conceptos básicos de telefonía celular - upao

Universidad Antenor OrregoTrujillo

2009

Telefonía Digital Celular: Revisión de Conceptos Básicos

Ing. Eduardo Cerna SánchezArea Telecomunicaciones

Escuela Ingenieria Electrónica


2009

Revision de Conceptos Básicos: Celular

Con el avance y la reducción en tamaño de los teléfonos móviles, sumado a los conceptos de 3G y data de alta velocidad, se olvida muchas veces el concepto básico de un handset móvil.

• Un teléfono móvil es realmente un radio• Como radios están sujetos a los mismos problemas de todo sistema RF:

Geografía TerrenoInterferenciasDesvanecimientos de frecuenciaMultitrayectos, Efectos Doppler, etc

Primeros Sistemas:MTS (Mobile Telephone Systems) 1960NMT (Nordic Mobile Telephone System) 1979AMPS (Advanced Mobile Phone System) 1982TACS (Total Acces Communications System) 1983


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Primera Limitación: Uso eficiente del Espectro, libre de Interferencias por reutilización de la misma frecuencia


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Estructura de canales 30 KHz celulares: Espectro Normal (1980) y Expandido (1986)


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• A inicios de los años 1990’s la telefonía celular explotó en crecimiento.

• Problemas de Operadores: Espectro Limitado y Recursos de Tecnología

• Aparición de Formatos Digitales, ambos Dual Mode: − NA - TDMA− CDMA - One


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• Conforme crecían la demanda y la competencia, emerge una nueva banda PCS. Las licencias son designadas bandas A, B, C, D , E, F

• Uso de canales de 50 KHz según sus sistema de numeración• CDMA : 1.2288 MHz; GSM : 200 KHz• En Europa y EEUU se experimento un crecimiento similar, se decidió

permitir una banda de 900 MHz en todo el continente europeo y aprobar el estándar GSM.

• EEUU migraba de AMPS a TDMA y CDMA• En 1990’s se establece en Europa el estándar DCS 1800, el cual utiliza una

banda agregada para crecimiento GSM

Convergencia de Estándar en Europa y Divergencia de Estándares en EEUU


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Otros sistemas:• Pacific Digital Cellular (PDC), similar a TDMA, Japón• Personal Handyphone System (PHS), gran éxito en Japón (sustituto de WLL)• CDMA y WCDMA, siendo Japón el primero en desplegar redes WCDMA

Tecnologías Intermedias a 3G• En los inicios del 2000, se preveía el ingreso de los formatos de 3ra

generación.• Abonados buscaban servicios de Internet móvil a velocidades comparables

con DSL o cable modem• Recesión y luchas económicas de operadores que venían aún desde sus

licencias iniciales, originaron el retardo en la llegada de 3G


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• CDMA: Diseñado desde un inicio para una evolución directa a 3G• General Pocket Radio Service (GPRS):• Enhanced Data for GSM Evolution (EDGE):• La mayoría de Operadores han decidido tomar el camino de evolución GSM


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El Concepto de Celdas:• La transisión desde el sistema MTS hacia el primer sistema celular

involucraría los conceptos de reuso de frecuencia, celdas, y handoffs.• El concepto de radio celular se aplica a todos los sistemas que utilizan un

despliegue de cobertura en áreas geográficas denominadas celdas, sean estas frecuencias en bandas celulares o bandas PCS.



Mayor frecuencia

Menor frecuencia

Menor VtxMayor Vtx

d1 d2

VtxF

Frecuencia en (MHz) Radio de la celda (Km)

450 48.9

850 29.4

950 26.9

1800 14.0

1900 13.3

2100 12.0


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El Concepto de Celdas:• El aspecto hexagonal es para facilitar la

planificación y visualización de celdas sectorizadas

• La forma de cobertura ideal sería un círculo, y la forma real se asemejaría a una estructura sin simetría

• El uso de microprocesadores y la miniaturización de tecnología RF brindó la posibilidad de proveer un hand-off entre celdas trabajando a distinta frecuencia, sin la caída de llamadas

• El reúso de frecuencia debía hacerse en celdas lo suficientemente alejadas para no interferirse


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El Concepto de Celdas:• Celdas demasiado cercanas podrían generar

problemas de interferencia cocanal• Celdas demasiado lejanas podrían generar

áreas de cobertura con demasiados usuarios• La idea en usar distintos canales para cada

usuario, es poder reusar los canales a una distancia lejana lo suficiente para no alcanzar a significar interferencia


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Red Celular Típica:• El estándar para AMPS definía

claramente la interfaz de aire.• Las estaciones base son generalmente

sectorizadas• El problema del estándar AMPS es que no

especificaba las operaciones tras la interfaz de aire. Esto generaba incompatibilidades


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Red Celular Típica:• En Europa la necesidad de roaming era una preocupación fundamental,

su estándar GSM tenía claramente definido las operaciones de roaming e interfaz de aire

• Norte América tomó varias partes del estándar GSM para crear su propio estándar IS-41


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Red Celular Típica:• IS-41 especifica dos bases de datos principales que interactúan con el

Mobile Switching Center (MSC) o formalmente conocido como MTSO ( Mobile Telecommunication Switching Office):

• Visitor Location Register (VLR) : Contiene toda la información relevante a los usuarios dentro de su area de cobertura

• Home Location Register (HLR) : Contiene la información de subscripción al servicio de todos los usuarios.

• Usando estas dos bases de datos el MSC puede rápidamente poner en marcha llamadas entrantes y salientes


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Captura de Pantalla: Formulario SUB - HLR AUTOPLEX Cellular System Lucent


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ARQUITECTURA SISTEMA LUCENT

radiolinks microondas

backbone microondas

CSC

BTS

BTS

CSC

CSC

BTS


SS7

La comunicación del MSC con sus estaciones base son usualmente en forma de un enlace PCM E1/T1.

EL MSC se enlaza con la Red Pública Conmutada de Telefonía (PSTN).

Los enlaces del MSC a sus bases de datos se despliegan sobre protocolo SS7.


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SectorizaciónDividiendo la celda geográficamente en sectores de 120°, un operador puede incrementar su cobertura y mejorar y mejorar la calidad total de su sistema. Sistemas fijos como WLL pueden poseer celdas de seis sectores

En áreas donde la capacidad y el despliegue de la red no sean un problema (ejemplo zonas rurales), suelen usarse celdas onmidireccionales. En adición la nueva gama de microdeldas y picoceldas diseñadas para dar cobertura en zonas comerciales, suelen ser onmidireccionales

La sectorización de una estación base puede mejorar la cobertura y una mejor utilización del equipamiento

Pueden usarse configuraciones duplexadas

Muchas BTS incluyen un duplexor integrado


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Arquitectura Local: Estaciones Base y Sectorización

Rx

Rx

Tx

αβ

γ

1

2

3

α

β

γ

Estación Base

Estación Base + MSC

Monopolo con plataforma

120º


Forward channel

Reverse channel


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Radio Canales

Existen canales dedicados a transmisión de voz, y otros únicamente dedicados a funciones de señalizacion y control.Cada radio canal trabaja a una determinada frecuencia, dependiendo de su tecnología puede llegar a manejar:1 conversación : Sistema FDMA3 conversaciones : Sistema Digital TDMA IS1368 conversaciones : Sistema GSM10 a 20 conversaciones : Sistema CDMA



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Técnicas de acceso: FDMA

Acceso Múltiple por División de FrecuenciaUna conversación ocupa un canal completo durante todo el tiempo. Ejemplo: Para manejar cuatro conversaciones simultáneas se necesitan 4 radio canales.

Sistemas FDD: Frecuency Division Duplex: Dos frecuencias distintas son usadas para forward y reverse channel. Posee loopback en AMPS

...Tiempo

Frecuencia

Un Usuario, Un Canal (AMPS)



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Radio Canales: Técnicas de acceso TDMA

Acceso Múltiple por División de TiempoUna conversación se transmite sólo durante un intervalo de tiempo, llamado “time slot”Sistema TDMA IS-136: Tres conversaciones al mismo tiempo en un radiocanalSistema GSM: Ocho conversaciones al mismo tiempo sobre un radio canal

Sistemas TDD: Time Division Duplexing, la misma frecuencia es usada para forward y reverse channel, pero son asignados en diferentes time slots (WCDMA – 3G)

3 usuarios, un radio canal (IS-136)8 usuarios, un radio canal (GSM)

...Tiempo

1231

2..

.

Frecuencia


time

slot 1

time

slot 2

time

slot 3


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Radio Canales: Técnicas de acceso CDMA

Acceso Múltiple por División de Código

Se pueden transmitir hasta 10 o 20 conversaciones simultáneas utilizando un sólo canal de banda ancha 1.2288 MHz. Se puede aplicar el concepto de FDMA en caso sea necesario aumentar la capacidad.Cada conversación es transmitida a baja potencia y con una codificación digital distinta

10-20 usuarios, un canal CDMA (IS-54)

CDMA

Frecuencia

Tiempo


Walsh Code Spreading 1.2288 MHz


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Concepto de Hand OffMétodo de transferencia de una llamada de una estación base a otra sin caida de la llamada en curso ni necesidad de reestablecimiento.

Hard Hand Off: El móvil primero se desconecta de una celda, y luego cambiará a las frecuencias de la otra estación base. AMPS, GSM, NA-TDMA usan hard hand off. AMPS usa Locate Radios, TDMA utiliza MAHOSoft Hand Off y Softer Hand Off: CDMA agrega la funcionalidad de Soft y Softer Hand Off. Ambos tipos de hand off toman acciones previas antes de la ruptura del enlace con la estación base original. El móvil puede usar mas de una estación base al mismo tiempo

Como elige el móvil la celda a la que debe

conectarse?

CH 695CH 51

CH 703

El móvil realiza mediciones de la calidad de transmisión y recepción en cada canal que puede detectar. Utiliza parámetros para valorar la calidad de cada enlace

GSM CDMA


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Mejoras en la Performance

Herramientas de optimización de performance• Drive Test Tools: Ej. TEMS, Net Monitor• Paquetes Avanzados de Software: Planificación de Cobertura, manejo de variaciones de tilts, azimuths, potencias o estaciones base adicionales

Preocupaciones de Diseño Principales:• Adecuada cobertura geográfica: Son inevitables las zonas con huecos de cobertura• Evitar coberturas excesivas: Debido al aumento de los requeriomientos de capacidad se requiere reusar mas frecuencias, esto deriva en mas posibilidaddes de interferencia cocanal• CDMA utiliza la misma frecuencia para todos sus canales, la interferencia cocanal es aceptada, pero se utilizan offsets de pseudo-ruido (PN) para distinguir sectores y BTS

ATOLL

TEMS / NEMO OUTDOOR


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Zonas sin Cobertura

Posibles solucionesa. Instalar una nueva estación Base: Costos, backhaul, hardware ,

mantenimiento, condiciones de espacio, sólo es dable si el operador tienen la certeza de una capacidad de tráfico razonable

b. Instalar Micro o Pico Celdas: Celdas: con capacidad limitada, pueden estar ocultas y poseen facilidad de instalación y poco mantenimiento. Ideal para centros comerciales, negocios y aeropuertos.

c. Incrementar áreas de cobertura: Aplicable a zonas rurales, consiste en el incremento de la altura de la antena. Regla general 6 dB/oct.

Compact BTSMicrocells y pico celdas6 dB/oct en terreno plano


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Zonas sin Cobertura

d. Uso de repetidores: Un repetidor es similar a un LNA (Low Noise Amplifier). Sin embargo se corre el riesgo de generar productos de intermodulación.

e. Uso de TMA’s (Tower Mounted Amplifiers): Amplificadores LNA diseñados para permitir la recepción de señales de bajo nivel. Una desventaja es que pueden decrementar la relación S/N. El uso de tecnología de superconductores a baja temperatura (supercooled) espera mejorar la perfomance de estos dispositivos

Uso de Repetidores: IndoorUso de TMA’s


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Conclusiones

a. La evolución de los sistemas inalámbricos hacia sistemas digitales ha sido el mayor acontecimiento en la comunidad inalámbrica de los últimos años.

b. Realizando un seguimiento sobre algo de historia detrás de la industria y algunos fundamentos básicos se podrá obtener un adecuado entendimiento de donde y como se ha trazados el camino en tecnología a móvil, y hacia donde nos dirigimos en futuros desarrollos.


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Muchas Gracias

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