m AGL Frecuencia: 901.0000 MHz; Potencia: 0.001 kW Intensidad del contorno: 40.8 dBµV/m 72 radiales, de 0.10 km a 30.00 km en pasos de 0.50 km. Antena Receptora: 1.22 m AGL Campo corregido para el tipo de área: Suburbana Campo corregido para la orientación calles Campo no corregido para una pendiente de trayectoria promedio

Campo corregido para colinas sucesivas Campo no corregido para colinas aisladas.

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78

Tabla. 3.6 Resultados del estudio de cobertura de la etapa de retorno, aplicando el modelo Okumura. HC = Corrección de colinas, SC = Corrección de calles.

CELULA Factor de Corrección

1 HC 2 HC, SC 3 SC 4 HC, SC 5 SC 6 SC 7 HC, SC 8 HC, SC 9 HC, SC

10 SC 11 SC 12 SC 13 HC, SC 14 SC 15 SC 16 HC, SC 17 HC, SC 18 HC, SC 19 SC 20 HC, SC 21 HC, SC

En la figura 3.10 se muestra el diseño de cobertura celular para la etapa de retorno.

Se pueden hacer las siguientes observaciones.

§ Se presenta una cobertura de 21 células que satisface aproximadamente el 95% de las

zonas pobladas.

§ En los contornos Okumura que se muestran se han usado tres factores de corrección:

según el tipo de área: suburbana (combinación de áreas residenciales y de aplicaciones

industriales); colinas sucesivas y por orientación de calles. Se han propuesto estos

factores dado que representan el caso más desfavorable (pesimista) en cuanto al estudio

de propagación.

§ El diseño celular presenta una cobertura de primera aproximación, es decir, sin

redundancia.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

79

§ No se instaló un receptor en el sitio 1 debido a que generaba una zona de recepción muy

grande, lo que a su vez generaría un tráfico complejo en la zona de cobertura

correspondiente.

Fig. 3.10 Diseño de cobertura celular para la etapa de retorno de la red NPCS. Contornos Okumura 40 dBµV/m.

3.5 TRÁFICO PARA LA ETAPA DE ENVÍO

Para seleccionar el modelo de tráfico que representará el comportamiento de las

llamadas de entrada al sistema NPCS, se tomaron en cuenta los siguientes puntos:

1. Cuando el usuario que intenta accesar al sistema no tiene éxito, éste se retira

inmediatamente, es decir, prácticamente no hay un tiempo de espera.

Contornos Okumura 40.8 dBµµV/m. Contorno de la Cd.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

80

2. Se considera un número infinito de usuarios (fuentes).

3. Los intentos de acceso (llamadas) son aleatorios.

4. Cada intento que realiza un usuario para entrar al sistema es independiente del cualquier

intento anterior. Es decir, el tiempo de servicio de cada llamada está exponencialmente

distribuido[18].

Basándose en lo anterior, se puede definir el modelo de bloqueo de entrada al

sistema el cual corresponde a la fórmula Erlang de primera clase, o sea:

∑ =

==

N

i

i

N

N

iA

N

AAEB

0

,1

!!

)( (3.5.1)

donde, N es el número de canales y A es la intensidad de tráfico en erlangs.

Para determinar el número de líneas o canales necesarios se utiliza un grado de

servicio 0.02, el cual permitirá dar un servicio aceptable de acuerdo con las

especificaciones de la SCT. El estudio tiene como referencia una intensidad de tráfico pico

de 3.58 erlangs que se considera como un índice típico para usuarios potenciales en

Tijuana. Este valor se tomó como resultado de un monitoreo de una central paging GL3000

(Glenayre) que da servicio a 3000 suscriptores. El monitoreo se realizó durante una

semana, registrando lecturas cada hora. Posteriormente, se tomó el valor pico que

representa la intensidad de tráfico más alta que el diseño debe satisfacer: 3.58 erlangs, para

un número de 476 llamadas registradas durante una hora (0.1322 llamadas por segundo).

Como el estudio considera una población de 10,000 usuarios, se realizó una extrapolación

lineal (primera aproximación) del número de llamadas por segundo, es decir, 0.4407

llamadas por segundo, y finalmente se multiplicó por la duración promedio de llamadas,

obteniéndose 11.9333 erlangs. Tomado en cuenta los parámetros anteriores se presenta en

la figura 3.11, la gráfica E1,N(11.9333), que representa la probabilidad de bloqueo en

función del número de canales a utilizar y el tráfico de 11.93 erlangs como parámetro fijo.

A partir de la figura 3.11 se observa que para la intensidad de tráfico máxima de 11.9333

erlangs y el grado de servicio de 0.02 se requiere un mínimo de 19 canales para satisfacer

las especificaciones del bloqueo. Se presentan también otras gráficas generadas para

diferentes valores de intensidad de tráfico, el propósito se explicará en la siguiente sección.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

81

Fig. 3.11 Curvas E1,N para calcular el número de canales a partir del tráfico y de la probabilidad de bloqueo.

Estudio del crecimiento de tráfico

En la sección anterior se establecieron las premisas de diseño del sistema NPCS;

entre ellas se plantea la intensidad de tráfico que deberá soportar el sistema en horas pico.

Tomando en cuenta este criterio, se consideró un tráfico final de 11.9333 erlangs. Sin

embargo, el diseño debe abarcar el crecimiento de tráfico para cinco años; para resolver

esto, se considera un factor de crecimiento inicial del 60% y se obtiene el número de líneas

telefónicas mediante el criterio de bloqueo de 2% para la ecuación de Erlang de primer

orden; posteriormente se realiza el cálculo para los años siguientes. La tabla 3.7 es una

representación del proceso expansión de las líneas o canales necesarios.

Tabla. 3.7 Estudio de crecimiento de tráfico.

Año Crecimiento (%)

Tráfico (erlangs)

Líneas telefónicas

1 60 7.1600 13 2 70 8.3533 15 3 80 9.5466 16 4 90 10.7400 17 5 100 11.9333 19

CITEDI-IPN

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82

3.6 DISEÑO DE LA ETAPA DE RETORNO

En las premisas de diseño se especificó como requisito un sistema de

comunicaciones inalámbrico para la etapa de retorno. Aunque es posible implementar esta

etapa mediante tecnología alámbrica usando Frame Relay, X.25 o TCP/IP, esta opción se

justifica mediante los siguientes argumentos:

§ En la práctica, siempre es recomendable contar con una columna de comunicaciones

propia, debido a que depender de otras compañías implicaría una restricción tecnológica

para realizar cambios en el sistema, o bien para optimizar el desempeño de éste.

§ Debido a la complejidad de la zona de servicio, no es posible asegurar una

disponibilidad completa de líneas telefónicas hasta los sitios adecuados donde se

encontrarán los transmisores y receptores.

§ En particular, una sistema de retorno inalámbrico constituye un reto para este diseño

NPCS que, como se verá posteriormente genera la necesidad de un sistema de acceso

que hará original este trabajo.

§ Actualmente, dado el avance de la tecnología de las comunicaciones existe una

tendencia hacia la modalidad inalámbrica.

Como se vió en el estudio celular, el diseño de radiopropagación del sistema de

retorno consiste de 21células para cubrir toda la zona de servicio. Para implementar esta

parte del sistema NPCS, se utilizará un sistema de comunicaciones inalámbrico con un

repetidor en el sitio 1 (Cerro Colorado) en el rango de frecuencias de 380-512 MHz,

disponible para enlaces punto a punto. La figura 3.12 muestra un esquema de la etapa de

retorno.

§ Etapa de enlace inalámbrico de los Sitios de Célula al Repetidor.

Esta etapa es una red inalámbrica de datos que funciona en el ambiente

multiprotocolo en una estructura celular multipunto-punto. Cada célula es controlada por la

estación base, que trabaja como una central maestra y mantiene comunicación constante

con un grupo de estaciones remotas a través de un canal de radio. En la tabla 3.8 se

muestran las características de este sistema de comunicaciones [19].

CITEDI-IPN

Hugo Torres

83

La clase de antena sugerida para esta aplicación es el de tipo omnidireccional,

sectorial de 90° a 120° o Yagi con una ganancia de 9 a 10 dB.

Tabla. 3.8 Características del sistema de retorno inalámbrico.

Parámetro Base Multipuerto Remoto

Puerto Simple Remoto

Tasa de transmisión 9.6 kbps Banda de frecuencia VHF/UHF

120-180 MHz 380-512 MHz 800-960 MHz

Cobertura Hasta 20 Km Modulación FSK Potencia de salida 2 a 5 Watts Puertos de usuario 4 Sínc./Asínc. 4 Sínc./Asínc. 1 Sínc./Asínc. Velocidad Hasta 38.4 Kbps Hasta 38.4 Kbps Hasta 19.2 Kbps Interfaz DB-25 RS-232 DB-25 RS-232 DB-25 RS-232 Puerto de LAN (Opcional) e Interfase

Uno, Ethernet 10 BaseT, 10 Base 2 No disponible

12

3

4

5 67

8

910

SitioRepetidor

Enlace inalámbrico380-512MHz

Acceso TDMA

Microondas23GHz

NOC

CélulaRegión deServicio

380-512MHz

901MHzALOHAclásico

Fig. 3.12 Representación de la etapa de retorno para el diseño NPCS.

CITEDI-IPN

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84

§ Distribución del reuso de frecuencia para el sistema de retorno

Una vez obtenido el diseño celular mostrado en la figura 3.10 se realizó una

distribución del reuso de frecuencia. Para determinar el patrón de reuso de frecuencia

apropiado se aplica una expresión que proporciona una relación para determinar el patrón

de reuso de frecuencia en función de la razón portadora a ruido de interferencia (C/I) [14],

que es la siguiente:

=

IC

k32

(3.6.1)

En la tabla 3.9 se muestran varios valores calculados para k = 3, 4 y 7. Como una

referencia, se tiene que para telefonía celular analógica convencional la razón de C/I = 18

dB es un valor adecuado para evitar interferencia de co-canal en recepción de voz[14],

donde k = 7. Se propone un diseño celular con una distribución de reuso de frecuencia con

k = 4, de acuerdo a los siguientes criterios:

§ Se puede apreciar en la figura 3.10, que una distribución celular de k > 4 resulta

impráctico debido al número de células y la distribución irregular de éstas en la zona de

servicio.

§ En el capítulo siguiente, se verá que tener un factor de k > 4 puede afectar en forma

negativa el funcionamiento adecuado del sistema de acceso propuesto.

§ Se requiere una relación C/I menor que la considerada para telefonía celular analógica,

C/I = 13.8 dB, debido a que un sistema NPCS se considera más robusto debido a que la

transmisión es completamente digital.

§ Es posible elegir el valor mínimo para el reuso de frecuencia en telefonía celular de k =3

(ver tabla 3.10)[14]. Sin embargo, se prefiere dejar un margen de inmunidad a la

interferencia de cocanal; es decir, se toma el siguiente valor considerando que una

relación de 13.8 dB es suficiente para garantizar una relación de C/I aceptable y una

excelente razón de energía de bit a densidad de ruido más interferencia cocanal,

Eb/(No+Io). Se realizará un estudio detallado en el capítulo siguiente para corroborar esta

hipótesis.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

85

En base a los criterios anteriores, se propone un patrón de reuso de frecuencia de 4,

generando 5 células tipo I, 6 células tipo II, 5 células tipo III, y 5 células tipo IV. En la

figura 3.13 se muestra la distribución resultante para el diseño celular; nótese que la célula

tipo 19 se ha asignado al grupo III, alterando el patrón celular; esto es debido a la

irregularidad de los contornos de cobertura Okumura. La tabla 3.10 muestra un resumen del

diseño celular.

Fig. 3.13 Distribución del reuso de frecuencia para el diseño celular.

Tabla 3.9. Relación de k para diferentes valores de C/I.

k C/I 3 11.3 dB 4 13.8 dB 7 18.6 dB

Contornos Okumura 40.8 dBµµV/m. Contorno de la Cd.

Patrón celular de referencia

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86

Tabla 3.10. Resumen del sistema celular de retorno.

Diseño Celular Número Células 21

Factor de Reuso (k) 4 Radio Promedio de

Célula 2.5 km

Relación C/I 13.8 dB Número de Ranuras de Tiempo 4

Sitio de Célula Señalización 4FSK

Velocidad de Datos 9600 Espaciamiento de Canal 12.5 kHz

Frecuencia 901-902 MHz Desviación de Frecuencia +/- 800 Hz and +/- 2400 Hz

Antena (RX) Omnidireccional Ganancia de antena 0 dBi

Transmisor móvil Antena (TX) Helicoidal

Potencia 1 W

Repetidor del sistema de retorno

Para el sitio repetidor en el enlace de retorno se tiene una antena de tipo

omnidireccional para la recepción de las señales provenientes de cada célula. El envío de la

información a la estación maestra se propone mediante un enlace de microondas, de esta

manera se tiene un enlace confiable y disponible todo el tiempo debido a que no depende de

la red PSTN. Las opciones para el enlace de microondas se resumen en la tabla 3.11 que

corresponde a equipos de radio disponibles comercialmente.

Se selecciona la frecuencia de operación de 23 GHz debido a que se tienen pocas

restricciones de carga máxima de canales y de longitud mínima, proporcionando

flexibilidad al diseño del sistema.

CITEDI-IPN

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87

Tabla.3.11 Características de las frecuencias de microondas disponibles.

Frecuencia (GHz)

Ancho de banda permitido (MHz)

Carga de canal en 5 años Longitud de trayectoria

mínima (km) 2 3.5 Ninguna 5 4 20 900 17 6 30 900 17 11 40 900 5 18 220 Ninguna Ninguna 23 100 Ninguna Ninguna

Por razones técnicas relacionadas con el tiempo de atención a problemas por parte

del proveedor PSTN, se situó la estación maestra cerca de una central telefónica. Para este

diseño, se ubicó en la Zona Río de la ciudad de Tijuana (32°31’38’’ N y 117°01’13’’W).

El diagrama de la figura 3.14 es una representación del perfil del radioenlace. El

radioenlace no presenta problemas relacionados con línea de vista debido a que las

estaciones están ubicadas sobre niveles adecuados. Por lo tanto, es factible la

implementación de la tecnología de microondas para la etapa de retorno, o bien otro tipo de

sistema de comunicaciones donde la línea de vista sea in factor primordial. Este perfil se

obtuvo utilizando la base de datos digitalizada de la ciudad del Tijuana y que fue

interpretado por programa TAP. Se muestra que se han incluido antenas con una altura de

30 m para ambos extremos del enlace. En el anexo III se presenta en forma detallada los

cálculos de los enlaces de microondas y satelital que garantizan la factibilidad de la

implementación del sistema de retorno con tecnología en comunicaciones disponible

actualmente.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

88

Fig.3.14. Perfil del enlace de microondas del sistema de retorno.

En este capítulo se ha demostrado que la zona de servicio puede ser caracterizada

empíricamente mediante el uso de simulaciones que consideran los efectos reales del

contorno del terreno y utilizando los modelos de propagación adecuados. Mediante los

modelos Bullington y Okumura se desarrolló el diseño de cobertura de la zona de servicio:

la etapa de envío, que operará con la técnica simulcast; y la etapa de retorno, funcionará

con la técnica celular.

El tráfico generado para la etapa de envío sigue un comportamiento definido por la

ecuación Erlang de primera clase, con la cual fue posible determinar el número mínimo de

canales necesarios para satisfacer la demanda de llamadas en la etapa de envío para el

tiempo de proyección de la red NPCS.

Finalmente, se planteó la etapa de retorno que completa el ciclo de comunicación

del sistema NPCS. Ahora, bien surge el problema de cómo organizar el funcionamiento de

la etapa de retorno. El capítulo siguiente plantea una solución para este problema mediante

un sistema de acceso híbrido.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

89


SSiisstteemmaa ddee AAcccceessoo ddee llaa EEttaappaa ddee RReettoorrnnoo

El objetivo de esta sección es presentar una solución que permita controlar la etapa

de retorno inalámbrica diseñada en el capítulo anterior. Ésta deberá basase en las premisas

establecidas anteriormente, principalmente en valores de calidad de servicio obtenidos de

un sistema paging de referencia, tráfico, frecuencias utilizadas y la tecnología disponible

actualmente. Como parte de la metodología de diseño presentada en el capítulo 3, se

presentará un estudio de interferencia co-canal que permitirá evaluar el diseño NPCS con

respecto a sistemas PCS reportados en la literatura.

4.1 ESTRUCTURA DEL ESQUEMA DE ACCESO

Para organizar el funcionamiento de la etapa de retorno, se propone un sistema de

acceso híbrido que consta de tres etapas: 1) Acceso ALOHA clásico, 2) Distribución en

Espacio y 3) TDMA.

1) Acceso ALOHA clásico.

Se propone un protocolo aleatorio de tipo ALOHA clásico de población finita para

el envío de mensajes de retorno en cada uno de los sitios de célula (Estación Base, EB).

Bajo este esquema todos los usuarios comparten el mismo canal, y transmiten por él en

cuanto tienen un mensaje listo. Para este efecto se presentan dos casos: cuando el usuario

accesa el canal exitosamente y cuando dos o más tratan de accesar el canal

simultáneamente. En el primer caso, se envía la información hacia la estación receptora de

la célula que da servicio al usuario, y el mensaje se encamina hacia la estación NOC

(pasando por las siguientes etapas de acceso) que se encargará de conducir el mensaje hacia

el pager de destino. Finalmente, la estación NOC envía mediante el sistema de envío

simulcast, un mensaje de confirmación al pager de origen, informándole que su mensaje se

entregó con éxito. Para el segundo caso, se presenta una colisión (destrucción) de mensajes

debido a que dos o más usuarios transmiten información al mismo tiempo (Fig. 4.1), y

CITEDI-IPN

Hugo Torres

90

puesto que la estación NOC no recibe ningún mensaje inteligible para transmitir, no envía

mensaje de confirmación. Los pagers que han competido por el canal, al no recibir el

mensaje de confirmación asumen que su mensaje no fue recibido correctamente; entonces

los pagers esperan un tiempo aleatorio para intentar nuevamente la transmisión del

mensaje. Esto es posible debido a que cada mensaje que no se envió queda guardado en el

respectivo pager. La elección del sistema ALOHA para la etapa de retorno se debe a las

siguientes razones:

§ El número total de usuarios por célula es 476.2. Para la etapa de retorno se ha

considerado un máximo de 10,000 usuarios como meta final para dar servicio en cinco

años, distribuidos de manera uniforme en 21 células (para propósitos de análisis). El

número de usuarios por célula realmente es variable, es decir, los usuarios están en

movimiento y se puede considerar que constantemente salen de una célula para entrar a

otra, se considera que el 4 % de los usuarios cambian de célula en la hora pico.

§ La transmisión de información de los usuarios se lleva a cabo mediante mensajes cortos

y de longitud variable con una longitud máxima (mensajes de usuarios) de 80

caracteres. Los mensajes que el pager transmite incluyen mensajes de información que

el usuario ingresa al pager, mensajes de registro del pager al entrar a una nueva célula,

mensajes de confirmación y mensajes de reintento de envío.

§ Se ha considerado que el sistema maneja una cantidad de usuarios independientes y que

la probabilidad de tiempo entre llegadas de mensajes es exponencial. En estas

condiciones, la probabilidad de que lleguen m mensajes durante un intervalo de

longitud t, estará dada por la ley de Poisson[20],

)ìexp(!)ì(

)( tmt

tPm

m −=

donde i es la velocidad media de llegadas.

CITEDI-IPN

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91

Mensaje del usuario 1


Mensaje del usuario x

t1 t2 t3

Longitud de mensaje

Estación NOCSe envía mensajede confirmaciónal usuario 1

Se conduce el mensajeal usurio de destino

Ocurre colisión demensajes

Los usuaiosintentarán transmitirnuevamente en un tiempoaleatorio


Fig. 4.1. Diagrama del acceso ALOHA para el sistema NPCS propuesto.

2) Distribución en Espacio. Para el diseño NPCS se utiliza solamente una frecuencia de

envío, esto es desfavorable en el caso en que todas las células al canal de retorno tienen

acceso simultáneo. Por lo que se asigna su uso mediante un patrón celular que distribuye en

espacio y tiempo el uso de la frecuencia disponible. Esta alternativa es viable, dado que las

transmisiones son de corta duración y pueden almacenarse en el pager para envío posterior,

además el sistema no se limita a operar en tiempo real, es decir, se pueden utilizar tiempos

de retardo necesarios para realizar la consigna de servicio NPCS, entregar el mensaje a su

destino. Es importante mencionar que la función principal de la distribución en espacio es

asegurar un tráfico y una probabilidad de colisión bajos para cada uno de los procesos

ALOHA independientes que se producen en cada célula.

3) TDMA. Se ha propuesto utilizar dos accesos TDMA, cada uno trabajando con una

frecuencia propia. El primero opera en el enlace estación base, en conjunto con la división

de espacio, y el segundo en el enlace estación de sitio de célula a NOC. Para esta etapa del

sistema de acceso se ha propuesto utilizar dos accesos TDMA cada uno trabajando con una

frecuencia propia. Las tramas de tiempo están defasados una ranura de tiempo (Fig. 4.2).

CITEDI-IPN

Hugo Torres

92

§ El primer sistema TDMA usa la frecuencia de acceso de f1 = 901 MHz. En este sistema

de acceso se alojan los mensajes para las células tipo I (diseño celular, Fig. 3.11).

Posteriormente, la segunda ranura de tiempo se usa para capturar los mensajes de las

células tipo II, y así sucesivamente se procede hasta alcanzar la última ranura de tiempo

alojando las trasmisiones de las células tipo IV. Al final de la primera trama se han

recolectado los mensajes procedentes de todas las células, guardándose temporalmente

en la estación base de la célula respectiva.

§ El segundo sistema TDMA tiene por objetivo transferir la información de los mensajes

recolectados en las ranuras de la primera trama de tiempo, desde cada una de las células

hasta el sitio repetidor (Cerro Colorado) utilizando la f2 = 380-512 MHz. Como ya se

mencionó anteriormente, esta transferencia se realiza mediante un enlace inalámbrico.

El segundo sistema TDMA consta de 4 ranuras, cada una de éstas a su vez se divide en

subranuras de tiempo donde se transmitirán secuencialmente las informaciones

almacenadas en cada una de las células. El número de subranuras depende del número

de células para cada tipo, así como también su longitud. Por ejemplo, para la primera

ranura se tienen 4 subranuras debido que existen solamente cuatro células tipo I. En la

figura 4.2 se muestra el acceso TDMA descrito como parte del esquema de acceso

propuesto, se puede notar que las ranuras de tiempo de la segunda trama de tiempo

están defasadas una ranura de tiempo con respecto a las ranuras de la primera trama, es

decir, se integra un retardo para mejorar la eficiencia de acceso. En la figura 4.3 se

muestra el efecto que ocurriría si no se implementara el retraso de tiempo. Al utilizar

dos sistemas TDMA (con diferentes frecuencias) y un retraso de tiempo se logra que el

sistema de acceso esté activo todo el tiempo, es decir, que mientras se recolecta

información (en una frecuencia f1) proveniente de los usuarios de células del mismo

tipo en una ranura de tiempo de la primera trama, al mismo tiempo la información

recopilada de otro grupo de células está siendo transmitida secuencialmente con

frecuencia f2 por cada célula, desde los sitios de célula hasta el sitio repetidor, esto se

lleva a cabo en una ranura de tiempo de la segunda trama. Por lo tanto, en la segunda

trama de tiempo se envía la información ya recolectada desde las células hasta el

repetidor ubicado en el Cerro Colorado (sitio 1) en la frecuencia f2. El tiempo de

CITEDI-IPN

Hugo Torres

93

ranura debe ser adecuado para poder alojar la cantidad de mensajes que los usuarios

están enviando. Para simplificar el análisis del sistema de acceso se consideró tiempos

de ranuras iguales para ambas tramas. Los tiempos de ranura dependen del número de

mensajes que se transmiten incluyendo: mensajes del usuario, reconocimientos,

retransmisiones y solicitudes de registro de célula; y se determinan en la sección

siguiente.

Sistema TDMA1Trama 1(f1=901MHz)

Sistema TDMA2Trama 2(f2=380-512 Mhz)

Transferencia de información desde los pagers hasta el receptor de célula.

Transferencia de información desde las células hasta el sitio repetidor(Cerro Colorado).

Transmiten las células tipo I

Transmiten las células tipo IV

Ib Ic Id IeIa IIa IIIa IVaIIf IIIe IVe... ... ... ... ... ...

Ranura 1 Ranura 2 Ranura 3 Ranura 4

Subranurade tiempo

... ...

... ...

t1 t2 t3 t4 t5

Acceso Aloha clásico

Transmiten los pagersde las células tipo IV

Transmiten los pagersde las células tipo I

... ...

Patrón de distribucióncelular k=4

Retardo de tiempo

Acceso Aloha clásico

Retardo de tiempo

... ...

Fig 4.2 Esquema del acceso ALOHA/TDMA/Espacio propuesto.

94

Trama 1(f1=901MHz)

Trama 2(f2=380-512 Mhz)

Mensajes de la célulatipo Ia que tendrán que esperar la siguientet r a m a d e t i e m p o

Transferencia deinformación desdelos pagers hastael receptor de célula.

Transmiten las células tipo I

Ib Ic IdIa IIa IIf... ...

Ranura 1 Ranura 2

Subranurade tiempo

t1 t2

Transferencia deinformación desdeel receptor de célulahasta el sitio repetidor.

Fig 4.3. Efecto del acceso al canal al omitir el retraso de tiempo de trama. Se muestra el ejemplo para la célula tipo Ia.

En la figura 4.4 se muestra el sistema de acceso simplificado en un diagrama a

bloques, éste consiste de un proceso TDMA, un sistema ALOHA y un retraso de tiempo

que ha sustituido el segundo proceso TDMA. Se ha considerado un buffer infinito, lo cual

significa que el sistema aceptará todas las solicitudes de envío de paquetes (mensajes). Este

sistema se dispone solamente un servidor o canal a través del cual circulan los paquetes que

entran. En la figura 4.4 se observa que se tienen dos retrasos de tiempo: el primero es

debido a la colisión de paquetes del proceso ALOHA y el segundo retraso ocurre cuando el

mensaje trata de ser enviado en una ranura que no corresponde al grupo de células asignado

en el diseño celular (acceso espacio). Como se ha mencionado, el retraso de tiempo que

sustituye al segundo sistema TDMA es equivalente a una ranura de tiempo (por simplicidad

de análisis). Para hacer posible esto, se ha considerado que la información del primer

sistema TDMA se transfiere a una tasa de 9600 bps [5][19] hasta el sitio repetidor (Cerro

Colorado), siendo ésta la tasa mínima de envío permitida.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

95

Sistema Aloha de población finita

Buffer Infinito

Retraso de

tiempopara entrar al

TDMA2

que entran Paquetes

que salenPaquetes

ALOHA

Canal

clásico

Canal

Repetidor

Canal

Ran

ura

1

Ran

ura

4

TDMA 1

Retransmisión

...Pagers

Fig. 4.4 Representación del sistema de acceso propuesto.

4.2 TRÁFICO PARA LA ETAPA DE RETORNO.

A continuación se efectúa el dimensionamiento de tráfico, de los tiempos de ranuras

y subranuras de los sistemas TDMA del enlace de retorno. Se parte de determinar el

número de mensajes generados en la hora pico, el tamaño de los mensajes y del parámetro

de calidad “tiempo máximo de entrega de un mensaje a un usuario móvil”.

De acuerdo a las premisas de diseño de la cobertura celular, se proyecta dar servicio

a 10,000 usuarios distribuidos en 21 células. Es decir, la población media de usuarios se

determina mediante:

células de Númerousuarios de totalNúmero

(M) mediaPoblación =

Los mensajes que se generan en una célula son:

§ Mensajes que el usuario ingresa al pager para transmitir por célula (MU).

§ Mensajes de Registro (MR): Mensajes que el pager envía para informar a la NOC que ha

entrado a una nueva célula.

§ Mensajes de reconocimiento (MC): Son mensajes preformados que el pager envía a la

NOC envía para indicar que recibió un mensaje exitoso. Consiste en la suma de los

mensajes de reconocimiento generados por usuarios (MU) más los mensajes de

reconocimiento debido a las llamadas originadas desde la PSTN, (Mp).

CITEDI-IPN

Hugo Torres

96

Por lo tanto, el total de mensajes (o paquetes) generados en una hora es:

MT = r(MU + MC + MR) (4.2.1)

donde r representa el número de retransmisiones para el modelo de acceso ALOHA clásico

[21]. El número de bits por hora está dado por,

RTh = nbr[MuCu + (Mu+ Mp)Cr + aMCr]

donde Cu es la longitud del mensaje de usuario en caracteres, Cr es la longitud de los

mensajes de control en caracteres: mensajes de reconocimiento y registro; a es el porcentaje

de movilidad en relación a los usuarios dentro de cada célula (población media) y nb es

número de bits por caracter. El número de bits por segundo se obtiene de,

RTs = nbr[MuCu + (Mu+ Mp)Cr + aMCr] /3600 (4.2.2)

El número promedio de bits por paquete por segundo es,

fb = nbRTs /3600(MU + MC + MR) (4.2.3)

Para obtener el tráfico normalizado en un sistema ALOHA clásico se parte de[21],

R

fNG bp

= (4.2.4)

donde Np es el número de paquetes y R es la tasa de transmisión. Puesto que se tienen

cuatro ranuras de tiempo en el primer sistema TDMA, solamente se dispone de un cuarto

del tiempo total para poder acceder al sistema ALOHA propuesto. Para lograr que el tráfico

generado en el tiempo continuo se encuentre en la ranura disponible para las células de la

ranura 1, es necesario que los pagers retengan el mensaje generado hasta t inicial de la

próxima ranura, y para evitar colisiones, que se transmitan en un tiempo aleatorio uniforme

con rango t inicial a t inicial + t ranura de tal forma que se tiene un sistema ALOHA con

un tráfico cuadruplicado durante t ranura. A partir de la expresión para el tráfico

normalizado (G) de un sistema ALOHA clásico obtenido en [21], el tráfico normalizado

para el sistema de acceso propuesto es,

CITEDI-IPN

Hugo Torres

97

R

fMG bT4

= (4.2.5)

Para encontrar la eficiencia de utilización del canal bajo el esquema

ALOHA/TDMA/Espacio propuesto, se parte de S = Gexp(-2G) [20][21], y se obtiene la

siguiente expresión,

R

fbMbT

T

eR

fMS

8 4 −

= (4.2.6)

y la probabilidad de no colisión de paquete durante el tiempo de análisis (una hora) para

una población finita de usuarios, P = (1-(2G/MT))MT

-1 [21], está dada por,

1

81

−

−=

TM

b

R

fP (4.2.7)

Las expresiones anteriores para calcular G, S y P se obtuvieron específicamente

para 4 ranuras de tiempo. Ahora bien, el número de ranuras está relacionado directamente

con el número de grupos del patrón celular k = 4; es decir, que en general para un sistema

de acceso ALOHA/TDMA/Espacio con un reuso de frecuencia k del patrón celular, es

posible encontrar expresiones que relacionen G, S y P en función del reuso de frecuencia,

es decir,

R

fkMG bT= (4.2.8)

−=

R

fkM

R

fkMS bTbT 2

exp (4.2.9)

12

1−

−=

TM

b

R

kfP (4.2.10)

donde, n = k; k = i2+ ij+ j2 ≥ 3; i, j = 0 ,1 ,2, 3,… (4.2.11)

Las expresiones anteriores son importantes porque permiten visualizar una relación

directa que involucra los parámetros que caracterizan en esencia cada una de las etapas del

sistema de acceso y el tráfico de retorno. Es decir, los parámetros G, S y P del sistema

ALOHA que se genera en cada célula se expresan en función del tráfico de retorno MT, el

número de ranuras (n) de los dos sistemas TDMA y el reuso de frecuencia del sistema en

CITEDI-IPN

Hugo Torres

98

espacio (diseño celular), esta última por medio de la expresión n = k, donde k es el reuso de

frecuencia, el cual acepta valores discretos dados por i2+ ij+ j2 ≥ 3; i, j = 0 ,1 ,2, 3,… [6] .

Cálculo de los tiempos de ranura de los sistemas TDMA 1 y TDMA 2

Para el diseño se tiene que la población media es de 476.2 usuarios por célula. Se

tomará como referencia para el dimensionamiento del tráfico de retorno que en la hora pico

el 10% de esta población transmite un mensaje, se tiene que el número de mensajes

generados porlos usuarios es 47.62 (MU = 0.1M). Se considera que un 4% (a= 0.04) de los

pagers de los usuarios de una célula entrarán a otra en la hora de servicio pico. Cada

mensaje de usuario consta de 88 caracteres (incluye 80 caracteres por página más el

encabezado del mensaje, 10%) y cada mensaje de control consiste del 25% de longitud de

los mensajes de usuarios; para cada caracter es necesario 7 bits (código reducido para

FLEX), es decir, que una hora se deben enviar 51237.032 bits. Para determinar la duración

del tiempo de trama se parte del concepto de calidad de servicio (QoS) considerado como

un parámetro obtenido empíricamente de una terminal de servicio de paging GL3000

Glenayre atendiendo 3,000 usuarios. Para esta terminal se tiene un tiempo de espera

promedio de 10 segundos, desde que el mensaje se captura por la operadora hasta que el

pager recibe la información. Se propone establecer el mismo parámetro de calidad de

servicio (QoS, Quality of Service) para la etapa de retorno, es decir, que el pager de usuario

esperará a lo máximo 10 segundos para que su mensaje se reciba en la estación base. Esto

sucede en el caso extremo cuando el mensaje no pueda ser enviado en la ranura de tiempo

correspondiente de la primera trama. Considerando el criterio anterior, se establece un

tiempo de trama de 10 segundos, tM =10 s. Para calcular los tiempos de ranura (tR) y

subranura (tS) se tienen las siguientes relaciones:

tM = ktR

tR = ηmax tS

o bien, k = tM/ ηmax tS (4.2.12)

donde ηmax, es número de células para el grupo más grande. En particular, para este

diseñoηmax = 6,

CITEDI-IPN

Hugo Torres

99

tM = 4tR

tR = 6tS

donde 6tS, representa la longitud de la ranura para el caso cuando se tienen el máximo

número de subranuras: 6 subranuras para las células tipo II según el diseño de cobertura

celular. El tiempo de la trama tM representa cuatro veces en tiempo de ranura tR.

Considerando un tráfico (MT) uniforme con un tiempo de observación de 2.5 s, se

tiene que es posible transmitir 0.527355556 paquetes, es decir, 324.8510222 bits pero al

realizar el ajuste de tráfico de 4MT, se requiere transmitir 1299.404089 bits. Considerando

que la eficiencia máxima del sistema ALOHA de 0.184, realmente se tiene un tiempo

disponible de 0.25 s × 0.184=0.46 s para liberar ese tráfico, y transmitiendo a 9600 bps, el

sistema tiene la capacidad de enviar 4416 bits. Esta capacidad es mayor que el tráfico

generado (4416>>324 bps), por lo tanto, la selección del tiempo de trama es tiempo es una

opción viable que evitaría un congestionamiento del sistema de acceso bajo las condiciones

de tráfico establecidas.

La tabla 4.1 es un resumen de los cálculos del ejemplo para el acceso propuesto.

Cabe mencionar que en la práctica los tiempos de subranura, ranura y trama encontrados

mediante este procedimiento son la base para iniciar un proceso de ajustes que se llevan a

cabo mediante estadísticas de monitoreo que permiten optimizar el acceso para ambas

tramas de tiempo.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

100

Tabla 4.1. Resumen de cálculos para el acceso TDMA.

Número Total de usuarios 10 000

Número de células

21 (5 células tipo I 6 células tipo II 5 células tipo III

5 células tipo IV)

Longitud de mensaje de usuario 616 bits 64.2 ms

Longitud de mensajes de control 154 bits 0.016041667 s

Longitud promedio de paquete 269.8844971 bits 0.028112968 s

Número promedio de usuarios por célula 476.2

Número de mensajes de usuario por célula 47.62

Mensajes de Registro (MR) 19.048

Mensajes de reconocimiento (Mc) 123.18

Número total de mensajes por célula sin retransmisiones

189.848

Retransmisiones (G/S) 1.011931038

Número total de mensajes por hora por célula incluyendo retransmisiones (MT)

192.1130837

Tiempo de trama para el primer sistema TDMA

10 s

Tiempo de ranura 2.5 s

Tiempo de subranura para el segundo sistema TDMA

0.416666667 s

Número de tramas posibles en una hora 360

Número máximo de mensajes por ranura 88.92693082

Número máximo de mensajes por subranura 14.82115514

En las figuras 4.5 y 4.6 se muestra el comportamiento del tráfico normalizado, la

eficiencia de utilización del canal y la probabilidad de no colisión para el proceso ALOHA

del sistema de acceso propuesto. En la fig. 4.5 se muestra el punto de operación en la hora

pico, con el propósito de encontrar el punto máximo de la curva, se ha expandido el rango

para G . Para el análisis se tomó en consideración que solamente un mensaje se envía por

usuario.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

101

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Límite de la capacidad acceso(5547.62 usuarios/célula)

Zona de operaciónen hora pico

G

S

Tráfico máximo/célula

Fig. 4.5. Curva G – S para el sistema de acceso ALOHA (a=0.04, Cu=88 y Cr=22). Tráfico máximo por célula = 1 mensaje/usuario-hora).

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 100 200 300 400 500

Número de mensajes

Pro

ba

bili

da

d

Fig. 4.6. Probabilidad de no colisión (P) y colisión (Q) de paquete en función del número de usuarios por célula que transmiten a lo máximo un mensaje. Para a=0.04, Cu=88 y Cr=22.

P

Q

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05G

S

Tráfico máximo/célula(0.04412542, 0.0403982)

Punto de operación en hora pico(0.0059302, 0.0058603)

Punto de operación en hora pico

Tráfico máximo/célula

CITEDI-IPN

Hugo Torres

102

En base a las figuras anteriores se observa que:

1. La eficiencia máxima de utilización del canal en la hora pico para 476.2 usuarios

con una actividad del 10% en hora pico es pequeña comparada con la máxima

eficiencia del sistema ALOHA clásico (0.184). Esto es debido a que se generan

pocos mensajes y la duración de los mensajes es corta en relación al tiempo

disponible para transmitir por ranura. Es decir, hay un tiempo ocioso, que a pesar de

considerarse retransmisiones, éste sigue siendo considerable (ejemplo Tabla 4.1).

La tendencia de esta curva es de aumentar a medida que los usuarios (o mensajes)

envían más paquetes de información.

2. A diferencia de la curva S, la probabilidad de no colisión de paquete es alta, aún

cuando se ha considerado que solamente se dispone de un 25% del tiempo total para

enviar mensajes. Conforme se envían más mensajes se tiene una tendencia a

disminuir la probabilidad de no colisión de paquete (P), para el caso de saturación

(476.2 usuarios) se tiene 0.915604965, que comparada con la máxima probabilidad

de no colisión para el sistema ALOHA clásico (0.37) resulta alta.

3. A partir de las gráficas G - S se puede verificar que en todo caso G < 0.5, S<0.184 y

P> 0.37. Esto implica que el sistema trabaja en la región de estabilidad del sistema

ALOHA clásico, es decir, que el bajo tráfico y eficiencia de utilización del canal se

debe al número bajo de paquetes que se generan y a su corta duración.

4.3 ESTUDIO DE INTERFERENCIA PARA EL SISTEMA NPCS

En un sistema de comunicaciones que utiliza la técnica de cobertura celular se tiene

la ventaja de que el reuso de frecuencia aumenta la eficiencia del uso del espectro; sin

embargo, si el sistema no se diseña adecuadamente pueden ocurrir problemas serios de

interferencia. En esta sección se presenta un análisis de interferencia para la región de

interés y bajo las propuestas de diseño expuestas en los capítulos 3, 4.1 y 4.2.

La interferencia debida al uso del mismo canal se llama interferencia de co-canal.

Otro tipo de interferencia relevante en telefonía celular, es la interferencia de canal

adyacente, que para el diseño NPCS presentado es nula debido a que solamente se dispone

de un canal. Para el patrón celular mostrado en la figura 3.13 se puede verificar que las

CITEDI-IPN

Hugo Torres

103

células que experimentarán un mayor efecto de interferencia co-canal corresponden a las

posiciones: 13 (tipo I), 4 (tipo II) y 9 (tipo IV) debido a que se encuentran rodeadas por

cuatro células en la primera fila transmitiendo simultáneamente, en comparación con el

resto de las células. Para el caso de las células tipo III solamente se tendrán 3 células en la

primera fila, y esto corresponde a la célula 8. De acuerdo al criterio de interferencia co-

canal para comunicaciones celulares, se considera importante solamente la interferencia de

las células que se encuentran en la primera fila con respecto a una célula ubicada el centro

de un grupo.

Para las células tipo II, el caso crítico (o máxima interferencia) de interferencia se

tiene en la célula 4. La magnitud de la interferencia para cualquier célula se puede dividir

en dos aportaciones de acuerdo a la teoría de interferencia co-canal para telefonía celular:

§ Interferencia debido a usuarios en la misma célula. Es la interferencia del mensaje

que el usuario envía y se recibe en la estación base, con respecto a las demás

transmisiones del resto de los usuarios que se encuentran en la misma célula. Para el

caso particular del sistema NPCS, se tiene una condición especial: cuando un usuario

transmite con éxito un mensaje en el sistema de acceso ALOHA implica que los demás

usuarios no están transmitiendo en ese momento; por lo tanto, no se considerará este

tipo de interferencia para el estudio presentado.

§ Interferencia debido a usuarios en células de la primera fila. Corresponde a la

aportación global de la interferencia debido a las transmisiones simultáneas de los

usuarios de las células que se encuentran en la primera fila [6]. Un usuario

transmitiendo con éxito un mensaje en la célula 4 experimentará la interferencia de

todos los usuarios tratando de accesar al canal de comunicaciones en las células 6, 7,

14 y 16.

Esta interferencia corresponde a la suma de los niveles en potencia de las señales de

todos los mensajes que se generan en las células de la primera fila y que llegan al receptor

de la célula localizada en el centro de grupo (célula 4), y que interfieren con la señal de un

CITEDI-IPN

Hugo Torres

104

mensaje transmitido con éxito por un usuario ubicado cerca del contorno (116º58’27.1’’W,

32º31’13.4’’N) de cobertura de la célula 4, aproximadamente a una distancia de 2 km del

centro (116º59’37.3’’W, 32º31’39.7’’N) de la célula 4. Para encontrar el nivel

interferencia de co-canal máxima (figura 3.18) del grupo de células tipo II, se realizó una

simulación de cobertura Okumura (programa TAP) con centro de radiación en la célula 4

transmitiendo con un 1 W de potencia, con los mismos parámetros considerados en la

sección 3.4.5 pero con una precisión de 1º y las lecturas se tomaron cada 0.05 km.

Posteriormente se encontraron las lecturas de campo eléctrico para las células 6, 7, 14 y 16,

los resultados de la simulación se muestran en la tabla 4.2.

Tabla 4.2. Intensidad de campo eléctrico y potencia en el receptor de la célula 4. Se consideró una impedancia de entrada de 50 Ω en el receptor para calcular el nivel de potencia.

Célula Intensidad de campo eléctrico (dBµµV/m)

Potencia de señal en el receptor de la célula 4 (dBm)

6 -8.92 -143.05 7 -19.09 -153.22 14 -0.26 -134.39 16 -18.42 -152.55

4 (móvil) 17.02 -117.11

De la figura 4.7 se puede determinar que para la célula 4, la interferencia co-canal

en la primera fila está dada por,

∑ ==

16,14,7,6i iPI (4.3.1)

donde Pi es nivel de potencia de la señal de interferencia debido a un mensaje de la células

6, 7, 14 y 16 que llegan al receptor de la célula 4 bajo las condiciones establecidas en la

sección 3.3.2. Cuando un usuario en la célula 4 envía un mensaje al mismo tiempo un

usuario en la células 6, 7, 14 y 16, se tiene que la interferencia total es I =-133.7285605

dBmW. Para calcular la relación de energía de bit con respecto a la suma de la densidad de

ruido más densidad de interferencia global, Eb/(No+Io) se parte de [22],

b

c

oo

b

Nf

BP

IN

E=

+

CITEDI-IPN

Hugo Torres

105

donde Pc es la potencia (en dB) del pager que está transmitiendo en la célula 4, B es el

ancho de banda de esta señal, fb es la tasa de datos de la señal y No es la densidad de ruido

térmico generado, ésta tiene dos componentes: KT corresponde al ruido térmico generado

en el receptor debido a una temperatura T y Nf es la figura de ruido (3dB)[5],

No = KT Nf

donde K es la constante de Boltzmann. Es decir, que se tiene la siguiente expresión para

calcular la razón de energía de bit a ruido[23],

+−−=

+ BI

KTNfPIN

Efbc

oo

b log10log10 (dB) (4.3.2)

Fig. 4.7. Interferencia de co-canal para el grupo de células tipo II.

Contornos Okumura

40.8dBµµV/m.

Primera Fila

Segunda Fila

Receptor de célula

4

6

14

16

15

7

Señal de interferencia promedio de los mensajes de la célula 7

CITEDI-IPN

Hugo Torres

106

Se puede verificar que:

1. Para una potencia de transmisión del pager de 1W, una tasa de transmisión de datos

de 9600 bps en el sistema de retorno NPCS, con un ancho de banda de 12.5 kHz,

una temperatura de 290°K y un figura de ruido en el receptor de 3dB. Eb/(No+Io)=

12.50765639 dB en la célula 4.

2. El valor de razón de energía de bit a interferencia a ruido calculado para el grupo de

células tipo II es un mínimo debido a que el análisis se realizó para el peor caso, es

decir, para la célula que experimenta la máxima interferencia de cuatro células en la

primera fila.

3. Se tiene una relación Eb/Io = 17.76494831 dB que resulta robusto para un sistema

NPCS que utiliza modulación 4FSK en comparación al valor (típico de 6 a 7 dB)

reportado en la literatura de sistemas de comunicaciones personales que usan

modulación de espectro disperso [23].

4. Se obtiene una razón C/I = 16.61856051dB mayor que la prevista como referencia

para el diseño celular del capítulo 3, con un rango de robustez de 2.81856051 dB, lo

cual satisface el valor mínimo considerado de C/I= 13.8 dB para k = 4.

5. Se puede utilizar el mismo procedimiento para calcular el nivel de interferencia co-

canal para las células 13 (tipo I) y 9 (tipo IV).

A partir de las expresiones 3.6.1, 4.2.8, 4.2.9, 4.2.10 y 4.2.11 es posible obtener las

siguientes relaciones,

=

IC

R

fMG bT

32

(4.3.3)

−

=

IC

R

fM

IC

R

fMS bTbT

322

exp32

(4.3.4)

1

322

1

−

−=

TM

b

IC

R

fP (4.3.5)

donde, nIC

k =

=

32

; k = i2+ ij+ j2 ≥ 3; i, j = 0 ,1 ,2, 3,… (4.3.6)

CITEDI-IPN

Hugo Torres

107

Las ecuaciones 4.3.3, 4.3.4, 4.3.5 y 4.3.6 permiten caracterizar al sistema de acceso

propuesto (sección 4.1) en función de la relación C/I deseada para el diseño celular de la

etapa de retorno del diseño NPCS y del número de ranuras del sistema TDMA.

En este capítulo se demostró que el sistema de acceso propuesto resuelve el

problema de controlar la transferencia de información para la etapa de retorno,

garantizando que el tráfico generado en la hora pico funciona en la región lineal de la curva

ALOHA clásico, y como resultado, se evitan congestionamientos de tráfico. Mediante un

estudio de interferencia co-canal, se verificó que el diseño celular propuesto cumple la

hipótesis del valor C/I seleccionado en la sección 3.6; y además, se determinó que posee

una buena robustez al ruido térmico e interferencia co-canal en comparación de sistemas

PCS.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

108


CCoonncclluussiioonneess,, aappoorrttaacciioonneess yy rreeccoommeennddaacciioonneess

En este trabajo se cumplió el objetivo de diseñar y evaluar un sistema de

comunicaciones NPCS de dos vías que se ajuste a los aspectos regulatorios nacionales e

internacionales. El estudio se realizó para la ciudad de Tijuana, debido a que representa una

región de servicio con una orografía accidentada que hace más complejos los estudios de

propagación.

Uno de los objetivos de la tesis es precisamente fomentar la inquietud de los centros

de investigación y universidades del país, y de orientar sus áreas de investigación hacia las

estudios prácticos en el área de las comunicaciones móviles resolviendo problemas

actuales, debido a que existen más de 300 operadores de comunicaciones móviles (Celular

analógico y digital, PCS, Trunking, Paging, MMDS, WLL). Es necesario hacer énfasis en

la falta de especialistas en México, en el área de RF y muy particularmente en

comunicaciones móviles. De hecho, toda la ingeniería de modelado de RF es importada. Lo

anterior ocasiona que el servicio actual prestado por los operadores de telefonía móvil en

México es deficiente, además de otros impactos de carácter económico y social.

CONCLUSIONES

§ Una vez identificado el problema de cobertura que implica la zona de servicio para

el diseño NPCS, se resuelve utilizando el método empírico de simulaciones

combinando los modelos de propagación electromagnética de Bullington (contornos

de 40.8 dBµV/m) debido a que muestra una mejor respuesta a los efectos de

propagación que los modelos Okumura y Carey para la etapa de envío; y el modelo

Okumura para la etapa de retorno, debido a que es un modelo diseñado

específicamente bajo un ambiente donde predomina los efectos de multitrayectoria.

Se determinó que la configuración mínima para la etapa de envío consiste en dos

CITEDI-IPN

Hugo Torres

109

transmisores localizados en el Cerro Colorado (sitio 1) y otro en la región Lázaro

Cárdenas (sitio 2) aplicando la técnica simulcast (Fig. 3.7). Para la etapa de retorno

se requieren un mínimo de 21 células (Fig. 3.10) bajo condiciones de máxima

potencia transmitida para los pagers de 1 W de dos vías y un nivel de contorno de

cobertura por célula de 40.8 dBµV/m que es menor o igual al recomendado para

impedir interferencias objetables.

§ Aplicando se modelo de tráfico Erlang de primera clase, se encuentra que la Central

de Operaciones de Red (NOC) del sistema NPCS demanda 19 líneas para atender al

número programado de suscriptores, en los primeros cinco años.

§ Se presenta un diseño de un sistema de comunicaciones de retorno combinando dos

tecnologías: un enlace inalámbrico que comunica a todas las células con un punto

repetidor de microondas digital, y el tramo cubierto por el enlace de microondas que

envía esta información a la estación central para su procesamiento.

§ Se determinó que un sistema de acceso ALOHA clásico/TDMA/Espacio es

imprescindible para organizar y garantizar la transferencia eficiente de información

procedente desde los pagers hasta la NOC, bajo condiciones de tráfico pico en el

proceso de retorno.

§ El estudio de interferencia co-canal presentado corrobora que el diseño de

propagación para la etapa de retorno es adecuado con respectos a sistemas PCS

reportados en la literatura de comunicaciones.

APORTACIONES

Como resultado del desarrollo de este trabajo se realizaron varias aportaciones que

se mencionan a continuación:

§ Planteamiento de una metodología para diseñar un sistema de radiocomunicación móvil

NPCS de dos sujeto a regulaciones de comunicaciones de México.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

110

§ Se encontró una combinación original de los modelos de propagación existentes en la

teoría de propagación, que consiste de un modelo geométrico (modelo Bullington) y un

modelo experimental (modelo Okumura) para optimizar la cobertura, considerando los

efectos reales del relieve de la zona de servicio.

§ Diseño de un sistema de acceso ALOHA/TDMA/Espacio para la etapa de retorno no

reportado en la literatura disponible, que combina la utilización de una frecuencia única

de acceso ALOHA con dos procesos TDMA que incluyen ventanas de transmisión y

periodos de retención de información en modo ALOHA generado en cada célula del

diseño de cobertura celular.

§ Se diseñó un sistema NPCS implementado completamente con tecnología inalámbrica

disponible actualmente en el mercado de las telecomunicaciones.

§ Se realizó un estudio de tráfico en las etapas de envío y de retorno que permitió:

dimensionar el número de canales de entrada al sistema NPCS, y verificar que el

esquema de acceso ALOHA clásico (parte del sistema de acceso propuesto) funciona en

la región lineal de la curva característica de tráfico normalizado-eficiencia de

utilización de canal (G - S).

§ El trabajo de investigación presentado servirá como referencia para futuros diseños

NPCS, estudios de propagación que consideren los efectos reales de relieve de la zona

de servicio y modelos de sistemas de acceso híbridos que involucren esquema ALOHA

clásico, TDMA y diseños celulares.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

111

RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS

Basándose en el trabajo de tesis desarrollado se presentan las siguientes

recomendaciones y estudios que se pueden derivar del mismo:

§ Encontrar una combinación de los modelos de propagación que represente un estudio

mejorado y que considere extensamente la atenuación por distancia, difracción por

colinas, reflexión por superficie, efectos de absorción de edificios, y las componentes

lognormal y multitrayectoria de la zona de servicio.

§ Realizar el estudio de la técnica simulcast para un sistema NPCS con un protocolo de

comunicación avanzado que proporcione más servicios, como el protocolo InFLEXion.

§ Complementar el estudio del sistema de acceso desde el punto de vista probabilístico.

§ Estudiar la compatibilidad del sistema NPCS con redes de comunicaciones de

diferentes tecnologías.

§ Ajustar el diseño celular considerando las regiones con una mayor presencia de

suscriptores.

§ Realizar un estudio detallado sobre el proceso de retransmisiones, número de paquetes

perdidos y tiempos de espera para el sistema de acceso propuesto.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

112

AAnneexxoo II

Entrada de coordenadas,radiales, distancias para laextracción de datos de losradiales

Menu 1(Programas de datos topográficos)Programa 1 (Extracción de datos de elevación de radiales)

Entrada de frecuencia,potencia, antenas para el cálculo de campo

Archivo de datos de elevación

Menu 3 (Programas Bullington,Carey y Okumura)Programa 3 (Campo Bullington)

Menu 3 (Programas Bullington,Carey y Okumura)Programa 7 (Gráfica de Umbral)

Archivo de intensidadde campo

(Opcional)Archivo de antenadireccional)

Menu 2 (Programa de geometría de trayectoria)Programa 1 (Edición deArchivo de obstrcciones)

(Opcional)Archivo de Obstrucciones

Gráfica de umbrales de campo con líneas

de contorno opcionales

(Opcional)Archivo de líneasde contorno

Menu 1 (Programa de líneasde contorno)Programa 1 (Edición de archivode contorno)

Menu 1 (Programas de datos topográficos)Programa 1(Extracción de datosde elevación de radiales)

Fig. I.1 Diagrama del proceso para la obtención de contornos Bullington, Carey y Okumura mediante el programa TAP de Softwright Inc.[13]

CITEDI-IPN

Hugo Torres

113

AAnneexxoo IIII Tipo: Antena DB806t6-Y (Decibel Inc.) Ganancia del lóbulo mayor:

0 dBd

Orientación: 0° Sector Omnidireccional Frecuencia: 890-960 MHz

a) b) Fig.II.1 Patrones a) horizontal y b) vertical de la antena utilizada para las simulaciones Okumura, Bullington y Carey para el sitio Cerro Colorado, en el proceso de envío. (Simulaciones A, B, C, D y E).[13]

Tipo: Antena PD10175 (Celwave Inc.) Ganancia de lóbulo mayor:

15 dBd

Orientación: 135° Sector 60° Frecuencia: 890-960 MHz

a) b) Fig.II.2 Patrones a) horizontal y b) vertical de la antena utilizada para las simulaciones Bullington para el sitio Lázaro Cárdenas, en el proceso de envío.(Simulación F )[13]

CITEDI-IPN

Hugo Torres

114

Tipo: Antena PD10194 (Celwave Inc.) Ganancia de lóbulo mayor:

15.6 dBd

Orientación: 135° Sector 37° Frecuencia: 890-960 MHz

a) b)

Fig.II.3. Patrones a) horizontal y b) vertical de la antena utilizada para las simulaciones Bullington para el sitio Lázaro Cárdenas, en el proceso de envío. (Simulación G ).[13]

115

AAnneexxoo IIIIII En el diseño NPCS se proponen un enlace satelital para el sistema de envío, el cual

será realizado en la banda Ku. Para el sistema de retorno se opta por un sistema de

comunicaciones que consiste en dos partes: un enlace inalámbrico, que recolecta la

información de cada una de las células y la envía a un repetidor ubicado en el Cerro

Colorado (Sitio 1); y un enlace de microondas, que transmite la información recolectada

hacia la estación maestra. En esta sección se presentan los cálculos de pérdidas para el

enlace satelital y el enlace de microondas.

III.1 Cálculo del enlace de microondas

Se tomaron las lecturas de los sitios a enlazar mediante un GPS (45 PERSONAL

NAVIGATOR, GARMIN Inc. ). Las lecturas que se registraron son las siguientes.

ESTACION 1: CERRO COLORADO ESTACION 2: EST. MAESTRA Coordenadas geográficas Coordenadas geográficas Longitud: 116°53’47’’ W Longitud: 117°01’13’’ W Latitud: 32°28’24’’ N Latitud: 32°31’38’’ N ASNM1: 540 ASNM: 40

La región a enlazar se encuentra dentro de la región geográfica 2 especificada por la ITU.

Cálculo de las zonas de Fresnel

Para evitar efectos de difracción en la línea de vista del enlace de comunicación

microondas, se calculan las primeras dos zonas de Fresnel como se muestra a

continuación[7],

21

21

ddddn

rn +=

λ (III.1.1)

donde n representa la n-ésima zona de Fresnel, λ es la longitud de onda, d1 y d2 son las

distancias a las cuales se calcula la zona de Fresnel. Para el caso en cuestión se obtiene para

la primera zona 6.54 m y para la segunda 9.24 m. Como se puede observar en la figura 3.14

no se tienen obstáculos que afecten la propagación de la señal de microondas

1 ASNM: Altura sobre el nivel del mar.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

116

Cálculo de las pérdidas de propagación en espacio libre

Para obtener las pérdidas de propagación en espacio libre se aplica la siguiente

expresión [7],

kmMHzF dfL log20log20 += + á (III.1.2)

en donde se sustituyen los valores siguientes:

f = frecuencia de operación del radioenlace 23 GHz.

D = distancia entre los dos puntos a comunicar, 13.09 km

á = 32.44.

Cálculo del margen de desvanecimiento

Para el cálculo del margen de desvanecimiento se aplica la siguiente expresión [22],

70)1log(10)6log(10log30 −−−+= cM RABfDF (III.1.3)

de donde los parámetros involucrados son los siguientes

FM = Margen de desvanecimiento, en dB.

D = Distancia entre las antenas, en km

f = frecuencia de operación, en GHz.

Rc = Confiabilidad.

A = Factor topográfico

4 Propagación en zona plana. 1 Sobre terreno promedio. 0.25 Sobre terreno montañoso.

B = Factor climático establecido en las peores condiciones meteorológicas hasta un buen

clima (cielo despejado 25°C).

1 Buenas condiciones durante todo el año 0.5 Zonas cálidas y húmedas (precipitaciones). 0.25 Zonas promedio en el interior del territorio 0.125 Zonas montañosas y muy secas.

Para la zona en estudio se eligen los siguientes parámetros A=1, B=1 y se tomó

como factor de confiabilidad del radioenlace Rc = 0.99999 (99.999%).

Se puede considerar una atenuación de 10 dB por pérdidas en las líneas de

transmisión, pérdidas en los conectores y de acoplamiento (Lm), es decir, L = LF +FM+Lm.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

117

Debido a que la distancia es corta, se considera despreciable el efecto de la

curvatura de la Tierra. Como ejemplo, para un receptor con una sensibilidad de –80 dBmW

(-210 dB) de Digital Microwave Corporation y con una antena comercialmente disponible

de 1.2 m diámetro (D) cuya ganancia está especificada por G = ς(πD/λ)2[22], donde ς es la

eficiencia de un reflector parabólico y λ es la longitud de onda, es decir, 46.6 dB. El

resultado de la atenuación L más la ganancia del sistema es 88.8 dB, y considerando una

antena transmisora con las mismas características, la potencia mínima de transmisión es de

–41.62 dBm. Un transmisor típico para la banda de 23 GHz proporciona una potencia de

salida máxima de +20 dBmW [24], es decir el cálculo del sistema es viable con la

tecnología de microondas disponible.

Como cálculo final para la sección de microondas se calcula la Potencia Isotrópica

Radiada Efectiva dada por la siguiente expresión (PIRE) [22],

PIRE(dBm) = 10 log(103 PT) + 10log GT - Lm (III.1.4)

Tabla III.1.Resumen del Cálculo de Microondas

Estación 1: Estación Cerro Colorado Frecuencia 23 GHz Horario Las 24 horas Circuito CERRO (TX) COLORADO –Estación Maestra (Zona

Río), Tijuana, BC. (RX) Longitud del enlace 13.09 km Potencia:

Nominal: + 16 dBmW P.I.R.E +8 2.6 dBmW

Antena: Tipo: Parabólica (diámetro 1.2 m) Polarización: Vertical u Horizontal Angulo de elevación -2.5° Ganancia 46.6 dBi

Confiabilidad del radioenlace

99.999%

Margen de desvanecimiento 35 dB Pérdidas totales de 177 dB

CITEDI-IPN

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118

propagación Pérdidas por acoplamiento, en línea de transmisión y conectores

10 dB

Altura S.N.M 540 m Altura S.T. 30 m No. De canales 1 Latitud 32°28’24’’ N Longitud 116°53’47’’ W

Estación 2: Estación Maestra Frecuencia 23 GHz Horario Las 24 horas

Circuito CERRO (TX) COLORADO –Estación Maestra (Zona Río), Tijuana, BC. (RX)

Antena: Tipo: Parabólica (1727 x 914 x 457 mm) Polarización: Vertical u Horizontal

Angulo de elevación 2.5° Ganancia 46.6 dBi

Altura S.N.M 40 m Altura S.T. 30 m No. De canales 1 Latitud 32°31.64’ N Longitud 117°1’13.38’’ W Sensibilidad de RX -80 dBm

III.2 Cálculo del enlace satelital

El objetivo de esta sección es encontrar Eb/No para seleccionar los componentes

principales de la etapa satelital que garanticen una recepción adecuada en los equipos

VSAT de cada sitio de transmisión.

Para distribuir de una manera práctica la información que parte de la estación

maestra, se aplica la técnica de acceso satelital debido a su alta confiabilidad de

propagación y cobertura sobre la zona de servicio. Se utilizan los recursos de

CITEDI-IPN

Hugo Torres

119

comunicaciones del sistema SATMEX5. El análisis consiste en dos etapas: cálculo de

subida al satélite y cálculo de bajada a la zona de servicio.

a) Análisis de subida al satélite

A continuación se muestra la ubicación de la estación maestra,

Estación Terrena Satélite Satmex5 Estación Maestra

Tijuana, BC

LAes =32°31’38’’=32.5272 LOes=117°1’13’’=117.0203 LOsat = 116.8ºW

El cálculo del azimut se puede calcular con la siguiente expresión [25],

= −

es

1

sinLAtanL

tanAzm (magnitud) (III.2.1)

sates LOLOL −=

Para obtener el ángulo real del azimut se consultan las tablas reportadas en [25].

Az = 180° + Azm

Para el cálculo del ángulo de elevación de la antena se aplica la siguiente expresión [25],

−= −

LcosLAcos1

0.151 - L cos LA costan

2es

2

es1θ (III.2.2)

La distancia de la estación terrena al satélite se obtiene mediante las siguientes expresiones

[25],

[ ] 2/122 cos)hR(R2)hR(RS β+−++= (III.2.3)

α = sen-1(0.15126 cos θ), β = 90° - α -θ

donde R es el radio de la Tierra, y h = 35786 km es la distancia mínima de un punto del

Ecuador de la Tierra al satélite geoestacionario.

Ganancia de la antena Tx

Para el cálculo de la ganancia de la antena parabólica se aplica la siguiente

expresión, donde se elige la eficiencia estándar de 0.55 para una antena tipo reflector

CITEDI-IPN

Hugo Torres

120

parabólico. Este cálculo se realiza proponiendo una frecuencia de subida al satélite de 14

GHz y un diámetro de la antena de antena parabólica de 3.8 m [22],

=

2

dB òlog10GcfDπ

(III.2.4)

Pérdidas de Propagación

Las pérdidas de propagación en espacio libre se obtiene mediante la siguiente

expresión [7],

FSL = 32.4 + 20logDkm + 20logfMHz (III.2.5)

donde D representa la distancia de la estación terrena al satélite geosíncrono, la cual está

determinada por el rango aproximado de 37 000 km.

Cálculo del EIRP

Se propone como potencia de transmisión 10 W [26], debido a que es una potencia

disponible en equipos de comunicaciones satelitales; a partir de la cual se realizan todos los

cálculos posteriores. Se aplica la expresión (3.4.6), donde LFTX(dB) son las pérdidas debidas

a la línea de transmisión y de acoplamiento del transmisor a la antena, es decir,

EIRPdB = PT(dB) + GT(dB) - LFTX(dB) (III.2.6)

Figura de mérito del satélite

De la carta de especificaciones del satélite Satmex 5 se tiene que para la Cd. de

Tijuana, G/T =1.87 dB/°K. Este valor se utiliza para los análisis de subida.

Cálculo de C/No

La razón de potencia de portadora a densidad de potencia de ruido se encuentra

mediante la siguiente expresión [27],

(C/No)U = EIRP + G/T - L - Lm - K (III.2.7)

donde K es la constante de Boltzmann, expresada en decibeles y equivale a -228.6 dBJ/°K y

Lm representa las pérdidas misceláneas descritos en la tabla 4.4. La atenuación atmosférica

debido a componentes gaseosos en la tropósfera y por lluvia tiene un valor típico de 10.3

dB, esta atenuación no debe de exceder de 0.01% en promedio por año [72]. Las pérdidas

CITEDI-IPN

Hugo Torres

121

por apuntalamiento se determinan por la expresión LT(dB)= 12(θT/θ 3dB)2 [27], donde θT es el

máximo error de apuntalamiento y θ 3dB es el ángulo del haz, al cual la potencia se reduce

en 3 dB respecto al máximo valor del patrón de radiación de la antena.

Tabla III.2. Pérdidas del sistema satelital

TIPO DE PÉRDIDAS MAGNITUD (dB)

Pérdidas en la ET Pérdidas en el BPF 0.4 Pérdidas en el acoplador direccional 0.2 Pérdidas de alimentación de la antena 0.1

Pérdidas en la Propagación Pérdidas de apuntalamiento 0.9 Pérdidas de polarización 0.5 Pérdidas por absorción atmosférica 0.3 Pérdidas por contorno 0.5 Pérdidas por lluvia 10.0 Pérdidas totales (subida) 12.9

Cálculo de la relación señal a ruido (C/N)U

Para el protocolo ReFLEX50 se tiene una velocidad de transmisión máxima de

25600 bps. Utilizando un esquema de modulación de QPSK para el enlace satelital, se tiene

que se requiere un ancho de banda de B = Rb/2 [22]. Se incluye también un esquema de

corrección de error FEC ½.

En el sistema de comunicaciones satelital SATMEX5, el mínimo ancho de banda

accesible es 50 kHz [26], el cual se tomará como base para los cálculos posteriores. Con el

parámetro anterior se realiza el cálculo del ancho de banda requerido para un sistema QPSK

A continuación se determina la razón señal a ruido de la portadora, como se muestra

a continuación,

( )dBodB

dBo

NCN

C−=

( )dBdBdBo BNN −= )(

Sustituyendo,

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122

( )dB

dBodB

BN

C

N

C−

=

(III.2.8)

Para determinar la densidad de potencia de bit a densidad de ruido Eb/No, se parte

de la siguiente expresión [22],

bdB)dB(Uo

b

RB

log10NC

N

E+

=

(III.2.9)

donde B/Rb = 1.95.

Cálculo de la densidad de potencia ΦΦ

Para determinar la densidad de flujo a la distancia del satélite se aplica la siguiente

expresión como se muestra a continuación, tomando en cuenta que r representa el rango del

radioenlace [27],

2)()( 4log10 rPG dBTdBTdB π−+=Φ (III.2.10)

b) Análisis de bajada a la zona de servicio

Se realiza el cálculo de los parámetros de bajada a la estaciones terrenas sitio 1

(32º28’24’’N, 116º53’47’’W) y sitio 2 (32º31’00’’N, 117º06’11’’W). En general se aplican

criterios similares a los aplicados en el análisis de subida del satélite. Con una frecuencia de

bajada a la estación terrena de 11 GHz, se determinan las pérdidas por espacio libre.

Considerando cualquiera de los siguientes transpondedores del SATMEX5: 9, 11,

13, 15, 17, 19, 21 y 23, a utilizarse como medio de acceso al satélite para la banda Ku, se

verifica de las referencias que para la región de servicio le corresponde un EIRP de 52.85

dBW y una densidad de potencia de -95.16 dBW/m2.

Cálculo de la figura de mérito del receptor.

Considerando una temperatura del sistema de recepción de 17°C, equivalente a

290°K, se puede encontrar la figura de mérito correspondiente mediante ecuación,

TGTG

R

−=

(III.2.11)

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123

donde GR representa la ganancia de la antena de la estación terrena en el enlace de bajada, T

representa la temperatura de ruido equivalente expresada por T = t(NF-1), donde NF es la

figura de ruido del receptor y t es la temperatura en grados Kelvin [27]. Para el cálculo en

cuestión se considera una NF de 1 dB, para una estación VSAT con una antena de 1 m de

diámetro y para la frecuencia de bajada de 11 GHz; se tiene que GR = 38.63 dB. Para el

cálculo de (C/No)D, (C/N)D y (Eb/No)D se aplica el mismo procedimiento de la sección de

subida.

Tabla III.3. Resumen del cálculo satelital

ESTACION 1:ESTACION MAESTRA ETAPA DE SUBIDA

Latitud 32°31’38’’ Longitud 117°1’13’’ Azimut 180.409° Frecuencia 14 GHz Ancho de banda 50 kHz Inclinación 52.16° Antena: Reflector parabólico

Diámetro 3.8 m Ganancia 52.32 dB PIRE 61.62 dB C/N 25.5 dB Eb/No 28.4 dB G/T 1.87 dB/°K Densidad de flujo - 100 dBW/m2

ETAPA DE BAJADA Frecuencia 11 GHz Antena: reflector parabólico

Diámetro 1.0 m Ganancia 38.63 dB PIRE 52.85 dB C/N 36.83 dB Eb/No 39.7 dB G/T 19.87 dB/°K Densidad de flujo -95.16 dBW/m2

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En las tablas III.1 y III.3 se presentan los resultados de los cálculos para los enlaces

satelital y de microondas, que han sido basados en equipos disponibles actualmente, lo cual

asegura la viabilidad para implementar los enlaces en un sentido práctico, siendo éste el

enfoque de este trabajo.

CITEDI-IPN

Hugo Torres

125

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