Marco Teórico

Marco Teórico
Presentado Por: Miguel Angel Díaz
Código: 20102273010
Contents
1. Comunicación por Sistema GSM (segunda generación o 2G)
3
1.1.
Arquitectura de la red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2.
Servicios que ofrece GSM
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3.
Interfaz aérea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2. Señales transmitidas por los satélites GPS
6
3. Funcionamiento General del Sistema GPS
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3.1.
Fuentes de Error del GPS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.1.1.
Perturbación Ionosférica.
8
3.1.2.
Fenómenos Meteorológicos.
. . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.1.3.
Imprecisión en los Relojes.
. . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.1.4.
Interferencias Eléctricas Imprevistas.
3.1.5.
Error Multisenda.
3.1.6.
Interferencia "Disponibilidad Selectiva S/A".
3.1.7.
Topología Receptor-Satélites.
. . . . . . . . . . .
8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4. Como trabaja el GPS
. . . . . . .
8
. . . . . . . . . . . . . . .
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2
1.
Comunicación por Sistema GSM (segunda generación o 2G)
El Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (Global System for
Movile Communication, GSM) es un sistema estándar para comunicación utilizando teléfonos móviles que incorporan tecnología digital, además se trata de
uno de los estándares de comunicación más utilizado en el mundo, al igual que
lo es en Costa Rica. Por ser digital cualquier cliente de GSM puede conectarse
a través de su teléfono con su ordenador y puede hacer, enviar y recibir mensajes por e-mail, faxes, navegar por Internet (estos donde este implementado el
servicio), acceso seguro a la red informática de una compañía (LAN/Intranet),
así como utilizar otras funciones digitales de transmisión de datos, incluyendo
el Servicio de Mensajes Cortos (SMS). El sistema está basado en el uso de
una tarjeta denominada SIM (Susbcriber Identity Module) que almacena todos
los datos del usuario, garantizando máxima comodidad y exibilidad para el
usuario.
1.1.
Arquitectura de la red
na red de GSM se compone de varias entidades interrelacionadas, cada una
con funciones especícas. La arquitectura de base del sistema GSM prevé cuatro
subsistemas principales, donde cada uno contiene un cierto número de entidades
funcionales que están interconectados con el otro mediante interfaces estándar.
Las entidades más importantes de los, subsistemas principales de la red y los
elementos que lo componen son:
Estación móvil (Mobile Station o MS): es el terminal de radio móvil transportado por el abonado.
Este consiste en.
Equipo móvil (Mobile Equipment o ME): es el terminal
GSM.
Modulo de identidad del suscriptor (Subcriber Identity Module o SIM): es
una pequeña tarjeta que permite identicar al abonado, que permite identicar
al abonado.
Subsistema de la estación base (Base Station Sub-System o BSS): se encarga
del control de la conexión radio con la estación móvil.
Se compone de: Estación base de transmisión-recepción (Base Transceiver
Station o BTS): contiene todos los transmisores receptores que sirven a una
celda.
Controlador de estación base (Base Station Controler o BSC): gobierna los
recursos de radio para una o más BTS.
Subsistema del canal (Network Sub-System o NSS): realiza la conmutación
de las llamadas entre los usuarios GSM y la red ja u otras redes de radio móviles
a través de la central móvil de conmutación (MSC es el elemento central). A la
vez, a través de cuatro bases de datos inteligentes, se ocupa de la supervisión
de la movilidad de los abonados.
Canal central de administración (Network Management Center o NMC):
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desde el se pueden manejar todas las operaciones en curso, además de realizar
la conguración de la red.
1.2.
Servicios que ofrece GSM
Esta tecnología ofrece una gran variedad de aplicaciones y servicios, algunos
de los mismos son:
· Servicio de mensajería corta (Short Messaging Service o SMS)
· Llamada en espera
· Reenvió de llamadas
· Identicación de llamadas
· Restricción de identicación
· Buzón de voz
· Reconocimiento de voz
· Desvió de llamada
· Servicio de conferencia
· Filtros de llamadas
· Vibración del móvil
· Sistema de escritura T9
· GPS
· Modem
1.3.
Interfaz aérea
Es la que da el término móvil a los sistemas de telefonía celular. Esta es la que
se necesita para comunicar al MS con el BTS, se da por un enlace inalámbrico,
por radiofrecuencia.
Un canal de radio es un medio hostil para establecer comunicaciones, por
lo que todos los esquemas y mecanismos que se utilizan para hacer posible la
comunicación en el canal se agrupan en los procedimientos de la interfaz aérea.
Con este tipo de tecnología se pueden establecer dos tipos de canales: los físicos
que son afectados por las características de la interfaz aéreas, y los lógicos, que
se encargan del control y transporte de la información.
La tecnología GSM, utiliza la tecnología de acceso TDMA (Time Division
Multiple Access o Acceso múltiple por división de tiempo), que se trata de una
técnica de multiplexación, que distribuye las unidades de información en ranuras
(slots) alternas de tiempo, proveyendo acceso múltiple a un reducido número de
frecuencias. Mediante el uso de TDMA se divide un único canal de frecuencia de
radio en varias ranuras de tiempo (ocho en GSM). A cada persona que hace una
llamada se le asigna una ranura de tiempo especíca para la transmisión, lo que
hace posible que varios usuarios utilicen un mismo canal simultáneamente sin
interferir entre sí. Las dos bandas utilizadas por GSM para transmitir y recibir
información son, la banda de 890 a 915 MHz y la banda 935 a 960MHz, de
25 MHz cada una. Las bandas de frecuencias superiores e inferiores se dividen
en canales de 200KHz a los que se llaman ARFCN (Absolute Radio Frecuency
Channel Number).
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El ARFCN denota un par de canales uplink Y downlink separados por
45MHz y cada canal es compartido al mismo tiempo, hasta un máximo de 8
usuarios. A la unidad fundamental de tiempo en TDMA se le llama ranura de
tiempo (timeslot) y su combinación con un ARFCN constituye un canal físico
tanto para el uplink como 18 para el downlink. En GSM, cada portadora puede
manejar ocho canales con ocho time-slots (0.557 ms) pero aunque cada portadora da servicio a ocho canales (físicos), en un instante dado solo uno de los
canales está utilizando el ancho de banda disponible.
El canal físico en GSM es de 200KHz, modulado por el esquema digital
GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Este se representa por una ranura
de tiempo (time slot), una frecuencia, un numero de canal, y otros parámetros.
Cada uno de los ocho usuarios usa el mismo ARFCN y ocupa una única ranura
de tiempo por trama. Cada ranura de tiempo tiene un tamaño de 156.25 bits y
una duración de 576.92 us, y una trama de TDMA simple en GSM dura 4.615 ms.
Cada canal físico, se puede proyectar en canales lógicos en diferentes tiempos,
ósea que cada time-slot especíco o trama, debe de estar dedicado a manipular
el tráco de datos, o a señalizar los datos.
Estos canales lógicos transmiten
ecientemente los datos del usuario, aparte de proporcionar el control de la red
en cada ARFCN.
Los canales lógicos de GSM, que agrupan la información a transmitir entre
la estación base y el móvil de la siguiente manera:
· Canales de traco Trac Channels, TCH: albergan las llamadas en proceso
que soporta la estación base.
· Canales de control. 19 Canales de difusión (Broadcast Channels, BCH).
· Canal de control broadcast (Broadcast Control Channel, BCCH): comu-
nica desde la estación base al móvil la información básica y los parámetros del
sistema.
· Canal de control de frecuencia (Frequency Control Channel, FCCH): co-
munica al móvil (desde la BS) la frecuencia portadora de la BS.
· Canal de control de sincronismo (Synchronization Control Channel, SCCH).
Informa al móvil sobre la secuencia de entrenamiento (training) vigente en la
BS, para que el móvil la incorpore a sus ráfagas.
· Canales de control dedicado (Dedicated Control Channels, DCCH).
· Canal de control asociado lento (Slow Associated Control Channel, SACCH).
Canal de control asociado rápido (Fast Associated Control Channel, FACCH).
· Canal de control dedicado entre BS y móvil (Stand-Alone Dedicated Con-
trol Channel, SDCCH). Canales de control común (Common Control Channels,
CCCH).
· Canal de aviso de llamadas (Paging Channel, PCH): permite a la BS avisar
al móvil de que hay una llamada entrante hacia el terminal.
· Canal de acceso aleatorio (Random Access Channel, RACH): alberga las
peticiones de acceso a la red del móvil a la BS.
· Canal de reconocimiento de acceso (Access-Grant Channel, AGCH): procesa
la aceptación, o no, de la BS de la petición de acceso del móvil.
· Canales de Difusión Celular (Cell Broadcast Channels, CBC).
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Figure 1:
2.
Señales transmitidas por los satélites GPS
Los satélites GPS transmiten dos portadoras en la Banda L de microon-
das.
La fre-cuencia portadora L1 (1.575,42 MHz) transporta el mensaje de
navegación y el código C/A del servicio de posicionamiento estándar SPS. La
frecuencia portadora L2 (1.227,60 MHz) se utiliza para medir el retardo ionosférico.
Las fases de las portadoras L1 y L2 se modulan mediante tres secuencias
binarias :
* El código de libre acceso C/A ( Coarse Acquisition ) ó Código Ordinario ,
que modula la fase de la portadora L1, constituyendo la base del servicio civil
de baja precisión ó Standard Positioning Service, consiste en un código de ruido
pseudoaleatorio (PRN) con una frecuencia de 1.023 KHz, que modula la portadora L1 ensanchando su espec-tro sobre un ancho de banda de 1,023 MHz
(centrado en 1.575,42 MHz). La secuencia entera del código C/A se repite cada
1.023 bits, o sea cada 1 milisegundo. Cada uno de estos ciclos del código C/A
nalizan con un patrón de diez unos se-guidos, patrón al cual se lo denomina
época del código C/A ( C/A code epoch ). Así, cada época del código C/A
se repite cada 1 milisegundo, por ende tiene una frecuencia de 1 KHz. Hay un
código C/A distinto para cada uno de los satélites de la constelación GPS, los
que suelen identicarse por su "número PRN".
* El código preciso P ( Precise Code ), que modula la fase de ambas portadoras L1 y L2, es la base del Precise Positioning Service. Se trata de un código
de ruido pseudoaleatorio (PRN) de frecuencia 10,23 MHz, cuya secuencia entera
tiene una longitud de 267 días (38 semanas). El código P se transmite encriptado en un código Y, de modo de ser legible únicamente a receptores autorizados
que dispongan del módulo AS de desencriptado.
* El mensaje de navegación MN, que modula la portadora con una señal de
frecuencia 50 Hz consistente en datos que suministran a los receptores la información orbital de la constelación GPS; la escala de tiempo, y otros parámetros
del sistema, necesarios para resolver la Posición del receptor.
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3.
Funcionamiento General del Sistema GPS
El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) requiere de una red de com-
putadoras y un grupo más de 24 para determinar por triangulación, la altitud,
longitud y latitud de un objeto sobre la supercie de la tierra. El sistema de
posicionamiento Global GPS mide el tiempo t que tarda la señal en llegarle. La
distancia x entre el satélite y un punto sobre la tierra, resulta de la multiplicación la rapidez v de la señal de radio por el tiempo que tarda en llegar esta
al receptor. La ecuación 1 muestra la relación cinemática básica que permite la
determinación de la distancia.
x = v * t
Movimiento con rapidez constante. Como el GPS mide señales de radio, la
rapidez que se emplea es constante y su valor corresponde al de la luz, es decir,
aproximadamente 300.000 km/s. De esta forma el cálculo se reduce a conocer
la duración t que toma la onda de radio en llegar al receptor GPS. Este cálculo
lleva consigo algunas dicultades ya que, entre otros, el tiempo de viaje de la
onda es muy pequeño. Cuando la señal procedente del satélite llega al receptor,
esta arriba con un desfase como debido a la distancia y el tiempo que tarda.
El receptor GPS sólo tiene que medir este desfase, y una vez ha calculado
lo multiplica por la rapidez de la luz. Para poder medir el desfase de la señal
de radio se requiere que los relojes de los sistemas satelitales y de los módulos
receptores se encuentren debidamente sincronizados, pues que deben generar de
manera simultánea el mismo código que lleva en la señal satelital. Por otro lado
se sabe que mientras los relojes internos de los satélites atómicos y bastante exactos, los localizados en los módulos receptores son simples osciladores de cuarzo.
Las distancias medidas con errores causados por el sincronismo se denominan
pseudo distancias, pero se hace necesario, como mínimo, cuatro satélites para
estimar correctamente la posición.
En la gura 1 se ilustra la conguración
básica del sistema GPS.
Por otro lado, en el cálculo de las pseudo distancias hay que considerar que
las señales que llegan al receptor GPS son muy débiles y se hallan rodeadas
de ruido electromagnético de otras fuentes. En cada instante un satélite envía
una señal con un patrón igual al de la serie pseudo-aleatoria que se genera en el
receptor.
El receptor calcula la distancia efectuando un desplazamiento temporal del
código pseudo-aleatorio hasta lograr una coincidencia con el código recibido
desde el satélite; siendo este el tiempo de vuelo de la señal. Este proceso se lleva
a cabo de forma automática y continua en el receptor.
Al público en general sólo se le permite el uso de un subconjunto degradado
de señales GPS, sin embargo la comunidad civil ha encontrado alternativas
mediante las denominadas técnicas diferenciales logrando obtener una excelente
exactitud en la localización global. Gracias a esto las aplicaciones civiles han
experimentado un importante crecimiento.
7
Figure 2:
3.1.
Fuentes de Error del GPS
3.1.1. Perturbación Ionosférica.
Las partículas cargadas eléctricamente de las ionosfera alteran la rapidez de
las señales de radio. Este fenómeno puede agregar un error de
± 5m .
3.1.2. Fenómenos Meteorológicos.
En la troposfera el vapor de agua afecta a las señales de las ondas electromagnéticas disminuyendo también su rapidez. Los errores causados son similares, en
magnitud, a los generados por la ionosfera, pero su corrección es casi imposible.
3.1.3. Imprecisión en los Relojes.
Los relojes atómicos de los satélites y los de cuarzo de los receptores presentan leves desviaciones pese a su riguroso ajuste y control. Esta imprecisión
puede introducir un error adicional de
±2m.
3.1.4. Interferencias Eléctricas Imprevistas.
Las interferencias electromagnéticas pueden causar correlaciones erróneas de
los códigos. Estas interferencias causan errores de hasta un metro.
3.1.5. Error Multisenda.
Las señales transmitidas desde los satélites pueden sufrir reexiones antes
de alcanzar el receptor. Los receptores modernos emplean técnicas avanzadas
de proceso de señal y antenas de diseño especial para minimizar este error, que
resulta muy difícil de modelar al ser dependiente del entorno donde se ubique
la antena GPS.
3.1.6. Interferencia "Disponibilidad Selectiva S/A".
Esta es la principal fuente de error del sistema GPS y es introducida deliberadamente por militar administrador de los satélites.
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3.1.7. Topología Receptor-Satélites.
Los receptores deben tener en cuenta la forma en que están dispuestos los
satélites y el módulo receptor respecto a estos. Una determinada conguración
espacial puede aumentar o disminuir la exactitud de una medida. Los errores
procedentes de las distintas fuentes satelitales se acumulan en un valor de asociado a cada medida de posición GPS.
4.
Como trabaja el GPS
Las primeras navegaciones Una breve repasada a la historia de la navegación
le dará una base al lector, para ayudarle a entender la complejidad del GPS, que
es por lejos el sistema de navegación más avanzado que se ha utilizado jamás.
En los tiempos antiguos, la mayor parte de los navegantes obtenían su posición
a través de ciertos detalles geográcos, algunas observaciones rudimentarias a
las estrellas o el conocimiento detallado, pasado de generación en generación,
de un territorio relativamente pequeño.
El compás fue un descubrimiento importante porque permitió al viajero
orientarse, pero era insuciente para jar la posición de una persona. En cambio
el sextante, el cuadrante y otros instrumentos goniométricos, abrieron nuevas
perspectivas a los viajes, pues permitían a los viajeros determinar fácilmente
su latitud.
Sin embargo, el cálculo de la longitud requería un conocimiento
de los astros, combinado con tablas astronómicas que detallaran las posiciones
exactas de los astros y planetas a horas exactas. Antes del cronómetro, poca
gente tenía los conocimientos, el entrenamiento o la habilidad para medir el
tiempo y la longitud a partir de los astros.
El navegante Américo Vespuccio, en el siglo XV, fue quien descubrió como
medir la longitud.
Vespuccio partió desde el viejo Mundo en 1499 hacia las
tierras recientemente descubiertas por Colón y consideradas como las Indias.
Había leído el informe de Colón y quería creer que aquel había estado en las
Indias, pero también había leído narraciones de las ciudades y de la gente de las
Indias y lo que vio cuando recorrió las costas fue distinto a lo que él había esperado. Llevaba consigo un libro astronómico llamado almanaque que detallaba
las horas exactas y las posiciones de varios planetas.
El libro había sido elaborado en Italia, de manera que las horas de las
efemérides celeste estaban basadas en la hora de Ferrara (Italia).
En la me-
dianoche del 23 de agosto de 1499, la Luna debía pasar sobre Marte en Ferrara.
Vespuccio tomó tierra en la costa de lo que actualmente es Brasil.
Primero
hizo mediciones de los astros para determinar su tiempo local exacto, a continuación observó la conjunción y observó que ocurría 6,5 horas después que en
Ferrara. Utilizando la diferencia de tiempo y los valores de Ptolomeo sobre la
circunferencia de la Tierra, calculó su distancia(longitud) a Ferrara.
El resultado le demostró que no estaba en las Indias, sino en un nuevo
mundo o continente.
Por ello, Vespuccio fue la primera persona que supo la
verdad del descubrimiento de Colón, gracias a que pudo determinar su posición
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exacta en la Tierra. El desarrollo de cronómetros perfeccionados en 1735 fue
un acontecimiento importante porque hizo la navegación astronómica accesible
a gente con menor formación especializada.
Las tablas matemáticas y náuticas desarrolladas por N.Bowditch, posibilitaron que cualquier marino pudiera convertir observaciones astronómicas sencillas en situaciones geográcas. A pesar de que la navegación astronómica se
fue haciendo más fácil de aplicar, requería mucha práctica y se alcanzaba una
precisión de hasta una milla sólo si el cielo estaba despejado. Esta dependencia
del tiempo fue eliminada con la radionavegación.
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