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PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR

EL ACCESO RADIO CELULAR LAS COMUNICACIONES MÓVILES Módulo 1: Comunicaciones móviles, GSM, GPRS y EDGE Universidad del AZUAY Maestría en Telemática Cuenca, Ecuador - 2004. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR. SERVICIO CELULAR COBERTURA TOTAL Y SIN FRONTERAS GRAN NUMERO DE USUARIOS

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  1. EL ACCESO RADIO CELULARLAS COMUNICACIONES MÓVILESMódulo 1: Comunicaciones móviles, GSM, GPRS y EDGEUniversidad del AZUAYMaestría en TelemáticaCuenca, Ecuador - 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  2. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • SERVICIO CELULAR • COBERTURA TOTAL Y SIN FRONTERAS • GRAN NUMERO DE USUARIOS • PROBLEMAS FUNDAMENTALES • LOGRAR COBERTURA DE RADIO • NUMERO DE CANALES LIMITADO Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  3. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • PROBLEMAS DE LAS REDES MOVILES • Interferencia debido a la estructura celular • Limitación/escasez del espectro • Calidad fluctuante de los enlaces de radio • Punto de acceso desconocido y variable en el tiempo • Manejo de la movilidad, aún durante una comunicación Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  4. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • ATRIBUTOS NECESARIOS • “Agilidad” de frecuencia en el terminal • Distribución continua de radiobases de manera que la unidad móvil siempre opere con niveles aceptables de señal de radio. • Servicio de “roaming” para tener servicio continuo cuando el móvil se mueve por diferentes áreas de servicio. • Red fija celular integrada que maneja todas estas operaciones. Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  5. Arquitectura básica Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  6. Celda de radio área de cobertura CELDA DE RADIO TRAYECTO DIRECTO CANALES DE VOZ O DE CONTROL TRAYECTO INVERSO ESTACION MOVIL RADIOBASE DISTANCIA DE OPERACION LINEAS AL MSC RADIO PLANEADO DE CELDA RANGO DE LA CELDA - Rmax Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  7. Cobertura de la celda • COBERTURA IRREGULAR COBERTURA IDEAL COBERTURA REAL RBS Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  8. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR REGION DE OVERLAP RADIOBASE Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  9. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR Los hexágonos pueden ser alineados lado a lado, dando cobertura continua. Aparece el concepto de sectorización, ver los ángulos de 60º o 120º, con seis y tres sectores, respectivamente. Una antena direccional, va a producir esta sectorización. Los hexágonos pueden ser dispuestos en clusters o grupos de celdas. radio R 60 º 120º Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  10. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR Cluster de 3 celdas Cluster de 4 celdas Cluster de 7 celdas Los puntos negros son radiobases Cobertura irregular real Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  11. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • Temas del agrupamiento de celdas • Se necesitan otras frecuencias en las celdas adyacentes • Manejo de la región de overlap entre celdas • Reuso de la misma frecuencia en el patrón de celdas. • Tamaño de celdas necesita ser modificado para cubrir demanda de usuarios. Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  12. A R F B G C E A D F B G C E D PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR 1- Grupos de frecuencias A, B, C,...,G Si hay un total de 210 canales, se asignan sólo 30 canales por celda. 2- Distancia media de reuso: D/R= (3N)^1/2 Distancia de reuso D Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  13. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • CONCEPTOS BASICOS COMUNES A TODO SISTEMA DE RADIO • Plan de frecuencias • Control de la interferencia cocanal • CONCEPTO DIFERENTE • Las radiobases están interconectadas para formar sistema con cobertura continua. Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  14. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • PROPIEDADES DEL SISTEMA CELULAR • Ubicación del móvil • El móvil se registra periódicamente en la radiobase más cercana (con señal más fuerte). • La red mantiene registro de la ubicación del móvil • Handoff durante la llamada • Cuando el móvil se mueve fuera de la cobertura de una celda, el sistema define a que otra celda debe pasar para continuar la conversación. Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  15. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • RED FIJA CELULAR • Conecta todas las radiobases para señales de comunicación y mensajes a y de los usuarios. • Provee centros de conmutación para dirigir el tráfico en la red. (MSC) • Provee registros de datos de los usuarios. (HLR, VLR) • Provee conexión con la red telefónica fija. (PSTN) • Provee soporte de operaciones y mantenimiento. (OMC) Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  16. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR RED CELULAR FIJA PSTN AuC HLR VLR EIR MSC MSC OMC BSC1 BSCn BS1 BSk BS2 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  17. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • PROPAGACION CELULAR • Nivel de señal medio • Espacio libre L = 32 + 20 log f + 20 log d • En medio celular L = 40 log d - 20 log hT hR (tierra plana - 800 MHz) • para d y h en metros • Propagación real • Irregularidades de la superficie • Obstáculos en la línea de vista, edificios y árboles, áreas montañosas. • L = 40 log d - 20 log hT hR + beta Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  18. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • PROPAGACION CELULAR • Fórmula empírica de Okumura-Hata Hay variantes para zonas urbanas, suburbanas y rurales • Lu (dB) = 69,55 + 26,16log10f - 13,82log10hb - - A(hm)+ (44,9 - 6,55log10hb)log10d • El factor de corrección A(hm) depende también del tamaño de ciudad: p.ej. para ciudades de gran tamaño: A(hm) = 3,2[log10(11,75hm)]2 - 4,97 si f > 200 MHz Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  19. Propagación Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  20. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • PROPAGACION CELULAR EN EL INTERIOR DE EDIFICIOS • Fórmula empírica de Motley Se basa en una pérdida “en el punto de referencia” a la que se le suman un factor proporcional a la distancia y parámetros de pérdida por atravesar muros, pisos y techos • Otro método empírico Directamente, se mide la señal en el exterior y en el interior • Método “Exacto” Requieren una base de datos geográfica “exacta” • Resolución de las ecuaciones de Maxwell o • Trazado de rayos (ray tracing) Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  21. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • PROPAGACION CELULAR • Multitrayectos (dispersión y reflexión en obstáculos) • Banda angosta (no es selectiva en frecuencia) • Banda ancha (selectiva en frecuencia) • Efecto Doppler • fD = v/lambda • a 60 km/h y 900 MHz, fD = 53 Hz Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  22. PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR • PROPAGACION CELULAR • Los fenómenos de propagación móvil son muy difíciles de analizar, sobre todo en ambientes urbanos y en el interior de edificios. • Los modelos de predicción son de tipo estadístico o de tipo “exacto” (estos últimos muy difíciles de aplicar) • Finalmente, los modelos se ajustan por mediciones sobre el terreno Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  23. SISTEMAS CELULARES METODOS DE ACCESO Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  24. Definiciones • En un sistema móvil, el acceso de los terminales a los recursos (canales radio) debe ser necesariamente compartido. • Imposible reservar un canal a cada usuario, sobre cada sitio del sistema • Definición de: • el método de repartición de la banda de frecuencia en canales y • los protocolos para acceder a los canales Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  25. Asignación de canales • Tres etapas: • Se reparte el espectro disponible en varios canales, según un método de acceso múltiple (fijo en el tiempo). • Se asignan los canales a las estaciones base (esto puede ir variando en el mediano plazo). • A cada móvil, se asigna un canal para una comunicación (esto varía en el muy corto plazo). Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  26. Etapas en la asignación de recursos Definición método acceso (diseñador) Espectro de frecuencias Frecuencias asignadas al sistema Canales Regulación Planificación (Operador) Acceso Aleatorio Canales a las estaciones Canales a Móviles Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  27. Métodos de Acceso • Se conocen dos tipos: • Con control centralizado del sistema Se los denomina Métodos de Acceso Múltiple XDMA • Sin control centralizado del sistema Denominados Protocolos de Acceso Aleatorio Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  28. Métodos de Acceso Múltiple • Se conocen tres: • Repartición o División en frecuencia (FDMA) • Repartición o División en tiempo (TDMA) • Repartición por código (CDMA) • A menudo se combinan entre ellos. Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  29. Potencia Tiempo Frecuencia Métodos de Acceso Múltiple Potencia Potencia Tiempo Tiempo Frecuencia Frecuencia FDMA TDMA CDMA Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  30. Métodos de Acceso Múltiple • Se discute todavía la eficiencia de cada método respecto a capacidad. • Límite teórico está dado por teorema de Shanon: • C = B x Log2 (1+S/R) Para un canal GSM de 200 kHz con S/R=15dB C = 200000 x log2(1+31,62) = 1006 kbps Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  31. Métodos de Duplexado • En sistemas bidireccionales (full-duplex): • FDD (Frequency Division Duplex) • Se utilizan frecuencias de transmisión diferentes en cada sentido. Util para celdas grandes. Consume frecuencias. • TDD (Time Division Duplex) • Se utiliza la misma frecuencia, pero cada extremidad transmite en momentos diferentes. Util para celdas pequeñas. Permite ahorrar ancho de banda. Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  32. M/B B/M M/B B/M M/B B/M M/B B/M Métodos de Duplexado FDD F1 Móvil/Base Tiempo Tiempo F2 Base/Móvil TDD Tiempo F1 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  33. Canales de tráfico y señalización • Canales de comunicación: • Canales de Tráfico Utilizados para transportar la información del usuario • Canales de Señalización o de Control Transportan las informaciones del sistema: a) informaciones generales que emite la red hacia los móviles b) comandos intercambiados entre red y móviles • Son canales lógicos diferentes que pueden compartir canales físicos idénticos Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  34. Ancho de Banda • FDMA • Normalmente es de banda estrecha • CDMA • Normalmente es de banda ancha (utiliza toda la banda asignada) • TDMA • Puede ser banda estrecha o banda ancha Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  35. FDMA • Método de acceso múltiple más antiguo • Utilizado principalmente en sistemas analógicos • Puede funcionar combinado con TDMA en sistemas digitales • Cada canal o portadora transporta una llamada Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  36. Características FDMA • Un circuito único por portadora • Transmisión continua • Pequeño ancho de banda • Baja complejidad del terminal móvil • Bajo encabezamiento de transmisión • Costo alto de equipos fijos (muchos canales radio) • Necesita utilizar duplexor • Complejidad del handoff (transmisión continua) Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  37. Canales en FDMA Frecuencias Ancho de banda de canal de algunas decenas de kHz 1 2 3 4 n Circuito de Control Circuito de Voz Circuito de Voz Circuito de Voz Circuito de Voz Tiempo Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  38. TDMA • Primera alternativa a FDMA • En sistemas digitales compite con CDMA • Mayor capacidad y velocidad de transmisión que FDMA • La portadora se divide en N intervalos de tiempo (TS) y puede ser utilizada de manera compartida por N terminales Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  39. Características TDMA • Varios circuitos por portadora • Transmisión por bursts (no continua) • Banda ancha (GSM) o banda estrecha (DAMPS) • Alta complejidad del terminal móvil • Costo bajo de equipos fijos (menos canales radio) • No requiere duplexor (se transmite y recibe en TS diferentes) • Menor complejidad del Handoff (intervalos inactivos entre TS) Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  40. Canales en TDMA Frecuencias Ancho de banda de canal de algunas decenas hasta centenas de kHz 1 2 3 4 n Control Voz Voz Voz Control Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Tiempo IT1 IT2 IT3 IT4 IT1 IT2 IT3 IT4 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  41. Jerarquía temporal típica Super Trama Trama M Trama 1 TS1 TS2 TSi TSN TS1 TSN Preámbulo Mensaje Postámbulo Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  42. Tramas en sistema GSM Hipertrama = 2048 supertramas (3hr 28 m 53 s 760 mseg) Supertrama = 26 multitramas de 51 tramas o 51 de 26 (6,12 seg) 0 1 2 i 48 49 50 0 1 2 i 25 MultiTrama de 26 (120 mseg) MultiTrama de 51 (235 mseg) 0 1 2 24 25 0 1 2 49 50 Trama TDMA (6,15 mseg) 0 1 2 3 4 5 6 7 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  43. Avance de Tiempo y Tiempo de Guarda en TDMA • Uso de TDMA supone que las transmisiones de los móviles están sincronizadas, para evitar superposición de mensajes. Necesidad de tiempo universal. • La estación base ajusta el tiempo de emisión de cada móvil. Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  44. Avance de Tiempo y Tiempo de Guarda en TDMA Interferencia Estación Base Móvil A dA/c Móvil B dB/c Transmisión sin avance de tiempo Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  45. Avance de Tiempo y Tiempo de Guarda en TDMA SIN Interferencia Estación Base Móvil A dA/c Delta A Móvil B dB/c Delta B Transmisión con avance de tiempo Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  46. Avance de Tiempo y Tiempo de Guarda en TDMA • La estación base determina el avance de tiempo para cada móvil, en función de su distancia (DeltaA = 2dA/c) • Para prever variaciones de Delta-i debido a desplazamiento de móviles, se introduce un tiempo de guarda, al principio y al final del IT. Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  47. Sincronismo del móvil en TDMA delta Estación Base t Mensaje de asignación de canal (Delta, etc) Mensaje de tráfico Mensaje de acceso Móvil a=d/c El móvil recibe el valor de delta delta t Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  48. CDMA • Basada sobre técnica de Spread Spectrum • Espectro expandido: transmisión donde los datos ocupan un ancho de banda mayor que el necesario, por ejemplo, en FDMA o TDMA. • Para expandir el espectro, se inserta en transmisión un código independiente de la secuencia de datos. • El mismo código se usa en recepción para desexpandir el espectro. • Por lo tanto, se puede ubicar muchos usuarios simultáneamente sobre la misma banda de frecuencia Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  49. CDMA • Analogía • Sala donde varias personas hablan de a dos • Cada par de personas habla una lengua diferente (un código en CDMA) • Cuanto más diferentes son las lenguas, menos interferencia. Se deben elegir los códigos de manera de tener correlación mínima. Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

  50. Técnicas CDMA • Secuencia Directa - DS • DS-CDMA (Direct Sequence CDMA) • A cada estación se atribuye una secuencia pseudoaleatoria, que debe estar bien descorrelada de las otras secuencias. • Este método parece tener mejor eficiencia espectral • Salto de Frecuencia Rápida - FFH • FFH-CDMA (Fast Frequency Hopping CDMA) • El código se usa para generar una secuencia única de salto de frecuencia para cada estación Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

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