2.2 la propagación radio-móvil - ing. felix pinto macedo · fundamentos de la telefonía móvil...

Fundamentos de la telefonía móvil 27

influenciado por los respectivos comités de estandarización de los organismos ETSI europeo, ARIBjaponés y TIA americano, [DAHL98].

2.2 La propagación radio-móvil

Las comunicaciones en telefonía móvil se establecen entre dos terminales móviles o entre un terminalmóvil y un terminal fijo. El establecimiento de la comunicación comprende uno o dos tramos deacceso vía radio y un tramo de la comunicación por red fija. Para garantizar la calidad de lacomunicación se debe asegurar una transmisión aceptable tanto en el tramo de acceso radio como enel tramo de transmisión por red fija. A efectos prácticos, las líneas de comunicación en red fija operancon unas tasas de error de transmisión muy reducidas y los retardos de transmisión están acotados enfunción del servicio deseado. Por este motivo, la complejidad en el mantenimiento de la calidad de lacomunicación se traslada al tramo de transmisión por vía radio, de forma que la mayoría de losmecanismos de protección del funcionamiento de los sistemas de telefonía móvil se disponen paracontrarrestar los efectos negativos que se producen sobre el interfaz radio.

En este apartado se introducen las características básicas que describen el comportamiento del mediode transmisión para las comunicaciones móviles. Una vez descrito dicho comportamiento se apuntanlos mecanismos genéricos utilizados para contrarrestar sus efectos, de forma que en posteriorescapítulos se describirán los detalles de funcionamiento de algunos sistemas de telefonía móvilcaracterísticos.

En primera aproximación, la señal recibida en una comunicación móvil está sujeta a tres efectosdiferenciados [STEE92], [JAKE74], [LEE93]:

• Pérdidas por propagación• Pérdidas por configuración del terreno• Pérdidas por efecto multicamino

Aunque la naturaleza de cada una de las pérdidas es diferente, la señal recibida está afectada por lasuperposición de los tres efectos, y en muchos casos resulta difícil separar un efecto del resto debido ala interrelación que existe.

2.2.1 Pérdidas por propagación

Las pérdidas por propagación son las debidas a la distancia que separa al emisor del receptor. Enespacio libre, las pérdidas por propagación son inversamente proporcionales al cuadrado de ladistancia entre ambos:

21 rPrec ∝ (2.1)

Comunicaciones móviles28

Donde el término cuadrático se justifica porque la potencia emitida en espacio libre se reparte sobreuna superficie esférica cuya área es proporcional al cuadrado del radio de la misma.

Para las comunicaciones móviles la aproximación de espacio libre no es válida, ya que como mínimose debe contar con el efecto del terreno que sustenta emisor y receptor. Véase figura 2.3. De estemodo la energía emitida se concentra sobre la mitad de la esfera descrita en el caso anterior paraespacio libre, y por ello el factor de pérdidas por propagación debería ser inferior a dos.

Fig. 2.3 Efecto del terreno en la propagación

En la práctica, con motivo de la reflexión de la señal sobre el suelo se produce un cambio de fase en laseñal reflejada, esto conduce a una suma de señales destructiva debido a la reducida diferencia en loscaminos recorridos por el rayo directo y el rayo reflejado en la mayoría de los casos. Esto implica que,contrariamente a lo anticipado, el factor de pérdidas por propagación será superior a dos. Además, enun caso más realista se deben contabilizar las contribuciones de las reflexiones sobre otros elementosque rodean emisor y receptor, de manera que el factor de pérdidas por propagación resulta de lacomposición de todas las señales recibidas. Esto implica que dicho factor de pérdidas por propagaciónserá variante, dependiendo del entorno de operación del sistema.

Los entornos de operación se clasifican en función del tipo y número de elementos que rodean aemisor y receptor. Una clasificación sencilla distingue tres tipos de entorno: entorno urbano, entornosuburbano y entorno rural. Para el entorno urbano las edificaciones que rodean emisor y receptor sonabundantes y de dimensiones considerables. Para entorno suburbano las edificaciones son mucho másdispersas y de dimensiones reducidas. Para entorno rural las edificaciones son escasas y dispersas,siendo este entorno el más parecido al espacio abierto. Diferentes estudios de campo hanproporcionado unos valores típicos del factor de pérdidas por propagación en cada uno de estos tresentornos, según se refleja en la tabla 2.3.

Tabla 2.3 Factores de pérdidas por propagación

Entorno Factor de pérdidas por propagaciónUrbano 5

Suburbano 4Rural 3


El valor del factor de pérdidas por propagación queda justificado en parte, tal y como se acaba decomentar, con ayuda del efecto multicamino. En la práctica, como ya se ha dicho, los tres efectos(propagación, efectos del terreno y multicamino) están interrelacionados, por lo que resulta difícilaislar uno del resto. Por tanto, sólo se puede apuntar una tendencia en cuanto a los valores numéricosque adopta el factor de pérdidas por propagación y esto no impide, a su vez, que sea variante en eltiempo.

2.2.2 Pérdidas por configuración del terreno

Las pérdidas por configuración del terreno, también llamadas desvanecimientos lentos, resultan, comosu nombre indica, del entorno que rodea en cada momento emisor y receptor. Sin embargo, adiferencia del efecto multicamino, dichas pérdidas tienen una variación temporal lenta.

Los desvanecimientos lentos se deben, por lo general, a la presencia de algún obstáculo de grandesdimensiones que impide la visión directa entre emisor y receptor. Esto contribuye con una atenuaciónadicional que se suma a las pérdidas por distancia. Las grandes dimensiones del obstáculo provocanun efecto que perdura mucho más en el tiempo que las atenuaciones por efecto multicamino, aunquela duración real de dicho desvanecimiento lento está sujeta a la velocidad de desplazamiento delterminal móvil.

La estadística más utilizada para simular dicho efecto es la estadística Log-normal. Es decir,expresadas las pérdidas por configuración del terreno en forma logarítmica, su estadística será normalo Gaussiana con una desviación típica variante según el entorno de estudio escogido. La funcióndensidad de probabilidad de las pérdidas por configuración del terreno es la mostrada en la expresión2.2.

( ) ( )2

2

2exp

21

σσπmrrf −−

⋅=

(2.2)

Los modelos de canal en simulaciones del comportamiento de una comunicación móvil suelen tomardesviaciones típicas del orden de 8 dB [VITE95], [GILH91].

2.2.3 Pérdidas por efecto multicamino

El canal radio se puede observar en una escala temporal reducida a través de su respuesta impulsional[ROSS94]. En ella se aprecian dos características dominantes, el delay spread y el Doppler spread. Eldelay spread tiene como efectos directos la dispersión en el tiempo y el consiguiente desvanecimientoselectivo en frecuencia, mientras el Doppler spread da lugar a la dispersión en frecuencia y eldesvanecimiento selectivo en el tiempo.

Ambas características, delay spread y Doppler spread, son producto del efecto multicamino de lascomunicaciones móviles. En la mayoría de los casos no existe visión directa entre transmisor yreceptor, de modo que la señal recogida en el receptor es la suma de muchas señales procedentes de


sucesivas reflexiones producidas sobre los elementos que rodean emisor y receptor hasta llegar a laantena receptora. La señal suma de todas las reflexiones es la señal sujeta al efecto multicamino.

La estadística más comúnmente utilizada para simular dicho efecto suele ser la estadística Rayleigh,cuya función densidad de probabilidad del valor de la atenuación es la que se presenta en la expresión2.3.

( ) 2

2

2 2exp

σσrrrf −

=(2.3)

Delay spread

El delay spread caracteriza los sucesivos ecos de señal recibidos. Estos ecos introducen una dispersióntemporal sobre la señal transmitida, de modo que la suma de todos los ecos tiene como efecto unfiltrado selectivo en frecuencia, es decir, la señal sufre atenuaciones diferentes a frecuencias distintas.Dos frecuencias cuya separación sea superior al inverso del delay spread sufrirán diferenteatenuación. Por contra, si la separación frecuencial es inferior al inverso del delay spread tendrán unaatenuación semejante.

Es por ello que el carácter selectivo del canal en frecuencia depende del ancho de banda de la señaltransmitida comparado con el inverso del delay spread, también denominado ancho de banda decoherencia del canal.

Las señales con ancho de banda reducido en comparación con el ancho de banda de coherencia delcanal sufren una atenuación plana en frecuencia. Las señales con ancho de banda del mismo orden demagnitud que el inverso del delay spread se ven sometidas al conocido efecto de interferenciaintersimbólica. Estas últimas precisan de elementos de ecualización. Y por último, en señales conancho de banda muy superior al ancho de banda de coherencia del canal, el receptor es capaz dedistinguir los sucesivos ecos de señal recibidos y utilizarlos para combinarlos coherentemente antes dela decisión de la señal recibida. Este último es el caso de las transmisiones por espectro ensanchado.

Doppler spread

Otra característica del efecto multicamino es la varianza en el tiempo de propagación del canal detransmisión o Doppler spread consecuencia del desplazamiento del terminal móvil durante lacomunicación. Esto provoca desvanecimientos selectivos en el tiempo que distorsionan la señalrecibida. La dispersión frecuencial se traduce en una alteración del ancho de banda de la señaltransmitida produciendo ensanchamientos o estrechamientos de la misma.

Si la señal transmitida es de corta duración temporal, se observa un canal invariante en el tiempo. Porcontra, a medida que aumente la duración de la señal, el canal tiene más tiempo para variar y enconsecuencia distorsionar la señal transmitida. Por tanto, como en el caso del delay spread, ladistorsión temporal es relativa al ancho de banda de la señal transmitida.


Se define un tiempo de coherencia del canal, tiempo en el cual el comportamiento del mismo esaproximadamente invariante. Para tener un orden de magnitud, se cuantifica dicho tiempo decoherencia como el inverso de la máxima frecuencia Doppler, que depende de la velocidad dedesplazamiento del terminal móvil cuando éste se mueve en la misma dirección que la de propagaciónde la señal transmitida entre emisor y receptor.

Para los sistemas celulares actuales, el ancho de banda de la señal es muy superior a la máximafrecuencia Doppler, de modo que las alteraciones en el ancho de banda de la señal recibida sondespreciables. Por otra parte, un efecto colateral que puede causar una velocidad de desplazamientoexcesiva del terminal móvil son los desplazamientos espectrales que ello conlleva y que puedenimpedir el seguimiento frecuencial por parte del receptor del canal utilizado en la comunicación.

Por otro lado, el tiempo de coherencia del canal es un parámetro muy útil de cuantificar para poderdimensionar a priori la profundidad de entrelazado a aplicar para eliminar los errores a ráfagas que seproducen durante un desvanecimiento profundo.

2.3 Los sistemas celulares

Los sistemas de primera generación fueron los primeros sistemas celulares. El concepto de sistemacelular introduce nuevos procedimientos sobre los sistemas de telefonía móvil, uno de ellos es eltraspaso de llamada. Con este nuevo procedimiento se gestiona el cambio de canal utilizado para lacomunicación en una celda por otro nuevo canal de la celda de destino, es decir, el traspaso dellamada se produce cuando el terminal móvil abandona una celda para introducirse en otra.

Otro procedimiento característico de los sistemas celulares es la búsqueda de un móvil para elestablecimiento de una llamada dirigida hacia este. La ubicación del terminal móvil es ambigua, sedesconoce la celda donde se encuentra y el establecimiento de una comunicación requiere realizar unalocalización. Para ello se hace necesario enviar un mensaje de búsqueda sobre el conjunto de celdasdonde puede encontrarse el terminal móvil, a la espera de que el terminal móvil responda a través deuna estación base determinada, y de este modo comunica indirectamente su posición.

Por último, se introduce el procedimiento de actualización de posición. Sirve para facilitar la búsquedadel terminal móvil cuando se realiza una llamada hacia éste, como se ha descrito en el párrafoanterior. Este procedimiento reduce la ambigüedad en la ubicación del terminal móvil a unos límitesrazonables que proporcionan un tiempo de respuesta aceptable en la localización del móvil sinsobrecargar en exceso la red. Para ello el conjunto de celdas que constituyen el área de servicio de unoperador de telefonía móvil se subdivide en áreas de localización, agrupaciones de celdas que emitenel mismo identificador de área de localización. Cuando un móvil detecta el identificador de área delocalización, lo compara con el que guarda en memoria de la última actualización de posición querealizó. Si este identificador coincide, el terminal móvil no realiza ninguna acción extra. En cambio, siel móvil detecta que los identificadores de área de localización no coinciden, inicia el procedimientode actualización de posición para indicar al sistema que ha abandonado un área de localización paraentrar en otro diferente. De este modo el sistema conoce la localización de sus terminales móviles entodo momento con una ambigüedad equivalente al tamaño del área de localización. Si el sistema


precisa conocer con mayor exactitud la posición de un terminal móvil, concretamente en el proceso deestablecimiento de una llamada dirigida hacia éste, se inicia el proceso de búsqueda del móvil, queconcluirá con la localización a nivel de celda del terminal móvil buscado.

Fig. 2.4 Áreas de localización y búsqueda de un móvil

Dentro del contexto de lo explicado en párrafos anteriores, el conjunto de procedimientos asociados aun sistema telefonía móvil celular se puede clasificar en:

• Procedimientos de establecimiento de comunicación• Procedimientos de actualización de posición• Procedimientos de traspaso de llamada

Y dentro de los procedimientos de establecimiento de comunicación existe una fase correspondiente alprocedimiento de búsqueda del terminal móvil para las llamadas dirigidas hacia un terminal móvil.

2.3.1 Procedimiento de establecimiento de comunicación

Existen dos tipos de procedimientos de establecimiento de comunicación: el procedimiento deestablecimiento de conexión para llamada entrante, es decir, la llamada dirigida hacia un terminalmóvil, y el procedimiento de establecimiento de conexión para llamada saliente, la llamada iniciadadesde un terminal móvil.

Las llamadas iniciadas desde el terminal móvil tienen una fase inicial de acceso al sistema para lasolicitud de un canal de comunicación radio y una posterior autenticación del dispositivo móvil que escomún a la fase inicial de otros procedimientos, como puede ser la actualización de posición. Una vezestablecida la conexión con la red, se inicia el diálogo de establecimiento de la comunicaciónmediante un intercambio de mensajes que se asemeja al establecimiento de llamada para un abonadode acceso desde la red fija.

La llamada dirigida hacia un terminal móvil tiene una fase inicial de búsqueda del terminal móvil. Elterminal móvil escucha a través de un canal de broadcast los mensajes de búsqueda que se emitenhacia todos los terminales móviles que son llamados. Si dicho terminal móvil se identifica como unode los buscados, contesta a la petición de búsqueda a través de la estación base más próxima, de modo


que automáticamente proporciona información sobre su posición y se establece el canal de conexióncon la estación base. Posteriormente continúa el diálogo con la red que concluye el establecimiento dela llamada.

Los detalles de ambos procedimientos de establecimiento de llamada se ven en el capítulo 3 dedicadoal sistema GSM. En este capítulo se verán los elementos de red fija implicados en ambosprocedimientos, así como los mensajes intercambiados.

Con carácter anecdótico cabe comentar que se está estudiando para los sistemas de tercera generaciónla posibilidad de utilizar estrategias de búsqueda inteligente de los terminales móviles. Estosmecanismos realizan cálculos de probabilidad sobre la posible ubicación de un determinado móvilpara diferentes celdas. Para poder aplicar este tipo de búsquedas es necesario disponer de informaciónadicional, como puede ser la celda a través de la cual se realizó la última actualización de posición, oalgún patrón de la ruta de desplazamiento del terminal móvil entre el domicilio del abonado y su lugarde trabajo. Todo ello sirve para discriminar unas celdas de otras asignando diferente probabilidad delocalización del terminal móvil. En un caso sencillo se parte de un área de localización de N celdas yse toma un subconjunto de M celdas para las que el móvil estará ubicado con mayor probabilidad.

Área de localizaciónN celdas

M celdas de mayor probabilidad

Fig. 2.5 Áreas de paging inteligente

Cuando se realiza la búsqueda de un terminal, primero se envían los mensajes de búsqueda en las Mceldas de mayor probabilidad. Si el terminal móvil no responde, se envían los mensajes de búsquedaal resto de celdas del área de localización. Sea p la probabilidad de que el móvil esté ubicado en las Mceldas, así el número medio de mensajes de búsqueda por usuario que se envían al utilizar la búsquedainteligente es:

( ) ( )MNpM −⋅−+= 1medio Número (2.4)

El número de mensajes de búsqueda que se envían si no se utiliza búsqueda inteligente es N, mientrasque utilizando búsqueda inteligente siempre será menor o igual, igual en el peor de los casos con p=0.Sin embargo, este tipo de búsqueda tiene como inconveniente el incremento del tiempo de respuesta ala búsqueda en el establecimiento de llamada si no se localiza al móvil en las M celdas más probables,ya que en ese caso es necesario realizar dos envíos de mensajes de búsqueda.


2.3.2 Procedimiento de actualización de posición

El procedimiento de actualización de posición ya se ha comentado con anterioridad. Su ejecución sepuede realizar en diferentes contextos dependiendo de las celdas origen y destino implicadas. Siambas celdas pertenecen al mismo controlador de la base de datos que almacena la informaciónrelativa a la ubicación del terminal móvil, se dice que se está realizando una actualización de posiciónintra-VLR, donde VLR, como se verá en el capítulo 3 dedicado al sistema GSM, corresponde a lassiglas Visitor Location Register, registro de localización de los terminales móviles visitantes. Ladenominación intra-VLR indica que el mismo elemento VLR controla ambas celdas. En casocontrario, la actualización de posición será inter-VLR, lo cual implica un incremento en lacomplejidad de ejecución del procedimiento en cuestión.

MSC

BSC BSC

BTS BTS BTS

MSC

BSC BSC

BTS BTS BTS

Intra-VLR Inter-VLR

VLR VLR

Área Localización 1



Fig. 2.6 Tipos de actualización de localización

Cuando un terminal móvil se desplaza por los bordes de dos áreas de localización, es posible que consu desplazamiento esté provocando sucesivas actualizaciones. Para evitar este efecto se utiliza elmargen de histéresis de reselección de celda, que se verá en el próximo apartado y que evita cambiarconstantemente celda y en consecuencia de área de localización.


2.3.3 Procedimiento de traspaso de llamada

El procedimiento de traspaso de llamada también es diferente en función de las celdas origen ydestino. En esta ocasión las diferencias vienen marcadas por el elemento controlador de estacionesbase. Si las celdas origen y destino pertenecen al mismo controlador, BSC – Base Station Controller,el traspaso de llamada es intra-BSC. Si no es así, pero ambas celdas pertenecen a dos BSCs, que a suvez pertenecen al mismo elemento de conmutación, MSC – Mobile Station Switching Center, eltraspaso de llamada es inter-BSC. Si esta última situación no se da, el traspaso de llamada es inter-MSC.

MSC

BSC BSC

BTS BTS BTS

MSC

BSC BSC

BTS BTS BTS

Intra-BSC Inter-BSC Inter-MSC

Fig. 2.7 Tipos de traspaso en función de los elementos que participan

Cuando un terminal móvil se desplaza por los bordes de dos celdas, es posible que con sudesplazamiento provoque sucesivos traspasos de llamada entre estas dos celdas, también conocidocomo efecto ping-pong.

Fig. 2.8 Efecto ping-pong por sucesivos traspasos de llamada


Para evitar este efecto se utiliza un margen de histéresis. Con un umbral de histéresis, es necesario queel terminal móvil esté fuera de su celda con un determinado margen antes de que se produzca eltraspaso de llamada. Si en la figura anterior se aplica histéresis positiva, se evitan los continuostraspasos, ya que la celda origen tiene una cobertura superior a la que tendría si no contase con elmargen de histéresis.

Histéresis

Fig. 2.9 Histéresis positiva

La histéresis puede ser tal y como se ha representado en la figura 2.9 (histéresis positiva) o puede serhistéresis negativa, como la representada en la figura 2.10, de modo que la llamada quede confinadaen la celda origen, ya que la célula destino tiene una cobertura equivalente menor que sin histéresis.

Histéresis

Fig. 2.10 Histéresis negativa

Si a pesar de los márgenes de histéresis se produce el traspaso, la motivación del mismo permiteclasificarlos en tres tipos:

• Traspaso de rescate: el cambio de canal se produce porque la comunicación establecida tieneuna calidad inferior a un cierto umbral.


• Traspaso de tráfico: se produce este tipo de traspaso cuando una celda está al borde de sucapacidad y alguna o algunas de las comunicaciones se traspasan a celdas vecinas que disponende canales libres descongestionando la celda original. En este tipo de traspasos, la histéresisnegativa se aplica a la celda congestionada y por tanto los móviles que están más cerca del bordede la celda son los candidatos a realizar el traspaso de tráfico.

• Traspaso de confinamiento: se produce este tipo de traspaso con el fin de confinar los móviles asu estación base más cercana a pesar de que reciban mayor calidad con una estación base distinta.

A su vez, se puede distinguir el traspaso dependiendo de quién realiza el control y decide si se realizael traspaso. Los tres tipos de traspasos son:

• Decidido por la red: En este caso, el móvil no realiza ningún tipo de actividad relacionada con eltraspaso. La red se encarga de tomar las medidas necesarias y determinar cuándo se realiza eltraspaso y hacia qué nueva estación base.

• Asistido por el móvil: El móvil contribuye al traspaso tomando medidas de la calidad de lacomunicación, reporta las medidas a la red fija que se encarga de decidir cuándo y hacia dónde serealiza el traspaso.

• Decidido por el móvil: El terminal móvil en este caso toma las medidas y decide cuándo serealiza el traspaso y hacia qué nueva estación base.

2.3.4 Técnicas de acceso

Hasta ahora se han comentado las implicaciones en la implementación de un sistema celular desde elpunto de vista funcional, enumerando los nuevos procedimientos necesarios para el funcionamientocorrecto del sistema. En este apartado y sucesivos se comentan las implicaciones de acceso a nivelradio que comporta trabajar con un sistema celular. A continuación se exponen las diferentes técnicasde acceso radio que se presentan en los sistemas de telefonía móvil celular.

Existen tres técnicas básicas de acceso múltiple, independientemente del sistema de comunicacionesradio que se considere. Por acceso múltiple se entiende la multiplexación de las comunicaciones ocompartición de un canal único de forma que se hace posible el mantenimiento de más de unacomunicación simultáneamente:


• Acceso múltiple por división en frecuencia, FDMA, (Frequency Division Multiple Access)

tiempo

frecuencia

Fig. 2.11 División en frecuencia

• Acceso múltiple por división en tiempo, TDMA, (Time Division Multiple Access)

frecuencia

tiempo

Fig. 2.12 División en tiempo

• Acceso múltiple por división en código, CDMA, (Code Division Multiple Access)

frecuencia

tiempo

Fig. 2.13 División en código


Los sistemas de telefonía móvil de primera generación utilizan acceso múltiple por división enfrecuencia. Véase tabla 2.4.

Tabla 2.4 Técnica de acceso en los sistemas de primera generación

Sistema Técnica de acceso

Primera Generación FDD/FDMA

Los sistemas de segunda generación, sistemas digitales, utilizan combinaciones de las técnicas deacceso. Véase tabla 2.5.

Tabla 2.5 Técnicas de acceso en los sistemas de segunda generación

Sistema Técnica de acceso

GSM FDD/FDMA/TDMA

IS-54 FDD/FDMA/TDMA

IS-95 FDD/FDMA/CDMA

El duplexado en todos los sistemas celulares actuales es frecuencial (FDD), es decir, se define unabanda frecuencial para el enlace de subida, enlace con emisión desde los terminales móviles hacia lasestaciones base, y una banda frecuencial para el enlace de bajada, con emisión desde las estacionesbase hacia los terminales móviles. Véase tabla 2.5. Existen otros sistemas de comunicaciones como elsistema TETRA (Trans European Trunking RAdio) de trunking que realiza el duplexado en el tiempo(TDD).

Por otra parte, los sistemas de segunda generación utilizan, igual que los sistemas de primerageneración, la subdivisión frecuencial (FDMA) de todo el ancho de banda ascendente y descendenteen canales. La diferencia entre los sistemas de primera y segunda generación estriba en que lossistemas de primera generación ocupan un canal por comunicación, mientras que los sistemas desegunda generación multiplexan en tiempo (TDMA) o en código (CDMA) varias comunicacionessobre cada canal.

2.3.5 Reparto frecuencial

Los sistemas de telefonía móvil subdividen el área de cobertura en celdas, cada una de ellas esatendida por una estación base. De este modo, el total de canales disponibles para un sistema sereparte entre las celdas de una agrupación o conjunto de celdas que constituye el patrón de reparto decanales en un sistema de telefonía móvil celular. Este patrón de reparto se repite espacialmente en

2.2 la propagación radio-móvil - ing. felix pinto macedo · fundamentos de la telefonía móvil...

Documents