Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación 13 de mayo de 2008 Juan José Murillo Fuentes DTSC. ETSI. Univ Sevilla [email protected] http://web.mit.edu/newsoffice/2005/cellphones.html COURTESY: SENSEable City Laboratory Tema 9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES 9.1 Bibliografía Bibliografía básica: • Estas transparencias están basadas en el capítulo 7 del libro “Transmisión por radio” del prof. Hernándo Rábanos, ed. Ramón Areces 2003. Bibliografía adicional: • Generales: “Wireless Communications. Principles and Practice” T. Rappaport, Prentice Hall 2003 scd ed. “Fundamentos de los sistemas de comunicaciones móviles”, Alberto Sendín Escalona. Mc Graw Hill. 2004. • GSM: “Comunicaciones Móviles GSM”, Coord. Hernándo Rábanos, ed. Fundación Airtel 1999. • Contiene datos básicos de sistemas en España: http://www.mityc.es/esES/Servicios/IndicadoresE/sociedadinformacion/ © Copyright 2006. Si utiliza este material para generar algún otro cítelo como J.J. Murillo-Fuentes. “Comunicaciones móviles. Transparencias de la asignatura radiación y radiocomunicación.“ Universidad de Sevilla. 2005. [email protected] 9.2 9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES 9.1 Introducción 9.2 Composición de un sistema y cobertura 9.3 Clasificación Parte I: Introducción 9.4 Frecuencias y modos de explotación 9.5 Caracterización del Canal 9.6 Calidad: cobertura 9.7 Sistemas digitales Parte II: Sistemas Celulares Parte III: Sistemas Privados Parte IV: GSM Parte V: Proyectos Parte VI: Otros Sistemas Parte VI: UMTS [email protected] 9.8 Sistemas de concentración de enlaces 9.9 Sistemas celulares de radiotelefonía 9.10 Estructura básica de un sistema PMR 9.11 Sistemas típicos de PMR 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM 9.13 Proyectos de sistemas del Servicio Móvil 9.14 Nuevos sistemas de comunicaciones móviles 9.15 UMTS 9.3 Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación Tema 9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES (Parte I) Juan José Murillo Fuentes ATSC. ETSI.Univ Sevilla [email protected] 9.4 Parte I: Introducción y Sistemas PMR 9.1 Introducción 9.2 Composición de un sistema y cobertura 9.3 Clasificación 9.4 Frecuencias, acceso múltiple y modos de explotación 9.5 Caracterización del Canal 9.6 Calidad: cobertura 9.7 Sistemas de concentración de enlaces [email protected] 9.5 9.1 Introducción Sistemas inalámbricos: movilidad Cobertura Zonal: variación continua del trayecto de propagación Sistemas • Gran ubicuidad • Gran versatilidad: rápida instalación,... • Gran flexibilidad: fácil reconfiguración,... Definición (Reglamento de Radiocomunicaciones): • “un servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrestres fijas, o entre estaciones móviles únicamente”. Tipos de servicios móviles: • Servicio móvil terrestre: Despacho, Gestión de flotas de vehículos, policía, ambulancias, bomberos, radiotaxi, … • Servicio móvil marítimo. • Servicio móvil aeronáutico. [email protected] 9.6 9.1 Introducción: Wireless Comunicaciones móviles - Comunicaciones inalámbricas Satellite LEO MEO GSO Personal Bluetooth IEEE 802.15 LAN Fixed IEEE 802.11 HomeRF HIPERLAN IEEE802.16 (WiMax) LMDS Mobile 1G Analog 2G Digital: PDC, GSM 2.5G GPRS/EDGE 3G UMTS DECT Privada: PMR, PAMR Pública: TMA = PLMN [email protected] 9.7 9.1 Introducción: sistemas móviles privados Radiotelefonía privada (PMR, Private Mobile Radio): • No está conectada a la red pública. • Sistemas: Analógicos, MPTXXXX, TETRA, … • Cobertura local • Redes móviles tradicionales: Asignación rígida de canales a varios usuarios (no todas las frecuencias se ofrecen a todos usuarios) 9 FDMA → señalización selectiva mediante tonos (CTCSS y 5 tonos) • Sistemas avanzados Truncking = sistemas troncales ⊂ Multiacceso basado en sistemas compartición de frecuencias = sistemas de concentración de enlaces: 9 señalización digital 9 espera en cola Acceso Público Móvil Radio (PAMR, Public Access Mobile Radio) • Son sistemas para telefonía móvil privada desarrollados por operadoras con licencia que ofertan sus servicios a terceros Por ejemplo: en España licencias para TETRA [email protected] 9.8 9.1 Introducción: Sistemas móviles públicos Telefonía móvil automática (TMA) • Conexión a la red pública. • Sistemas: NMT, AMPS, TACS, GSM, IS-136, IS-95, WCDMA(UMTS), CDMA2000... • Cobertura: desde una zona a un continente • Explotación totalmente automática • Características similares al servicio telefónico fijo en cuanto a Fiabilidad-Disponibilidad Calidad (fidelidad) • Sistemas digitales: Multiplexación, TDMA, CDMA. Banda ancha y estrecha • Otros Servicios como Transmisión de Datos: GPRS, UMTS Mensajería unidireccional (SMS) Radiobúsqueda-localización (Ej, GALILEO+UMTS) [email protected] 9.9 9.1 Introducción: WLAN Dentro de los sistemas de comunicaciones móviles cabe al menos introducir los Sistemas “indoor”: • Sistemas restringidos a Fábricas o naves industriales Oficinas Hogar • Servicios de Voz Datos: redes WLAN (Wireless LAN) 9 Blootooth, HIPERLAN, WiFi... Telecontrol (domótica) [email protected] 9.10 9.1 Introducción: Primera Generación Las principales características de sistemas 1G son • Analógicos • Básicamente servicio de voz • Baja capacidad • Cobertura limitada: local o regional • Sistemas: E-TACS, AMPS, NMT, C-net • Las interfaces son propietarias • España1: En 1982 el TMA-450 de Telefónica basado en NMT (Nordic Mobile Telephone) En 1990 el TMA-900 de Telefónica basado en TACS (Total Access Communication System), es el sistema Moviline. • UK: TACS en las compañías Cellnet y Vodafone. 1 http://catedra-coitt.euitt.upm.es/web_socioeconomica/articulos/procesoimplantaciontelefoniamovil.pdf [email protected] 9.11 9.1 Introducción: Segunda Generación Las principales características son • Digital • Conmutación de circuitos • Voz y datos básicos Fax SMS Circuit switched data (9.6 kbs) • Cobertura regional con roaming (itinerancia) trans-national (panaeuropea) • Sistemas: GSM (EU), D-AMPS (=IS-136, USA), PDC (Japón), IS-95 (cdmaOne USA), • (more) interfaces abiertas (Open Interfaces) En UK Cellnet, Vodafone, Orange, One–2–One En España Vodafone, Movistar, Amena [email protected] 9.12 9.1 Introducción: Tercera Generación Las principales características son • Digital • packet and circuit switched • Datos avanzados / Multimedia • Acceso de alta velocidad • Cobertura Global • Sistemas: UMTS (WCDMA, TD/CDMA), CDMA 2000 (USA),… España: Operadores existentes y nuevos: amena, vodafone, movistar, xfera [email protected] 9.13 9.1 Introducción: Crecimiento de demanda – Diferentes sistemas de acceso 1,000 Million subscribers Fixed access 800 600 Mobile access 400 200 0 Fixed and mobile Internet Mobile Internet 1996 [email protected] 1998 2000 2002 2004 9.14 9.1 Introducción: Evolución de GSM a UMTS… Second Generation Maximum Data Rate 100 Mbit/s Third Generation 10 Mbit/s HSPDA 1 Mbit/s EDGE UMTS GPRS 100 kbit/s HSCSD GSM 14.4k 10 kbit/s GSM Since 1992 [email protected] 1999 2000 2001 2002 9.15 9.1 Introducción: Aplicaciones 3G Video Java WAP launch Web cam GPRS Music Mobile Office Schedule Management Work flow Management Electronic Conference File Sharing 1Q1999 Interactive TV Web access Radio Multi-player Games m-banking m-cash m-stock trading Picture clips Chat Information Room email Services Route planning 4Q1999 4Q2000 [email protected] Intranet Video clips TV Conference SMS Visual, High Speed Portal Link 4Q2001 9.16 9.1 Introducción: penetración (Subcriptores) de telefónia móvil por áreas Subscribers (million) 1800 1600 1400 1200 Rest of World 1000 Asia Pacific 800 North America 600 European Union Countries 400 200 0 1995 [email protected] 2000 2005 2010 Years 9.17 9.1 Introducción. Penetración en España [email protected] 9.18 9.1 Introducción. Penetración Mundial [email protected] 9.19 9.1 Introducción: Mercado de Telefonía Móvil por Tecnología 450 7% 400 PDC and PHS 350 IS 136 D-AMPS 9% IS-95 CDMA 300 15 % GSM 250 Analogue 200 GSM 150 62 % 100 50 0 1993 7% 1994 [email protected] 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 9.20 9.1 Introducción: GSM en USA [email protected] 9.21 9.2 Composición de un sistema de comunicaciones móviles Elementos: Subsistema de Red / Subsistema de Acceso • Estaciones fijas (FS) Estación Base (BS, Base Station): BTS en GSM, Nodo B en UMTS,… Estación de Control (CS) Estación Repetidora (RS) (túnel, valle,...) BS • Estaciones móviles (MS)=Equipos de usuarios Estación móvil montada en vehículos Equipos portátiles/móviles • Elementos de control Subsistema Acceso Conmutación Señalización Localización Identificación Conexión entre sistemas,... BS Subsistema de Red BS DL UL MS PSTN MS • Enlaces ascendente (UL) y descendente (DL) PSTN: public switched telephone network [email protected] 9.22 9.2 Composición de un sistema de comunicaciones móviles: Ejemplos Ejemplo de BS (BTS en GSM) Antenas de panel: •dipolos, •2 polarizaciones •3 sectores Ejemplo de Terminales Enlaces a otras BTS o a Estación de control Cables de alimentación Casetilla con Equipos [email protected] 9.23 9.3 Clasificación de sistemas móviles Por la Banda de Frecuencias • Bandas VHF (30-300MHz) Bandas III (162-230MHz) • Bandas UHF (300-3GHz) Por el tipo de acceso múltiple en el sentido móvil a estación base • • • • Banda 2 GHz FDMA: acceso múltiple por división en frecuencia TDMA: acceso múltiple por división en tiempo CDMA: acceso múltiple por división en código SDMA: acceso múltiple por división en espacio (haces de antenas) Por la modalidad de explotación • Símplex • Semidúplex • Dúplex Por el tipo de enlace • Bidireccional: Radiotelefonía • Unidireccional: Radiomensajería (SMS y otros) Por el tipo de red • PMR • PAMR • PLMN (ó TMA, telefonía móvil automática) [email protected] 9.24 9.4 Bandas de frecuencia A modo de ejemplo, el servicio de radiocomunicaciones móviles tiene atribuidas, entre otras, las siguientes frecuencias y canalizaciones Banda Frecuencias Sistemas 1 VHF Baja 60-80 MHz PMR 2 VHF alta 150-174 MHz PMR, PAMR 3 Banda III 223-230 MHz PMR, PAMR 4 Banda UHF baja 440-470 MHz PMR, PAMR 5 Banda UHF alta 860-870 MHz PMR 6 Banda 1-2 GHz 1800-2100 MHz PLMN Estas bandas se caracterizan por • Emplearse en zonas rurales o urbanas • Ganancia y Tamaño antenas • Alcances típicos... Ejercicio: busque las notas de utilización del CNAF que tengan que ver con comunicaciones móviles. Sugerencia: busque el CNAF con google, abra las notas de utilización (UN) y busque la palabra “móvil”, “servicio móvil”,... [email protected] 9.25 9.4 Canalizaciones Sistemas Privados: • Analógicos FM: Normal: 25 kHz con ancho de señal 2(fd+fm)=2(5+3)=16 kHz Estrecha (más usada): 12.5 kHz con ancho de señal 2(fd+fm)=2(2.5+3)=11 kHz • Digitales: Dependen del sistema 9 TETRA: canalización de 12.5 KHz con 4 canales TDM-TDMA » Modulación π/4-DPSK Sistemas Públicos • Dependen del sistema GSM: canalización de 200 kHz con 8 usuarios en TDM-TDMA 9 Modulación GMSK, Gaussian minimum shift keying UMTS: canalización de 5 MHz con múltiples usuarios y tasas 9 Modulación BPSK y H-QPSK (hybrid-QPSK) [email protected] 9.26 9.4 Modos de explotación Símplex: Una sola frecuencia • Todos los equipos oyen (tonos) Tx Rx • Ventaja: Ayuda Mutua f1 f1 BS Tx Rx MS si BS no escucha a un MS, otro MS puede escucharle 9 Hay comunicación directa MS a MS • Desventaja: Captura o bloqueo de una comunicación: 9 cuando una MS no escucha a la MS, está cerca de la BS, y Tx Interferencia canal adyacente entre BS1, BS2, BS3,...en un mismo emplazamiento f2 f1 9 hay que distanciar en f, Δf =4 a 5 MHz. 4-5MHz Problema: [email protected] f3 8-10 MHz 9.27 9.4 Ventajas e inconvenientes de modo Símplex UL UL RBM MS2 DL BS DL RMB BS MS1 MS2 MS1 DL DL Ayuda Mutua [email protected] Bloqueo 9.28 9.4 Modos de explotación en comunicaciones móviles Símplex a dos frecuencias: • Una solución poco viable es separar físicamente las estaciones base (>280m) • Otra solución es usar un par fTx y fRx, separadas 4-5 MHz. • Desventaja: Los móviles no pueden hablar entre sí (no reciben a f1’) No saben si el canal está libre y pueden Tx infructuosamente cargando el sistema innecesariamente. Tx 4MHz [email protected] Rx BS f1 f1’ Δf = 4 - 5 MHz y 10 MHz Tx Rx MS 9.29 9.4 Modos de explotación en comunicaciones móviles Semidúplex: • La base retransmite en f1 hacia los móviles (TT, talk-trough) lo que recibe por f2 Necesario un duplexor Ahora todos los móviles escuchan al que habla si éste llega a la BS Posible otra frecuencia símplex para Comunicación movil-móvil Tx Rx f1 D U X Tx f2 Rx Dúplex: radiocanal, PLMN • Elevado coste para PMR (DX y frecuencias) Tx Rx [email protected] D U X f1 f2 D U X Tx Rx 9.30 9.5 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Caracterización del canal Las pérdidas del canal móvil se pueden modelar como Desvanec. Desvanec. Selectivo Plano rápido Desvanec. Plano lento lb ⋅ r ( x, y ) ⋅ m f (t , f ) n • Donde lb ( d ) = k ⋅ d es la pérdida básica de propagación y n = 2 para espacio libre, n = 4 tierra plana, en medios urbanos n =3.5~3.8 (valores típicos) • El término r ( x, y ) se introduce para evaluar estadísticamente las pérdidas por obstáculos en el entorno del móvil Distribución log-normal con desv. tip 4 ~ 12 dB (rural, urbano) • Se incluye m (t , f ) para incluir el efecto multitrayecto y doppler, ley f exponencial negativa (cuadrado –potencia- de una Rayleigh –tensión-). Si además Tb < dispersión temporal (Ej, banda ancha), entonces hay que conocer los retrasos y niveles de cada trayecto para evaluar prestaciones: • Se hacen necesarios igualación, codificación con entrelazado y diversidad. [email protected] 9.31 9.5 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Caracterización del canal El cálculo de la cobertura es complicado Se pueden hacer de forma manual • Típico en la petición de licencias y proyectos técnicos sencillos • En entornos rurales se trazan radiales y se calcula mediante métodos empíricos Se utiliza mucho el método ITU-R P.1546 (antes 370) O mediante software • El software libre para cálculo de propagación es prácticamente inexistente Ver http://www.cplus.org/rmw/english1.html para un programa basado en el método de Longley-Rice • Existe gran variedad de software con licencia: Atoll de Forsk, ATDI, Planet,… [email protected] 9.32 9.6 Calidad I: Cobertura 1) Grado de movilidad: Cobertura: Calidad de cobertura • Alcance Alcance de cobertura en el sentido Estación → Móvil Alcance de cobertura en el sentido Móvil → Estación, ó retroalcance • El retroalcance limita la cobertura, a distancias elevadas: Ejercicio: el móvil escucha a la base pero, la base no escucha al móvil PIREBS = ? Enlace descendente (DL, downlink) PR min = −98 dBm PR min = −95 dBm PIRE MS = 30 dBm Enlace ascendente (UL, uplink) • Sentido estadístico: Solución: si se quiere igual cobertura UL-DL se puede observar que hay que compensar con PIREBS la diferencia de sensibilidad: PIREBS=PIREMS+3=33 dBm. Nota: la diferencia entre la PIRE y la sensibilidad en UL (ó DL) constituye la máxima pérdida ó “pérdida compensable”. Porcentaje de emplazamientos Porcentaje de tiempo • Cobertura Zonal Perimetral [email protected] 9.33 9.6 Ejemplo de cobertura: YOIGO Cobertura datos UMTS ó EDGE: Málaga, Sevilla, Cádiz, Granada, … Cobertura datos GSM/GPRS: Resto Fecha:25 Marzo 2007 [email protected] 9.34 9.6 Calidad II: Otros 2) Disponibilidad de recursos ó Calidad de tráfico • La probabilidad de poder establecer la llamada por falta de recursos probabilidad de congestión ó GOS (grade of service): p 3) Fiabilidad de la conexión • La probabilidad de perder una llamada en curso (caída) 4) Seguridad: autenticación y cifrado 5) Calidad de fidelidad de señal (fonía) • Sistemas analógicos Criterios objetivos 9Inteligibilidad: función del Indice de Nitidez (IN) 9 SINAD = Señal + Ruido + Distorsión S + N + D = Ruido + Distorsión N +D Está relacionada con la MOS, se puede dar en Volt, dBμ ó dBm Criterios subjetivos: 9Notas de Opinión → Nota Media de Opinión (Mean Opinion Score, MOS) [email protected] 9.35 9.6 Calidad II: Otros 3) Calidad de fidelidad de señal (continuación) • Sistemas digitales Criterios objetivos 9BER: depende del codificador 9BER irreducible Criterios subjetivos: 9Notas de Opinión → Nota Media de Opinión (Mean Opinion Score, MOS) [email protected] 9.36 9.6 Calidad II: Otros BER irreducible • A: mediciones en laboratorio, sin desvanecimiento • B: con desvanecimiento Rayleigh (plano) • C: con desvanecimiento Rayleigh y efecto Doppler Por el efecto doppler se crean desplazamientos de frecuencia fD = v / λ • Donde v es la velocidad • Efecto ≈ modulación parásita • Ej: 900MHz, 25 Km/h: fD=21Hz [email protected] 9.37 9.6 Calidad: Ejemplo en Orange Fecha: 25 Marzo 2007 [email protected] 9.38 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Ventajas sistemas digitales Tx de voz y datos con diferente tasa binaria: • Integración con redes digitales Métodos de cifrado Control de errores Señalización digital: • Control para evitar uso fraudulento • Control de potencia Servicios suplementarios, Ej: SMS Posibilidad de utilizar TDMA: • Simplifica circuitos RF → menor volumen y consumo terminales Más robusto a interferencia cocanal • Disminuye D → mayor reutilización →mayor capacidad Posibilidad de utilizar tecnología digital: • Codificador de voz 13 y 6.5Kbps • Codificador de canal [email protected] 9.39 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Inconvenientes sistemas digitales Necesidad de digitalización (fonía) Son más complejos Sensibilidad a las perturbaciones del medio de transmisión • Medios urbanos hostiles • Efecto doppler ISI: limitación de ancho de banda Retardo de transmisión (TDMA) [email protected] 9.40 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Estructura Estructura del transmisor Codec Vocal Multiplexador Datos Codificador Fuente Codificador de canal Formatización Acceso múltiple Tx-RF Estructura del Receptor Codec Vocal DeMultiplex. Datos [email protected] Decod. Fuente DeCod. de canal Desformatiz. Acceso múltiple Rx-RF (Digital) Recordar introducción Tema 6 9.41 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Estructura Aspectos más relevantes en el canal: • Diferencia entre Canal de Usuario: comunicación digital extremo a extremo Canal RF o radiocanal: par de frecuencias portadoras Ojo!! • Un mismo radiocanal puede soportar varios canales de usuarios (Multiacceso) Aspectos más relevantes en el Tx: • El MX de datos adapta la velocidad de llegada a la de transmisión • El codificador de canal optimiza la BER tras el paso por el canal • La formatización consiste en adaptar el canal de usuario al de radiofrecuencia (Multiacceso) Aspectos más relevantes en el Rx: • Es preciso, en el Rx, Recuperar portadora y sincronismo • Hay que desformatizar, extrayendo el canal/es de usuario del de radiofrecuencia [email protected] 9.42 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Retrasos Aspectos más relevantes del conjunto • La suma de las contribuciones de los retardos en cada bloque = retardo total: Retardos en codificador+decodificador de voz: 0.4 a 50 ms Retardo en codificador de canal Retardo en multiacceso Retardo en canal • El retardo total debe estar acotado (fonía): ITU-T máximo en un sentido 400ms Hay que contar además que la llamada puede atravesar la PSTN, y ésta puede tener un enlace via satélite: 270ms El margen que queda es 400-270=130ms 9Se deja para la red móvil 100ms [email protected] 9.43 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de fuente La codificación de fuente • Permite pasar la señal analógica de habla a una digital • Debe conjugar buena fidelidad con tasa de bit reducida • Así, debe caracterizarse por Buena Calidad Tasa de bits reducida Robustez de los algoritmos frente a errores de bits Limitación de la complejidad: 9Recursos computacionales 9Limitación del tiempo de procesamiento: retardo reducido 9Viabilidad de realización física. [email protected] 9.44 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de fuente, ejemplos Minimización de Errores: Por ejemplo en las transiciones 10 11 11 10 01 00 versus Cambio de nivel = error de 2 bits 01 00 Reducir tasa de transmisión: Por ejemplo atendiendo a la probabilidad • Llega 00 con Pb=0.005 asigno 1000 01 con Pb=0.05 asigno 100 10 con Pb=0.1, asigno 10 11 con Pb=0.845, asigno 1 [email protected] 9.45 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de canal La codificación de canal • Protege la información digital (voz, datos, señalización) contra errores producidos en la transmisión Voz: Se protegen mejor los bits más sensibles • Ejemplo: un MS a 50Km/h puede experimentar desvanecimientos profundos de algunos ms de duración De forma recurrente (cada 25-50ms) -2 La BER puede ser de 10 o peor • La codificación de canal Se pierden ráfagas de datos Se puede perder sincronización Por cada k bits se proporcionan n=k+r bits 9Rendimiento del código (code rate): k/n 9La tasa de bits se incrementa a Vn=Vk·n/k → incrementa BW • Existe codificación Bloque Convolucional [email protected] 9.46 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de canal La codificación bloque • Cada paquete de k bits se corresponde unívocamente a una palabra-código de n bits La codificación convolucional • Es un sistema de estados que dependen de los bits que estén llegando Los estados los da un registro de tamaño m (longitud obligada, constraint lenght) • La redundancia introducida ante la llegada de un bit depende del estado actual. • Tren continuo de bits, Rendimientos de 1/2. • Decodificación: gran poder corrector. Ej, algoritmo de Viterbi. Outer code + Inner code = Bloque + Convolucional • Gran poder detector + corrector Actualmente se están empleando códigos LDPC (Low Density Parity Check) Entrelazado (no transmisión consecutiva): evitar ráfagas errores L·Tb>Tc [email protected] 9.47 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Acceso múltiple TDMA, Time Division Multiple Access Código po t . e . d s t canal 2 Slo canal 1 canal N .. Frecuencia Tiempo [email protected] 9.48 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Acceso múltiple TDMA/FDMA También denominado NB-TDMA (Narrow Band- TDMA) Canal RF 1 canal 2 canal 1 Canal RF 2 ... ... canal N . . . canal 2 canal 1 canal N ... canal N ... Slo ts d e tp o Código canal 2 canal 1 Frecuencia Canal RF Q Tiempo [email protected] 9.49 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Trama TDMA Una Trama TDMA Preamble Information Message Slot 1 Slot 2 Slot 3 Trail Bits Sync. Bits [email protected] Trail Bits Slot N Information Data Guard Bits 9.50 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Trama TDMA, TDM Ventajas TDMA frente a SCPC/FDMA • Reducción del número de transceptores (TRXs) • Reducción en exigencia de tolerancia de frecuencia de portadoras Inconvenientes de TDMA • Exigencia de funcionamiento sincronizado • Tiempos de guarda • Bits de tara para sincronización de trama y señalización del canal: Reduce el rendimiento de la trama TDMA • En el sentido ascendente • En el sentido descendente (TDM, time division multiplex); no es de acceso sino de difusión [email protected] 9.51 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: CDMA CDMA, Code Division multiple Access Código ... canal 1 canal 2 Frecuencia canal N Tiempo [email protected] 9.52 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Time Division Duplex, TDD ? 2500 Market needs Kbps 2000 1500 Downlink Uplink 1000 500 0 [email protected] 1997 2000 2005 Asymmetrical traffic increases with time !! 9.53 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: TDD Frequency Division Duplex, FDD Canal bajada Canal Subida Frecuencia División en frecuencia Time Division Duplex, TDD Canal bajada Canal Subida División en tiempo [email protected] Tiempo 9.54 9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Acceso Múltiple Sistema Celular Acceso Múltiple Advance Mobile Phone System (AMPS) - PLMN FDMA/FDD CT2 (Cordless Telephone) - PLMN FDMA/FDD Japanese Figital Cellular (JDC) – PLMN TDMA/FDD U.S. Narrowband Sprea Spectrum (IS-95) -. PLMN CDMA/FDD Groupe Speciale Mobile (GSM) - PLMN NB-TDMA/FDD UMTS, Universal Mobile Telecommunic System – PLMN CDMA/FDD y TDD MPT 1325 – PMR FDMA/FDD TETRA – PMR y PAMR NB-TDMA/FDD Digital European Cordless Telephone (DECT) (*) TDMA/TDD (*)El sistema DECT es para telefonía inalámbrica en el hogar u oficina. Y pueden utilizarse varias estaciones base para cubrir una zona amplia [email protected] 9.55 9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Estructura de un sistema troncal Sistemas • Monoemplazamiento • Multiemplazamiento: Cada nodo tiene su juego de frecuencias Interconexión (en anillo) de estaciones base y sistemas de control (TSC, trunking system controller) No tiene por qué haber transferencia automática de una BS a otra. Transceptor sintetizador controlado por microprocesador (software-radio) • Régimen de llamadas En espera En pérdidas BS En un sistema troncal • Se asignan canales Según necesidades Y no de forma rígida NMC • Se optimiza la capacidad BS MS TSC PSTN T/R PABX FS PABX http://en.wikipedia.org/wiki/Trunked_radio_system [email protected] 9.56 9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Dimensionamiento y Tráfico Objetivo del dimensionamiento: • Calcular el número de canales Nº de canales de tráfico, N (Número de canales totales = N+1, incluyendo control) • Para cumplir unos criterios de calidad Régimen de llamadas en espera: que la probabilidad de superar un tiempo de espera W0 al realizar una llamada sea menor de p. Régimen de llamadas perdidas: que la probabilidad de tener canal disponible al realizar una llamada sea menor de p. A p se le denomina probabilidad de congestión o grado de servicio (GOS). Datos de partida • Nº de móviles M • Tiempo medio de llamada H (segundos) • Número medio de llamadas por móvil y en la hora cargada L (llamadas/hora) M ⋅ L⋅H erlangs Ad = 3600 Intensidad de tráfico demandado [email protected] 9.57 Régimen de llamadas perdidas (TMA y PMR): Erlang-B • Se supone un conjunto de usuarios que solicitan aleatoriamente los servicios de N canales de radio con un promedio dado de llegada de solicitudes de llamada. • Las llamadas se pierden con una probabilidad de congestión p (ó GOS ó pb de pérdida) si todos los canales están ocupados. http://www.erlang.com/whatis.html 9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Fundamento teórico y realización • La probabilidad de pérdida en un sistema que tiene que servir una intensidad de tráfico Ad (Erlangs) demandado con N radiocanales es p=B(Ad ,N) fórmula Erlang B N En la Erlang se asume que la llegada de llamadas es aleatoria (Poisson) [email protected] 9.58 http://www.erlang.com/whatis.html 9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Fundamento teórico y realización Régimen de llamadas en espera (PMR): Erlang-C • Se supone un conjunto de usuarios que solicitan aleatoriamente los servicios de N canales de radio con un promedio dado de llegada de solicitudes de llamada. • GOS: Las llamadas se pierden con una probabilidad p si se supera un tiempo de espera W0. • La probabilidad de pérdida ó GOS: Si el tiempo de espera máximo es igual a la duración de la llamada (habitual) p = GOS ( N , A) = P (W > W0 ) El tiempo medio de espera, Ŵ: W0 = H = C ( N , A) ⋅ e − ( N − A ) C(N,A): Distrib. Erlang-C H Wˆ = C ( N , A) N−A [email protected] 9.59 http://www.erlang.com/whatis.html 9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Fundamento teórico y realización Trunking o concentración de enlaces: • La idea del trunking es poder compartir todos los canales entre todos los usuarios. • El tráfico que se puede ofertar es mayor El sistema es más eficiente Pero más complejo: hay que controlar la asignación de canales • Ejemplo: se propone un ejemplo sencillo para un régimen de llamadas en pérdida Una estación base da servicio a una zona con 3 canales y puede: 9 A) Asignar los 3 canales a toda la superficie con truncking. 9 B) Asignar 1 canal de forma rígida a cada tercio de la superficie. La intensidad de tráfico A (Erlangs) que se puede ofertar en 9 A) es Ao,A=B-1(p,N) 3 A 1 1 1 B 9 B) es Ao,B= N·B-1(p,1) < Ao,A [email protected] 9.60 Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación Tema 9 Comunicaciones Móviles Parte III: Sistemas Celulares: sistemas celulares en FDMA Juan José Murillo Fuentes ATSC. ETSI.Univ Sevilla [email protected] 9.61 Parte II: Sistemas de Telefonía Móvil Automática (TMA) 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular • Introducción • Concepto de celda ó célula • Reutilización de frecuencia en sistemas FDMA • Geometría celular: distancia de reutilización • Distancia de reutilización y relación de protección • Dimensionamiento de tráfico y del sistema • Otros: Sectorización Asignación dinámica de frecuencias Tilt • Generalidades [email protected] ¿En qué consiste un sistema celular? ¿Cómo se dimensiona una sistema celular? 9.62 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular Los sistemas de telefonía móvil automática TMA ó PLMN son auténticas redes de telefonía • PLMN (Public Land Mobile Network) Con sus centrales de conmutación propias • MSC Mobile Switching Centers, ó MTSO Mobile Telephone Switching Office Se persigue • Calidad telefónica similar o superior. • Conmutación automática • Gran capacidad de abonados • Capacidad de expansión PSTN • Coste razonable • Eficiencia en espectro Mobile Los sistemas celulares Telephone Switching Office • Dan respuesta a este problema MTSO • Actualmente se utilizan también en PMR-PAMR [email protected] 9.63 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Una celda (o célula) Mobile Terminal (MT) = Mobile Units (MU) = Mobile Systems (MS) • ≈ Mobile Hosts (MH) ≈ Mobile Equipment (ME). MSC: Mobile Switching Centers = MTSO: Mobile Telephone Switching Office BS (Base Station) MSC (MTSO) BS MS MS Componentes Radio Cell [email protected] 9.64 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Una célula Forma circular frente a formas triangular, cuadragular, hexagonal Cada radiocanal entre la BS y el MT se divide en • Enlace Descendente = down-link, DL =forward link (US) BS a MT up-link • Enlace Ascendente = up-link, UL = reverse link (US) down link MT a BS El sistema es un conjunto de células MSC [email protected] PSTN 9.65 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Sistemas Celulares El problema central en la capa radio de los sistemas TMA es conseguir Una amplia cobertura Gran capacidad de tráfico Número limitado de frecuencias Con Si a una sistema TMA (operadora) se le asigna un rango del espectro, y es FDMA • ¿Cómo se puede dar cobertura a todo un país? Interferencia múltiple cocanal controlada Distancia de reutilización Sistemas FDMA Reutilización de frecuencias Sistema celular Nota: La planificación celular que se verá aquí es para FDMA [email protected] 9.66 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Sistemas Celulares, agrupaciones (racimos, clusters) Los sistemas celulares (FDMA) se basan en • Tener J tipos de célula • Cada tipo de célula tiene asignado un juego de frecuencias diferente • El conjunto de J células diferentes se agrupa: agrupación (o cluster) 1-cell cluster 3-cell cluster 4-cell cluster 12-cell cluster 7-cell cluster La zona de cobertura de este racimo o cluster se denomina “footprint” • El racimo o cluster se repite sistemáticamente (enlosado) para conseguir el mapa de cobertura deseado. Se repiten las frecuencias: reutilización de frecuencias [email protected] 9.67 Planificación de frecuencia en FDMA Estructura con J = 7 (Patrón de reutilización 7) f7 f6 f2 f7 f1 f6 f5 f1 f4 f2 f5 f7 f6 [email protected] f2 f3 f3 f4 f2 9.68 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Sistemas Celulares FDMA, agrupaciones: frecuencias Así: • Un operadora dispone de un ancho de banda para dar cobertura a una zona en un país. La operadora dispone de C canales • La zona se divide en Q agrupaciones. Cada agrupación hace uso de C canales • Cada agrupación se divide en J células Cada célula tiene asignados, en general, N=C/J canales disponibles ÎLas veces que se repiten las N frecuencias en el mapa de cobertura total no es más que el número de agrupaciones Q = el índice de reutilización ÎEl número de canales total es Q ·J · N Si se reserva 1 canal para Ahora bien control en cada célula: Q ·J · (N-1) ¿cuántas células hay?¿J? Relación de protección [email protected] ¿qué superficie cubren?¿Q? Tráfico 9.69 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: parámetros relevantes de geometría celular 2 7 2 3 1 6 7 4 1 5 6 Sr 1 ⎛ D ⎞ J≡ = ⎜ ⎟ Sc 3 ⎝ R ⎠ 2 2 3 4 5 R D7 3 1 6 4 5 D = distancia de reutilización entre celúlas que utilizan mismas frecuencias R = Radio de la Célula J = patrón de reutilización (el tamaño del racimo (cluster)). Ejemplo: para un racimo de 7 celdas con radio R = 3km, la distancia de reutilización de frecuencia es D = 13.74 km. [email protected] 9.70 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Geometría celular Geometría celular Área de un rombo de lado D: D2 3 Sr = 2 Área de un hexágono de radio R: d2 3 R2 3 3 Sc = = 2 2 Relación entre estas áreas: 2 Sr D 2 1 ⎛ D ⎞ = = ⎜ ⎟ ≡J 2 Sc R 3 3 ⎝ R ⎠ [email protected] Zona Romboidal: “Rombo cocanal” D D d R 9.71 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: números rómbicos (i·d, j·d) i = v / d = v /( R 3) j = u / d = u /( R 3) i za ció n • Sistema de ejes: eu til v er α=π/3 u (i·d,0) D, d ist an cia d (0, j·d) D 2 (i, j ) = d 2 (i 2 + j 2 + 2 ⋅ i ⋅ j ⋅ cos(α )) D 2 (i, j ) = d 2 (i 2 + j 2 + i ⋅ j ) (0,0) R d d=R 3 D2 2 1⎛ D ⎞ = ⎜ ⎟ = i2 + j2 + i ⋅ j d 2 3⎝ R ⎠ =J En la figura, i=3, j=2, J=19 [email protected] 9.72 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: número rómbicos IMPORTANTE: sólo son posibles, para células hexagonales, algunos números de células por racimo, J. ¿CUÁLES? • Aquellos que cumplen con i 2 + j 2 + i ⋅ j = J , i, j enteros • Ejemplos para i,j 0, 1 1, 1 1, 2 3, 0 4,-2 4,-1 4, 0 J=1 J =3 J= 7 J=9 J=12 J=13 J=16,... [email protected] Números Rómbicos Una lista completa ordenada: J= 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, 25, 27, 28, 31, 36, ... J=1 y 2 no tienen sentido. No hay reutilización. 9.73 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Geometría de racimos-agrupaciones-clusters Ejemplos de agrupaciones i=1 j=1 J=3 i=2 j=2 J=12 i=1 j=2 J=7 [email protected] 9.74 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Celda cocanal: Reutilización de frecuencias Para calcular dónde existe una celda con igual juego de frecuencias • Muévase i celdas a lo largo de cualquier cadena de hexágonos. • Gire 60º en el sentido contrario a las agujas del reloj y muévase j celdas. Ejemplo: • N=19: i=3, j=2; Hexágonos de igual radio: un racimo o agrupación está rodeada de otros 6: •Existen 6 celdas cocanales •Donde se reutilizan las frecuencias [email protected] 9.75 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Calculo de J: interferencia de una celda La solución en sistemas celulares es reutilizar las frecuencias • Se admite una interferencia • Que tiene que estar controlada ¿Cómo controlarla? Se calcula la potencia útil e interferente que llega a un punto de la celda Se impone que esté por encima de la relación de protección pt c = pr = k ⋅ dc n dc i = pt k ⋅ di n di Veamos cuánto vale cada parámetro [email protected] 9.76 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Calculo de J: interferencia de una celda La señal recibida en un sistema celular pt c = pr = k ⋅dn donde • d es la distancia desde el transmisor (BS) al punto de la celda donde se mide la potencia, • k es una constante y • n es otra constante (path loss slope) que depende de la propagación. En Celdas urbanas n=2.7 a 5 En el peor caso en el que el móvil se sitúa en el borde de una celda d=R, y otra celda a una distancia D transmite a la misma frecuencia y potencia: pt c= n , kR R cell 1 [email protected] ( (D − R)n c D = = −1 n i R R pt i = k (D − R)n MS ) n D cell 2 9.77 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Calculo de J: interferencia de racimos adyacentes La relación entre la potencia recibida en el borde de una celda c= pt k ⋅ Rn y la potencia interferente recibida en el borde de esa misma celda, 6ic = n c 1 ( D − R) 1⎛D ⎞ ⎛c⎞ = = = ⎜ ⎟ ⎜ − 1⎟ n 6⎝ R ⎠ ⎝ i ⎠tot 6 ⋅ ic 6 R 1⎛ D ⎞ J= ⎜ ⎟ 3⎝ R ⎠ 6 pt k ⋅ ( D − R) n n Siempre hay 6 racimos rodeando el de interés 2 Se asume esta distancia Para todos interferentes 1⎡ c ⎢ J = 1+ 6⋅ 3 ⎢⎣ i 1 / n ⎤2 ( () ) tot Como ha de cumplirse (c/i)tot ( 1⎡ c ⎥ = {D − R ≈ D } = ⎢ 6 ⋅ ⎥⎦ 3 ⎢⎣ i 1 / n ⎤2 ( () ) tot ⎥ ⎥⎦ ≥ rp (relación de protección) 1 J ≥ 1 + (6 ⋅ rp )1 / n 3 ) 2 Límite inferior Sólo depende de rp!! Y además J debe ser un número rómbico [email protected] 9.78 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Tráfico ofrecido y demandado en una celda ¿Número de móviles en una célula a los que se puede dar servicio con una probabilidad de congestión p (también conocido como grado de servicio GOS) en un sistema celular de J células por agrupación al que se asigna un espectro W divido en bandas de Δf ? • La oferta El número de canales en el sistema El número de canales en una celda El número de canales de tráfico Se ofrece un tráfico, para p, de • La demanda El tráfico ofrecido por M móviles C = W / Δf N =C/J N − 1−1 Ao = B ( p, N − 1) Ad = M ⋅ a = M ⋅ H ⋅ L(Erlang ) • Se iguala Oferta=Demanda→ A=Ao=Ad y se obtiene: M A M = ⇒ Sc = a ρ m (móviles / km 2 ) Número de móviles en una celda O también, en función del “Tráfico admisible”: ρa = [email protected] Ao A (Erlang / km 2 ) = ρm ⋅ a ⇒ Sc = o Sc ρa 9.79 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Dimensionamiento en sistema Conociendo la superficie total S a cubrir y calculados m y Sc se dimensiona • Superficie de una agrupación Sr = J ⋅ Sc • Número de agrupaciones Q = índice de reutilización • El número de móviles servidos • También: S Q = ⎣S / S r ⎦ + 1 ≈ J ⋅ Sc M Total = Q ⋅ J ⋅ M La oferta total de canales de tráfico en el sistema (superficie S) Q ⋅ J ⋅ ( N − 1) ≈ S ⋅C J ⋅ Sc 9A menor área de celda »Con los mismos canales: podría servir a una mayor densidad de móviles »La oferta total en S crece: tengo mayor número de canales en el sistema [email protected] 9.80 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: sistema celular: resumen dimensionamiento Paso 1: La relación de protección te da el número mínimo de celdas, el número rómbico más cercano proporciona el mínimo posible J ( 1/ n 1 J ≥ 1 + ( 6 ⋅ rp ) 3 ) 2 Analógico: C/I=17 dB, n=3,8 Æ J=7 Digital: C/I=9 dB, n=3,8 Æ J=3 • Se obtiene el número N de canales por celda Paso 2: Igualar la oferta de tráfico que proporciona la célula a la demanda de tráfico que cursan los abonados al sistema • Con ello se obtiene Ao = B −1 ( p, N − 1) Ad = M ⋅ H ⋅ L El área o radio de la celda El índice de reutilización Q [email protected] 9.81 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Otros aspectos: división celular La retícula básica es un instrumento, en la realidad es difícil establecer el límite entre dos celdas En la práctica habrá celdas (ó células) (zona urbana) que tengan mucho más tráfico que otras (zona rural). Se hace necesario subdividir algunas celdas en otras: El mapa de celdas no es homogéneo Generalmente se va dividiendo el radio de la celda en 2: • La superficie se divide por cuatro • Se incrementa la capacidad de tráfico en un factor ≈ 4 • Mayor precisión de las BS • Aumenta el tránsito entre celdas (llamada), aumenta tráfico de señalización • Aumentan los costes Microceldas (<0.3Km), Picoceldas (<30m) También: se organizan las celdas por “capas” (layers) [email protected] 9.82 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Otros aspectos: Tipos de Celdas Internetwork Roaming Seamless end-to-end Service Global Satellite Suburban Urban In- Building Micro-Cell Macro-Cell Home-Cell Pico-Cell Audio/visual Terminals Source:ITU [email protected] 9.83 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Otros aspectos: Sectorización Se pueden explotar las ventajas de antenas directivas f1 f3 f2 •¿Simple división de una celda en otras 3? i=2 ⇒La interferencia ya no es j=1 “omnidireccional” J=7 •La relación potencia a interferencia se reduce: 1 •Disminuye el J mínimo J≥ k ⋅ rp Aproximando,… 3 (( [email protected] ), 1/ n 2 ) k = [2,3] 9.84 Ganancias típicas de Antenas • Omnidirecionales Vertical Horizontal f1,2,3 • Sectoriales: 120º f1 f3 0 0 -15 -20 -15 -20 -30 -30 270 0 -3 -6 -10 dB 90 270 0 -3 -6 -10 dB 90 f2 180 [email protected] 180 9.85 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Otros aspectos: Sectorización Cuando se introduce sectorización, en general, • Cada sector es una nueva celda • De forma que cada sector es una nueva BTS Pero en las operadoras al emplazamiento con varios sectores se le denomina BTS Esta BTS tiene su propio juego de frecuencias (radiocanales) • Al conjunto de sectores agrupados en un mismo poste se le denomina emplazamiento (site en inglés) • Así: sector=celda=BTS emplazamiento= varios sectores • En la figura se representa una configuración 3/9 3 emplazamientos por agrupación Con 3 sectores por emplazamiento, un total de 9 • Por facilidad se suelen usar agrupaciones Del tipo 3/9,4/12,… De esta forma se aprovechan al máximo los emplazamientos [email protected] 9.86 Ejemplo de sectorización [email protected] 9.87 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Otros aspectos: Sectorización Ø Sectorización: [email protected] 9.88 Otras tecnologías: Smart/Adaptive Antennas [email protected] 9.89 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Asignación dinámica de frecuencias En la asignación dinámica de frecuencias, la asignación de radiocanales no es rígida → cambia según la necesidad en cada instante: (Dynamic channel allocation, DCA) El principio general: cualquier canal puede ser utilizado en cualquier celda • Para optimizar la capacidad • Cumpliendo con la relación de protección ►El problema es complejo Se debe contemplar • Seguimiento del estado y localización de cada canal • Cálculo/Estimación y localización de las necesidades de tráfico • Cada celda debe poder generar todos los canales posibles: sintetizadores [email protected] 9.90 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Asignación dinámica de frecuencias: tráfico En un sistema con N canales de tráfico por celda y J celdas por agrupación, con un requisito de pb de congestión p •El tráfico que se oferta en la agrupación, sin DCA, es A=J·B-1(N,p) •Con DCA el máxima de tráfico que se puede alcanzar ADCA=B-1(J · N,p) > A Recuérdese aquí que J sistemas con N canales ofertan menos tráfico que 1 sistema de J · N canales [email protected] 9.91 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: “tilt” Tilt mecánico: inclino la antena hacia el suelo para enfocar el área a cubrir Tilt eléctrico: consigo el mismo efecto cambiando las propiedades eléctricas de las entenas (patrón de radiación) [email protected] 9.92 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Tilt mecánico [email protected] 9.93 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: “tilt” En cualquier caso se reduce la interferencia a las agrupaciones anexas: Se consigue una reducción de J •En la relación ( 1/ n 1 J ≥ 1 + ( 6 ⋅ rp ) 3 ) 2 se asume que la ganancia de la antena interferente es la misma que la de la Tx. •Se pueden rehacer los cálculos o utilizar una relación de protección equivalente menos exigente (menor) [email protected] 9.94 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Diseño 1. Determínese el número de celdas J por racimo (números rómbicos) en función de • • • La interferencia máxima admisible: la relación de protección El modelo de propagación l=k·dn Tecnologías: sectorización, tilt,... 2. A partir de J se calcula el tráfico ofrecido por celda Para ello se calcula el número de canales disponibles en cada celda y se impone una probabilidad de congestión p 3. Determínese la demanda de tráfico por móvil 4. De igualar la demanda a la oferta se obtiene el número de móviles por celda ó la superficie de celda Sc 5. Con este dato es posible dimensionar Área de la celda (a partir de la densidad móviles/km2) ó número de móviles El número de celdas total en una región Número de veces que se repite la agrupación de J celdas: Q Número total de canales ofertados o tráfico total ofertado Q ·J · (N-1),... [email protected] 9.95 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Generalidades ¿Cómo hacer para que un móvil pueda llamar desde cualquier celda?: Radiobúsqueda=Paging ¿Cómo hacer para que pueda moverse de una celda a otra sin interrupción? Traspaso=Handover MSC • Hard • Soft Old BS New BS ¿Cómo localizar y seguir su situación?: Itinerancia=Roaming 9Necesidad de un sistema de señalización avanzado: canales de control [email protected] 9.96 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Generalidades Un esquema más general de un sistema TMA-PLMN PSTN HLR MSC (MTSO) VLR EIR MS BS MS MS MSC (MTSO) BS MS MS MS BS VLR MS MS PSTN: Public Switched Telephone Network. MSC:Mobile Switching Center. También MTSO (Mobile Telephone Switching Office). BS: Base Station. MS:Mobile Station. También MU (Mobile Unit) o Mobile Host (MH). HLR:Home Location Register. VLR:Visitor Location Register. EIR:Equipment Identify Register. [email protected] 9.97 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Generalidades Conexión del móvil : • Proceso de localización: Se exploran los canales de control de BS’s Se sintoniza aquella que llegue con más potencia Se transmite identificación La identificación se almacena en el VLR (Visitor’s Location Register) La identificación y localización se almacena en el HLR (Home Location register) Llamada a un móvil • Se interroga al HLR: devuelve MSC a donde encaminar la llamada • Se avisa al MS (mobile station) en las BS en torno a su localización (Location Area) con un código característico del móvil: “paging” [email protected] 9.98 Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación Tema 9 Comunicaciones Móviles Parte III: Sistemas de Telefonía Móvil Privada (PMR) Juan José Murillo Fuentes ATSC. ETSI.Univ Sevilla [email protected] 9.99 9.10 Estructura básica de un sistema PMR Control Estación Fija PABX PABX Private automatic branch exchanges Estación Base BS Estación Móvil La estructura de un sistema PMR es variada • Desde comunicación MS a MS sin BS Ejemplo: sistema sin licencia PMR466. PMR466 • Pasando por sistemas analógicos con señalización analógica simple Sin Truncking ni sistemas celulares Ver Tema 5. • Hasta complejos sistemas trunking que pueden ser celulares con funcionalidades comparables a los sistemas TMA. MPT1327 TETRA,… [email protected] 9.100 9.10 Estructura básica de un sistema PMR: Servicios de un sistema troncal PMR Gracias a potente señalización digital • Conexión a centralita privada (PABX) • Modalidades de despacho Flotas Subflotas Grupos cerrados de usuarios • Diferentes niveles de prioridad • Fall-back mode: funcionamiento como sistema convencional (ante fallo) • Tx de voz y datos • Desviación de llamadas • Localización automática • Amplia variedad de terminales fijos: fonía, pantallas, teléfonos, impresoras, ... [email protected] 9.101 9.10 Estructura básica de un sistema PMR: Canal de Control en sistemas troncales Puede ser: • Dedicado • Variable Si es variable, • Se dedica también a tráfico de usuarios • Si todos canales ocupados →Se asigna el canal de control a tráfico →El primer canal que quede libre se asigna como canal de control →Los móviles accederán a éste tras una búsqueda secuencial • Mayor rendimiento en sistemas con Nº de canales N < 12 [email protected] 9.102 9.11 Sistemas típicos de PMR Ejemplo de un sistema • Elementos BS MS (Conmutación manual) Consola de operación f3 f3’ 4 Frecuencias 9 3 canales en símplex o semidúplex 9 1 canal en símplex f1 f4 f2 f1’ f2’ f1 f2 f3 f4 f1’f2’f3’ • Funcionamiento en Simplex ó Semiduplex (TT) Día: control rígido prohibiendo la conexión móvil-móvil Noche: Servicio sin operador, las BS se pasan a TT (Los móviles se escuchan entre sí) • Llamada selectiva (SELCAL) y respuesta automática (acuse de recibo) • Interconexión móvil-móvil interzonas: control de conexiones entre BS [email protected] 9.103 9.11 Sistemas típicos de PMR: TETRA Nota: SAINCO es ahora TELVENT SAINCO (ABENGOA): Sistema Trunking Digital, TETRA, para CFE (Comisón Federal de Electricidad (México) en Monterey • 200 equipos portátiles, 320 móviles, 20 fijos y 3 consolas de control remoto • cobertura del 90% [email protected] 9.104 Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación Tema 9 Comunicaciones Móviles Parte IV: GSM Juan José Murillo Fuentes ATSC. ETSI.Univ Sevilla [email protected] 9.105 Parte IV: GSM 9.12 Sistema de telefonía móvil digital GSM •Introducción •Arquitectura •Funciones •Servicios •Canales lógicos •Radiocanales y canales físicos mapeado de los canales lógicos •Codificación de canal para la voz y entrelazado •Retardo compensable •Cobertura •Señalización: procedimientos de llamada •Resumen de parámetros y glosario [email protected] 9.106 Resumen Habrá que pensar qué estructura es idónea para este sistema • Móviles, estaciones base, centrales que agrupen a éstas,… Para definir la comunicación entre partes se definen las interfaces • Nos interesa en este curso la interfaz aire Entre el móvil y la estación base En GSM, y en cualquier sistema de TMA • Hay que ver qué tipos de información nos hace falta para conseguir hablar Ejemplo: voz, señal de petición de llamada, señal de datos,… Estos tipos son los canales lógicos. • Esta información hay que “montarla” en unas tramas que finalmente puedan ir por los radiocanales que el sistema provea Estos son los canales físicos. Es de interés ver cómo se pasa de voz al radiocanal 9 Prestando especial atención al régimen binario Se verá también cómo es el proceso de establecimiento de llamada [email protected] 9.107 9.12 Sistema de Telefonía Móvil Digital GSM: Introducción GSM (Groupe Spéciale Mobile, 1982-1985) es un conjunto de Recomendaciones del ETSI (European Telecommunications Estándar Institute) sobre una Red Pública Móvil Terrestre (Public Land Mobile Network, PLMN) Panaeuropea. Antecedentes • Incompatibilidad sistemas existentes entre países CE • Esta situación encarecía: Terminales Explotación Objetivo: desarrollar norma europea de 1 sistema único Para todos los países (CE), con cobertura internacional Con un mercado potencial de millones de usuarios en año 2000 Que pudiera sacar ventaja de la entonces inminente liberalización del mercado de las telecomunicaciones: mayor competencia = menor coste Flexible en cuanto a servicios, coberturas, y tipos de terminales [email protected] 9.108 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM Introducción Requisitos básicos de partida • Localización y seguimiento automáticos Nacional e internacional • Número de abonado único • Gran capacidad de tráfico y utilización de espectro optimizado • Mejor calidad de servicio y mejores facilidades • Coexistencia con sistemas analógicos en mismos emplazamientos • Posibilidad de interconexión a ISDN • Servicios no telefónicos • Seguridad y confidencialidad • Terminales de bolsillo Mayor eficacia baterías • Señalización avanzada • Coste no mayor [email protected] 9.109 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Introducción Aspectos técnicos: •Definir interfaces armonizadas entre unidades funcionales •Con libertad para estimular la competitividad • Banda de frecuencias común • Estructura celular digital • TDMA de banda estrecha (NB-TDMA) repartidos en radiocanales (FDMA) • Codificación de fuente con Vb baja • Control de potencia • Arquitectura OSI • Señalización avanzada [email protected] 9.110 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Arquitectura funcional Arquitectura general a nivel de celda Um MSC PSTN ISDN BTS MS Abis A BSC [email protected] HLR VLR AUC OMC 9.111 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Arquitectura funcional Se articula en el binomio •Entidades funcionales: Grupos de elementos funcionales 9Sistema de estación Base (BTS) 9Terminales móviles (MS) 9Centro de conmutación (MSC) 9Registros de localización e identificación (VLR, HLR) Se les asigna un conjunto de funciones del sistema •Interfaces Establecen fronteras de repartición funcional Interfaces 9De línea «A» 9«A» bis (opcional) 9Interfaz radio «Um » [email protected] 9.112 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Arquitectura funcional, elementos funcionales A nivel de bloques MS BSS Um NSS NMC OMC MSC Abis MS PIN FPC PUK BTS BCF GMSC BSC FPC SIM MS – Mobile Station BSS – Base Station System BTS – Base Trans Station BSC – Base Station Controller BCF –Base Control Functions MSC – Mobile Switching Centre VLR – Visitor Location Register HLR – Home Location Register AuC – Authentication Centre [email protected] A PSTN ISDN … VLR MSC HLR AuC EIR VLR 9.113 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Arquitectura funcional, elementos funcionales •Un esquema más serio MS BSS NSS GMSC SIM ME Um BTS Abis BSC A MSC / VLR D F HLR H AUC Otras Redes EIR [email protected] 9.114 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Arquitectura funcional, elementos funcionales BTS, Base Trans Station BSC, Base Station Controller SIM Subscriber Identity Module MS Mobile Station [email protected] 9.115 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Arquitectura funcional, dimensionamiento Algunos valores para el dimensionamiento: • BTS macro: BTS Ultrasite Nokia, 1 a 12 TRX. Cada TRX es de 28 watts de potencia (+44,5 dBm). Una BTS, con e.g. 3 sectores, puede configurarse agrupando gabinetes hasta 9 gabinetes: 108 TRX. • BSC: Un rack de BSC DX 200 BSC2i NOKIA es capaz de controlar hasta 128 TRX. El tope de crecimiento es 512 TRX de BTS. Luego, se requiere otro BSC. • MSC: se suele considerar “Telefonica” que cada 5000 erlang se requiere una central de conmutación (MSC) a objeto de tener distribuido las distintas centrales a lo largo del país. Esto da unas 100 BTS • HLR: se toma un valor típico de capacidad para 750.000 abonados. [email protected] 9.116 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Interfaz A. Funciones básicas (I) La interfaz «A» separa • las funciones relativas a aspectos de red y conmutación (MSC, HLR, VLR): Autenticación Localización Radiobúsqueda Interfuncionamiento PSTN (RTPC), ISDN (RDSI). de aspectos radioléctricos (BSS, MS) Las funciones básicas de los elementos funcionales más importantes • MSC: Gestión de las llamadas Conexión a otras redes • Registros de localización, HLR y VLR Almacenan información relativa a abonados 9Residentes (HLR) 9Transeúntes (VLR) [email protected] 9.117 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Funciones básicas (II) Las funciones básicas más importantes (cont) HLR: Registro doméstico del abonado 9Tipo de abono 9Código de identificación 9Número 9Información de localización VLR: registro de visitantes o transeúntes 9Información de abonado dentro de zona de una MSC • BSC: Muchas funciones de control se ejecutan en el BSC (controlador de la BTS) Se simplifican así las BTS • AuC: Centro de autentificación: almacena, para verificación de llamadas, información relativa a 9Identidad abonado móvil 9Equipos [email protected] 9.118 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Servicios de Telecomunicación Se distingue entre • Servicios portadores Entre las terminales de red • Teleservicios Entre terminales móviles Tx independiente de contenido Hasta 9600 bps Síncrono/asíncrono Conmutación circuito ó paquetes Teleservicios • Telefonía digital, códec a velocidad total 13 Kbps ó a mitad 6.5Kbps • SMS • Mensajería Rec X400 UIT-T • Facsímil, Tx/Rx de FAX del grupo 3 • Servicios suplementarios: Identificación de llamada, Redireccionamiento de llamada, llamada en espera, Buzón de voz, tarificación,... • Teletex [email protected] 9.119 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Subsistema Radio El subsistema radio es el enlace físico entre las estaciones móviles y la red fija Formado por canales lógicos •La información que llega al subsistema radio (UL y DL) se puede organizar en serie de canales de correspondencia-mapping Tráfico: TCH Señalización: 9Canales de difusión BCCH, FCCH, SCH 9Canales comunes RACH, PCH, AGCH 9Canales Dedicados SDCCH, SACCH, FACCH Estos canales se formatean en los canales físicos •Cada canal físico se corresponde con una portadora(FDMA)+slot(TDMA): ráfagas. [email protected] 9.120 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Canales lógicos [email protected] 9.121 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Canales de tráfico y señalización (I) Canales de tráfico (=Canal de Usuario) • Físicamente un par de portadoras e intervalos de tiempo • Tx de voz y datos TCH, traffic channel Velocidad total (TCH/F) y mitad (TCH/H) Datos a velocidades 2.4, 4.8 y 9.6 Kbps Voz a 13 ó 6.5 Kbps • Tienen asociados los canales de señalización SDCCH, SACCH y FACCH Canales de señalización de difusión, Son Descendentes Proporcionan información general de localización y sincronización • BCCH (Broadcasting Control Channel): Portadora baliza propia de cada celda-sector • FCCH (Frequency Correction Channel): Sincronización portadora RF • SCH (Sincronization Channel): Sincronización de la trama e Identificación BS [email protected] 9.122 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Canales de Señalización (II) Canales Comunes, CCCH Common Control Channel Regulan acceso al sistema, ascendentes y descendentes: • RACH (Random Access Channel): Petición de llamada del MS, ALOHA ranurado • PCH (Paging Channel): Aviso de llamada al MS • AGCH (Access Grant Channel) :Asignación de recursos al móvil, posterior a llamada (RACH) Canales dedicados DCCH, Dedicated Control Channel Ascendentes y descendentes Información relativa al establecimiento de llamada • SDCCH, Stand-alone Dedicated Control Channel Dividido en 8 subcanales D0 a D7, cada uno para un móvil distinto Utilizado para actualizar posición, registro, SMS punto a punto, preparación del handover,... [email protected] 9.123 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Canales lógicos de Señalización (III) • SACCH, Slow associated Control Channel 8 subcanales A0 a A7 asociados a los ocho D0-D7. Al conjunto Dn/An suele designarse por SDCCH/8 Canal de baja capacidad para señalización, bidireccional, asociado a una llamada, 9Mediciones de calidad de canal 9Tarificación 9Control de potencia • FACCH (Fast Associated Control Channel): Canal para señalización urgente. Asociado a una llamada, Handover ó time advance, Se mete en el mismo canal físico que el de tráfico. Para distinguirlos se utiliza el “stealing flag”. [email protected] 9.124 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: RadioCanales Frecuencias FDD (Duplex en frecuencia) en España: • Primary Band, GSM 900: 890-915 MHz y 935-960 MHz. 124 canales FDD de 200 kHz. Separación de 45MHz. • Secondary Band, GSM 1800: 1710-1785 MHz y 1805-1880 MHz. 375 canales FDD de 200 kHz. Separación de 95 MHz • Extended Band, E-GSM: 880-890 y 925-935 48 canales FDD de 200 kHz. Separación de 45 MHz • Si los teléfonos trabajaran en ambas bandas son equipos “duales o bibanda”. En USA: Banda 1900. (900/1800/1900 Teléfonos “tribanda”). En sudamérica: Banda 850 (850/900/1800/1900 Teléfonos cuatribanda) • Así, en la banda primaria ful(n) = 890,2 MHz + (0.2 MHz)n fdl(n) = ful(n) + 45 MHz GMSK, B·T = 0,3 (en paso bajo) n=1, … , 124 T = 1 / 270,833 Kb/s = 3,692 ns B = 0,3/T=81,3 kHz • Relación de protección: C/I = 9 dB para canales TCH con FH [email protected] 9.125 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Acceso Múltiple FDMA: Ancho de Banda de 200 kHz TDMA: 8 slots/portadora, 8 slots = 1 trama FH: Frequency Hopping, cambio de frecuencia por trama, 1/4.615ms=217 saltos por segundo f 200 kHz Trama = 4.615 ms [email protected] t 9.126 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Canales Físicos, Tramas Tramas: “duplex temporal” • Cada portadora del radiocanal se divide en tramas formadas temporalmente, TDMA, por 8 slots de tiempo. • Cada slot en portadora ascendente tiene otro slot asociado en la descendente formando un canal físico o canal de usuario Estos slots están desplazados: No se transmite y recibe a la vez: no hay duplexor. 0123456701234567 RECEPCION 8x0.577 ms 0123456701234567 TRANSMISION 3xBP [email protected] 9.127 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Canales Físicos, Tramas: ráfagas Un intervalo, 1 slot = 15/26 ≈ 0.577 ms •En cada intervalo caben 148+8.25=156.25 bits Sólo se transmiten ráfagas de 148 bits Los sobrantes 8.25 bits se dejan de periodo de guarda Tipos de ráfagas •Normal •Ráfaga FCCH de corrección de frecuencia •Ráfaga SCH de sincronización •Ráfaga de relleno (dummy burst) •Ráfaga AGCCH de autorización de acceso [email protected] 9.128 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: ráfagas Normal Frecuencia Sincronización Dummy Access 6 [email protected] 9.129 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: ráfaga de tráfico Ejemplo, Ráfaga de Tráfico : 3T 57 DATOS 1 26 SEC. ENTREN. 1 57 DATOS 3T 8’25 GP 148 bits - 0.546 ms 0.577 ms Asignación: • 3+3+8.25 Bits de cabeza-cola • 2x57 bits de datos • 2x1 bits indicadores (flags) de si un canal es TCH ó FACCH • 26 bits de entrenamiento para igualación La tasa neta de transmisión para 1 slot queda Rb = 114 bit / 4,615 ms = 24,7 kb/s • Con un rendimiento η = 114 / 148 x 100 % = 77 % [email protected] 9.130 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Tasas de bits, ráfaga de tráfico RESUMEN En un portadora GSM se mandan slots de 148+8.25=156.25 bits en un periodo de 0.577ms. 4,615 ms 0.577ms 0 3 1 58 2 7 26 0 1 2 58 3 8.25 Guarda Ráfaga de tráfico: Datos útiles 57+57=114 bits 156.25 bits Rb total = = 270.833 Kbit/s 0.577 ms Rb neta 156.25 bit Rb bruta por slot = = = 33.85Kbit/s por slot 8 slots 4.615 ms 114 Rb neta de datos por slot = Rb bruta por slot × = 24.7Kbit/s por slot 156.25 Si se tiene en cuenta la estructura de una multitrama, pasa de 24.7 a 22.8Kbps [email protected] 9.131 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: ráfaga de tráfico Nivel (dB) +4 +1 -1 -6 14112/26 μs 147 bits -30 -70 10 [email protected] 8 10 10 8 10 t (μs) 9.132 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: de bit a hipertrama 8 [email protected] 9.133 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: multiplexación de canales lógicos en físicos Cinco tipos de multiplexación • 2 de tráfico y 3 de señalización Canales de tráfico: MULTITRAMA DE 26 TRAMAS: • Tráfico a velocidad completa TCH/F ó mitad TCH/H • Duración Tm= 26xTtrama=26x 4,615 =120ms • Composición para velocidad completa Velocidad de Tx para tráfico 24TCH/F + 1SACCH + 1 → Rb = 24 x 114 b / 120 ms = 22,8 kb/s SACCH TCH/F SACCH, TCH/H 120 ms 0 10 20 25 1 Trama=8x15/26 ms • Para velocidad mitad la tasa de transmisión, la multitrama se subdivide en dos submultitramas. [email protected] 9.134 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: multiplexación de canales lógicos en físicos 3 para Canales de señalización: MULTITRAMA DE 51 TRAMAS: • Se emplean para los canales BCH, CCCH y SDCCH. • Se comparte su uso por todos los móviles de la celda. • Tm = 51 x 4,615 = 235 ms • Fig 7. 32: Distintos mapeados • Ejemplo, BCH+CCCH+4SDCCH/4 SCH FCCH BCCH D0 D1 0 10 20 PCH+AGCH D2 D3 30 El enlace ascendente difiere del descendente en los A0-A3 40 50 La materialización física se regula en función de las necesidades • Para tráfico pequeño se utiliza un único radiocanal para señalización Descendente: FCCH+SCH+BCCH+AGCH+PCH+4SDCCH/4 Ascendente: RACH+4SDCCH/4 [email protected] 9.135 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: codificación de canal El códec vocal en GSM es el • RPE-LTP Regular Pulse Excited-Long Term Prediction que Devuelve bloques de 260 bits cada 20 ms (13 Kbits/s) 3 categorías de bits: clase 1A (50 bits), clase 1B (132bits), Clase 2 (78 bits) Salida Códec 50 132 Paridad Cod Bloque Paso intermedio 50 3 132 Código Convolucional Bits de cola 4 189 (+78) bits r = 1/2 2x189=378 Tasa resultante Vb = 13 ⋅ [email protected] 260 bits a 13Kbps 78 456 = 22.8 Kbit/s 260 78 456 bits a 22.8Kbps Tasa de un canal de tráfico 9.136 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: codificación de canal, entrelazado Se divide cada trama de voz en 8 bloques de 57 bits Bloques de distintas tramas de voz se mandan juntos Salida codec: Trama n+1 Trama n B1 B2 B3 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B0 B1 B2 B4 B5 B3 B4 B5 B6 B6 B7 Ráfagas: B0 B4 B1 B5 B2 B6 B3 B7 B0 B4 114 bits [email protected] 9.137 9.12 Alineamiento de tiempo adaptativo: retardo compensable Cada usuario debe transmitir en un instante tal que • Su slot llegue debidamente sincronizado a la estación base Para ello • Debe de transmitir con un tiempo de adelanto Que se modifica de forma adaptativa • El “timing advance” (TA) es 2 veces el retardo de propagación BTSMS • La BTS lo transmite al MS para que el MS transmita de tal forma que su slot llegue a la BTS alineado en la trama TDMA • La BTS quantifica el TA en 63 tiempos de bit: 0.577ms/156.25bits x 63= 233μs Este retardo máximo limita el máximo radio de célula a 35 Km TAmax = 233μs ⇒ Rmax = c ⋅ TAmax /2 = 34950m ≈ 35Km Se habla también de un “retardo compensable” igual a 273 μs [email protected] 9.138 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: cobertura Cobertura supranacional → c. nacional → zona de localización • Como dos operadoras del mismo país utilizan distintas frecuencias no es necesario distinguirlas • Para distinguir BTS de distintos países se usan 3bits en la información de control para indicar el país (código de colores) Existen Identificadores de • Location Area • Racimo (Cluster) • Celda [email protected] 9.139 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: señalización-control Identificadores • MSISDN Número de abonado del Mobile Subscriber en la red ISDN • MSRN Mobile Suscriber Roaming Number (Identidad dentro de la red fija del sistema GSM) • IMSI International Mobile Subscriber Identity (Identidad dentro de la red móvil del sistema GSM) • DN, Directory Number (número de guía en el HLR) La MS monitoriza, • en los intervalos en los que no recibe mensajes El canal con la BTS actual Los canales con las BTS vecinas A través del BCCH • comunicando (SACCH) estas medidas al sistema La conmutación en curso y el control de potencia lo realiza la red • A partir de esta información • Así se evita que la BS haga estas medidas [email protected] 9.140 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Progreso llamada fijo a móvil MS-ISDN GMSC/HLR MSC/VLR MS MS-ISDN MSRN Central PSTN Local MSRN Central PSTN Visitada IMSI Proceso de llamada • El abonado fijo marca el número MSISDN • La llamada llega al GMSC Desde ésta se accede al HLR Que devuelve el MSRN y el IMSI • Con el MSRN se encamina la llamada por la red fija hasta el MSC destino • Con el IMSI se encamina la llamada desde el MSC al móvil, usando un canal PCH [email protected] 9.141 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM: Servicios y seguridad Seguridad: • Cifrado de voz y datos. • Identificaciones: IMSI (Identidad de abonado móvil internacional) SIM (Módulo de indentidad de abonado) IMEI (Identidad de equipo móvil): número de serie del equipo que lo identifica a nivel internacional Se validan en cada llamada, así como el estado del abonado [email protected] 9.142 GSM Specification Access method TDMA/FDMA (NB-TDMA) Frequency band (MS to BS) 890 - 915 MHz Frequency band (BS to MS) 935 - 960 MHz Channel bandwidth Modulation Bit rate Filter Voice channel coding Frequency Hopping [email protected] 200 kHz GMSK 270.833 kbps BT = 0.3 (Gaussian) RPE-LPC Convolutional 13 kbps Slow hopping (217 hops/s) 9.143 GSM Specification. Cont. Frame Interval Timeslot Interleaving 8 timeslots = 4.615 ms 0.577 ms 40 ms Associated control channel Handoff method Adaptive equalisation Users per channel MS power level Number of channels Extra frame MAHO yes (up to 16 μs time dispersion) 8 0.8, 2, 5, 8, 20 Watts 124+375 [email protected] 9.144 Glosario MS TE MT BS BTS BSC MSC HLR VLR NMC OMC ADC AUC EIR MAHO Mobile Station GMSC Terminal Equipment RPE Mobile Terminal LPC Base Station Base Transceiver Station BP TS Base Station Controller Mobile Switching Centre Home Location Register Visitor Location Register Network Management Centre Operation and maintenance Centre Administration Centre Authentication Centre Equipment Identifier Register [email protected] Mobile Assisted Handoff Gateway MSC Regular Pulse Excitation Linear Prediction Coding Burst Period Time Slot 9.145 Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación Tema 9. Sistemas Comunicaciones Móviles Parte V: Proyecto de Sistemas Móviles Juan José Murillo Fuentes ATSC. ETSI.Univ Sevilla [email protected] 9.146 Parte V: Proyecto de Sistemas Móviles 9.13 Proyecto de Sistemas Móviles •Introducción: restricciones del problema •Sensibilidad Sistemas analógicos: Campo mínimo utilizable Sistemas digitales: Potencia mínima utilizable •Cálculo de cobertura Introducción Pasos [email protected] 9.147 9.13 Proyectos de Sistemas móviles Consideraciones generales El proyecto de un sistema móvil tiene como objetivos principales • la determinación del dimensionamiento en cuanto al número de radiocanales necesarios con un mínimo gasto de frecuencias y de forma que se produzca la menor interferencia posible a otras redes, • y la especificación de las características técnicas y operacionales de los equipos, tanto activos (transceptores, receptores satélite) como pasivos (sistemas radiantes, cavidades, duplexores), • todo ello encaminado a la consecución de los objetivos de calidad prefijados (cobertura, congestión), • debiendo de optimizarse, obviamente, la inversión necesaria [email protected] canales+equipos calidad+coste recursos restricciones 9.148 9.13 Proyectos de Sistemas móviles Cálculos Dos tipos de Cálculos • Tráfico: determinación del número de radiocanales necesarios Erlang C y B • Cobertura radioeléctrica Distancia de reutilización: C/I > Rp Características de potencia y radiación: C/N > C/Nmin Aparte • Arquitectura de red: Número, tipo y localización de elementos de control y conmutación y de radiación. • Tipos y formatos de mensajes: voz, datos, radiobúsqueda, llamada selectiva. • Tipo de control: grado de centralización, canales/mensajes de control, identificación/autentificación, encaminamiento, conexión PABX. [email protected] 9.149 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Campo El “valor de proyecto de la intensidad de campo” en Com. Móv. es aquel valor mediano del campo que • Asegura una determinada calidad en recepción Para una cobertura perimetral (L%) Durante un porcentaje de tiempo (T%) Campo mediano necesario en sistemas analógicos limitados por ruido E n = Em + Δ r E + Δ e E • Em: campo mínimo utilizable • ΔEr: corrección por ruido/multitrayecto • Δ Ee: corrección estadística por emplazamiento y tiempo Campo mediano necesario en sistemas digitales limitados por ruido • Puede obtenerse también a partir de curvas de BER • Es frecuente trabajar con potencia de recepción en lugar de campo: ecuación de balance [email protected] 9.150 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Campo Mínimo Utilizable Campo mínimo utilizable Em para una sensibilidad del Rx, S Rd − Gd* (dBd ) − 33,6 Em (dBμ ) = S (dBμ ) + 20 log f ( MHz ) + 10 log Ro • Si Rd=73,2 Ω, Resistencia de radiación Ro: Resist. entrada del Rx. (Móviles, 50 Ω), queda Em ( dBμ ) = S (dBμ ) + 20 log f ( MHz ) − Gd* ( dBd ) − 32 Gd*=Gd-α·l-L, ganancia de potencia - pérdidas en alimentación - pérdidas adicionales Las pérdidas adicionales • Para estaciones base L=0. • Para estaciones móviles, depende tipo de antena, frecuencia y posición respecto a usuario [email protected] Tabla 7.14.1 9.151 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos : Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE Efectos • Propagación multitrayecto →Cuando vehículo se desplaza • Ruido artificial. (Ruido encendido de coches) Efecto con vehículo estacionado Vehículo en marcha lenta o detenido • Degradación mayor que con el vehículo en marcha Debido a la menor separación entre vehículos Degradación: incremento necesario de señal a la entrada • para reestablecer un grado de calidad impuesto únicamente por el Rx. Nota Efecto de la perturbación 5 Casi nulo 4 Perceptible 3 Molesto 2 Muy Molesto 1 Apenas puede percibirse la palabra [email protected] 9.152 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE, BS Recepción en BS B C D E Vehículo en Movimiento. Densidad de tráfico, 2 vehículos/seg Vehículo en Movimiento. Densidad de tráfico, 1 vehículos/seg Vehículo en Movimiento. No hay ruido de encendido ni ruido ambiental Vehículo parado. Densidad de tráfico, 2 vehículos/seg Vehículo parado. Densidad de tráfico, 1 vehículos/seg [email protected] ΔrE A Nota de calidad: 4 9.153 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE, MS Recepción en MS B C Vehículo parado en zona de mucho ruido Vehículo en Movimiento en una zona de mucho ruido Vehículo en movimiento en una zona de poco ruido [email protected] ΔrE A Nota de calidad: 4 9.154 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos : Corrección estadística del campo ΔeE Las variaciones con las ubicaciones y el tiempo se modelan mediante una distribución normal de los valores del campo en dB { Δ e E = [k ( L )σ L ] + [k (T )σ T ] 2 } 2 12 • Donde σL y σT son las desviaciones típicas de la variabilidad del campo con los emplazamientos L (Perimetral) y el tiempo T −x 1 −y 2 e dy k(P) es la función inversa de una distribución de gauss G(x) G (x ) = ∫ ( k (P ) = G −1 1 − Banda VHF (150 MHz) UHF (Δh=50 m) (450 MHz) σ L (dB) σT (dB) (hasta d=50 Km) 5.6 3 8.0 2 [email protected] P (% ) 50 75 90 95 P 100 ) −∞ 2π k (P ) 0 0 ,6 7 1 ,2 8 1 ,6 4 9.155 Nota sobre corrección (I) El campo recibido es una v.a. log normal P(E ) log N (En , σ) Si el campo mediano necesario es E n = Em + Δ r E • ¿En qué % por ciento del tiempo y ubicaciones habrá un E > En ? P(E ) Nivel necesario σ Pb de E > En En E (dBμ) Si estudiamos por ejemplo la desviación con el tiempo y conocemos σT • Qué nivel E n exigiríamos para que E > En en el T % Pensar si T>50 ¿ la nueva E n será mayor o menor que antes (T=50%)? ¿cuánto? [email protected] 9.156 Nota sobre corrección (II) Si se transmite con ΔeE de más sobre Emin ¿En qué % se cumple ∞ P = P (E > Emin ) = ∫ ∞ N (E )dE = E min ⎧ Eσ = E / σ ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ = ⎨dEσ = dE / σ ⎬= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ Δ = − E E E ⎪ min n⎪ ⎪ e ⎪ ⎩ ⎭ ∫ E min ∞ 1 ∫ −Δe E / σ 2π 2 1 2πσ ( E −En ) e − 2 σ2 e−Eσ dEσ =1 − ∞ 1 ∫ dE = 2πσ E min −En −Δe E / σ ∫ −∞ 1 2π e − P (E > Emin ) ? E2 σ 2 dE 2 e −Eσ dEσ = 1 − G (Δe E / σ) ⎛ P ⎞⎟ ⎟ P = P (E > Emin ) = { k (P ) Δe E / σ } = 1 − G (k (P )) ⇒ k (P ) = G −1 ⎜⎜ 1 − ⎟ ⎜⎝ ⎟ 100 ⎠ Para una σ ≠ 0 y P dadas ⇒ Δe E = σ ⋅ k (P ) P(E ) Nivel necesario Pb de recibir señal mayor que Emin Para potencia sería igual! ΔeE Emin [email protected] En = Emin + Δe E E (dBμ) 9.157 9.13 Proyectos de sistemas del Servicio Móvil Cobertura Zonal y Perimetral Para pasar de cobertura perimetral L (%) a zonal Z (%) supuesta una variación de las pérdidas básicas de propagación de la forma lb (d ) = k ⋅ d n • se puede utilizar la siguiente expresión ⎛ 2xy + 1 ⎞⎟ 1 ⎞⎟ ⎛ ⎜ ⎜ Z = L + 50 exp ⎜ erfc ⎜ x + ⎟⎟ ⎜⎝ y 2 ⎠⎟⎟ ⎝ y⎠ • Donde • Nota: k (L) x = 2 n y = 3, 071 σL erfc(z ) = 2 ∞ ∫ π 2 e−t dt L% Z% z [email protected] 9.158 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Digitales: campo mediano necesario Suele trabajarse en términos de potencia recibida más que en intensidad de campo. En término de la Intensidad de campo s 2 / Ro Eb Eb 1/Tb c w = = ⋅ = = N0 kTfs 1/Tb kTfs ⋅ vb kTfs ⋅ vb s 2 = w ⋅ kTfs ⋅ Ro ⋅ vb • Para Ro = 50 Ω -174dBm+-10*log10(1e3)+10*log10(50)+20*log10(1e6)=-67 dBm a dBW Y dB a dBμ S (dBμ) = W (dB) + 10 log10 Vb (bit/s) + Fs (dB) − 67 • Nótese que las figuras de Eb/No incluyen ya las correcciones por ruidomultitrayecto, por lo que se aplica directamente E n (dBμ ) = Em (dBμ ) + Δ e E = S (dBμ ) + 20 log f ( MHz ) − Gd* (dB ) − 32 + Δ e E [email protected] 9.159 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Digitales: potencia mínima necesaria En términos de potencia quedaría • La sensibilidad Cm (dBm) = W (dB) + 10 log10 Vb (bit/s) + Fs (dB) − 174 • La potencia mínima necesaria Cn (dBm) = Cm (dBm) + ΔCe = W (dB) + 10 log10 Vb (bit/s) + Fs (dB) − 174 + ΔEe Donde se ha utilizado ΔCe = ΔEe Y la W=Eb/N0 incluye el efecto del ruido-multitrayecto [email protected] 9.160 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Cálculos de Cobertura La cobertura depende de • los equipos: configurables • las condiciones de propagación. Dos vertientes • Cálculo de una cobertura para una configuración dada • Cálculo de una configuración para alcanzar una cobertura Los valores de campo que se utilizan son valores medianos en sentido estadístico En los sistemas celulares tenemos además del ruido la interferencia. • Una opción a la hora del diseño es dividir el objetivo global de calidad entre Ruido C/N •cálculo de cobertura=potencia •cálculo de la distancia de reutilización Interferencia C/I ¿Dónde no hay cobertura?¿En qué % de emplazamientos C/I o C/N no se cumplen? [email protected] 9.161 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Cálculo de cobertura=potencia 1. Selección de emplazamientos 2. Análisis general del tipo de zona: urbana, rural, mixta • Para aplicar el modelo de predicción adecuado 3. Calculo qué potencia/campo necesito en el Rx 4. Calculo las pérdidas (pérdida “compensable”) que tengo en la propagación • A) Métodos empíricos ó B) Modelos más rigurosos (trazado rayo) Tema 7 5. Despejo la potencia necesaria en Tx para alcanzar sensibilidad o campo en Rx Lb(d) • En sistemas analógicos: PMR y TMA analógicos: En PRA Lb(d) PIRE • En sistemas TMA digitales: S Nota: también es posible estimar d a partir de PRA/PIRE y En/S Problemas Tema 7 [email protected] 9.162 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso1, Emplazamientos Ø Plan nominal para una ciudad: Ø Plan teórico: sites cada 500 m colocados regularmente [email protected] 9.163 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso1, Emplazamientos Ø Retocar el plan: acercar los sites a las calles ppales o edificios importantes [email protected] 9.164 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso1, Emplazamientos Ø Resultado: la altura de edificios no es homogénea, no siempre se puede contratar donde se desea... [email protected] 9.165 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso2, Clasificación Zonas Ø clutters [email protected] 9.166 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso 4: Pérdida compensable (I) A) Aplico método empírico: figuras o fórmulas • No se requiere perfil del terreno •A veces se incluyen datos acerca de la ondulación del terreno la altura efectiva de las antenas,.. •Dispersión media del error 10-12 dB •Si se utiliza Método Okumura (Fig 3.57 3.58), para obtener Ec(d): Ec (d ) = E n − PRA(dBK ) Se despeja directamente la potencia necesaria •Tal como se vió en Tema 7, se puede calcular la distancia para un campo dado o ver que campo tengo para una distancia dada [email protected] 9.167 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso 4: Pérdida compensable (II) B) Modelo riguroso: Trazado de rayos radiales (separados 1º) •Complicado pero sólo 3-6 dB de dispersión 900 [email protected] 1800 9.168 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso 4: Pérdida compensable (III) B) Modelo riguroso (píxeles): modelos urbanos [email protected] 9.169 [email protected] 9.170 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso 5 potencia entregada Despejo la potencia necesaria en Tx. • En sistemas analógicos: PMR y TMA analógicos En Lb(d) PRA Lb (d ) = 109.4 + PRA(dBW ) + 20 log10 f (MHz) − E n (dBμ ) PRA = Pet (dBW) − Ltt − Lat + Gt (dBd ) • En sistemas TMA digitales S Lb(d) PIRE Lb (d ) = PIRE − S + Gr (dBi ) − Ltr − Lar PIRE = Pet (dBW) − Ltt − Lat + Gt (dBi) Nota: Aquí S=Cmin [email protected] 9.171 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Cálculo de cobertura=distancia de reutilización Necesarios dos datos de partida • Valor umbral de la relación de protección Rpth(dB) • Calidad de cobertura perimetral L(%) Relación de protección y Distancia de reutilización pt / k ⋅ R n c ( D − R) n 1/ n rpth = = = ⇒ D = R ⋅ [1 + (6rpth ) ] n n 6 ⋅ i 6 pt / k ⋅ ( D − R ) 6R En sentido estadístico • Hay que asegurar un valor en un tanto por ciento de las ubicaciones, con lo que se utiliza para la relación de protección R p (dB) = R pth + k ( L) ⋅ σ L' σ L' = 2 ⋅σ L [email protected] 1/ n D = R ⋅ [1 + (6r p ) ] 9.172 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: DANGER Un transceptor (TRX) es un equipo que permite transmitir y recibir un par de frecuencias. • En GSM permitiría tener 8 canales de usuario: 8 slots en el UL y 8 en el DL “Una operadora de GSM con 36 canales” tiene 36 pares de frecuencias de 200 KHz disponibles a repartir entre las celdas de una agrupación. Cuando se reparten portadoras (TRXs) entre celdas se hace de forma entera • De forma que en GSM se reparten bloques completos de 8 slots entre celdas Cuando hay sectorización cada sector es una nueva celda=BTS. • Un conjunto de celdas sectorizadas que transmiten desde el mismo poste es un emplazamiento. • En los departamentos técnicos de las operadores se suele también denotar por estación base al emplazamiento. Si no se indica lo contrario se asigna un canal de señalización por celda • Esto es, un canal de usuario (1 slot) [email protected] 9.173 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Sectorización Dos posibilidades para sectorización • Se calcula el patrón de reutilización, J, con sectorización Teniendo en cuenta que sólo 2 ó 3 celdas cocanales interfieren. • Método 1: cada celda se subdivide en sectores. Se reparten canales a las J celdas Y en cada celda hexagonal a los sectores: si tengo 3 sectores queda 3 rombos • Método 2: cada sector es una nueva celda Se reparten los canales a los J sectores 9 Si tenemos 3 sectores: celdas hexagonales 9 Si tenemos 4 sectores: celdas cuadradas Problema 1, sólo algunas configuraciones son posibles si se quiere que todos los racimos sean iguales: 9 Configuración 3/9, 4/12,…(X emplazamientos/Y sectores en total) 2 Problema 2, la fórmula J ≥ 1 1 + ( 3 ⋅ rp )1/ n no es exactamente válida. 3 ( ) Ventaja, más cercano a la realidad [email protected] 9.174 9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Ejemplos Sectorización Problema: Una operadora de GSM tiene 70 canales, utiliza sectorización de 120º, Rp=14dB y el exponente de pérdidas es n=3.8. ¿Cuántos canales de usuario hay para tráfico por sector? ¿Qué tráfico oferta una agrupación? Solución Método 1: 2 f1 2 J≥ ( 1/ n 1 1 + ( 2 ⋅ rp ) 3 ) = 13 (1 + ( 2 ⋅ 25.1) ) = 4.8 ⇒ J = 7 R 1/3.8 En cuanto al tráfico ⎢⎣ 70 / (7 ⋅ 3) ⎥⎦ ⋅ 8 − 1 = 23 f2 f3 R2 3 3 Ao = 21 ⋅ B (23, p) = 330.75E = Ad = ρA ⋅ 7 ⋅ 2 −1 Solución Método 2: ( 1/ n 1 J ≥ 1 + ( 2 ⋅ rp ) 3 • Tomamos un 3/9 ) ( 2 1 1/3.8 = 1 + ( 2 ⋅ 25.1) 3 ) 2 = 4.8 ⇒ J = 7 R f1 f3 ⎢ 70 / 9 ⎥ ⋅ 8 − 1 = 55 ⎣ ⎦ R2 3 3 Ao = 9 ⋅ B (55, p) = 404.1E = Ad = ρA ⋅ 9 ⋅ 2 −1 [email protected] f2 9.175 Tema 9. Sistemas Comunicaciones Móviles Parte VI: Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles : DCS1800, DECT, ERMES, TETRA, UMTS [email protected] 9.176 Parte V: Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles 9.14 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles •DCS1800 •DECT •ERMES •TETRA •UMTS [email protected] 9.177 9.14 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles Se propone introducir los sistemas •DCS1800: Digital Cellular Systems Sistema GSM en 1800 (Dual) Terminales Potencias reducidas (0.25 y 1 W) Banda 1710-1785 y 1805-1880 MHz PCN (Personal Comm. Networks) •DECT : acceso a redes públicas o privadas fijas desde equipos móviles •TFTS: comunicaciones públicas con aeronaves en vuelo •TETRA:Telefonía Privada (PMR) •ERMES: European Radio Messagerie System, Sistema de Mensajería: envio de mensajes, datos ofreciendo gran seguridad y capacidad de almacenamiento y recuperación.... •UMTS: Sistema PCS/TMA de 3ª Generación [email protected] 9.178 9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: DECT DECT Digital (European) Enhanced Cordless Telecommunications (19871992) • Sistema de acceso a la red telefónica pública y/o redes privadas desde equipos portátiles • Alcance <1Km • Subsistemas DECT/BCT (Business Cordless Telecommunications): centralitas privadas sin hilos voz/datos DECT/RS (Residential System): entorno doméstico, gran público. DECT/Telepoint: aplicaciones de teléfono público (cabinas) inhalámbrico. • Sistema de control descentralizado • TDMA con TDD (dúplex temporal) • Codec ADPCM de 32 Kbit/sg • Sin igualación (Distancias cortas, abaratan equipos) [email protected] 9.179 9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: interfaz radio DECT Bandas de frecuencias 1.88 a 1.9 GHz, prevista extensión entre 1.85 y 1.88 GHz. 10 portadoras con una separación de canales de 1.728 MHz (BW=17.28MHz) • Modulación GMSK con BbT=0.5 • Cada portadora 12 canales TDMA-TDD: Trama TDMA de 12+12=24 intervalos (slot). • Periodo de Trama 10 ms, Periodo de intervalo 10/24=0.4167. • Cada intervalo son 480=60 guarda + 32 sinc.+ 388 datos= 60 + 420 bits que en tiempo son 0.052+0.3646=0.4167ms, • La tasa de bit en interfaz radio Vb=480/0.4167=1152 kbit/s y en canal usuario 388/10=38.8kbit/s • El campo de datos 388=64 Campo A (señalización)+320 Campo B (datos usuarios)+4 para detección de ráfagas 38.8Kbit/s·320/388=32kbit/s • Posibilidad de agrupar canales para dar mayor capacidad Búsqueda y traspaso por exploración [email protected] 9.180 DECT world wide DECT based PWT&WDCT Adoptado por más de 110 paises [email protected] 9.181 9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: TFTS TFTS Terrestrial Flight Telephone System •Sistemas de telecomunicaciones públicas con aeronaves en vuelo •Banda 1.6 y 1.8 GHz, •Ascendente (tierra-aire) TDMA (4 slots), •Codec a 9.6 Kbit/sg, •Modulación BLOQPSK (Band Limited Offset-QPSK), •Velocidad de bits en la interfaz radio 45Kbit/sg, •Velocidades altas: Doppler máximo de 1.6 KHz. La licencia que se adjudicó a Airtel en 1999 se declaró extinta en 2002 http://www.mityc.es/NR/rdonlyres/FC516A50-E528-4473-B412-966655EC98CB/0/1Re230502.pdf [email protected] 9.182 http://www.etsi.org/WebSite/Technologies/gsmonaircraft.aspx For many years, airlines refused the use of cellular telephone technology inflight. There was fear that, unable to make reliable contact with ground-based base stations, mobiles would transmit with maximum RF power and the ensuing high RF fields could potentially cause interference with both aircraft communications (which use a band harmonically related to the original GSMTM frequencies) and to aircraft flight control systems. In addition, successful calls via the terrestrial GSM network would detract from the Terrestrial Flight Telecommunication System (TFTS) service that was being deployed commercially by many airlines. However, commercial demand for TFTS failed to sustain initial expectations, probably due to the perceived high cost of the service and the lack of the personalized features that users now enjoy in their personal mobile phones, and that service has now ceased. More recently, Boeing has been offering its 'Connexion' service through selected airlines. Connexion provided Internet access to travellers. The system used a satellite link to connect to the ground and a wireless local area network (WLAN) onboard for the access the system. Again, due to the lack of market demand Boeing announced that the service would be discontinued at the end of 2006. [email protected] 9.183 TETRA (Terrestrial Truncking radio) ETSI Norma abierta para Com. Móv. Dig troncales de Grupo cerrado de usuarios: • Comunicaciones dúplex voz y datos • Velocidad de Tx Datos (hasta 28,8 Kbit/s=4x7.2Kbit/s) • Diseño específico para Tx de datos por paquetes • Telemedida y Tx de video lento • Múltiples servicios suplementarios • Seguridad en las com. • Amplia gama de interfaces para funcionamiento con redes externas • Interoperatibilidad de equipos de distintos fabricantes. Dos modalidades • Modo voz +datos (V+D) • Modo Paquetes de Datos Optimizados (PDO) [email protected] http://www.mityc.es/setsi/normali/interradio/inter6.htm 9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: TETRA (I) 9.184 http://www.tetramou.com Seguridad Pública Transporte Gobiernos Militares Comercios e Industria Suministros de gas o petróleo [email protected] 9.185 9.14 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: TETRA (II) Especificaciones básicas de TETRA • Frecuencias Servicios de emergencia: 380 a 400 MHz Uso civil: 410-430 en España • Canalización 25 KHz (opción 12.5) • Multiacceso TDMA con 4 intervalos por trama: 1 slot = 85/6 ms y 510 periodos de bit 1trama 56.67 ms • Modulación π/4-DPSK con coseno alzado α=0.35 • Velocidad 36 Kbit/s en interfaz radio • Relación de protección 19 dB Canales lógicos • control CCH y datos TCH [email protected] 9.186 NOKIA: TETRA network contracts worldwide In total over 60 contracts, valued 2 500 MUSD (source: www.tetramou.com) [email protected] 9.187 TETRA Sistema TETRA de SAINCO para CFE, México. • El Sistema adjudicado está en la banda de 800 MHz y es el primero de estas características que se instala en el continente americano. • El proyecto incluye cuatro estaciones base (cada una con su correspondiente enlace de microondas) estratégicamente distribuidas para proporcionar una zona de cobertura del 90% del área de Monterrey. • Asimismo serán suministrados doscientos equipos portátiles, trescientos veinte móviles, veinte fijos y tres consolas de control remoto. • El proyecto contemplaba un plazo de ejecución de seis meses. • El equipamiento TETRA que se va a instalar será suministrado por la Multinacional Marconi. [email protected] 9.188 Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación Tema 9 Comunicaciones Móviles Parte VII: UMTS y 4G Juan José Murillo Fuentes DTSC. ETSI. Universidad de Sevilla [email protected] 9.189 9.15 UMTS: estandarización UMTS: Universal Mobile Telecommunications System Surgió como respuesta a una demanda de: • Nuevos servicios multimedia Æ mayor capacidad y BW • Cobertura universal El estándar IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) de la ITU define las características de servicios y calidad de los sistemas de Tercera Generación (3G) 3GPP (3rd Generation Partnership Project) es un acuerdo de colaboración entre entidades de estandarización, entre ellas ETSI. Su objetivo es generar especificaciones para los sistemas de Tercera Generación basados en GSM. UMTS es el estándar, utilizado en Europa, que fija entre otras cosas el multiacceso radio y la red fija • UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network ) es la parte radio del estándar [email protected] 9.190 9.15 UMTS: estandarización: Estandarización en 3G [email protected] 9.191 9.15 UMTS: tipos de accesos UMTS-FDD CDMA2000 UMTS-TDD IMT-DS IMT-MC CDMA IMT-TC TDMA EDGE DECT IMT-SC IMT-FT WiMAX Añadido en 2008 IMT-OFDM TDD FDMA http://www.itu.int/osg/spu/imt-2000/technology.html [email protected] 9.192 9.15 UMTS: 3GPP ETSI (Europa) ARIB/TTC (Japón) UMTS FDD ANSI T-1 (USA) TTC (Corea Sur) UMTS TDD CWTS (China) [email protected] 9.193 9.15 UMTS: requisitos y objetivos Sustentación de mayores velocidades • Hasta 144kbit/s con cobertura y movilidad completas en zonas extensas • Hasta 2 Mbit/s con coberturas local y movilidad limitada Elevado rendimiento espectral Alta calidad de voz a baja tasa de bit Tx de datos por paquetes de alta velocidad, multimedia y asimétricos Compatibilidad con sistemas de segunda generación GSM: • Funcionamiento en modo dual e itinerancia evolutiva GSM/UMTS • Primeras versiones UMTS: upgrading de la red fija GSM/GPRS • Migración hacia una red de paquetes basada en IP (all-IP) [email protected] 9.194 9.15 UMTS: UTRAN UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): • Es la tecnología de multiacceso radio usada en UMTS • Se basa en CDMA de banda ancha (W-CDMA) • Requiere el despliegue de nuevas BS sobre GSM Ventajas de W-CDMA: • Traspaso con continuidad (soft-handover, SHO) • Excelente eficiencia espectral • Aprovechamiento de la propagación multitrayecto Æ Rx Rake Elevada protección contra desvanecimiento selectivo • Gran capacidad Æ servicios de alta tasa binaria Dos modalidades de acceso W-CDMA: • FDD: 2 portadoras distintas para UL y DL División de código y de frecuencia • TDD: 1 misma portadora para UL y DL División de código y de tiempo: algunos intervalos de las tramas se asignan para el UL y otros para el DL de un mismo usuario Sobre todo para distancias cortas: micro y picoceldas [email protected] 9.195 9.15 UMTS, UTRAN: Modos TDD y FDD, frecuencias Modo TDD: Frecuencias no emparejadas (unpaired) • Dos sub-bandas independientes de 35 MHz en total • 1900-1920 MHz y 2010-2025 MHz Modo FDD: Frecuencias emparejadas (paired) • Dos sub-bandas de 12x5=60 MHz cada una, aparejadas, y separación dúplex de 90 MHz • 1920-1980 MHz (UL) y 2110-2170 MHz (DL) • En España se han concedido 4 licencias de 3 radiocanales (5 MHz) cada una a los operadores: Amena (Orange), Movistar, Vodafone y Xfera (Yoigo) ITU IMT-2000 IMT-2000 Europa GSM 1800 (DL) 1800 1850 [email protected] TDD DECT 1900 UMTS FDD 1950 UMTS FDD TDD 2000 MHz 2050 2100 2150 2200 9.196 9.15 UMTS: nota sobre licencias de espectro PAÍS ADJUDICATARIOS ALEMANIA AUSTRIA ESPAÑA [email protected] RENDIMIENTO POR ADJUDICACIÓN 50.500 millones de euros T-Mobil Vodafone 3G (Telefónica y Sonera) E-Plus (Bellsouth, KPN y Hutchison) Viag (BT) Mobilcom (France Telecom) 706 millones de euros 3G (Telefónica y Sonera) Maxmobil (Deutsche Telekom) Vodafone Connect (Telenor, E.ON TeleDanmark y Orange) Hutchison 500 millones de euros Telefónica Airtel Amena Xfera (FCC-Vivendi, ACS, y Sonera) 9.197 9.15 UMTS: UTRAN y WCDMA Se utiliza CDMA con anchos de banda 5 MHz: WCDMA La tasa o tiempo de chip es fija a W=1/Tc= 3.84 Mchip/s El factor de expansión del espectro es N=3840/Rb (kbit/s), Cada bit se ensancha ó expande con dos códigos, sucesivamente, • Uno de canalización: channelization o spreading code De diferente tamaño: Fija la tasa o régimen binario de un canal Cada bit de la señal se multiplica por un código de N símbolos binarios (chips) de duración Tc = Tb/N Æ se produce una expansión del espectro Identifica a un canal dentro de una transmisión Unos para parte en fase y otros en cuadratura • Otro de aleatorización: scrambling code Es un código largo: su longitud abarca varios símbolos Se multiplica esta secuencia chip a chip con la salida de los bits expandidos con el código de canalización Identifica una celda en el DL y un móvil en el UL [email protected] 9.198 9.15 UMTS: UTRAN, expansión C1 C1 Downlink C2 C2 C1 DATA Rb CHIPS RC Spread Code CHIPS RC Scrambling Enlace ascendente: hay 224 códigos complejos largos (38400 chips) y otros tantos cortos (256 chips) Enlace Descendente: hay 218-1 códigos de los que se utilizan 8192 distribuidos en 512 grupos de 16 códigos cada uno. En DL el código de aleatorización identifica la célula. En UL el código de aleatorización identifica el móvil. [email protected] 9.199 9.15 UMTS, expansión. [email protected] 9.200 9.15 UMTS: UTRAN y WCDMA (II) Reutilización universal de frecuencias Macrodiversidad: El terminal de usuario está conectado a diferentes BS • Ganancia adicional en el DL • Soft-handover Control de potencia de elevada frecuencia (cada 1/1500 s): minimiza la interferencia y prolonga la duración de las baterías Códigos de control de errores de gran capacidad de corrección sin aumentar el ancho de banda [email protected] 9.201 9.15 UMTS: UTRA, reutilización universal de frecuencia Reutilización universal de frecuencias: se emplea la misma portadora en todas las células f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 f1 [email protected] f1 f1 f1 f1 f1 9.202 9.15 UMTS: Soft Handover Un móvil puede estar conectado a diferentes celdas • Transmitiendo simultáneamente a misma frecuencia Así se realiza un traspaso con continudad (soft-handover) • Si pasa de UMTS a GSM el hand over es hard (sin continuidad) Las celdas a las que está conectado es el active set Celda origen A Celda destino B User Equipment Potencia (dB) TADD TDROP distancia (km) Cell A in active set [email protected] Cells A & B in active set (Soft Handover) Cell B in active set 9.203 9.15 UMTS: Estructura de la red Red Central (Core Network, CN) Iu Iu RNS RNS, Radio Network Subsystem Controlador de la Red Radio (Radio Network Controller, RNC) Iub Nodo B RNC Iur Iub Iub Nodo B Nodo B Iub Nodo B Uu Célula [email protected] 9.204 9.15 UMTS: Estructura de la red Existen tres niveles jerárquicos o subredes: • Subred de móviles: Conjunto de terminales o equipos de usuario (UE) • Subred de acceso UTRAN: Estaciones base radio, llamadas Nodos B Controladores RNC (Radio Network Controller) Sistema de red radio RNS (Radio Network System) • Subred fija: Núcleo de red o CN (Core Network) Equipos y sistemas de transmisión y conmutación Registros de usuarios y centros de autenticación Se encarga de las funciones de las capas superiores: movilidad, control de las llamadas, gestión de las sesiones, facturación y control de la seguridad Y las siguientes interfaces entre unidades funcionales: • Uu: Interfaz aire o radio, entre los móviles y los Nodos B • Iub: Interfaz Nodo B – RNC • Iur: Interfaz entre RNCs • Iu: Interfaz entre los RNC y el CN [email protected] 9.205 9.15 UMTS: Estructura de la red Iu (CS) 3G MSC/VLR CIRCUITOS 3G GMSC/VLR PSTN ISDN Iub RNC Iur PLMNs SCP Iub HLR VHE RNC Iu (PS) 3G GGSN 3G SGSN REDES IP PAQUETES (IP) [email protected] 9.206 9.15 UMTS: Modelo OSI La arquitectura de protocolos de la interfaz radio UMTS especifica los tres primeros niveles del modelo OSI: • Capa física • Capa de enlace: Subcapa RLC (Radio Link Control): 9 Función de control de flujos de transmisión y transferencia de datos con/sin confirmación 9 Segmentación y reensamblado Subcapa MAC (Medium Access Control) 9 Prioridades de los tráficos 9 Scheduling de los mensajes 9 Supervisión para minimizar la congestión de tráfico • Capa de red Dos planos de mensajes: • Plano C: señalización/control • Plano U: información de usuario [email protected] 9.207 9.15 UMTS: Canales, Canales Lógicos Tres clases de canales: lógicos, de transporte y físicos Canales lógicos: definen la naturaleza de la información a transmitir • Canales de control: Canal de difusión BCCH (Broadcasting Control CHannel): difusión de información general Canal de aviso PCH (Paging CHannel): aviso a móviles Canal común CCCH (Common Control CHannel): sin conexión dedicada Canal dedicado DCCH (Dedicated Control CHannel): con un terminal concreto • Canales de tráfico: Canal de tráfico común CTCH (Common Traffic CHannel): difusión de información punto-multipunto a un grupo de móviles Canal de tráfico dedicado DTCH (Dedicated Traffic CHannel): con un móvil determinado [email protected] 9.208 9.15 UMTS: Canales de Transporte Canales de transporte: • Especifican el modo en que se transmite la información. • Se establece una correspondencia (mapping) entre canales lógicos y de transporte. • Existen 7 canales de transporte: Canales comunes: - Canal de difusión BCH (Broadcasting CHannel): difunde información de sistema para acceso inicial y mantenimiento de la conexión - Canal de aviso PCH (Paging CHannel): notificación de la red a los móviles - Canal de acceso directo FACH (Forward Access CHannel): respuestas a los mensajes de acceso - Canal de acceso aleatorio RACCH (Random Access CHannel): peticiones de acceso de los móviles - Canal común de paquetes CPCH (Common Packet CHannel): paquetes de datos en el UL - Canal descendente compartido DSCH (Downlink Shared CHannel): datos de usuario y control para varios terminales Canal dedicado: DCH (Dedicated CHannel): datos de usuario y control con un terminal específico [email protected] 9.209 9.15 UMTS: Canales Físicos Canales físicos: • 1 portadora + uno o más códigos ortogonales de expansión • En el DL: Los datos de usuario y control se multiplexan en un único flujo de símbolos Se expanden y se convierten en un tren de chips Se modulan en QPSK en la portadora descendente • En el UL: Las informaciones de usuario y control van separadas Se expanden por separado Se modulan en BPSK en la portadora ascendente • Los canales de transporte se proyectan sobre los canales físicos habilitados para ellos [email protected] 9.210 9.15 UMTS: Canales Físicos Canales físicos: • Canal primario de control común P-CCPCH (Primary Common Control Physical CHannel), soporta el BCH. • Canal secundario de control común S-CCPCH (Secundary Common Control Physical CHannel), soporta el FACH y el PCH. • Canal físico de acceso PRACH (Physical Random Access CHannel), soporta el RACH. • Canal físico descendente compartido PDSCH (Physical Downlink Shared CHannel), soporta el DSCH. • Canal físico común de paquetes PCPCH (Physical Common Packet CHannel), soporta el CPCH. • Canal físico dedicado de datos DPDCH (Dedicated Physical Data CHannel), soporta la parte de tráfico del DCH. • Canal físico dedicado de control DPCCH (Dedicated Physical Control CHannel), soporta la parte de información de control del DCH. • Canal piloto común CPICH (Common Pilot CHannel), transmite una señal de referencia de potencia y fase. • Canal de sincronización SCH (Synchronization CHannel): para temporización e identificación de la célula, junto con el CPICH. [email protected] 9.211 9.15 UMTS: Canales Físicos Canales físicos: • Se establecen en estructuras de tramas temporales, las razones para ellos son: Control dinámico de potencia a lo largo del tiempo, realizado en intervalos de tiempo Realizar cambios en la tasa binaria al pasar de una trama a otra Facilitar cambios de formatos de transporte • Tramas UMTS: Duración: 10 ms 15 intervalos (slots) de 10/15 = 2/3 ms En una trama hay 38400 chips y en un intervalo 2560 chips k En el DL, SF = 512/2 (k = 0, …, 7) y Rb = 15 a 1920 Kbit/s k En el UL, SF = 256/2 (k = 0, …, 6) y Rb = 15 a 960 Kbit/s Ejemplo: se utiliza en enlace descendente un k=3, ¿Qué regimen binario hay por canal? 512 / 8 = 64 ⇒ 3840Mcps / 64 = 60Ksps, y un factor de ensanchado de 8 [email protected] 9.212 9.15 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles: 4G Sistema UMTS: Evolución a 4G • Aspectos básicos de la Cuarta Generación: Integración de tecnologías de acceso inalámbrico 9 Ej: WiFi y WiMAX 9 Uso complementario, en vez de competitivo Estándar mundial único Interoperación con los núcleos de red “todo IP” Tasas binarias de hasta 100 Mbit/s (área extendida) y 1 Gbit/s (área local) Terminales móviles multimodo para acceso radio celular y por redes inalámbricas Alto grado de personalización Servicio de alta calidad orientados a los usuarios, para ser usados desde cualquier lugar, en cualquier momento y con interoperabilidad Adaptación a los cambios en los patrones de tráfico para los servicios multimedia de banda ancha • Horizonte temporal para el desarrollo normativo: 2005 - 2015 [email protected] 9.213 Apéndice http://www.enter.es/informes_enter/documentos_enter_idate/mobile/mobile_2006_19_1.html [email protected] 9.214
