Diseño y parametrización de una estación de telefonía móvil 2G/3G

Diseño y parametrización de una estación de telefonía móvil 2G/3G. Análisis de degradaciones.
DISEÑO Y PARAMETRIZACIÓN DE UNA
ESTACIÓN DE TELEFONÍA MÓVIL 2G/3G.
ANÁLISIS DE DEGRADACIONES
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1 OBJETIVOS DEL PROYECTO
El objetivo de este proyecto es analizar el proceso completo para la integración de una
nueva estación base en una red móvil existente, tanto para una BTS con tecnología 2G
(GSM900 y DCS1800) como para un nodo B con tecnología 3G (UMTS), tratando en todo
momento de que el funcionamiento de nuestra nueva estación sea el correcto y mejore las
estadísticas del resto de estaciones de la zona de influencia.
Para la consecución de este objetivo, el proyecto estará centrado en la parte práctica de
cada uno de los procesos (planificación, diseño, transmisión, parametrización, puesta On Air,
aceptación y análisis de degradaciones), sin ser parte del objetivo la profundización en
aspectos ni conceptos teóricos de los sistemas 2G y 3G. Sin embargo, se añadirá una pequeña
reseña tecnológica teórica en el capítulo 2 a modo de introducción genérica a las tecnologías
implicadas en este proyecto.
En los distintos apartados se hará una descripción detallada de todas las fases habituales
en el diseño y la optimización de una nueva estación 2G/3G. La topología de la red es
cambiante, y los distintos elementos deben estar continuamente adaptándose a estas
variaciones para continuar funcionando correctamente y que las estadísticas no sufran
degradaciones. El trabajo basado en la adaptación de un nuevo elemento a la red actual es el
desarrollado en la fase de Diseño, y el de la adaptación del resto de elementos a posibles
cambios de topología es desarrollado en la fase de Optimización.
1.2 CONTENIDOS DEL PROYECTO
Para conseguir los objetivos del proyecto indicados en el apartado 1.1, es conveniente
dividir todo el proceso en fases que abarcan desde estudios y análisis previos de cobertura en
una zona hasta que la nueva estación radia correctamente, incluyendo varios análisis de las
posibles degradaciones que puede sufrir tras su puesta On Air.
-
Fase I. Conocimientos teóricos: Se incluirían en esta fase la adquisición de un
conocimiento teórico genérico de las tecnologías sobre las que se va a trabajar en el
resto del proyecto.
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Fase II. Visual (VA): El objetivo de esta fase es realizar un análisis de la necesidad de
dotar a una población o a una determinada zona, ya sea urbana, suburbana, rural o de
carretera, de una nueva estación de telefonía móvil.
Fase III. Replanteo (TR): El objetivo de esta fase es determinar la configuración, tanto
radio como transmisión, que se integrará en la nueva estación.
Fase IV. Transmisión: El objetivo de esta fase es incluir la nueva estación dentro de la
red de transmisión existente del operador.
Fase V. Integración y parametrización: El objetivo es generar los datos necesarios para
poder integrar la nueva estación en la red del operador y parametrizar correctamente
la estación.
Fase VI. Puesta On Air y Aceptación: El objetivo de esta fase es comprobar sobre el
terreno y mediante estadísticas que el funcionamiento de la nueva estación es el
esperado y que provoca una mejora del funcionamiento del resto de estaciones en la
zona de influencia.
Fase VII. Análisis de degradaciones: El objetivo de esta fase es analizar las causas
habituales de degradaciones sufridas por una estación y, si es posible, buscar las
soluciones a los problemas detectados.
1.3 RESEÑA TEÓRICA TECNOLÓGICA
1.3.1 INTRODUCCIÓN
La telefonía móvil ha tenido distintos grados de evolución, y a estas etapas se les ha
denominado generaciones. El desarrollo de los sistemas móviles en sus diferentes
generaciones ha sido como se indica en la figura 1.3.1:
Figura 1.3.1. Desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles.
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1.3.2 TELEFONÍA MÓVIL DE PRIMERA GENERACIÓN: 1G
Los sistemas de comunicaciones móviles de primera generación representan al
conjunto de estándares móviles que emplean tecnologías analógicas, por lo que comúnmente
se habla indistintamente de sistemas analógicos o 1G, que es la abreviación para la telefonía
móvil de primera generación.
Fueron los sistemas pioneros que incorporaron la principal característica de la actual
telefonía móvil: la movilidad. Introdujo unos sistemas móviles, basados en redes celulares con
múltiples estaciones base relativamente cercanas unas de otras, y protocolos para el traspaso
(hand-over) entre las celdas cuando el teléfono se movía de una celda a otra.
La principal característica de estos sistemas era su capacidad para ofrecer servicios de
comunicación de voz sobre conmutación de circuitos. Además de la voz, permitían la
transmisión de datos empleando módems analógicos convencionales, aunque con una
capacidad muy limitada (difícilmente superaban los 4800 bps, (2400 baudios)). Con respecto a
la seguridad, las medidas preventivas no formaban parte de esta primitiva telefonía móvil.
1.3.3 TELEFONÍA MÓVIL DE SEGUNDA GENERACIÓN: 2G
La telefonía móvil 2G representa al conjunto de familias de estándares y sistemas de
comunicaciones móviles digitales de banda estrecha. Se trata de una forma de marcar el
cambio de protocolos de telefonía móvil analógica a digital.
Las dos principales industrias impulsoras de los sistemas 2G, EEUU y Europa,
desarrollaron numerosos estándares y protocolos de telefonía 2G incompatibles entre sí, lo
que limitaba el área de uso de los teléfonos móviles a las regiones con compañías que les
dieran soporte. De entre todos estos estándares 2G, el más utilizado ha sido GSM.
1.3.3.1 ESTÁNDAR 2G EN EUROPA: GSM
Las siglas GSM (Global System for Mobile Communications) son el estándar europeo de
telefonía móvil digital de segunda generación. Este estándar utiliza las bandas de frecuencia de
900 MHz y de 1800 MHz en Europa. Sin embargo, en Estados Unidos la banda de frecuencia
utilizada es la de 1900 MHz. Se trata de un estándar abierto y evolutivo, convirtiéndose en el
sistema de 2G de mayor éxito en el mundo.
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Figura 1.3.2. Utilización de los distintos sistemas 2G
A comienzos de la década de los 80, en Europa operaban nueve estándares de
telefonía móvil celular incompatibles entre sí. Este hecho motivó que la CEPT (Conference of
European Post and Telecommunications), en 1982, se marcase como objetivo la definición de
un estándar común, para lo que creó un grupo de trabajo denominado Groupe Spécial Mobile
(GSM), cuya tarea era desarrollar un estándar europeo de telefonía móvil digital.
Durante la década de los 90 se desarrollaron dos nuevas versiones del estándar:
DCS1800 (denominado también GSM1800), que se ha empleado principalmente en Europa, y
PCS1900 (o GSM1900), con gran presencia en América del Norte. La mayor novedad
introducida por ambos estándares fue el uso de celdas de cobertura de menor tamaño que su
predecesor para obtener mayor capacidad del sistema. De manera paralela, se cambió el
nombre del grupo a Standard Mobile Group (SMG) y las siglas GSM a partir de este momento
se usaron para el propio estándar
Otro de los aspectos más destacados de GSM es el empleo del denominado Subscriber
Identity Module (SIM), una tarjeta que almacena la información e identidad del cliente, y que
incluye además la clave secreta para la autentificación y encriptado. El empleo de las tarjetas
SIM asociadas a un usuario determinado permite que el cliente pueda cambiar fácilmente de
terminal simplemente intercambiando su tarjeta SIM.
Entre los factores de éxito que condujeron a la rápida adopción de esta tecnología en
todos los países europeos, con tasas de penetración que superan el 90%, suele citarse el
enorme apoyo que obtuvo desde el marco regulatorio europeo. La implantación de GSM y de
las tecnologías de la segunda generación para el año 2000 se había incrementado
notablemente hasta llegar a implantarse en numerosos países a lo largo del mundo.
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Figura 1.3.3. Países que en el año 2007 habían adoptado 2G
El sistema GSM basa su división de acceso al canal en combinar los siguientes modelos
de reparto del espectro disponible. El primero es determinante a la hora de especificar la
arquitectura de red, mientras que el resto se resuelve con circuitería en los terminales y
antenas del operador:
-
Empleo de celdas contiguas a distintas frecuencias para repartir mejor las frecuencias
(SDMA, Space Division Multiple Access o acceso múltiple por división del espacio);
reutilización de frecuencias en celdas no contiguas.
-
División del tiempo en emisión y recepción mediante TDMA (Time Division Multiple
Access, o acceso múltiple por división del tiempo).
-
Separación de bandas para emisión y recepción y subdivisión en canales
radioeléctricos (protocolo FDMA, Frequency Division Multiple Access o acceso múltiple
por división de la frecuencia).
-
Variación pseudoaleatoria de la frecuencia portadora de envío de terminal a red
(FHMA, Frequency Hops Multiple Access o acceso múltiple por saltos de frecuencia).
El interfaz de radio de GSM se ha implementado en diferentes bandas de frecuencia.
En GSM900 se utilizan dos bandas de 25MHz para transmitir y para recibir. La banda de 890915 se usa para las transmisiones desde el móvil (MS) hasta la estación base (BTS) en el enlace
ascendente (uplink) y la banda 935-960MHz se una para las transmisiones entre la BTS y el MS
en el enlace descendente (downlink). Las bandas de frecuencias superiores e inferiores se
dividen en canales de 200KHz llamados ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number).
GSM emplea por lo tanto dos canales de 200 kHz para ofrecer la comunicación en ambos
sentidos, permitiendo hasta ocho comunicaciones simultáneas utilizando la misma frecuencia
En DCS1800 se emplea la banda 1710-1785 MHz para el enlace ascendente y la banda
1805-1880 MHz para el enlace descendente. La separación entre canales adyacentes, al igual
que en GSM900, es de 200 KHz. La separación dúplex uplink-downlink es de 95MHz.
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Figura 1.3.4. Bandas de frecuencia para los sistemas 2G
Las principales aplicaciones del sistema GSM son las comunicaciones de voz (mediante
conmutación de circuitos) y de datos (mensajes cortos de texto SMS) y permite alcanzar
velocidades de transmisión de hasta 9600bps. Como evolución de GSM surgen tecnologías
como GPRS ó EDGE, que constituyen las denominadas 2,5G ó 2,75G respectivamente.
1.3.3.2 EVOLUCIÓN DE LA SEGUNDA GENERACIÓN: GPRS Y EDGE
1.3.3.2.1 GPRS (2.5G)
GPRS (Servicios de Radiotransmisión de Paquetes de Datos Generales) es una
extensión de GSM y se basa en la conmutación de paquetes de datos a velocidades bajas y
medias, permitiendo velocidades de transferencia de 56 a 144 kbps. La conmutación de
paquetes no establece un circuito físico de comunicaciones como ocurría con GSM, sino que
un mismo canal es compartido por varios usuarios.
La tecnología GPRS mejora y actualiza a GSM con los servicios siguientes:

Servicio de mensajes multimedia (MMS)

Mensajería instantánea

Aplicaciones en red para dispositivos a través del protocolo WAP

Servicios P2P utilizando el protocolo IP

Servicio de mensajes cortos (SMS)

Posibilidad de utilizar el dispositivo como módem USB
La principal ventaja de esta tecnología radica en que la facturación se hace en
proporción al volumen de información intercambiada, además de no cobrar el coste de
establecimiento de llamada. El método de cobro típico para transferencias de datos usando
GPRS es el pago por MegaBytes de transferencia, mientras que el pago de la comunicación
tradicional mediante conmutación de circuitos se cobra por tiempo de conexión,
independientemente de si el usuario está utilizando el canal o éste se encuentra inactivo. Este
último método es poco eficiente debido a que mantiene la conexión incluso cuando no se
están transmitiendo datos, por lo que impide el acceso al canal a otros usuarios. El método
utilizado por GPRS hace posible la existencia de aplicaciones en las que un dispositivo móvil se
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conecta a la red y permanece conectado durante un período prolongado de tiempo sin que
ello afecte en gran medida a la cantidad facturada por el operador.
En GSM sólo se puede tener asignado un canal para cada conexión, mientras que el
número de ellos en GPRS puede ser de varios, por lo que la velocidad de envío o descarga de
información en éste último es mayor.
El modo de trasmisión es asimétrico, más adaptado al tipo de tráfico de navegación
HTML o WML. Por ejemplo, un terminal GPRS 4+1 tendrá 4 veces mayor capacidad de
transmisión de bajada que de subida. La velocidad de acceso que puede experimentar en la
práctica es de unos 40 kbit/s descendentes y 9,6 kbit/s ascendientes aunque las velocidades
máximas en teoría son bastante mayores.
Dentro de GPRS existen diferentes evoluciones del estándar que llevaron consigo una
mejora de las prestaciones de sus predecesores. La primera de ellas (Phase 1) ofrecía
velocidades de hasta 57,6 kbps para transmisión o recepción de datos, mientras que la
segunda (Phase 2) alcanzaba hasta 115,2 kbps en ambos sentidos de la comunicación.
GPRS y GSM emplean la misma modulación, aunque mantienen importantes
diferencias en la capacidad de procesado de los terminales y en el uso de equipos de red
adicionales. Así se estima que GPRS requiere al menos el doble de capacidad de procesado que
la utilizada en GSM, además de tener un consumo mayor de energía (con la consiguiente
repercusión en las prestaciones y diseño de las baterías).
1.3.3.2.2 EDGE (2.75G)
El estándar EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution, Velocidades de datos
mejoradas para la evolución global) denominado como 2.75G, cuadriplica las mejoras en el
rendimiento de GPRS con la tasa de datos teóricos anunciados de 384 Kbps, y por lo tanto,
admite aplicaciones multimedia. En realidad, el estándar EDGE permite velocidades de datos
teóricas de 473 Kbits/s pero ha sido limitado para cumplir con las especificaciones IMT-2000
(Telecomunicaciones Móviles Internacionales-2000) de la ITU (Unión Internacional de
Telecomunicaciones). Por lo tanto, EDGE da la posibilidad de ofrecer servicios de datos a
velocidades cercanas a aquellas que ofrecen las redes UMTS. EDGE se puede desplegar en
múltiples bandas del espectro (800, 900, 1800 y 1900 MHz actuales) y complementa a UMTS.
Los objetivos de EDGE consisten en:
 Incrementar las tasas de bit de GSM.
 Introducir un nuevo esquema de modulación y codificación de canal.
 Reutilizar tanto de la capa física de GSM como sea posible.
 Existen dos modalidades: EDGE GPRS (EGPRS) y EDGE Circuit Switched
Data (ECSD).
 Usa codificación de canal adaptativa y Modulación (GMSK y 8-PSK).
 Soporta tasas de bits hasta 384 Kbps usando hasta 8 ranuras GSM.
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
Emplea redundancia incremental a fin de mejorar la eficiencia en el uso del
canal apropiado para aplicaciones con requerimientos de retardo
relajados.
Vista General
Frequency Bands
Frequency Range
GSM 900
channels 0 – 124, 955 – 1023
876.2 to 914.8 MHz (uplink)
921.2 to 959.8 MHz (downlink)
GSM 1800
channels 512 – 885
1710.2 to 1784.8 MHz (uplink)
1805.2 to 1879.8 MHz (downlink)
GSM 1900 (Americas)
channels 512 – 810
1850.2 to 1909.8 MHz (uplink)
1930.2 to 1989.8 MHz (downlink)
GSM 850 (Americas)
channels 128 – 251
824.2 to 848.8 MHz (uplink)
869.2 to 893.8 MHz (downlink)
Channel spacing
200 kHz
Modulation
8-PSK (8-Phase Shift Keying) or
GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)
Symbol rate
270,833 symbols/s
Bits per symbol
3
Access format
TDMA (time-division multiple access)
TDD/FDD (time and frequency division duplex)
Number of channels per carrier
8 time slots per TDMA frame
(4.615 ms)
Data
Up to 384 kbit/s
Power control
Yes, in 2-dB steps over a range of 30 dB
Figura 1.3.5. Características EDGE
1.3.4 TELEFONÍA MÓVIL DE TERCERA GENERACIÓN: 3G
Las especificaciones IMT-2000 de la ITU definieron las características de la tercera
generación de telefonía móvil (3G). Las redes de 3G utilizan bandas con diferentes frecuencias
a las redes anteriores: 1885 a 2025 MHz y 2110 a 2200 MHz.
Figura 1.3.6. Evolución de los sistemas de telefonía móvil
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Los sistemas 3G proporcionan distintas velocidades teóricas de acceso según la localización
y la movilidad. Esta estructura está compuesta por varios tipos de celdas:
1. Macro celdas, con radios de alcance desde 1km hasta 35km para ofrecer cobertura
rural y carreteras para vehículos u otros objetos que se mueven a alta velocidad.
Velocidad de transmisión de datos a 144 kbps.
2. Micro celdas, con radios entre 50m hasta 1km, ofrece servicio a usuarios fijos o que se
muevan lentamente con elevada densidad de tráfico (urbana). Velocidad de 384 kbps.
3. Pico celdas, con radios de hasta 50m, ofrecen coberturas localizadas en interiores.
Velocidades del orden de los 2 Mbps.
4. En el futuro está prevista la creación de la zona 4 por satélite, aunque actualmente no
existen especificaciones sobre la misma.
Figura 1.3.7. Tipos teóricos de celdas 3G
Las prestaciones que los sistemas 3G deben ofrecer son:











Alta velocidad de transmisión de datos :
o 144 Kbps con cobertura total para uso móvil.
o 384 Kbps con cobertura media para uso de peatones.
o 2 Mbps con áreas de cobertura reducida para uso fijo.
Compatibilidad mundial.
Compatibilidad de los servicios móviles de 3G con las redes de segunda
generación.
Uso de ancho de banda dinámico, en función de la aplicación.
Mayor capacidad y uso eficiente del espectro.
Transmisión simétrica/asimétrica de alta fiabilidad.
Personalización de los servicios, según perfil de usuario.
Servicios dependientes de la posición.
Incorporación gradual en coexistencia con los sistemas actuales de 2G.
Soporte tanto de conmutación de paquetes como de circuitos, acceso a
Internet (navegación WWW), comercio electrónico, y vídeo y audio en
tiempo real.
Diferentes servicios simultáneos en una sola conexión.
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

Calidad de voz como en la red fija.
Cobertura mundial, con servicios terrestres y por satélite
La implantación de las tecnologías de la tercera generación para el año 2010 se había
incrementado notablemente hasta llegar a implantarse en numerosos países a lo largo del
mundo.
Figura 1.3.8. Países que en el año 2010 habían adoptado 3G
El estándar 3G más importante que se usa en Europa se llama UMTS (Sistema
universal de telecomunicaciones móviles).
1.3.4.1 ESTÁNDAR 3G: UMTS
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) es uno de los principales
sistemas móviles de tercera generación que está siendo desarrollado en el marco definido por
la ITU y que se conoce como IMT-2000. UMTS permite llevar imágenes, gráficos,
comunicaciones de vídeo y otra información de banda ancha, así como voz y datos, de manera
directa a los usuarios quienes, además, mientras podrán estar desplazándose de un lugar a
otro.
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UMTS presenta tres grandes características:
o las capacidades multimedia
o una velocidad de acceso a Internet elevada, la cual también le permite
transmitir audio y vídeo en tiempo real
o una transmisión de voz con calidad equiparable a la de las redes fijas.
Además, UMTS dispone de una variedad de servicios muy extensa:
o Facilidad de uso y bajos costes: UMTS proporcionará servicios de uso fácil y
adaptable para abordar las necesidades y preferencias de los usuarios, amplia
gama de terminales para realizar un fácil acceso a los distintos servicios y bajo
coste de los servicios para asegurar un mercado masivo. Como el roaming
internacional o la capacidad de ofrecer diferentes formas de tarificación.
o Nuevos y mejorados servicios: Los servicios de voz mantendrán una posición
dominante durante varios años. Los usuarios exigirán a UMTS servicios de voz
de alta calidad junto con servicios de datos e información. Las proyecciones
muestran una base de abonados de servicios multimedia en fuerte
crecimiento hacia el año 2010, lo que posibilita también servicios multimedia
de alta calidad en áreas carentes de estas posibilidades en la red fija, como
zonas de difícil acceso. Un ejemplo de esto es la posibilidad de conectarse
a Internet desde el terminal móvil o desde el ordenador conectado a un
terminal móvil con UMTS.
o Acceso rápido: La principal ventaja de UMTS sobre la segunda generación
móvil (2G), es la capacidad de soportar altas velocidades de transmisión de
datos de hasta 144 kbit/s sobre vehículos a gran velocidad, 384 kbit/s en
espacios abiertos de extrarradios y 2 Mbit/s con baja movilidad (interior de
edificios). Esta capacidad sumada al soporte inherente del protocolo de
Internet (IP), se combinan poderosamente para prestar servicios multimedia
interactivos y nuevas aplicaciones de banda ancha, tales como servicios de
video telefonía y video conferencia y transmisión de audio y video en tiempo
real.
UMTS define cuatro categorías de calidad de servicio (Qos):
o Conversacional: para llamadas de voz y videoconferencias. Importantísimo
tener los mínimos retrasos en la comunicación.
o Streaming: La fluctuación del retraso debe ser baja. Pensada para descarga de
vídeos de Internet. Una vez llenado el buffer inicial, deberíamos poder ver una
transmisión sin cortes ni pausas.
o Interactiva. No debe de haber grandes retardos, pero sí es imprescindible
asegurar la integridad de los datos. Este es el típico caso de la navegación web.
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o Background: Los retardos no son importantes pero al igual que el caso
anterior, es fundamental la integridad de los datos. La típica aplicación sería el
correo electrónico.
UMTS usa una comunicación terrestre basada en una interfaz de radio W-CDMA,
conocida como UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA). Soporta división de tiempo dúplex
(TDD) y división de frecuencia dúplex (FDD). Ambos modelos ofrecen ratios de información de
hasta 2 Mbps.
1.3.4.2 COMPARATIVA ENTRE GSM Y UMTS
El sistema GSM funciona por TDMA, es decir, se divide el tiempo en slots y a cada
usuario se le asigna un slot. Lo que significa es que a cada usuario se le asigna un espacio de
tiempo por el que se puede transmitir los datos. Por lo tanto se comparte cada canal por un
número determinado de usuarios.
El sistema UMTS es un sistema WCDMA, de acceso múltiple por división de código de
banda ancha. En este sistema no hay slots temporales como en GPRS. Todos los usuarios
transmiten a la vez por el canal, pero las señales de cada usuario están codificadas con un
código único de tal forma, que pese a que podemos pensar que se forma una señal
indescifrable al utilizar las mismas frecuencias a la vez, no es así, pues la estación base es capaz
de decodificar y volver a separar perfectamente cada una de las comunicaciones recibidas de
los distintos usuarios. Esto, evidentemente, implica un aprovechamiento mucho más alto del
canal, al no compartirlo en el tiempo.
Figura 1.3.9. Diferencias entre GSM y UMTS
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