Ing. Daniel Esteban Vena Escuela Técnica ORT Belgrano

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1 Ing. Daniel Esteban Vena Escuela Técnica ORT Belgrano

2 CONTENIDO 1. Servicios y Terminales de Usuarios Estandarización Conmutación y control de switchs Técnicas de transmisión Redes de acceso y de troncales (trunk) Servicios de inteligencia de red y de valor agregado Señalización Gestión de la red Funcionamiento entre redes Planificación de la red

3 1. Servicios y Terminales de Usuarios Una red móvil terrestre pública (Public Land Mobile Network, PLMN) es una red de telecomunicaciones para unidades móviles, conocidas como estaciones o teléfonos móviles. La movilidad es el aspecto principal de una PLMN. Por si fuera poco, una PLMN puede mejorar la capacidad de otras redes de proveer movilidad; por ejemplo, cuando está sirviendo como portador para acceso a Internet. La telefonía móvil es uno de los teleservicios más populares y con crecimiento más rápido que jamás haya existido. Es probable que la mayoría de los suscriptores tengan eventualmente alguna forma de acceso por radio a la red de telecomunicaciones. El servicio basado en radio, que en su momento era utilizado simultáneamente por la defensa nacional, la policía, el servicio de taxi y otras organizaciones de servicios para mantener las comunicaciones entre sus unidades móviles y estacionarias, ahora se ha convertido en una herramienta que muchos profesionales utilizan, e incluso la persona promedio comienza a utilizarlo. Una razón importante para el crecimiento rápido de la telefonía móvil es el hecho de que el servicio es una extensión del teleservicio que más se expandió por el mundo: la telefonía fija. Aparte de tener la posibilidad de comunicarse entre ellos, los suscriptores del servicio de telefonía móvil pueden comunicarse mediante puertas de enlace (gateways) PSTN/ISDN con cualquiera que tenga suscripciones a telefonía fija. Las ventajas del aumento en accesibilidad que gozan los usuarios de teléfonos móviles están atrayendo a una cantidad creciente de suscriptores nuevos. Esto, a su vez, genera una gran demanda en la capacidad de los elementos de radio de la red: los operadores tienen que lograr aumentar la eficacia de las frecuencias existentes y crear nuevas frecuencias. Técnicamente, el desarrollo de la telefonía móvil ha progresado de sistemas móviles analógicos a digitales. Sistemas terrestres ahora son complementados con sistemas satelitales. La tecnología inalámbrica, originalmente una técnica de acceso radiofónico móvil para oficinas, continúa desarrollándose, y los límites entre inalámbrico y celular cada vez se confunden más. La telefonía móvil está avanzando a nivel mundial en una época en la que la liberalización está en plena marcha. Para la mayoría de los países, las desregulaciones y la privatización aumentan la competencia a medida que la cantidad de operadores crece. Diferentes sistemas, cuyo objetivo es promover la movilidad, operan en paralelo en la misma zona geográfica o en el mismo mercado. Sistemas móviles analógicos y digitales, sistemas inalámbricos y satelitales, todos tienen la capacidad de satisfacer la demanda del usuario de telecomunicación móvil en todas sus posibilidades Movilidad La movilidad en una red de telecomunicaciones pública no es un concepto inequívoco. Diferenciamos entre portabilidad, movilidad y movilidad total. La portabilidad sería el simple caso en el que solo la terminal es trasladada y luego conectada en otra ubicación de la red. La movilidad implica que el suscriptor mueva su punto de acceso personal (por ejemplo, cuando se loguea en una red de datos desde diferentes posiciones de la red). Movilidad total se refiere a un estado de capacidad ambulatoria completa en el que tanto la Terminal como el suscriptor 3

4 pueden cambiar de posición mientras que la red automáticamente registra todo movimiento. En otras palabras, esto significa movilidad tanto de la terminal como del servicio. La movilidad total requiere acceso de radio mediante estaciones base. El acceso físico en una red móvil es organizado para permitir que una terminal se conecte en cualquier punto de la red y se pueda desplazar durante una llamada (por supuesto, la suscripción del cliente debe estar disponible en todos los puntos de acceso). Este tipo de movilidad presupone acceso especialmente diseñado ( celdas en lugar de puntos de conexión). También requiere que la terminal sea capaz de mantener contacto radial constante con la red Funciones PLMN primarias Elementos principales de la red Es necesario estar mínimamente familiarizados con la terminología especializada para poder entender las redes móviles y sus funciones. Algunos ejemplos de conceptos básicos son actualización de ubicación, roaming, handover y paging. Para elucidar estos conceptos y el manejo del tráfico móvil, deberíamos haber utilizado ilustraciones animadas. Por razones prácticas, debemos dejar que la imaginación del lector se encargue de la animación cuando nos refiramos a la Figura 1.1, que ilustra los elementos sobresalientes de una red fija y de una PLMN. Figura 1.1 Comparación entre una red fija y una PLMN utilizando celdas agrupadas en áreas de ubicación (Location Areas, LA) Las redes móviles requieren funciones para inteligencia de red, incluso para lidiar con llamadas normales. La figura 1.1 muestra dos de esas funciones: el registro de ubicación de hogar (Home Location Register, HLR) y el registro de ubicación de visitante (Visitor Location Register, VLR). La figura 4

5 también muestra claramente que el acceso a la PLMN es significativamente diferente del acceso a redes fijas. Cada controlador de estación de base (Base Station Controller, BSC) incluye una función de switching, que le permite cambiar a otra estación de base a medida que la terminal se desplaza (roaming). En la figura, imagine que la terminal se desplazó de LA1, pasando por LA2, hasta LA3, donde fue llamada vía la BSC asociada. El siguiente destino es LA4. Movimientos como ese también involucran varios Centros de Switching Móvil (Mobile Switching Centres, MSCs) Una orientación Conceptos corrientes Los siguientes conceptos son explicados en esta sección: Celdas y estaciones base acceso múltiple. Canales de radio entre estaciones base y móviles Canales de control y tráfico. Acoplamiento y desacoplamiento. Roaming Actualización de localización e identificación Área de ubicación. Localización y Handover Los variados elementos de red MSC, BTS, HLR y VLR se ven con más detalles en el Capítulo Celdas y estaciones base Acceso múltiple El acceso vía radio le ofrece a los suscriptores una cantidad de canales de radio para comunicación. Sin embargo, los canales de radio escasean. Para utilizar el espectro de frecuencia designado para suscriptores móviles de manera efectiva, cada canal de radio debe ser reutilizable, lo que requiere áreas geográficas separadas bien definidas que tengan acceso a un rango de frecuencias. Estas áreas de servicio se conocen como celdas. La nomenclatura dio origen al término sistema celular que encontramos en un nombre de sistema como Personal Digital Cellular (PDC). El número de canales de radio en una celda es significativamente menor que el número de móviles, dado que en casos normales una minoría de equipos están activos simultáneamente. La técnica utilizada para asignar canales de tráfico desocupados a móviles que envían o reciben llamadas se conoce como accesos múltiples. En este capítulo se describen tres variantes de accesos múltiples. Las estaciones base utilizan antenas omnidireccionales o direccionales. La antena de una celda omnidireccional irradia (más o menos) una señal de potencia idéntica en todas las direcciones horizontales, cubriendo así un área circular. Una estación móvil localizada en ésta área normalmente tendrá buen contacto de radio con la estación base. El radio del círculo puede ser modificado cambiando la potencia de salida de la estación base, lo cual generalmente se hace teniendo como regla la planificación de celdas; el tamaño máximo de celda es determinado por la potencia de salida disponible del móvil. 5

6 Figura 1.2 Es fácil trabajar con diseños hexagonales. La figura 1.2 muestra un sistema hecho de celdas omnidireccionales. La figura también muestra el origen del conocido diseño hexagonal. Los diseños hexagonales son fáciles de usar: geográficamente, geométricamente y lógicamente. Sin embargo, dado que el modelo hexagonal provee una representación idealizada de cobertura, uno siempre debe complementar este modelo con medidas de cobertura efectivas. Una estación base que utilice tres antenas direccionales, donde cada antena cubre un ángulo de 120, tiene tres celdas de sector alrededor de ella. La figura 1.3 muestra la apariencia del diseño de celda correspondiente. No siempre es necesario tener tres celdas de sector juntas. Ocasionalmente, una celda de sector será suficiente (por ejemplo, para cubrir una sección de una autopista). Los transmisores de cada una de las celdas tienen sus propias frecuencias. El planeo de diseños de celda está íntimamente relacionado con la utilización y reutilización de frecuencias. Figura 1.3 Tres celdas de sector Canales de radio entre estaciones base y móviles Al servicio de telefonía móvil se le asignan rangos de frecuencia operacionales especiales (que varían dependiendo del país y los estándares empleados). Estos rangos de frecuencia son a su vez subdivididos en canales de radio, generalmente de una amplitud de 2530 khz (separación de canales). La modalidad dúplex es empleada para el tráfico de acceso de radio, lo que significa que las estaciones base y los móviles deben ser capaces de poder transmitir y recibir simultáneamente, requiriendo dos rangos de frecuencia lo suficientemente separados entre sí. La separación entre ellos se conoce como separación dúplex; su tamaño, determinado por factores técnicos, varía como una función del rango de frecuencia en uso. La combinación de dos frecuencias (o porciones de frecuencias) constituye un canal de radio dúplex. Como un ejemplo, la Figura 1.4 muestra la asignación de frecuencia y la utilización de la misma para el sistema de telefonía móvil NMT 450. Los canales de una red móvil son divididos en dos grupos principales: canales de control y de tráfico. Cada celda emplea al menos un canal como canal de control, al cual las estaciones base le transmiten constantemente una señal de identificación que es utilizada por los móviles para conectarse a esa celda en particular. Los controles de canales también son utilizados para identificar llamadas; si el móvil 6

7 receptor está en la celda, responderá en el mismo (o en otro) canal. El número de canales de control en una celda varía basado en la técnica de acceso utilizada y la intensidad de llamada esperada. Figura 1.4 Rango de frecuencia para NMT 450 Después de haber completado la señalización de conexión de llamada, al móvil se le asigna otro canal (un canal de tráfico) para la llamada. El número de canales de tráfico en una celda varía dependiendo en la intensidad de tráfico esperada en dicha celda. Los canales de control y de tráfico también son conocidos como canales lógicos. Estos canales lógicos son asignados a canales físicos. Un canal físico puede ser una frecuencia de broadcasting de radio, un par de frecuencias (incluyendo separación dúplex) en un sistema móvil analógico o un espacio de tiempo en un par de frecuencias en un sistema móvil digital Acoplamiento y desacoplamiento Ni bien un móvil es encendido, establece contacto con la red. Eso implica que tiene acceso a la red, y la red registra sus movimientos. Un usuario puede apagar su móvil ocasionalmente para conservar la carga de la batería. Dado que no tendría mucho sentido intentar llamar un móvil apagado, el sistema incluye una función para registrar si el móvil está encendido (acoplado) o apagado (desacoplado) Roaming Independientemente de su ubicación, un móvil que es encendido debe mantener contacto radial constante con la red. Tanto la red como el móvil incluyen una función especial para este objetivo: la función de roaming Actualización de localización e identificación Área de ubicación Una terminal en una red fija está conectada con un punto de acceso fijo, que a su vez está asociado con el número de suscriptor. La información acerca de esta asociación está almacenada en la central local responsable por los puntos de acceso particulares. Si una terminal es desplazada, normalmente se le asignará un nuevo número dependiendo de a qué central local es desplazada. Esta movilidad no le demanda a la red en términos de enrutamiento o control de conexión. 7

8 Los puntos de acceso fijos no existen en el mundo de las redes móviles. Cuando se llama a un móvil, la red debe poder determinar su posición, y eso requiere inteligencia especial. Registro (o actualización de ubicación) es la función de red inteligente que registra los cambios de posición del móvil. La identificación es la verdadera operación de búsqueda realizada en todas o algunas de las celdas de la red. Los recursos de radio serían utilizados de manera excesiva si, por cada llamada entrante, la función de identificación fuese activada para localizar la posición del móvil receptor en toda la red. La solución es obligar a los móviles a reportar regularmente su posición (es decir, que se registren). La pregunta es, qué tan seguido deben reportarse los móviles al entrar a una nueva celda de menor frecuencia? El tamaño del área en la cual el móvil no necesita registrarse se vuelve un intercambio entre las funciones de actualización de posición e identificación. Actualizar localizaciones por celda sobrecargaría la red con registros, mientras que un área grande (por ejemplo, un área de servicio MSC) sobrecargaría al sistema de identificación de tareas. Los grupos de celdas en los que un móvil no necesita registrarse son conocidos como su área de ubicación. Ésta puede corresponder a un área de servicio BSC, pero también puede consistir en celdas de diferentes áreas de servicio BSC localizadas en la misma área de servicio MSC. Mientras que el uso de un canal de tráfico está relacionado con celdas especificas no adyacentes, los canales de llamada son un recurso corriente para un área de localización en particular. Un área de localización no debe ser tan grande como para permitir que el número de llamadas en el área causen una sobrecarga en los canales de llamada Localización y Handover El canal utilizado para una llamada o para control debe poder ser cambiado de celda a celda a medida que el móvil las atraviesa. El sistema debe ser capaz de detectar si es necesario o no el cambio (normalmente coincidiendo con el hecho de que la potencia de señal está por debajo de un valor dado o la tasa de relación señal ruido se volvió insatisfactorio). Esta función es denominada localización. El término técnico para el cambio de celda a celda (que preferentemente sucede sin que el usuario se percate de ello) es Handover. La función de Handover se verá en mayor detalle en el Capítulo 3 (aspectos de conmutación) y en el Capítulo 5 (aspectos de la transmisión). 1.2 Servicios La idea básica del servicio móvil es ofrecer al suscriptor móvil el mismo servicio que tienen los suscriptores a telefonía fija. El movimiento del cliente requiere soluciones sofisticadas para mantener la continuidad del servicio a lo largo de la red. La información del acceso de un cliente individual a un servicio especifico y del estado de este servicio debe ser transmitida entre las centrales de la red móvil acorde al movimiento del suscriptor Telefonía La función más importante de una red móvil es crear un servicio telefónico efectivo del que se pueda depender. Bajo condiciones de transmisión radial favorables, la calidad del servicio de telefonía es comparable con la de la telefonía fija. Las redes móviles digitales son capaces de proveer telefonía de calidad variable, dependiendo del método de codificación de voz empleado en el acceso de radio. El sistema móvil digital GSM utiliza los términos codificación de tasa completa (13 kbit/s) y codificación de tasa parcial (6.5 kbit/s). 8

9 1.2.2 Datos La velocidad utilizada normalmente por el sistema GSM es de 9.6 kbit/s, pero velocidades mayores están en desarrollo. El uso de módems permite a los sistemas analógicos ofrecer servicios de datos con ratios de hasta 19.2 kbit/s Telefax Todos los sistemas móviles de mayor escala soportan telefax de Grupo Servicios Suplementarios Los servicios suplementarios de la red móvil son similares a los de la telefonía fija, incluso aquellos (como restricción de llamada) que requieren un mayor número de variaciones. Una suscripción para uso oficial puede ser bloqueada para que no pueda recibir llamadas (por ejemplo, cuando el móvil es utilizado en otro país). Esto protege a la empresa de correr el riesgo de tener que pagar un alto costo de llamadas privadas hechas desde la casa del usuario Servicios de llamadas de emergencias. Muchas redes móviles ofrecen un servicio de llamadas de emergencias. Todo lo que tiene que hacer el usuario en una situación de emergencia es contactar un centro de emergencias (no se necesita conocer el número telefónico de los diferentes centros en el área). Incluso móviles bloqueados y equipos generalmente incapaces de autentificarse pueden utilizar este servicio Servicios de mensajería Los servicios de mensajería son particularmente importantes en la creciente accesibilidad en una PLMN, porque las terminales pueden ser apagadas o pueden encontrarse en un área donde haya mucha interferencia debido a edificios o colinas. El correo de voz, el telefax y el servicio de mensajes cortos (Short Message Service, SMS) son ejemplos de servicios de mensajería. Los SMS permiten al emisor dejar un mensaje de texto corto (el sistema GSM permite hasta 160 caracteres). Un mensaje que no puede ser Handover inmediatamente es almacenado en un centro de servicio de mensajes cortos hasta que el móvil en cuestión es alcanzado. 1.3 Desarrollo del servicio Terminales móviles inteligentes Como se puede ver en la Subsección 2.2, las redes móviles tienen poca capacidad de transmisión de datos. Los sistemas móviles analógicos de hoy en día pueden tener una mayor capacidad que sus contrapartidas digitales (19.2 kbit/s para sistemas analógicos y 9.6 kbit/s para digitales). El desarrollo explosivo de la comunicación móvil y la comunicación de datos de tipo Internet llevó a la demanda de mejoras significativas en la capacidad de comunicación de datos en los sistemas móviles. La necesidad de transmisión de video incluyendo alta resolución puede llevar a demandas para aún mayor capacidad, hasta 384 kbit/s o 2 Mbit/s. En principio, esto resultaría en sistemas móviles compuestos por tres clases de ratios de transferencia: 9

10 Los sistemas actuales, que están optimizados para la transferencia de voz. Versiones mejoradas de los sistemas actuales que tienen mejoras significativas en la capacidad de transferencia de datos, poco más de 100 kbit/s. Nuevos sistemas que complementen los sistemas existentes. Un ejemplo es el sistema de telecomunicaciones móviles universal (Universal Mobile Telecommunication System, UMTS). El objetivo del UMTS es permitir al acceso móvil ofrecer la misma variedad de servicios que ofrece la telefonía fija, con la misma calidad Terminales móviles inteligentes Un sistema móvil es considerado generalmente como un simple transportador de bits en lo que respecta a comunicación de datos. Cualquier comunicación inteligente con un servidor Web de Internet, por ejemplo, es organizada por una computadora conectada al sistema móvil. La situación cambiara a medida que aparezcan en el mercado terminales móviles más inteligentes. El advenimiento de computadoras de mano con la habilidad de comunicación incorporada es un paso en esta dirección. Esta tendencia implica que la PLMN (desde un punto de vista de comunicación de datos) evolucionará, pasando de ser una red portadora a una red que incluye teleservicios altamente avanzados y servicios de valor agregado incorporados; por ejemplo, servicios que permiten que un móvil pueda ser utilizado para hacer transacciones de pagos. 1.4 Seguridad Las redes que utilizan comunicaciones de radio son especialmente sensibles al uso no autorizado de terminales y escuchas telefónicas a lo largo del trayecto de la transmisión. Las redes móviles, por ende, requieren medidas especiales de seguridad. Tanto el usuario como el operador de red deben estar protegidos ante cualquier intrusión no autorizada por un tercero. Esta protección puede consistir tanto por un servicio suplementario seleccionado por el usuario (como una tarjeta inteligente con un código personal para los sistemas que las utilizan) como por varias funciones de red como encriptación de datos y autenticación. Las siguientes funciones fueron mejoradas para proteger a la red: Sistemas de autenticación que protegen contra el uso no autorizado de los servicios de la red. Encriptación de datos para proteger contra escuchas no autorizadas de acceso radial. Identificación de terminal que protege contra el uso de móviles robados. Números telefónicos temporales que protegen contra el acceso no autorizado a la identidad de un móvil. El tema de Seguridad se ve con mayor detalle en el Capítulo 6, Sección Terminales 10

11 El desarrollo del teléfono móvil fue caracterizado por dos tendencias dominantes: reducción de tamaño e inteligencia incrementada. Ambas tienen los mismos orígenes, el esfuerzo para hacer componentes cada vez más pequeños y más avanzados y el constante desarrollo y refinamiento de los diseños. También, los teléfonos móviles ya pasaron por tres fases iníciales: el modelo incorporado en automóviles, el modelo portable y el actual modelo de bolsillo. En las redes digitales, el móvil ayuda en el proceso de Handover mediante la medición constante de la potencia de señal de la estación base y el reporte de los valores medidos. La habilidad del móvil para controlar el proceso de Handover (Handover controlada por móvil) marcará el próximo paso en su desarrollo (ver Capítulo 5, Sección 5.4). Un teléfono de bolsillo tiene varias características. Las más comunes son: Teclado alfanumérico. Memoria para muchos números abreviados. Indicador de potencia de señal. Indicador de batería. Bloqueo electrónico. La oficina móvil es un concepto que se ha desarrollado junto con el crecimiento en el teletrabajo. Aparte del teléfono móvil, una herramienta importante es la laptop que puede ser equipada con una tarjeta de módem. Luego ésta puede ser conectada directamente al puerto módem de un teléfono móvil. El fax portable es otra terminal que puede ser usada en una PLMN. 11

12 2. Estandarización 2.1 Introducción Los esfuerzos para la estandarización más importantes en el campo de sistemas móviles fueron realizados por la ITU T, que ha publicado un gran número de recomendaciones para redes móviles. La recomendación Q.1001, "Aspectos generales de las Redes Móviles Terrestres Públicas, provee una descripción general de las definiciones, arquitectura y servicios relacionados con una red móvil publica de escala nacional. Las recomendaciones también lidian con otras áreas importantes, como planes de numeración, grado de servicio (Grade of Service, GoS), señalización y funcionamiento entre redes. ITU R, el sector de radio de la ITU, discute y regula el uso del espectro de frecuencias radiales, un recurso natural limitado requerido por las redes móviles para poder operar. Otra organización de estándares influyente en el campo de sistemas móviles es el Instituto Europeo para la Estandarización de las Telecomunicaciones (European Telecommunications Standarisation Institute, ETSI). ETSI desarrolló una especificación para el sistema global de comunicación móvil (GSM) y especificó un sistema digital para telefonía inalámbrica, telecomunicaciones digitales inalámbricas mejoradas (Digital Enhanced Cordless Telecommunications, DECT), y un sistema de identificación al que se conoce como Sistema Europeo de Mensajes de Radio (European Radio Message System, ERMES) Otras organizaciones importantes de estandarización son la RCR y la TTC en Japón y ANSI, EIA y TIA en Norteamérica. A los operadores norteamericanos se les asignan frecuencias por la Comisión Federal de Comunicaciones (Federal Communications Comisión, FCC). 2.2 Codificación de voces en redes móviles Debido a la escasez de bandas de frecuencia disponibles, todos los sistemas móviles digitales usan alguna forma híbrida de codificación, que permiten reducir las tasas de bit hasta un nivel inferior a los 64 kbit/s alcanzados en la codificación PCM. Por lo tanto, todos los sistemas usan codificación de bloqueo de voz en lugar de codificación en forma de onda pura. Cada bloque de voz (20 milisegundos en GSM) es analizado y comparado con el bloque que le sigue (y con referencias) y después parametrizado y codificado. Los largos bloques permiten ratios de bit más bajos pero también generan retrasos (delays) que, a su vez, generan problemas de eco. Cancelación de eco bien balanceada es, por ende, de gran importancia para la calidad de voz en conexiones que involucren sistemas móviles digitales La voz humana El habla humana contiene una gran cantidad de información redundante. Podemos reducir esa redundancia mediante el uso de análisis de habla y transferir únicamente esa porción de habla requerida para reproducir la información en el equipo receptor. 12

13 Figura 2.1 un modelo de los órganos humanos relacionados con el habla. Las cuerdas vocales vibran y crean sonidos de frecuencias variadas. El sonido es modificado al pasar por los órganos del habla, que funcionan como filtros de frecuencia Codificación de voz GSM A continuación, una breve descripción de la codificación de voz utilizada por los móviles de un sistema GSM. Un numero de filtros electrónicos es utilizado para similar la operación de los órganos humanos del habla y para extraer las frecuencias originales de las cuerdas vocales, llamadas secuencias de excitación. Figura 2.2 codificación de voz GSM La información acerca de las características del filtro y las secuencias de excitación es enviada al receptor, donde es utilizada para reproducir la señal original. Las Figuras 2.2 y 2.3 ilustran el principio. El primer paso del análisis es realizado a través de la Codificación Predictiva Linear (Linear Predictive Coding, LPC). La unidad de análisis LPC está diseñada de manera inversa al modelo de filtros de los órganos de habla. Cuando un bloque de voz de 20 ms de la unidad de segmentación logra pasar por el filtro para un análisis LPC, este filtro Handover la secuencia de excitación para la muestra. Como dos bloques consecutivos tienen secuencias de excitación similares, la diferencia entre ellos es calculada con los métodos de Predicción a Largo Plazo (Long Term Prediction, LTP). 13

14 La diferencia de excitación resultante pasa a través de un filtro de paso bajo y después es ingresada a la cuadrícula de unidad de selección de Pulso de Excitación Residual (Residual Pulse Excitation, RPE), que es un codificador en forma de onda (similar al utilizado en PCM). La diferencia de excitación filtrada es incluida en la muestra, y cada tercera muestra es codificada. El flujo de bits resultante es 9.4 kbit/s. El flujo de bits RPE y los valores de parámetro LPC y LTP son transferidos al receptor, donde el discurso original es reproducido mediante un proceso inverso de decodificación. Los valores de parámetro LPC y LTP generan 3.6 kbit/s, hacienda que el flujo de bits total del codificador de voz sea de 13 kbit/s (260 bits por cada muestra de 20 ms). Figura D.2.3 las frecuencias originales (secuencias de excitación) de las cuerdas vocales son extraídas mediante un análisis LPC/LTP. 2.3 Elementos de la red En su mayor parte, los mismos tipos de elementos de red están presentes en todas las redes móviles, incluso si tienen nombres diferentes en diferentes estándares. En la Figura 2.4, utilizamos el GSM como ejemplo. Figure 2.4 Elementos de una red GSM 14

15 2.3.1 Elementos de la red para el tráfico (de usuario) Estación Móvil (Mobile Station, MS): Una estación móvil puede ser un teléfono móvil, un fax con acceso radial o una computadora laptop equipada con un módem de radio. Estación Transceptora Base (Base Transceiver Station, BTS): Una estación transceptora base contiene equipo para transmisión y recepción, antenas para una o más celdas, equipo para encriptación y desencriptacion y medición de potencia de señal y equipo para comunicación con BSC. Controlador de Estación de Base (Base Station Controller, BSC): Un controlador de estación de base, también conocido como switch de radio, prepara los canales de radio para el tráfico y para señalizar al MSC, y monitorea la porción de red para acceso de la conexión. Una BSC también se encarga de la concentración de tráfico y se encarga de Handover entre las estaciones de base que controla. Los BSCs solo se encuentran en el estándar GSM. En otros estándares, el MSC también se encarga de las funciones de conmutación de radio. Centro de Conmutación Móvil (Mobile Switching Centre, MSC): Un centro de conmutación móvil es un nodo de conmutación que tiene las funciones especializadas requeridas por las redes móviles, principalmente aquellas relacionadas con Handover entre MSCs y entre diferentes PLMNs. Un MSC puede ser comparado con la central local de una red fija, aunque no tiene ningún suscriptor fijo (al menos, no en el caso de la GSM). Una PLMN puede tener uno o varios MSCs, dependiendo del tamaño de la red y del número de clientes. Las celdas cuyas estaciones de base son controladas por una MSC en particular forman parte de un área de servicio MSC. Puerta de Enlace MSC (Gateway MSC, GMSC): Una GMSC es una MSC especializada que sirve como interfase con otras redes. Todas las conexiones con otras redes móviles pasan por una GMSC (más de una unidad puede encontrarse en una sola red). Una GMSC no necesita manejar datos del cliente, pero debe ser capaz de manejar diferentes estándares de señalización para su comunicación con otras redes. Los encargos y la solución de cuentas entre redes también son funciones de la GMSC. Una GMSC representa una red móvil frente a otras redes. Las conexiones de redes fijas son realizadas al nivel nacional o internacional del PSTN/ISDN, donde una PLMN puede ser identificada en la misma manera como cualquier otro operador de red. Centro de Servicio de Mensajes Cortos (Short Message Service Centre, SMSC): Los sistemas de mensajería (en la forma de casilla de correo de voz para mensajes cortos y cajas de mail para fax) son utilizados para incrementar la accesibilidad en una PLMN Elementos de la red como bases de datos Registro de Ubicación de Hogar (Home Location Register, HLR): Los usuarios de telefonía móvil tienen que estar registrados permanentemente en algún lugar del sistema. En una red fija, cada suscriptor pertenece a una central local; un suscriptor móvil pertenece a la red. Por eso las redes móviles incluyen una o más bases de datos (HLR) para almacenar permanentemente los datos del cliente. El HLR mantiene un registro de la ubicación del cliente, no importa si esta en un área de servicio MSC o en otra PLMN. Esta información es utilizada por el GMSC cuando reciba una llamada de otra red. Un HLR puede ser un elemento de red independiente o puede estar incluido en un MSC. Registro de Ubicación de Visitante (Visitor Location Register, VLR): Un MSC sólo se encarga de clientes temporales, específicamente los que se encuentren en su área de servicio en ese momento. La información de esos clientes es almacenada en una VLR, que puede ser un elemento de red independiente utilizado por varios MSCs. Generalmente, sin embargo, cada MSC tiene su propio VLR. 15

16 El VLR hace un seguimiento de la celda del área de servicio en la cual un móvil puede ser localizado y es informado constantemente de si el equipo en cuestión está encendido o apagado. Centro de Autenticación (Authentication Centre, AUC): El AUC almacena información de seguridad (como por ejemplo llaves de encriptación para todos los clientes de la red). El AUC también es usado para encriptar y desencriptar datos. Registro de Identidad del Equipo (Equipment Identity Register, EIR): El EIR almacena información acerca de la identidad de cada móvil. El EIR es utilizado para chequear que un equipo no haya sido reportado como robado o haya sido bloqueado por alguna otra razón Elementos de redes para inteligencia adicional de red. Como en el caso de los Puntos de Control de Servicio (Service Control Points, SCPs) y Puntos de Conmutación de Servicio (Service Switching Points, SSPs) de las redes fijas, los operadores PLMN también necesitan nodos de inteligencia similares. Esta inteligencia les permite mantener tiempos de espera cortos al crear nuevos servicios y aplicaciones específicas de clientes Elementos de red para operación y mantenimiento El Centro de Operación y Mantenimiento (Operation and Maintenance Centre, OMC) aloja a dos elementos de red: un Sistema de Soporte de Operaciones (Operations Support System, OSS) y un Sistema de Manejo de Redes (Network Management System, NMS). Ambos están conectados a otros elementos de red en el núcleo y acceden a redes mediante una red X.25 separada Elementos de red para señalización Como una red GSM utiliza el sistema de señalización N 7 (SS7), se requieren puntos de transferencia de señal (Signal Transfer Points, STPs), ya sean integrados o independientes Elementos de red para transporte y transmisión. Con la excepción de transmisión sobre acceso de radio, los estándares de redes móviles no tienen guías acerca de cómo los elementos de red deben ser interconectados desde un punto de vista de transmisión. Normalmente, se utilizan los sistemas de jerarquía digital plesiocrónica (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH), jerarquía digital síncrona (Synchronous Digital Hierarchy, SDH) o red óptica síncrona (Synchronous Optical Network, SONET). 2.4 Estándares de telefonía móvil Las siguientes características principales diferencian los diferentes tipos de PLMN: La técnica utilizada para acceso de radio (TDMA, FDMA, o CDMA, ver Capítulo 4, Subsecciones a 4.3.7). La disposición de la funcionalidad entre la red y el móvil (por ejemplo, quién es responsable para la selección del canal, si la red o el móvil). El diseño de la red de acceso (en algunas redes, el control de los recursos de la red de acceso y de la interfase de aire reside en la red de acceso; en otras, reside en el MSC). 16

17 Actualmente hay siete estándares para redes móviles por celdas diferentes: tres analógicos y cuatro digitales Redes móviles analógicas Las redes móviles analógicas están caracterizadas por el hecho que los canales de control y tráfico son analógicos. Tanto la voz (comúnmente en 3 khz) y los datos están modulados por frecuencia en un transportador. Los estándares para redes analógicas hoy en día son: Telefonía móvil Nordic (Nordic Mobile Telephony, NMT) Sistema de teléfonos móviles americanos (American Mobile Phone System, AMPS) Sistema de comunicación de acceso total (Total Access Communication System, TACS) Figura 2.5 Estándares para redes móviles analógicas NMT fue especificado por las administraciones de telecomunicaciones Nordic y fue la primera red móvil pública operativa a nivel comercial (1981). Existen dos variantes: NMT 450 y NMT 900. Los números se relacionan con la cantidad de bandas de frecuencia utilizadas. NMT 900, creada en 1986 como resultado de la insuficiencia de los canales en NMT 450, también ofrece funcionalidad roaming internacional. NMT fue implementada en Europa, el Medio Oriente y Asia. AMPS es un estándar para redes móviles notable que fue especificado por el consorcio estadounidense TIA/EIA/ANSI. El estándar para interfases de aire se conoce como EIA/TIA553. La primera red AMPS fue puesta en operación en Estados Unidos el año 1984, y en 1988 el estándar fue expandido para incluir una banda de frecuencias mayor, EAMPS. Las redes AMPS se pueden ver en Estados Unidos, Australia y Asia. TACS es una versión modificada de AMPS; su banda de frecuencia es relativamente mayor. La modificación fue hecha teniendo como objetivo de mercado a Gran Bretaña, donde el estándar se instauró en TACS también recibió una banda de frecuencia mayor en 1988, ETACS. Desde ese momento, TACS se expandió por varios países alrededor del mundo Redes móviles digitales Las redes móviles digitales están principalmente caracterizadas por sus canales de tráfico digitales, lo que significa que la transmisión de voz es codificada. Sin embargo, pueden incluir canales de control tanto analógicos como digitales. Algunos ejemplos de este tipo de redes son: 17

18 Sistema global para comunicación móvil (Global System for Mobile communication, GSM) Servicios de comunicaciones personal (Personal Communications System, PCS), el cual incluye IS 95, IS 136 y otros AMPS digital (Digital AMPS, D AMPS), inicialmente conocido como celular digital americano (American Digital Cellular, ADC) Celular digital personal (Personal Digital Cellular, PDC), conocido originalmente como celular digital japonés (Japanese Digital Cellular, JDC) Figura 2.6 Estándares para redes móviles digitales Tanto los canales de tráfico como los de control en un sistema GSM son digitales. GSM fue especificado por ETSI y entró en modo operativo a nivel comercial en Las siglas GSM originalmente significaban Groupe Special Mobile, el nombre del grupo ETSI al que fue asignada la tarea en 1982 de especificar un sistema móvil digital que incluyera roaming internacional, interfases abiertas entre elementos de red, mejor calidad de voz y funcionalidad ISDN segura. Los sistemas GSM tienen tres bandas de frecuencia diferentes: 900, 1800 y 1900 MHz En general, los estándares correspondientes (llamados GSM 900, GSM 1800 y GSM 1900) siguen las mismas especificaciones. GSM 1800/1900 está diseñado principalmente para áreas de alta densidad de móviles y es una de las muchas maneras de utilizar los rangos de frecuencia limitados disponibles para telefonía móvil. Ese es el motivo por el cual GSM 1800/1900 utilizan de forma extensiva microceldas dentro de celdas paraguas (ver Capítulo 10, Subsección ) y por qué la potencia de salida de sus terminales y estaciones base es baja. Las redes GSM están por todo el mundo. D AMPS es una versión de AMPS que fue extendida para emplear canales de tráfico digitales. Gracias a la técnica de acceso utilizada (TDMA, ranuras de tres tiempos) un canal de 30 khz tiene capacidad para tres canales de tráfico a pleno ratio de codificación. El estándar extendido, conocido como IS 54, permite que D AMPS incluya canales de control de ambos tipos en la misma red, incluso en la misma celda. Los usuarios de éste tipo de redes móviles experimentan el mejor GoS si sus móviles pueden cambiar entre canales de tráfico analógicos y 18

19 digitales (incluso durante Handover). D AMPS se volvió accesible al público en y tiene aproximadamente el mismo área de distribución que AMPS. La extensión de D AMPS para incluir un canal de control físico digital que ocupa una ranura de tiempo ha sido especificada desde entonces en IS 136 rev. 0. De la misma manera que el GSM, los canales de control lógicos están asignados en la ranura de tiempo (ver Capítulo 7, Subsección 7.3.4). El nuevo estándar también incluye los dos estándares anteriores. Entonces, una red D AMPS en concordancia con IS 136 rev 0 puede contener canales de tráfico y de control tanto analógicos como digitales. Siguiendo otra extensión adicional (con IS 136 rev. A) D AMPS está actualmente especificada para 1900 MHz y se conoce como 1900AMPS. Los móviles que utilizan 1900 MHz no necesitan ser capaces de manejar canales analógicos, pero deberían poder utilizar las bandas de 800 y 1900 MHz (banda dual). PCS es un estándar muy abierto; principalmente especifica una interfaz de servicio. Un sistema PCS puede ser tanto analógico como digital, utilizando técnicas celulares o una combinación de éstas con técnicas inalámbricas. El acceso digital puede estar basado tanto en TDMA o en IS 95 (CDMA). PDC fue especificada por RCR en Japón, en cooperación con 11 fabricantes, tres de los cuales no eran empresas japonesas. El sistema se volvió disponible a nivel comercial en La interfaz de aire es abierta y similar a la de D AMPS, mientras que los servicios y la arquitectura de la red se asemejan más a GSM. Por ahora, PDC solo se puede encontrar en Asia Sistemas inalámbricos Los sistemas celulares no son el único medio de proveer telefonía móvil. Otro grande grupo que merece ser mencionado son los sistemas inalámbricos. No se han utilizado todavía para construir redes lógicas completas, pero son utilizados principalmente en redes privadas y, cada vez más, como un método de acceso PSTN. El término inalámbrico se originó en la técnica que hizo posible que los clientes conectasen una pequeña estación base a sus teléfonos, obteniendo así una capacidad limitada de movilidad (dentro de un radio de unos pocos kilómetros). CT 1 denota tecnología inalámbrica de primera generación. La tecnología inalámbrica de tercera generación (CT 3) ha presenciado la introducción de una central de radio que puede ser conectada tanto a un PBX como a una central local. Un número de estaciones base conectadas a la central de radio proveerán las extensiones con movilidad libre dentro del área cubierta por la central. Un sistema CT 3 puede estar basado en DECT, que utiliza TDMA para su acceso de radio. El sistema no requiere planificación de celdas Comunicación de datos en redes móviles digitales Las demandas para mayor capacidad de comunicación de datos en sistemas móviles fueron vistas brevemente en el Capítulo 1, Sección 1.3. En el caso de GSM, están emergiendo algunas técnicas diferentes: Una capacidad de canal incrementada, de 9.6 a 14.4 kbit/s, como resultado de nuevas codificaciones de canal. El uso de la compresión de datos de acuerdo con las recomendaciones ITUT V.42bis o V.42. Ésta técnica es más efectiva en la transferencia de archivos de texto. Concatenación de hasta un máximo de ocho ranuras de tiempo. Ésta técnica puede ser utilizada para n 9.6 kbit/s o n 14.4 kbit/s. La técnica de concatenación se conoce como datos conmutados por un circuito de alta velocidad (High Speed Circuit Switched Data, HSCSD) y puede utilizarse también para transmisión de video, ver Figura

20 Figura 2.7 Concatenación de ranuras de tiempo en GSM Empaquetar datos en combinación con la instalación de un switch. Éste método, llamado sistema de radio de paquetización general (General Packet Radio System, GPRS), es ilustrado en la Figura 2.8. La combinación de GPRS y HSCSD puede generar capacidad que supere los 100 kbit/s. Figure 2.8 Implementación de GPRS en GSM 2.5 Estándares relacionados Redes identificadoras de área grande Como se ha mencionado anteriormente, ETSI ha estandarizado ERMES para WAP. La primera red ERMES fue puesta en operación en ERMES opera utilizando 16 transportadores diferentes con una tasa de bit de 6.25 kbit/s e incluye roaming internacional entre las diferentes redes WAP (WAP networks, WAPN). El receptor de una llamada en ERMES también puede transmitir un mensaje de respuesta. Un ejemplo de una red de datos móvil, es descripto a continuación. 20

21 Mobitex fue especificada por Televerket, anteriormente administración nacional de telecomunicaciones sueca (National Swedish Telecommunications Administration), y se volvió operacional en Hoy en día está disponible en América y Europa. La red es celular y en la mayoría de los casos a escala nacional. Provee la posibilidad de crear grupos de usuarios cerrados (Closed User Groups, CUGs), considerados muy ventajosos por los usuarios más habituales del sistema (departamentos de policía, servicios de ambulancia, departamentos de bomberos y agentes de aduana). Desde que la red incluye switchs paquetizadores, los usuarios individuales no tienen su propio canal físico conectado durante las llamadas, lo que significa que no se necesita dimensionar la capacidad de la estación base de acuerdo con la teoría de tráfico habitual. Los usuarios móviles pueden conectarse a computadoras fijas mediante centrales regionales. Como los mensajes no suelen exceder los 4050 caracteres, y como los tiempos de configuración de conexión son significativamente menores que en una red con conmutadores de circuitos, las comunicaciones son extremadamente rápidas. Por ejemplo, un camión de bomberos puede recibir información acerca de la situación en el sitio del incendio cuando aún están trasladándose allá, las ambulancias pueden recibir información acerca de grupos sanguíneos mientras trasladan una persona herida al hospital, y los conductores de camiones pueden ser guiados al centro de distribución correcto en una ciudad desconocida en tiempo real. 21

22 3. Conmutación y control de switchs. 3.1 Introducción Las funciones de redes móviles para conmutación y control de switchs utilizan la misma técnica de conmutación que se utilice en PSTN/ISDN, pero difiere en otros aspectos de las funciones correspondientes de una red fija. Un MSC en una red móvil solo tiene clientes temporales, móviles visitante que no tienen número fijo en el área de servicio del MSC. El encaminamiento entre MSCs está basado en números temporales asociados con el visitante durante la llamada. Este número se conoce como número roaming. En una red fija con conmutador de circuitos, el encaminamiento se realiza una sola vez, y la conexión queda establecida hasta que la llamada termina. En una PLMN, por el contrario, los móviles generalmente se mueven durante las llamadas, lo que significa que se pueden requerir un nuevo enrutamiento y Handover. Las Handover pueden involucrar a la red de acceso o a ésta y a los MSCs. El tráfico en redes fijas está concentrado en la red de acceso, sea en la del conmutador cliente de la central local o en un concentrador independiente. En la PLMN, la concentración de tráfico se realiza principalmente en la interfase de aire con la ayuda de acceso múltiple. Las funciones de red que soportan movilidad generalmente se resumen en la clasificación manejo de movilidad (Mobility Management, MM). MM generalmente requiere potencia de procesamiento considerable, que el operador debe tener en cuenta al dimensionar elementos de red con funcionalidad MM. Como se dijo en el Capítulo 1, MM requiere inteligencia localizada centralmente (mediante un HLR) y registros especiales integrados con al MSC (VLRs). Las llamadas entrantes a un móvil también pueden utilizar otra inteligencia de red central. Por ende, consideramos más lógico hablar del establecimiento y desconexión de llamadas móviles en el Capítulo 6, donde se trata el tema de inteligencia de red. Esta sección, en cambio, se encarga de la descripción de: Elementos de red enrutadores en GSM La arquitectura de red de redes móviles grandes El encaminamiento durante llamadas 3.2 Elementos de red enrutadores en GSM Dejemos que el diálogo se base en la Figura 3.1. Ésta figura ilustra la arquitectura de red de una GSM pequeña que incluye dos MSCs con sus respectivos VLRs, un GMSC y un HLR. Además, se incluyen cuatro redes de acceso. La red funciona con una PSTN y otra PLMN. La mayoría de las redes móviles consisten en dos niveles jerárquicos: los niveles de MSC y GMSC. Se pueden ver nodos de tránsito en grandes redes móviles (ver Sección 3.4). Las redes pequeñas pueden tener funciones GMSC integradas en sus MSCs, lo que resulta en una estructura llana. 22

23 Los canales de tráfico de las redes de acceso y núcleo difieren. La red de acceso maneja canales de tráfico de 13 kbit/s, mientras que la red núcleo maneja canales de 64 kbit/s. El grabado de voz entre 13 y 64 kbit/s es realizado en la BSC. El equipo de encriptación generalmente se encuentra en las estaciones base. Figura 3.1 la arquitectura física de red de una PLMN El encaminamiento se realiza en cuatro niveles de estructura: en el BTS, BSC, MSC y GMSC, que se ven en la figura. La concentración es realizada en la interfaz de aire, porque el número de canales de tráfico es limitado. Esta concentración es controlada por el BSC, que asigna canales de tráfico libres a los móviles. Después de la desencriptación en el BTS, cuatro canales de tráfico de 13 kbit/s son multiplexados en un canal de 64 kbit/s (generalmente una ranura de tiempo de una conexión PCM entre la BTS y la BSC) La BSC conecta canales de tráfico entre la BTS y la MSC, empleando una variedad de codificadores de voz que pueden ser conectados al conmutador en la BSC. La BSC también realiza los enrutamientos requeridos durante una llamada, a medida que el móvil se mueve de una celda a otra en el área de servicio de la BSC. Generalmente, una MSC enruta canales de tráfico de 64 kbit/s entre la GMSC y una de sus BSCs. Debe mantener registro constante de (o ser capaz de averiguar) en qué sección de su propia área de servicio un móvil al que están llamando se encuentra. Debe ser capaz de cambiar a otra MSC cuando el móvil se mueve a una celda en el área de servicio de otra MSC durante una llamada, como se describe en la Subsección 3.3. Una GMSC enruta canales de tráfico de 64 kbit/s entre redes externas y las MSCs de su propia red PLMN, al igual que redes fijas externas y PLMNs funcionando. Como se mencionó anteriormente, las GMSCs están conectadas a redes externas al nivel de red jerárquica nacional o internacional. 23

24 Figura 3.2 elementos de red enrutadores en GSM Cuando una GMSC recibe una llamada de una red externa, debe determinar la MSC (o la PLMN funcionando) que es capaz de alcanzar el móvil receptor en un momento dado (en otras palabras, a qué área de servicio MSC o a que PLMN funcionando se debe conectar). Ahí es cuando la inteligencia de red aparece. El HLR le informa al GMSC de qué MSC debe usar, y porque el móvil emisor no tiene una extensión fija a esa MSC, el HLR también le proveerá al GMSC un número de enrutamiento temporal para ser usado para señalización. Éste número fue obtenido por el HLR del VLR involucrado. Los roles del HLR y el VLR se describe con más detalles más adelante. 3.3 Enrutamientos durante una llamada (debido a Handover) Cuando hemos estudiado otras redes con conmutadores de circuito, hemos llegado a percibir todo el enrutamiento que ocurre cuando una llamada se establece. De hecho, la transmisión de llamadas es parte del mismo procedimiento. Las redes móviles también deben ser capaces de enrutar durante una llamada, porque el móvil puede cambiar de estación base y en algunas instancias incluso de MSC. Como se menciona en la Sección 3.1, las Handover pueden llevar a re enrutamientos en la estación base, en el BSC y posiblemente en el MSC también. 24

25 Figura 3.3 Handover cambio de estación base durante una llamada Este capítulo se dedica únicamente a los aspectos de enrutamiento de una Handover. Los aspectos de calidad de señal, que determinan si El método de Handover se hará en realidad o no, se ven en el Capítulo 5, Sección 5.4. Bajo circunstancias favorables, enrutar en una red móvil durante una llamada puede interferir con la misma. Consecuentemente, es vital para el éxito de un operador de red que dicho enrutamiento se realice sin ninguna interferencia. Las llamadas que frecuentemente se cortan o se ven afectadas por interferencia debido a Handover mal realizadas pueden llevar a clientes insatisfechos que podrían optar por suscribirse a otro operador o simplemente dejar de usar su teléfono móvil Hay cinco tipos de Handover: Figura 3.4 Enrutamiento en MSCs durante Handover Handover intracelular: Un nuevo canal es seleccionado en la misma celda debido a interferencia u otro tipo de inconveniente en el canal utilizado por el móvil. En el caso de GSM, el re enrutamiento resultante solo involucra al BSC. 25

26 Handover entre BSC (en GSM): Un nuevo canal es seleccionado en una celda administrada por el mismo BSC. El re enrutamiento resultante involucra únicamente un BSC. Handover entre MSC: Un nuevo canal es seleccionado en una celda administrada por otro BSC pero el mismo MSC. En el caso de GSM, el re enrutamiento resultante involucra dos BSCs y un MSC. Handover entre MSC: Un nuevo canal es seleccionado en una celda administrada por otro MSC en la misma red móvil. El re enrutamiento resultante involucra varios MSCs. Handover entre sistema: Un nuevo canal es seleccionado en una celda administrada por otra red móvil, con la que nuestra PLMN interfuncionando. 3.4 Arquitectura de redes móviles grandes Los elementos varios de la red núcleo (el MSC, el GMSC, el HLR, etc.) son interconectados de forma similar a los nodos locales, de tránsito y de inteligencia de red en PSTN/ISDN. En el proceso de dimensionamiento, sin embargo, los operadores deben considerar el tráfico especial y los perfiles de señalización de una PLMN; por ejemplo, el hecho de que la mayoría de las conexiones son establecidas entre un móvil y un usuario PSTN. El registro y El método de Handover entre MSCs (es decir, Handover entre MSC) también causan señalización considerable en redes móviles (aproximadamente 4% de todas las llamadas utilizan Handover entre MSC) Una red núcleo PLMN puede ser construida de acuerdo con uno de los tres principios ilustrados en la Figura 3.5. Figura 3.5 redes núcleo PLMN tres soluciones diferentes 26

27 La alternativa A muestra una solución en la que todas las MSCs están conectadas entre sí no importa la relación geográfica entre sus áreas de servicio. En la alternativa B, se introdujeron centrales tándem, y todas las rutas directas fueron retiradas para alcanzar una mayor flexibilidad. Todo el tráfico entre MSC se enruta en las centrales tándem (una solución práctica en casos donde la demanda de tráfico es dudosa). La alternativa C combina los principios de enrutamiento utilizados en A y B, con el agregado de rutas directas entre MSCs que manejan altas cargas de tráfico (resultado de Handover frecuentes y alta demanda de tráfico entre MSC). Esta es la solución óptima en la mayoría de los casos, proveyendo la mayor flexibilidad y fiabilidad a los precios de transmisión y operación más bajos. 27

28 4. Técnicas de transmisión. 4.1 Introducción Las redes móviles usan principalmente dos tipos de técnicas de transmisión: radio celular para acceso al cliente y sistemas punto a punto (incluyendo conexiones radiales) para toda la comunicación sobre el nivel de estación base. Una nueva tendencia es el uso de sistemas punto a multipunto (radio omnidireccional) para la conexión de estaciones base. La transmisión en una red móvil punto a punto difiere muy sutilmente de la técnica de transmisión utilizada en redes PSTN. En la PLMN, la red de acceso de sistemas digitales maneja canales de voz que son codificados utilizando bajos ratios de bit, lo que permite que varios canales de tráfico sean transmitidos en una conexión de 64 kbit/s (cuatro conexiones de 13 kbit/s en GSM). La conversión entre 13 y 64 kbit/s es realizada por el BSC. La mayoría de los dueños de redes móviles son operadores nuevos que no tienen redes transmisoras propias. Suelen utilizar líneas alquiladas para interconectar los elementos varios de las redes de acceso y núcleo. Alternativamente, pueden construir sus propias conexiones radiales para las comunicaciones entre estaciones base y BSCs. Lo que es típico de la transmisión en redes móviles (y verdaderamente desafiante) es el camino de radio entre la estación base y el móvil. Este capítulo lidiará únicamente con ese camino de transmisión en particular. 4.2 La radio como medio Rangos de frecuencia para transmisiones móviles La manera en la que las ondas de radio se propagan hace posible que nosotros escuchemos la radiodifusión de estaciones de radio desde el otro extremo del planeta, pese a no haber ninguna conexión galvánica entre el emisor y el receptor. Las ondas de radio son empleadas naturalmente en aplicaciones como la televisión y transmisiones de radio, pero también pueden utilizarse como alternativa al cable. Diferentes frecuencias de radio están hechas a medida para diferentes campos de aplicación: Las frecuencias bajas (por debajo de los 30 MHz) pueden propagarse alrededor del mundo utilizando la ionósfera como reflector. Esto puede utilizarse para comunicaciones a larga distancia con barcos y aviones. Por otro lado, es difícil reutilizar estas frecuencias, lo que es un prerrequisito para las comunicaciones móviles. Por ende, no sirven para utilizarse en arquitecturas celulares y, además, no proveerían ningún grado de calidad estable comparable con la calidad requerida en el PSTN. Las frecuencias entre 30 y 300 MHz son especialmente útiles para transmisiones de radio a nivel nacional. No pueden ser reflejadas por la ionósfera, son afectadas muy levemente por la atenuación y son relativamente insensitivas a obstáculos grandes como edificios y formaciones de terreno. 28

29 Figura 4.1 La propagación y utilización de diferentes rangos de frecuencia Las frecuencias en la banda entre 300 y 2000 MHz se ajustan mejor a la telefonía móvil. La atenuación no es un problema, dado el tamaño limitado de las celdas; la conexión entre emisor y receptor puede contener obstáculos pequeños sin causar problemas de interferencia. Ésta habilidad decae en frecuencias más altas, porque el radio de cobertura de una estación base es reducido con frecuencias mayores (a potencia de salida constante). Los efectos de sombreado (interferencia) aumentan en las bandas de frecuencia sobre los 2 GHz. Éstas frecuencias son más aptas para utilizarse en microceldas o en otras aplicaciones en las que no haya obstáculos a lo largo del camino de radio. La precipitación, o atenuación, comienza a reducir significativamente la propagación de ondas de radio en frecuencias superiores a los 20 GHz Problemas de transmisión en sistemas celulares La parte de la red de transmisión que utiliza la interfaz de aire debe tener en consideración varios factores: el medio de radio, el rango de frecuencia seleccionado, la topología, la técnica de transmisión empleada (analógica o digital) y la necesidad de reutilización de frecuencias. Los problemas que deben superarse generalmente están relacionados con las siguientes categorías: Pérdida de camino Desvanecimiento, incluyendo sombreado o desvanecimiento a largo plazo; y desvanecimiento Rayleigh, conocido también como desvanecimiento multicamino o por interferencia Dispersión de tiempo causada por interferencia intersimbólica generada por la propagación multicamino Alineación de tiempo (solo en sistemas digitales) Pérdida de camino 29

30 Debido a la dispersión de potencia, la atenuación teórica de la potencia de señal en espacio libre es proporcional a la distancia entre cierto punto y la antena transmisora elevado al cuadrado. Para sistemas móviles, la atenuación se incrementa en una proporción de aproximadamente la distancia elevada a la cuarta potencia. Esto se debe a que la señal es absorbida por la tierra al viajar cerca de la misma. La potencia de salida y la sensitividad receptora del móvil instaura un límite máximo al tamaño de una celda. Por sobre este límite, la potencia de la señal comienza a descender por debajo de la sensitividad del receptor, tanto en la estación base como en el móvil. La pérdida de camino afecta a la cantidad mínima de estaciones base en un área y la potencia de salida necesaria dentro de las celdas. Figura 4.2 Pérdida de camino Desvanecimiento sombreado La pérdida de camino es una atenuación teórica que ocurre en zonas sin obstáculos y que se incrementa con la distancia entre la estación base y el móvil. El desvanecimiento, por el contrario, se refiere a la atenuación que varía entre un valor máximo y un valor mínimo de manera irregular. Los móviles generalmente utilizados en una PLMN se mueven a través de áreas con obstáculos de tamaños diferentes, como montañas, edificios y túneles. Ocasionalmente, estos obstáculos interferirán o cortarán totalmente la señal. Aunque las consecuencias de este tipo de interferencia dependen del tamaño de un obstáculo y de la distancia hasta él, la potencia de señal recibida variará inevitablemente. Éste tipo de interferencia se conoce como desvanecimiento sombreado. Minimizar los efectos del desvanecimiento sombreado en una red es parte del proceso de planificación de red. Se pueden obtener resultados satisfactorios colocando las estaciones base lo más alto posible o reducir la distancia entre ellas para que los móviles puedan comunicarse rodeando obstáculos grandes cambiando de estación base. Los efectos de pérdida de camino y desvanecimiento sombreado pueden ser ilustrados por los siguientes valores. Cuando un móvil entra desde la calle a un edificio, la potencia de señal baja 10 db (el resultado de desvanecimiento sombreado). A medida que el móvil entra más profundamente al edificio, la potencia de señal baja 0.6 db por metro (el resultado del incremento en el desvanecimiento sombreado). Si el móvil sube de piso, la potencia de señal crece 1.2 db por piso inicialmente (el efecto de la reducción en la pérdida de camino). Por encima del piso 13, la diferencia se reduce a 0.05 db por piso (los efectos de la tierra en la pérdida de camino comienzan a volverse insignificantes). 30

31 Figura 4.3 Desvanecimiento sombreado Desvanecimiento Rayleigh El desvanecimiento Rayleigh, o multicamino es un tipo de desvanecimiento totalmente diferente que puede ser bastante problemático y difícil de superar. Como se ilustra en la Figura 4.4, aparece debido a que el equipo recibe varias señales que se reflejaron en objetos en la vecindad. Estas señales, que vienen de diferentes direcciones, estarán fuera de fase entre sí cuando lleguen a la antena receptora, porque viajaron diferentes distancias. A medida que el transmisor se mueve, la diferencia de fase varía y causa que las señales a veces se refuercen y otras veces se contrarresten. Esto deriva en desvanecimiento que dé a ratos muestra niveles extremadamente altos de atenuación (pozo de desvanecimiento) Figura 4.4 Desvanecimiento Rayleigh (desvanecimiento multicamino) El desvanecimiento Rayleigh es más perceptible en zonas urbanas. Un móvil de auto en la banda de 900 MHz, utilizado cuando el auto va a 50 km/h en un área densamente edificada, registrará un 31

32 desvanecimiento periódico de 10.7 ms (en otras palabras, un pozo cada 0.3 mts). Los pozos ocurren con mayor regularidad en frecuencias más altas y cuanto más rápido se mueve el móvil. Figura 4.5 Desvanecimiento Rayleigh Las estaciones base generalmente tienen dos antenas montadas a cierta distancia entre sí para contrarrestar la interferencia generada por desvanecimiento Rayleigh. Esto se conoce como diversidad de espacio. Si la distancia entre las antenas es lo suficientemente larga, sus señales no tendrán relación alguna entre sí, y el riesgo de pozos de desvanecimiento simultáneos es reducido de manera significativa. Figura 4.6 Un sistema de antena para diversidad de espacio La distancia mínima requerida para obtener una mejor recepción depende de la longitud de la señal. En la práctica, esta distancia es de unos pocos metros entre las antenas. Utilizando la diversidad de espacio, la mejora en 900 MHz podría ser de aproximadamente 9 db comparado con una instalación de antena simple. Una desventaja es el aumento en la complejidad del equipo de antenas y el aumento resultante en el costo. Una alternativa o complemento para la diversidad de espacio, que puede ser utilizada en sistemas digitales, es la introducción de saltos de frecuencia (diversidad de frecuencia). Porque la distancia entre pozos de desvanecimiento depende de la frecuencia utilizada, éstos aparecerán en diferentes distancias para diferentes frecuencias. La probabilidad de tener buena señal crece si se emplea un método de 32

33 cambios frecuentes de canales de frecuencia. La diversidad de frecuencia se puede aplicar a GSM (a la discreción del operador de red), por lo que todos los móviles GSM deben tener esa función disponible. La frecuencia se cambia más de 200 veces por segundo, de acuerdo con un algoritmo controlado por parámetros ubicado tanto en el móvil como en la estación base. A los móviles se les proveen valores de parámetros por cada celda, junto con información adicional relacionada con la celda, por uno de los canales de control. Como es obvio si se observan las figuras de la subsección, la atenuación total de la señal recibida es una combinación de tres efectos de atenuación: pérdida de camino, desvanecimiento sombreado y desvanecimiento Rayleigh. Se deben considerar los tres factores en una planificación minuciosa de celda, dado que están relacionados con el equipo de antena, potencia de transmisión y sensibilidad del receptor. La Figura 4.7 ilustra los niveles de potencia de señal a cierta distancia de la estación base. Figura 4.7 Potencia de señal recibida, distancia en metros Es evidente al observar la Figura 4.7 que el planificación de celdas no puede estar basado únicamente en la pérdida de camino y desvanecimiento sombreado. Se debe considerar el desvanecimiento Rayleigh para alcanzar un margen de desvanecimiento suficiente. Para lograr proveer comunicaciones sin errores, el valor promedio global debe ser de tantos decibeles por encima de la sensitividad del receptor como tenga el pozo de desvanecimiento más fuerte esperado Dispersión de tiempo Otro problema causado por reflexiones es la dispersión de tiempo. La Figura 4.8 ilustra la transmisión y recepción de una secuencia de bits (en este caso, un uno seguido por dos ceros). El móvil recibirá dos señales: una de ellas es una reflexión que ocurrió a un par de kilómetros del móvil. La tasa de bits del canal de frecuencia GSM es de 270 kbit/s, lo que equivale a 3.7 microsegundos por bit (un tiempo en el cual la señal viaja 1.1 kilómetros). Si la diferencia en distancia entre las dos señales es cercana a 2 kilómetros, el móvil detectará un 0 de la señal directa (el tercer bit) y un 1 de la señal reflejada (el primer bit). Este fenómeno se conoce como interferencia intersimbólica. Si la señal reflejada 33

34 es de potencia suficiente, dicha interferencia causará que el móvil tenga dificultades determinando si recibió un 0 o un 1. Mientras que el desvanecimiento Rayleigh es causado por pequeñas diferencias en distancia entre señales (decímetros o metros), la dispersión de tiempo es generada por diferencias de kilómetros. También hay que notar que la dispersión de tiempo es un fenómeno que acontece únicamente en redes digitales. Figura 4.8 Dispersión de tiempo Para neutralizar los efectos de la dispersión de tiempo, se utiliza una técnica llamada ecualización. Ésta técnica se describe en la Subsección Alineación de tiempo Si los móviles en una red móvil digital comparten un canal de frecuencia, deberán enviar sus ranuras de tiempo asignadas para evitar estallidos de superposición. El instante en el que a un móvil se le permite enviar también dependerá de su distancia de la estación base. Tanto la red como el móvil deben por ende incluir funcionalidad que continuamente regule el momento de envío (alineamiento de tiempo). La Figura 4.9 ilustra dos móviles localizados a aproximadamente la misma distancia de la estación base y a los que se les asigno las ranuras de tiempo 3 y 4. Esto significa que el intervalo entre los instantes de envío es de aproximadamente 600 microsegundos (la longitud de una ranura de tiempo) A medida que el móvil M2 se aleja de la estación base, la ranura de tiempo que utiliza (ranura de tiempo 4) será recibida por la estación base cada vez más tarde. Esto significa hay un riesgo de que las ranuras de tiempo 4 y 5 se sobrepongan entre sí (ver la imagen de abajo en la Figura 4.9). Por ende, los instantes de envío de los móviles deben ser ajustados a intervalos regulares, controlados mediante señales por la estación base. Para evitar la necesidad de ajustes frecuentes, GSM fue diseñado para incluir espacio extra equivalente a poco más de una secuencia de ocho bits (30 microsegundos) en sus ranuras de tiempo. Éste espacio es utilizado por la estación base para balancear los retrasos de tiempo entre diferentes móviles. Ajustar de manera repetitiva solo es necesario cuando el retraso de señal de cierto móvil se acerca a 30 microsegundos (aproximadamente 8 kilómetros de diferencia) en relación con su último ajuste. Las estaciones base de una red D AMPS pueden ordenar ajustes de los instantes de envío hasta una distancia de 92 kilómetros de manera continua. Ver también la Subsección 4.3.4, que se encarga de formatos de estallidos en GSM. 34

35 Figura 4.9 Alineamiento de tiempo 4.3 Técnica de transmisión para el camino de radio Las redes móviles, tanto analógicas como digitales, requieren lo siguiente: Antenas adecuadas Un método de modulación Multiplexación de frecuencias y canales Alguna forma de manejo de errores (tanto las redes móviles analógicas como digitales emplean técnicas de corrección de errores para señalización e información de control; los sistemas digitales también incluyen funciones para corrección de errores en canales de tráfico) Algunos requerimientos adicionales aplicables a redes móviles digitales: La necesidad de codificación de voz (ver Capítulo 2, Sección 2.2) Encriptación a través de la interfaz de aire. El modelo por capas mostrado en la Figura 4.10 ilustra las funciones incluidas para soportar los requerimientos mencionados anteriormente. El modelo se ajusta mejor a las redes móviles digitales. La descripción a continuación enfatiza en la técnica de transmisión para el camino de radio en GSM. Se provee una introducción corta para facilitar el entendimiento de las funciones a través de la interfaz de aire como se ve en la Figura

36 La voz es analizada en bloques de un largo de 20 milisegundos; en otras palabras, 50 veces por segundo. Incluyendo los bits de protección, los bloques de voz son representados por un total de 456 bits acomodados en ocho secuencias de bits de carga útil (payload) de 57 bits cada una. Figura 4.10 Funciones a través de la interfaz de aire Los móviles envían estallidos en cada quinto milisegundo. Entre los estallidos enviados por un móvil, otros siete móviles (en carga pico) envían en la misma frecuencia empleando multicanalización de división de tiempo (Time Division Multiplexing, TDM). Cada estallido contiene 25% del número representando un bloque, es decir, 114 bits de carga útil. La longitud de un estallido corresponde a una ranura de tiempo. Con TDM, ocho ranuras de tiempo en un marco son llevadas por un solo canal de frecuencia. En cualquier instante, varios móviles utilizan la misma ranura de tiempo pero diferentes canales de frecuencia. En uno de los canales de frecuencia, dos ranuras de tiempo en cada celda están reservadas para señalización. La técnica para ajustar una ranura de tiempo a una llamada se llama acceso múltiple de división de tiempo (Time Division Multiple Access, TDMA), ilustrada en la Figura Figura 4.11 Multiplexación de division de tiempo en canales en GSM Codificación de voz y señalización De acuerdo con la estructura en nuestros libros, hemos hablado de codificación de voz en el Capítulo 2, Sección

37 Lo que es más interesante cuando la estudiamos desde el punto de vista de transmisión es el flujo de bits de 13 kbit/s resultante del codificador de voz (correspondiente a 260 bits por bloque de 20 ms). La información del usuario es transportada por canales de tráfico. La señalización de la interfaz de aire es llevada por nueve tipos de canales de control, que se describen con mayor detalle en el Capítulo 7. La señalización normalmente representa una pequeña porción de la capacidad de transmisión total de la interfaz de aire Manejo de errores La fiabilidad del medio de radio con respecto a interferencia radial no puede compararse con la fiabilidad del cable. El medio de radio no tiene aislamiento capaz de proteger la línea. Consecuentemente, se requiere alguna forma de manejo de errores para alcanzar una calidad de transmisión comparable con la de una red fija. El manejo de errores en una red móvil incluye tanto canales de tráfico como de control y generalmente se divide en detección y corrección de errores. Los errores son detectados por bits redundantes (los bits de paridad, suma de comprobación o ambos) agregados a la información a transmitir a través de la interfaz de aire. Los errores son corregidos por retransmisión o por el uso de algún tipo de código de corrección de errores (éste último requiere bits redundantes además de los utilizados para la detección). Por razones obvias, no es conveniente retransmitir información por canales que son utilizados por telefonía (los retrasos causados por codificación de voz ya son lo suficientemente problemáticos), mientras que retransmisiones en la señalización es totalmente aceptable. Por ende, se utilizan diferentes métodos de manejo de errores en canales de tráfico y de control Manejo de errores en canales de control Métodos de manejo de errores relativamente avanzados son aplicados en redes móviles que utilizan canales de control digitales (ranuras de tiempo para señalización). En GSM, una versión rebajada del procedimiento de acceso de conexión en el D channel (LAPD) se utiliza a través de la interfaz de aire. Este protocolo de conexión se conoce como LAPDm. El protocolo emplea un modo de detección de errores basado en el uso de sumas de comprobación. Los errores son corregidos de dos maneras diferentes: o por retransmisión o simplemente descartando mensajes de señalización defectuosos. AMPS utiliza una técnica de manejo de errores más simple. Doce bits de paridad se agregan al final de cada mensaje para detección de errores, y los mensajes defectuosos son descartados. Ésta técnica asume que la recepción del mensaje es reconocida dentro de un rango de tiempo para que los mensajes mal recibidos puedan ser retransmitidos. Manejo de errores en canales de tráfico digitales El ejemplo siguiente está basado en el método de manejo de errores utilizado por GSM para información transmitida por canales de tráfico. El proceso incluye dos fases. En la primera fase, llamada codificación de canal, se agregan bits redundantes a la información. En la segunda fase, los bits son distribuidos en un número de estallidos de acuerdo a un patrón predeterminado (intercalado). La mayoría de los bits distribuidos por el codificador de voz al codificador de canal son codificados por bloque primero, lo que significa que se agregan bits de paridad para detección de errores. Luego se agregan bits adicionales (codificación de convolución) para corrección de errores. La muestra original de 260 bits ahora tiene casi el doble de tamaño (456 bits). 37

38 Figura 4.12 Manejo de errores en canales de tráfico GSM El uso de codificación de canales hace posible detector y corregir errores de un solo bit, pero uno no puede protegerse contra perturbaciones involucrando estallidos de bits erróneos (una situación bastante frecuente). El intercalado es una técnica que puede servir para solucionar este problema. El proceso de intercalado se realiza en dos etapas y no agrega bits. La primera etapa involucra romper los 456 bits en grupos de 57 bits, como se ilustra en la Figura Un estallido solo puede llevar dos grupos de este tipo (como se describe en la Subsección 4.3.4), así que si se pierden porciones de estos estallidos, solo se pierden bits errantes y estas pérdidas se distribuirán uniformemente en el bloque de voz. Los bits perdidos pueden recuperarse fácilmente mediante codificación de canal. Si se pierde un estallido entero, faltará el 25% del total de bits, y situaciones así no pueden corregirse mediante codificación de canal. Para evitar que esto suceda, la segunda etapa produce estallidos que son una mezcla de grupos de 57 bits pertenecientes a bloques de voz consecutivos. La pérdida máxima, entonces, sería de 12,5%, que puede ser corregida por codificación de canal. Sin embargo, esta técnica incrementa el retraso Encriptación La encriptación, que se ve en el Capítulo 6, Subsección 6.2.4, no implica bits adicionales Manejo de estallidos El propósito principal del manejo de estallidos es minimizar los efectos de estallidos de error de bits. GSM utiliza cuatro formatos de estallido diferentes, dependiendo del tipo de canal lógico. La Figura 4.13 muestra el formato utilizado para la mayoría de los canales lógicos (estallido normal). Cada estallido de esta índole es capaz de llevar 2*57= 114 bits de carga útil encriptados. 26 bits conocidos, localizados entre los dos bloques de bits de carga útil, son utilizados para lidiar con cualquier dispersión de tiempo y la resultante interferencia intersimbólica que pueda haber surgido (ver Subsección 4.2.2). Comparando los bits conocidos con la secuencia de señal recibida, es posible sacar 38

39 conclusiones acerca de la dispersión de tiempo. En GSM, esto se aplica a diferencias de hasta cinco kilómetros entre el camino atravesado por la señal directa y la reflejada. El patrón de bit conocido, junto con un método denominado ecualización, es utilizado para calcular que fue transmitido exactamente. Los bits cola (tail bits, T bits) marcan el principio y fin de un estallido. Figura 4.13 Un ejemplo de un formato de estallidos GSM (estallido normal) El formato de estallido también toma en consideración la necesidad de alineación de tiempo (descripta en la Subsección 4.2.2). Un espacio de buffer de 5.25 bits de largo (aproximadamente 30 microsegundos) es asignado al final de los estallidos, correspondiendo a mas o menos ocho kilómetros de diferencia en distancia. Gracias a este buffer, se logró eliminar la necesidad de ajustar los instantes de envío de los móviles al acercarse o alejarse de las estaciones base. En casos especiales, principalmente para control de Handover, puede ser necesario utilizar estallidos individuales para señalización en lugar de para voz. En situaciones de este tipo, las banderas de robo (stealing flags or S bits) son cambiadas para indicar este robo. Ver el Capítulo 7, Subsección 7.3.3, donde se ve con mayor detalle el tema de canales de control asociados rápidos (Fast Associated Control Channel, FACCH) Multiplexación de canales: canales físicos en TDMA El propósito de esta sección es describir el subproceso GSM que sigue al manejo de estallidos y que resulta en la carga del tráfico de los estallidos a canales físicos. También describimos las técnicas de sistema correspondientes en D AMPS. El subproceso descrito en sección está basado en TDMA. Como se mencionó en la introducción a la Sección 4.3, un móvil GSM envía estallidos cada quinto milisegundo. 39

40 Figura 4.14 Multiplexación de canales Cada estallido contiene 25% de los números de bits que representan un bloque de voz. La longitud de un estallido corresponde a una ranura de tiempo que puede ser considerada como un canal físico en la interfaz de aire. Solemos diferenciar entre canales lógicos, que indican cómo se utiliza un canal, y canales físicos, que representan un recurso de transmisión. Un canal físico, por ejemplo, una ranura de tiempo en un canal de frecuencia en particular en un sistema TDMA, puede ser utilizado como un transportador de un canal lógico, como un canal de tráfico (a veces abreviado como TCH), o varios canales lógicos, como varios canales de control en una estructura multimarco. Este último caso se discute en el Capítulo 7, Subsección En sistemas digitales basados en TDMA, como GMS y D AMPS, el proceso de mapeo implica que una ranura de tiempo y una frecuencia se asignan al estallido de tráfico. Si se aplican saltos de frecuencia, la frecuencia de un canal de tráfico también cambia (en GSM, poco más de 200 veces por segundo). La separación entre canales de control en GSM es de 200 khz; en D AMPS, 30 khz. En GSM, a cada celda se le provee un canal de frecuencia (C0) para canales de control. Normalmente, las ranuras de tiempo 0 y 1 (TS0 y TS1) en C0 son utilizadas para éste propósito. Las seis ranuras de tiempo restantes en C0 y todas las ranuras de tiempo en otras frecuencias son utilizadas para canales de tráfico (ver Figura 4.15). En D AMPS, cada canal de frecuencia es utilizado normalmente por tres canales de control. Los canales de tráfico transportan voz o datos (como el tráfico de Internet) entre el móvil y la estación base. Los canales son asignados por llamada. Normalmente, una ranura de tiempo es utilizada por una sola llamada (tasa completa), pero una alternativa con dos llamadas por ranura de tiempo (tasa media) también fue especificada. El canal físico en GSM (es decir, la ranura de tiempo) tiene una longitud de milisegundos. Este largo es suficiente para un estallido de canal de tráfico y un período de resguardo. Para los canales de frecuencia entre el móvil y la estación base (ascendente), se utiliza el rango de frecuencia MHz, mientras que el descendiente utiliza el rango MHz La cantidad total de canales de frecuencia dúplex es de 124, resultando en 992 canales físicos (comparado con los 823 en AMPS y D AMPS). 40

41 En contraste con AMPS, GSM no dicta cómo se pueden utilizar los 124 canales de frecuencia. Sin embargo, cada celda GSM debe tener una frecuencia C0. Todos los sistemas móviles modernos están basados en el acceso múltiple, lo que significa que todos los usuarios tienen acceso simultáneo al medio. Esto requiere un número de reglas para prevenir situaciones en las que todos los móviles hablan al mismo tiempo. El medio, que es un recurso común, debe satisfacer las necesidades de todos los usuarios. Figura 4.15 El principio de división de tiempo acceso múltiple Los canales de tráfico son asignados mediante señalización de canal de control. Cada celda en un sistema celular puede ser considerada un medio individual porque un móvil que deja la celda pierde el contacto con su estación base. Sin embargo, todos los móviles en la celda utilizan el mismo recurso de radio, principalmente, esa porción del espectro de frecuencia que fue asignada a la celda. A continuación se describirán otras dos técnicas aplicables a multicanalización de canales utilizando acceso múltiple: FDMA y CDMA Alternativa 1: Canales físicos en sistemas basados en FDMA Acceso Múltiple de división de frecuencias (Frequency Division Multiple Access, FDMA) es la técnica utilizada por sistemas telefónicos móviles analógicos, como NMT y AMPS. El principio de acceso se ilustra en la Figura El rango de frecuencia asignado a la celda consiste en un ascendente (de móvil a estación base) y un descendente (de estación base a móvil). La separación de frecuencias entre ambos debe ser lo suficientemente larga, generalmente de 45 MHz (separación dúplex), para que ninguna interferencia entre ellos aparezca en el móvil. Cada conexión es dividida en un número idéntico de canales unidireccionales. Un canal debería ser lo suficientemente ancho (2530 khz) para poder transmitir voz de calidad telefónica (aproximadamente 3 khz). Para poder utilizar la telefonía dúplex, el móvil debe tener acceso a un canal ascendente y uno descendente (dos canales combinados para formar un par de canal de tráfico) Sin embargo, una celda no consiste únicamente de canales de tráfico; cada celda contiene un número de canales predefinidos como canales de control. Dichos canales pueden utilizar el descendiente para la distribución de información de la celda y la red y para transferir pedidos de llamada llegando de la red; y deben poder utilizar la frecuencia ascendente para señalización de llamada generada por móviles. Uno o más canales pueden haber sido definidos como canales de control para señalización de doble sentido entre el móvil y la red. 41

42 Figura 4.16 La división de frecuencias principio de acceso múltiple El número total de canales de sistema FDMA es estandarizado y especificado por la agencia gubernamental que asigna frecuencias. El rango de frecuencias ascendentes en el sistema AMPS es de MHz y su rango descendiente es MHz Cada conexión contiene un total de 823 canales unidireccionales. Solo la mitad de los canales están disponibles a cualquier operador, como el estándar estipula qué canales se deberán usar como canales de control y cuáles como canales de tráfico. Una comparación entre TDMA y FDMA Las ventajas principales de TDMA con respecto a FDMA son su mayor capacidad y el hecho de que TDMA es menos sensible al ruido, así que los móviles pueden operar con menor potencia. Otra ventaja es que el móvil puede utilizar una cantidad de ranuras de tiempo libremente (como solo puede enviar en su propia ranura de tiempo). Por ejemplo, el móvil puede realizar mediciones de señal de frecuencia alternativas, un prerrequisito para Handover asistida por móvil (Mobile Assisted Handover, MAHO), como en GSM, o Handover controlada por móvil (Mobile Controlled Handover, MCHO), como en DECT Alternativa 2: Canales físicos en sistemas basados en CDMA Acceso múltiple de división de códigos (Code Division Multiple Access, CDMA) no es una nueva técnica. Ha sido utilizada en sistemas militares y para comunicaciones satelitales por muchos años, pero ahora ha comenzado a ser utilizado en aplicaciones de redes móviles. Los sistemas CDMA no están divididos en frecuencias ni en ranuras de tiempo. Todos los móviles son capaces de transmitir y recibir en toda la banda de frecuencia. En cambio, una tercera dimensión es utilizada para separar canales de tráfico, esto es, codificación. Un rasgo típico de la técnica CDMA es que todos los móviles en la red tienen asignado un código único: una secuencia de chip. Cuando un móvil quiere transmitir un flujo de bits, cambia cada bit por su código (para los unos) o por el inverso del mismo (para los ceros). La Figura 4.18 ilustra la transmisión simultánea de dos bits de dos móviles que tienen diferentes secuencias de chip. Asumimos en este ejemplo que la red utiliza secuencias de chip de ocho bits; en realidad, son mucho más largos. 42

43 Figura 4.17 El principio de acceso múltiple por división de código El resultado es que ocho bits (a los que nos referimos como chip ) son transmitidos por cada bit. Suponiendo que se utilicen los mismos métodos de modulación que en TDMA, el ancho de banda requerido será más largo. En lugar de usar unas decenas de khz para canales de voz, el chip será modulado en aproximadamente 1 MHz Por este motivo se conoce a esta técnica como técnica de dispersión de espectro. Los dos móviles en la Figura 4.18 transmiten al mismo tiempo y utilizan la misma banda de frecuencia. Consecuentemente, los flujos de chip estarán intercalados en la estación base. Cómo entonces puede la estación base separar los dos flujos de bit: 01 y 11? El método matemático es complicado. Está basado parcialmente en el hecho de que cada móvil tiene una secuencia de chip única, que la estación base conoce, y parcialmente en el hecho de que todas las secuencias de chip son ortogonalmente pares. Esto significa que si se multiplica las secuencias de chip de dos celulares cualquiera, el producto siempre es cero. Solo cuando una secuencia de chip se multiplique por sí misma, el producto será uno. Cuando el receptor debe extraer el flujo de chip para el móvil A, multiplica la secuencia de chip de dicho equipo por el flujo de chip intercalado que recibió. Así, todos los flujos de chip (excepto los pertenecientes al móvil A) son eliminados. Dicho de otro modo, es tan simple como reducir el flujo de chip al flujo de bit de A aplicando la secuencia de chip de A. Figura D.4.18 Dos móviles transmitiendo simultáneamente dos bits cada uno Modulación 43

44 La modulación, transmisión y recepción son realizadas al fondo de la jerarquía de funcionamiento, como se ve en la figura Todos los canales hacia la antena transmisora y desde la antena receptora son multiplexados y des multiplexados, respectivamente, en la estación base. Cada canal dúplex es manejado por un transceptor (TRX) separado. El móvil contiene un oscilador controlable para selección de canales y un filtro dúplex que separa las frecuencias enviadas de las recibidas. La potencia de transmisión de la estación base es de 1 a 50 W, dependiendo del tipo de sistema y el tamaño de celda deseado: una macro celda, una micro celda o una pico celda. La potencia de salida de un móvil es de 0.6 a 20 W, dependiendo en el tipo de móvil (de mano o montado en un auto). Los móviles deben ser capaces de ajustar su potencia de salida en pasos si se los ordena la estación base (regulación de potencia). La sensitividad del receptor está expresada en dbm. Los métodos de modulación descriptos en el Volumen 1, Capítulo 4, Subsección 4.4.2, también son utilizados en las redes móviles. Los sistemas analógicos emplean modulación de frecuencia, mientras que en los sistemas digitales se aplica modulación de turno de fase Antenas Los móviles vienen equipados con antenas omnidireccionales del tipo de cuarto de onda adaptado a la banda de frecuencia utilizada (450, 800, 900, 1800 o 1900 MHz). El móvil utiliza la misma antena para transmisión y recepción. La antena debe tener características de banda ancha, es decir, características de radiación similar en todo el rango de frecuencia en cuestión (para GSM, 70 MHz entre la frecuencia más alta y la más baja). La cobertura geográfica de una celda determina el tipo de antena con el que se deberá equipar la estación base. Se utilizan antenas omnidireccionales para celdas omnidireccionales, y antenas direccionales (con o sin diversidad de espacio) para celdas de sector. A veces se utilizan diferentes antenas para transmisión (alta potencia) y recepción (baja potencia), pero suelen estar montadas en el mismo mástil. Si se utiliza la misma antena para transmisión y recepción, debe estar ajustada con un filtro dúplex. La antena ideal irradia todo su poder en el plano horizontal; si fuese omnidireccional lo haría en todas las direcciones. Pero en realidad ninguna antena es perfecta, porque el mástil, la proximidad a la tierra y los objetos conductores afectan el patrón de radiación. Figura 4.19 El patrón de radiación verdadero de una estación base 44

45 La Figura 4.19 ilustra el patrón de radiación en el plano horizontal. El área gris interna muestra la radiación medida para una antena omnidireccional montada en un punto medio del mástil. Notar especialmente la forma lobulada y el efecto de pantalla del mástil en la radiación. El área externa (gris oscuro) representa la radiación de otra antena omnidireccional que está equipada con un reflector de cuarto de onda, destinado a reducir la formación de lóbulo. La elección de tipo de antena, posicionamiento de la misma en el mástil y el patrón de radiación resultante son factores importantes que los operadores deben considerar en el planificación de celdas. 45

46 5. Redes de acceso y de troncales (trunk). 5.1 Introducción En el Capítulo 4 mencionamos que la diferencia principal entre la transmisión en una red móvil y una red fija radica en los métodos de acceso. Los factores clave que las diferencian son el acceso múltiple de la PLMN y la manera en la que el contacto es mantenido entre los móviles y la red. En este capítulo, discutiremos la red de acceso vista como una infraestructura para el transporte de información de usuario y para señalización (ver Figura 5.1). Otras funciones necesitadas en la telefonía móvil (registro, configuración, autenticación, etc.) requieren bastante más inteligencia de red. La red de larga distancia (trunk) se ve como la sección de transporte de la red núcleo. Como es similar a la parte de transporte de otras redes (como la PSTN y la ISDN), no se verá aquí. Los recursos de la red de acceso en forma de canales de tráfico se ven en las Figuras 5.1 y 5.2. Entre ambas, ilustran dos aspectos de la red de acceso: Una división geográfica de la PLMN en una red de acceso y red núcleo. Aquí, todas las funciones MSC pertenecen a la red núcleo, mientras que el BSC es parte de la red de acceso. Figura 5.1 Red de acceso GSM Una división más detallada dependiente de función (ver la introducción del capítulo), donde la red de acceso es considerada un recurso para transporte de información de usuario y señalización entre móviles y el MSC. La segunda alternativa es usada únicamente cuando la funcionalidad de la red de acceso debe ser dividida en capas. Esto se aplica al Capítulo 7 en particular, pero también a la descripción dada en este capítulo. La red de acceso consiste principalmente de dos partes: la interfaz de aire y la parte fija. 46

47 Las ranuras de tiempo de TS2 a TS7 en el canal de frecuencia C0 y las ocho ranuras de tiempo de las otras frecuencias disponibles son utilizadas como canales de tráfico a través de la interfaz de aire de una celda. Esas ranuras de tiempo PCM que no están designadas para sincronización y señalización son utilizadas entre la estación base y el BSC, y entre el BSC y el MSC. Los canales de tráfico lógicos están disponibles en dos niveles: canales de tasa completa de 13 kbit/s (a nivel máximo) que interconectan los codificadores de voz del móvil y el MSC, y 64 kbit/s entre el BSC y el MSC. Si la red ofrece codificación de tasa media también, el modelo incluirá canales y codificadores de 6.5 kbit/s además de los canales y codificadores de 13 kbit/s. Mezclar los codificadores de voz en el BSC hace que sea más fácil y barato ofrecer diferentes tipos de canales de voz que si estuviesen instalados en la estación base. Para obtener canales que tengan un ancho de banda útil de 13 kbit/s y calidad aceptable a través de la interfaz de aire, necesitamos funciones para manejo de errores, encriptación y desencriptación, manejo de estallidos y similares (ver Capítulo 4, Sección 4.3). Un canal de tráfico de 33.8 kbit/s a través de la interfaz de aire es utilizado para organizar estas funciones, junto con el ancho de banda útil. Un canal de 64 kbit/s es utilizado para transportar cuatro canales de tráfico de tasa completa entre la estación base y el BSC. Esta sección no requiere bits de protección especiales. Figura 5.2 Recursos de red de acceso para canales de tráfico en GSM 5.2 La interfaz de aire La interfaz de aire es el límite compartido entre un móvil y la estación base. Físicamente, está delimitado por la estructura de celda. Las características de celdas individuales son determinadas por la estructura de las estaciones base y por los recursos asignados a las mismas Patrón de celda Los rasgos de una celda son determinados por dos factores básicos: su alcance geográfico (en la práctica, su cobertura) y las frecuencias que le fueron asignadas. El alcance geográfico de una celda es dimensionado por la elección de antena, la posición de ésta y su potencia de salida. Teóricamente, una 47

48 celda puede ser descrita como un hexágono, pero su cobertura geográfica real debe ser determinada a través de varios tipos de medidas diferentes. Cada celda recibe una cantidad de frecuencias asignadas para usarse como canales de tráfico y de control. El número de canales de tráfico es determinado por la intensidad de tráfico esperada y el límite de congestión, es decir, el GoS. La intensidad de tráfico (medida en Erlangs) es calculada con la fórmula de cantidad promedio de llamadas simultáneas por unidad de tiempo. Usando la primera fórmula de Erlang, podemos calcular el número de canales que la celda necesitará para una probabilidad dada de congestión. Ejemplifiquemos con un caso simple. Si el número promedio de móviles en una celda es de 80 y cada móvil genera un flujo de tráfico de Erlangs (correspondiendo a una llamada de 90 segundos cada tres horas), y si aceptamos la probabilidad de congestión de 2%, entonces la celda necesitará seis canales de tráfico. Si el sistema es de tipo AMPS, necesitaremos seis canales de frecuencia para tráfico aparte de los canales de control. SI el sistema es de tipo GSM, solo se necesita un canal de frecuencia (el canal C0). Las ranuras de tiempo 0 y 1 en C0 están disponibles para utilizarse como canales de tráfico. Para cubrir un área grande visitada por muchos móviles, necesitamos un número considerable de celdas, y las frecuencias disponibles deberán ser reutilizadas. Como dos celdas adyacentes no pueden utilizar las mismas frecuencias por el riesgo de interferencia, debemos establecer una distancia de reutilización para prevenir que una frecuencia dada en una celda interfiera con la misma frecuencia en otra celda (interferencia co canalizada). También debemos tener en cuenta un fenómeno relacionado: interferencia de canales adyacentes (C/A). La distancia de reutilización para las frecuencias es definida como la relación entre la potencia de señal deseada (en la celda) y la potencia de señal no deseada (en la celda más cercana con la misma frecuencia). Esta relación se llama tasa de portador a interferencia (C/I) Figura 5.3 Interferencia co canalizada En la Figura 5.3, las celdas A y B utilizan la misma frecuencia F1. Esto es aceptable mientras la C/I entre la potencia de señal de B [S (B,F1) = la potencia de señal de B en la frecuencia F1] y la potencia de señal en A [S(A,F1)] registradas en cualquier punto de la celda B exceda el valor mínimo que el sistema puede aceptar (ver Figura 5.4). Los valores mínimos son de 18 db en sistemas analógicos y de 7 db en digitales. Una definición similar se aplica a los casos de interferencia entre canales adyacentes. En GSM, el término canal adyacente denota una frecuencia que está a 200 khz de la frecuencia deseada. En AMPS, el número correspondiente es 30 khz. 48

49 Figura 5.4 Distancia de reutilización y tasa de portador a interferencia Organizando las celdas en grupos podemos asegurar fácilmente una distancia de reutilización suficiente entre dos celdas que utilicen las mismas frecuencias, ver Figura 5.5. Figura 5.5 Un patrón de celdas 7/21" para la reutilización de frecuencias La Figura 5.5 ilustra un patrón de celdas 7/21, un método común para la reutilización de frecuencias. En 7/21, el número de frecuencias disponibles es dividido en siete grupos, de A a G. Un grupo consiste en tres celdas, y las frecuencias son distribuidas a través de las tres celdas de cada grupo. Los siete grupos pueden ser organizados en una colmena que consista de 21 celdas. Una red más larga es creada agregando más colmenas (en la figura hay tres). Las celdas son dimensionadas para que la distancia entre un grupo en una colmena y el grupo correspondiente en la colmena más cercana alcance el requerimiento de C/I. Sin embargo, la intensidad de tráfico en el área geográfica cubierta no es homogénea. El hecho de que crezca con el tiempo debe ser tomado en consideración en la planificación de celdas original. Se han diseñado muchos métodos para adaptar la planificación de celdas a la situación de tráfico actual: El número de frecuencias en una celda con un volumen de tráfico grande puede ser aumentado. Hay que tener en cuenta que el requerimiento para la reutilización de frecuencias es un factor limitante. 49

50 La reutilización de frecuencias puede ser incrementada introduciendo celdas más pequeñas en áreas donde la densidad de tráfico es alta (separación de celdas) Figura 5.6 Separación de celdas En las redes con interfaces de aire analógicas, podemos incrementar la capacidad introduciendo celdas digitales. Esta solución es efectiva siempre y cuando los móviles puedan utilizar canales de tráfico tanto analógicos como digitales (modo dual). Una red que consiste en celdas de 800 MHz o 900 MHz puede ser extendida para incluir celdas de 1800 MHz o 1900 MHz también. Una transición de GSM 900 a GSM 1800 implica 2992 canales de tráfico adicionales. Los móviles deberían ser capaces de operar tanto en 800/900 MHz como en 1800/1900 MHZ (banda dual). Se pueden introducir patrones de celda jerárquicos. Las unidades móviles de rápido movimiento pueden ser remitidas a celdas grandes para reducir la carga de la red debida a Handover y registros (ver Capítulo 10, Subsección ) Asignación de canales Los canales pueden ser asignados basados en dos principios diferentes: asignación fija y dinámica. El método tradicional es el de asignación fija. Esto significa que el espectro de frecuencia es dividido en cierto número de grupos correspondiente al número de celdas en un grupo. Las celdas en el núcleo de una ciudad y otras áreas con alta densidad de tráfico son pequeñas, mientras que las celdas más largas son utilizadas para cubrir calles con tráfico relativamente escaso. Sin embargo, hay que reconocer que no es fácil prever de manera precisa la intensidad de tráfico en una celda. O tomamos numerosas mediciones o les damos grandes márgenes. La asignación dinámica de canales significa que a la celda se le permite el acceso a un canal solo cuando lo necesite. Este método tiene la interferencia en cuenta. La celda es asignada a un canal que no afectará ni será afectado por celdas adyacentes. Pero, de ser así, todas las celdas deben ser capaces de utilizar todos los canales del espectro de frecuencia, lo que requiere equipos de antena más avanzados y, por ende, resulta más caro. También diferenciamos entre dos tipos diferentes de asignación dinámica de canales: Asignación de canales basada en demanda de tráfico 50

51 La distancia de reutilización planeada se mantiene (lo que significa que hay flexibilidad limitada), pero los canales pueden ser reasignados para ajustarse a la demanda de tráfico actual. Asignación de canales basada en demanda de tráfico e interferencia La diferencia principal entre éste método y el anterior es la introducción del factor de interferencia, haciendo que la distancia de reutilización sea menos importante. Cuando los canales son reasignados, los niveles de interferencia son evaluados mediante la tasa de error de bit. De esta manera, un canal puede ser utilizado por cualquiera de las celdas, siempre y cuando no genere interferencia. El último método implica mucho menos trabajo de planificación, lo que es muy significativo en el caso de microceldas y pico celdas. Además, habrá cierto aumento en la capacidad debido a que los márgenes que se establecieron cuando se planearon las distancias de reutilización fijas suelen ser bastante generosos. 5.3 La parte fija de la red de acceso Estaciones transceptoras base y controladores de estación base Una estación base maneja la interfaz de aire para una o más celdas, siendo su tarea principal conectar el tráfico entre los móviles y el resto de la red (BSCs y MSCs). Una estación base también provee la infraestructura para los recursos asignados a una o más celdas. En la Figura 5.7, que muestra una red de acceso GSM a grandes rasgos, todas las estaciones base excepto BTS112 sirven a una sola celda, mientras que BTS112 sirve a tres celdas. Todas las estaciones base están físicamente conectadas a un sistema de transmisión caída e inserción (el modelo de la izquierda), pero en términos lógicos, cada celda debe tener sus propios canales en el sistema de transmisión (el modelo de la derecha). El dimensionamiento de la red de acceso entre el BTS y el BSC está basada en el número de canales requeridos por cada celda. Para poder determinar este número, debemos estar relativamente familiarizados con el diseño de una estación base (ver Figura 5.8) La estación base en la Figura 5.8 maneja tres celdas: A, B y C. Cada celda tiene una antena, pero las tres antenas están montadas en el mismo mástil. A cada celda se le asignó un número de unidades de canal, o transceptores (TRX), una por cada canal de frecuencia utilizado en la celda. El grupo de transceptores que pertenece a una celda se conoce como subsistema transceptor (Transceiver Subsystem, TRS) El tráfico de y hacia las estaciones base es coordinado por una unidad llamada la interfaz de radio transceptora (Transceiver Radio Interface, TRI). El TRI contiene un selector, ya que sus funciones principales son distribuir canales entre el BSC y la unidad de canal apropiada y redistribuir canales entre el BSC y las estaciones base vecinas. El TRI también puede comunicarse con el BSC mediante un canal aparte de 64 kbit/s en la conexión PCM. Este canal puede ser utilizado por el TRI y su BSC para transferir información de los canales de control y para comunicarse con respecto a la operación y mantenimiento en la estación base. El BSC utiliza el mismo canal para varias tareas, como ajustar la frecuencia y la potencia de las unidades de canal, determinar en qué celdas se deben utilizar estas unidades, desconectar unidades de canal defectuosas y recibir alarmas. 51

52 Figura 5.7 Estructuras físicas y lógicas en la red de acceso Las conexiones PCS son utilizadas para interconectar las estaciones base y conectarlas al BSC. Un TRX en GSM es utilizado para seis u ocho canales de tráfico de 13 kbit/s, dependiendo en si el canal C0 o algún otro canal de frecuencia es utilizado. Un canal PCM de 64 kbit/s puede transportar cuatro de estos canales de tráfico de y hacia el BSC. Como se ha dicho, cada TRI (y por ende, cada estación base) requiere un canal de 64 kbit/s separado. Podemos utilizar esta información, y el número de frecuencias asignadas a cada celda, para dimensionar la red de transmisión entre el BSC y sus estaciones base. Figura 5.8 Una estación base en GSM La Figura 5.9 ejemplifica la transmisión caída e inserción entre el BSC y tres estaciones base. En el ejemplo, solo una frecuencia se utiliza en la celda BTS114, lo que implica seis canales de tráfico. Esto requiere dos ranuras de tiempo PCM, y una más para el TRI en BTS114. En otras palabras, BTS114 tendrá acceso a tres ranuras de tiempo PCM en la conexión a BTS115. La conexión entre BTS115 y BTS116 portará ranuras de tiempo para tanto BTS114 como BTS115. Entre BTS116 y el BSC necesitaremos tres ranuras de tiempo para el tráfico entre el TRI y el BSC, o un total de 12 ranuras de tiempo para los 42 canales de tráfico. Esto significa que una sola conexión PCM alcanzará en nuestro ejemplo. Hay bastantes ranuras de tiempo disponibles en las conexiones PCM, además de espacio de 52

53 sobra en las ranuras de tiempo utilizadas, a menos que todos los canales de tráfico en todas las frecuencias disponibles estén ocupados. Figura 5.9 Acceso de dimensionamiento utilizando transmisión caída e inserción en GSM Controladores de estaciones base y centros de conmutación móvil El propósito del concepto de BSC en GSM es relevar al MSC en el manejo de funciones y recursos que se relacionen con el medio de radio y la movilidad de las terminales. Todos los canales de tráfico en la interfaz al MSC son de 64 kbit/s y utilizan SS7 para señalización. En estas circunstancias, el MSC tendrá la misma estructura básica de una central en la PSTN. Cuando se dimensiona la red de acceso en GSM, el operador debe determinar cómo se deberá desplegar cada BSC en relación con su MSC. Una consideración importante en este despliegue es el hecho de que un BSC puede ser más rentable si puede servir a un área de servicio MSC entera. Un BSC puede estar ubicado en el mismo lugar que el MSC o puede ser una unidad independiente desplegada lo más cerca posible a la estación base a la que sirve. Por varios motivos, la colocación puede ser la solución más económica, pero los costos de transmisión también deben tenerse en cuenta. La Figura 5.10 muestra un escenario posible. La ilustración de la izquierda muestra una sección de una red en la que el volumen de tráfico es moderado, pero en la que se espera un incremento del mismo. Consecuentemente, se colocó un BSC central en el área. Cuando el número de clientes aumente a un nivel que justifique el uso de un MSC separado, este nodo puede ser instalado a bajo costo en el mismo edificio que el BSC (como se ve en la derecha) 53

54 Figura 5.10 Despliegue de BSCs 5.4 Handover Introducción El re enrutamiento debido a Handover se describe en el Capítulo 3, Sección 3.3. Ahora describiremos el proceso que conduce a Handover. Como un móvil a menudo se mueve mientras se comunica, la señal vía acceso de radio puede deteriorarse, especialmente cerca de los límites de una celda. Para lidiar con este problema, el sistema debe chequear si un canal de tráfico disponible en una celda cercana podría mejorar la calidad de señal y, de ser así, cambiar la llamada a ese canal. Este proceso incluye tres fases: Registro continúo de la potencia de señal y tasa de señal a ruido entre el móvil y la estación base. Análisis que resulta en la selección de una celda y un canal de radio apropiado. Transición a la nueva celda y canal de radio. Las primeras dos fases se conocen colectivamente como localización Supervisión de la calidad de localización 54

55 En los sistemas digitales, la calidad de señal es supervisada mediante diferentes mediciones en cada canal de tráfico. Ahora ejemplificaremos la función de localización mediante una aplicación en sistemas analógicos. En esta aplicación, cada frecuencia es supervisada por un tono especial, llamado el tono de audio de supervisión (Supervisory Audio Tone, SAT), que se aplica al canal de tráfico. El tono está por encima del límite superior de la banda de habla y no puede ser percibido por los usuarios. La estación base envía en SAT junto a la voz al móvil, que recibe el tono y lo devuelve a la estación base, donde se miden la potencia de señal y la tasa de señal a ruido. Sin embargo, hay cierto riesgo de que el proceso resulte mal. Un canal en una estación base puede recibir un SAT no solo de un móvil en su propia celda sino de un móvil en otra celda que utiliza la misma frecuencia. Si esto sucede, la estación base puede llegar a verificar el canal erróneo y obtener una indicación engañosa. Para evitar esto, se utilizan varias frecuencias SAT (generalmente 5970, 6000 y 6030 Hz). Las celdas que utilizan los mismos canales donde los problemas de interferencia son posibles tienen SATs diferentes. Dos niveles de alarma se utilizan al medir la tasa de señal a ruido: Tasa de señal a ruido para pedidos de Handover (SNH). Tasa de señal a ruido para emisión (SNR). Si los resultados de las mediciones son menor al valor de SNH, se solicita una Handover. Si el intento de Handover falla (por ejemplo, por congestión en las celdas cercanas) y la tasa de señal a ruido sigue cayendo hasta el SNR, la llamada se desconecta. La potencia de señal registrada se compara con los siguientes niveles: Decremento de la potencia de señal (Signal Strength Decrease, SSD) inicia un pedido para reducción de potencia. Incremento de la potencia de señal (Signal Strength Increase, SSI) inicia un pedido para incremento de potencia. Relevo de la potencia de señal (Signal Strength Handoff, SSH) inicia un pedido para Handover. Bloqueo de la potencia de señal (Signal Strength Blocking, SSB) inicia un pedido para bloquear un canal de voz. Si la potencia de señal medida excede el valor SSD, al móvil se le ordena reducir su potencia de salida, ya que el exceso de la misma puede generar interferencia en otras celdas). Un incremento en la potencia de salida se requiere cuando la potencia de señal registrada no llega al valor SSI. Si la potencia de señal se reduce más, la red ordenará que la potencia de salida sea incrementada al valor máximo especificado para ese tipo de móvil. Si la potencia no se incrementa, la calidad de sonido se deteriorará, y cuando la señal haya alcanzado el valor SSH, la red intentará una Handover. El valor SSB se utiliza para medir canales de voz disponibles. Una potencia de señal excediendo al SBB indica interferencia de otra celda y causará bloqueo en el canal en cuestión. Métodos de Handover Varios métodos de Handover estandarizados están disponibles (ver Figura 5.11). En GSM, la red (es decir, el BSC) decide si El método de Handover es necesaria, mientras que en los sistemas DECT el móvil en sí mide la potencia de señal y determina la necesidad de Handover. Por supuesto, delegar el proceso de decisión al móvil reduce la carga de la red. 55

56 Figura 5.11 Diferentes métodos de Handover El método de Handover controlad por red (Network controlled Handover, NCHO) es común en sistemas analógicos. La red mide la calidad de transmisión mediante las estaciones base y decide si se deberá ejecutar una Handover. El móvil no realiza mediciones. Este método resulta en señalización intensa entre la estación base y el nodo que decide las Handover, pero, por otro lado, se minimiza la señalización en la interfaz de aire porque no hay que registrar ni transmitir valores. El método de Handover asistida por móvil (Mobile assisted Handover, MAHO) implica que el móvil mide constantemente la potencia de señal de las estaciones bases cercanas y envía los valores registrados a la estación base a la que está conectada en ese momento. Al mismo tiempo, tanto el móvil como la estación base comprueban la calidad de la conexión establecida. Basándose en estos valores, la red decide si se deberá o no realizar una Handover. Una ventaja de este método es el hecho de que la situación del móvil se tiene en cuenta, dado que el mismo realiza las mediciones. También, la necesidad de mediciones en estaciones base cercanas se reducirá drásticamente. Una desventaja (comparada con el método NCHO) es el incremento considerable en la señalización a través de la interfaz de aire. Sin embargo, a pesar de este incremento, la transferencia de valores registrados solo representa un pequeño porcentaje del tráfico total y por ende no representa un gran problema. El método de Handover controlada por móvil (Mobile controlled Handover, MCHO) se parece al método MAHO excepto por un detalle: la decisión de Handover la realiza el móvil. El resultado es un sistema que reacciona rápidamente a los cambios en el ambiente de radio. Por otro lado, puede ser más difícil cambiar las condiciones para Handover en un sistema descentralizado. En ciertas situaciones, El método de Handover puede no ser realizada. Todos los canales de tráfico en la nueva celda pueden estar ocupados, especialmente en las partes de la red donde el volumen de tráfico crece rápidamente. Además, todos los canales disponibles pueden estar bloqueados por interferencia de radio, en cuyo caso el móvil deberá permanecer conectado al canal original a pesar de la reducción en la calidad de voz. En el mejor de los casos, el móvil se acerca a una tercera celda con canales de tráfico disponibles; en el peor, la calidad de voz llega a un nivel tan bajo que se desconecta la llamada. En los países donde los diferentes operadores compiten en las mismas áreas geográficas, a veces establecen acuerdos que permiten que uno utilice los sistemas de otro. Esto significa que El método de Handover puede realizarse entre celdas vecinas que pertenecen a diferentes redes móviles Handover Un ejemplo La Figura 5.12 ilustra un caso complejo de Handover entre MSC en GSM. El móvil está en la celda BTS112 y moviéndose hacia la celda BTS211. La celda BTS112 la maneja el BSC11, que pertenece a MSC1; mientras que la celda BTS211 es manejada por BSC21, que pertenece 56

57 a MSC2. La conexión original fue establecida entre un cliente en la red fija (a través del GMSC, MSC1, BSC11 y BTS112) y el móvil. La función de localización en BSC11 identificó la necesidad de una Handover, basada en la calidad de las señales registradas por las estaciones base de BSC11. El móvil en sí también reportó la calidad de señal generada por varias estaciones base alrededor de la celda BTS112, incluyendo algunas estaciones base en celdas manejadas por otros MSCs y BSCs. Analizando toda esta información, BSC11 pudo identificar un número de celdas (generalmente las seis mejores) que proveen una calidad de señal aceptable, incluyendo BTS211. BSC11 también descubrió que no es responsable por ninguna de esas celdas. 1 BSC11 le informa a su MSC que el móvil necesita una Handover. Le indica también qué celdas son apropiadas para la misma y le da prioridad a BTS Después de analizar la situación, MSC1 le envía una señal a MSC2 requiriendo una Handover a la celda BTS211. MSC1 también le envía los datos de cliente del móvil para que los almacene en el VLR. 3 MSC2 le ordena a BSC21 que asigne un canal de tráfico disponible al móvil. 4 BSC21 asigna el canal de tráfico (si es que hay alguno disponible). 5 MSC2 le indica qué canal en BTS211 le fue asignado al móvil. Luego MSC1 y MSC2 reservan nuevos caminos para la conexión a través de sus conmutadores (switches). 6 MSC1 le ordena a BSC11 que chequee si el móvil está conectado al nuevo canal de tráfico en BTS211, y BSC11 le ordena al móvil cambiar de canal. 7 Después de que el móvil haya hecho el cambio, debe reconocer esta orden. El reconocimiento es recibido por BSC21 y retransmitido a MSC2. Si no se recibe el reconocimiento en cierto período de tiempo predeterminado, la conexión es eliminada. 8 MSC2 realiza una conexión entre MSC1 y BSC21 y envía el reconocimiento a MSC1. MSC1 establece el nuevo camino entre el GMSC y el MSC2 en su conmutador y desconecta el anterior entre el GMSC y BSC11. Luego se le ordena a BSC11 que libere el canal de tráfico original en BTS Se finalizó el proceso de Handover. SI la llamada seleccionada no acepta El método de Handover, la siguiente celda en la lista es seleccionada. 57

58 Figura 5.12 Handover InterMSC 58

59 6. Servicios de inteligencia de red y de valor agregado. 6.1 Introducción En este capítulo se verán dos aspectos de la inteligencia de red: el incremento en inteligencia requerido por las funciones de acceso de radio y movilidad de la terminal, y el rol significativo que tienen los servicios de red inteligente (Intelligent Network Services, IN Services) en las redes móviles. La mayoría de los servicios básicos en los sistemas móviles son más o menos idénticos, sin importar el operador. Pero introduciendo servicios IN, un operador puede hacer que su red sea más atractiva al público que la de sus competidores. En las redes móviles recientemente instaladas, se puede ver una tendencia a la descentralización. Para reducir la carga de la red y generar espacio para los servicios IN, los operadores mueven la inteligencia que soporta la movilidad de la terminal y la incorporan al móvil. Esto reduce la necesidad de señalización en la red, porque los móviles son más autónomos. En el sistema DECT, por ejemplo, el móvil inicia y controla las operaciones de Handover. Algunos servicios IN en las redes móviles son idénticos a los disponibles en PSTN/ISDN, mientras que otros son específicos de la PLMN. Cuando se introducen servicios IN, se recomienda empezar instalando un nodo de servicio y conmutación integrado (SSCP). A medida que la demanda de estos servicios crezca, nodos SSP independientes y un SCP común pueden ser introducidos. En una red en crecimiento, también puede ser conveniente desplegar los SSPs (que son unidades de conmutación de llamadas) lo más cerca posible a los clientes para reducir los caminos de transmisión. Integrar el SSP y el MSC en un solo elemento de red también es una alternativa viable. La Figura 6.1 ilustra este escenario. Un MSC/SSP integrado debe tener una gran potencia de procesamiento, porque el elemento de red deberá ser capaz de manejar la configuración de llamadas, registros, localización, Handover y las funciones SSP. Para asegurar un funcionamiento de alta disponibilidad, el operador suele duplicar los nodos de inteligencia de red. La IN no solo es utilizada en una o más redes móviles. En combinación con la telecomunicación personal universal (Universal Personal Telecommunication, UPT), por ejemplo, la IN también es una herramienta excelente para integrar diferentes tipos de redes portadoras, como la PSTN, ISDN, PLMN y redes basadas en satélites para comunicaciones móviles. La portabilidad de números es un servicio importante en el que los móviles se mueven de un operador a otro en el mismo tipo de red o entre diferentes redes. Figura 6.1 Escenario para servicios IN en la PLMN 59

60 6.2 Registro y localización Los conceptos de registro, localización y área de ubicación se explican en el Capítulo 1, Subsección Un ejemplo de cómo se utilizan algunas de estas funciones y rasgos se puede ver a continuación. La Figura 6.2 ejemplifica el registro y la localización en una red móvil GSM. La red está lógicamente dividida en cuatro ubicaciones de área, de LA1 a LA4, cada una correspondiente a un área de servicio BSC. 1 Cuando se enciende el móvil, se activa en LA1 (la red todavía no sabe que el móvil está activo). El móvil se conecta a la celda en la que está ubicado actualmente y se le asigna la identidad de área local (Local Area Identity, LAI) a través del canal de control de la celda. La LAI consiste de tres partes: un código de país de móvil (Mobile Country Code, MCC), un código de red móvil (Mobile Network Code, MNC) y un código de área de localización (Location Area Code, LAC); juntos forman la identidad global del área. Como el móvil todavía no está registrado como activo en la red, debe contactar al MSC y reportar su posición, es decir, LA1. MSC1 ingresa la posición del móvil en su VLR y luego envía una señal al HLR reportando el móvil activo en su área de servicio. El móvil recibe un reconocimiento, lo que concluye el proceso de registro. 2 El móvil entra en una celda de LA2, lee una nueva LAI en el canal de control y hace un nuevo registro. Esta información la recibe también el MSC1, que cambia la LAI en su VLR. Tener en cuenta que el cambio no se reporta al HLR, porque el móvil sigue en la misma área de servicio MSC. Figura 6.2 Registro y localización 60

61 3 El móvil entra en la celda LA3, y ahora el registro lo recibe MSC2. Como el móvil es nuevo en el área de servicio de MSC2, se reporta el cambio al HLR, que informa a MSC1 que el móvil entró al área de servicio de otra MSC. Consecuentemente, MSC1 lo borra de su VLR. 4 Esta es la secuencia de localización. Supongamos que el GMSC recibe una llamada dirigida al móvil después de que fue registrado en LA3. Respondiendo a una pregunta del HLR, se le informa al GMSC (indirectamente a través de un número de enrutamiento) que el móvil está en el área de servicio de MSC2. De su VLR, MSC2 descubre que el móvil fue registrado por última vez en LA3. Suponiendo que LA3 consista únicamente de celdas dentro del área de servicio de BSC21, MSC2 requisita localización de BSC21, que responde enviando una llamada de localización a todas las estaciones base en LA3. Si el móvil sigue en una celda de LA3, responderá la llamada. El ejemplo ilustra la importancia de que el móvil sea capaz no solo de registrar cuando se enciende y cuando entra en una nueva área de localización, sino también cuando se apaga. Este procedimiento se llama desprendimiento en GSM. La información que muestra si el móvil está apagado se almacena en la MSC que recibe dichos datos y en el HLR. Por ende, si un móvil que en ese momento está apagado es llamado de otra red, la llamada se detendrá al nivel del GMSC. En vez de registro automático, también se puede iniciar un procedimiento manual (mediante una tarjeta inteligente en GSM) El usuario obtiene acceso insertando la tarjeta en su móvil, y el registro procede como en el paso Estableciendo y liberando una llamada móvil La Figura 6.3 muestra cómo se establece una conexión entre un teléfono en la red fija (PSTN) y un móvil en una red móvil. 1 El cliente A de la red fija marca el número móvil del cliente B. La PSTN identifica el número y establece una conexión con la red llamada (GMSC) 2 La GMSC no sabe a través de qué MSC (o en qué red móvil que interfuncione con ella) se puede alcanzar al móvil; tampoco sabe si el móvil está disponible, ocupado, encendido o apagado. Para poder continuar, el GMSC debe requerir un número de enrutamiento del HLR. 3 La función de registro actualiza continuamente en el HLR la ubicación del móvil (es decir, en qué área de servicio MSC se puede encontrar). Asumiendo que el móvil esté encendido y disponible, el HLR puede llamar al VLR de dicha área de servicio y requerir un número de enrutamiento libre. La información del suscriptor del móvil se envía junto con el pedido. 4 El GMSC recibe el número de enrutamiento y lo utiliza para seleccionar una ruta en la PLMN. En nuestro ejemplo, el GMSC delega la llamada a MSC1. 5 El MSC1 consulta a su VLR para averiguar en qué grupo de celdas (área de localización) está el móvil en ese momento (mantener el VLR informado de la ubicación del móvil también es parte de la función de registro). El MSC1 le ordena a BSC11 encontrar el móvil. 6 El BSC11 le envía una llamada de localización a todas las celdas dentro de su área de servicio en las que puede estar el móvil. Cuando se responde la llamada, BSC11 le asigna al móvil un canal de control para señalización con MSC1. También se reserva un canal de tráfico por acceso de radio entre MSC1 y BSC11 para la llamada. 61

62 Figura 6.3 Estableciendo una conexión del PSTN a un móvil 7 La señalización entre MSC1 y el móvil se concluye con el establecimiento de un canal de tráfico a través de los enrutadores en BSC11 y MSC1. Se ha establecido una conexión entre el teléfono en una red fija y el móvil. En todo lo esencial, el procedimiento para liberar la conexión es el mismo que en las redes fijas. El procedimiento para establecer llamadas iniciadas por un móvil es más simple en lo que respecta a enrutamiento: o el GMSC no se involucra en lo absoluto (una llamada entre dos móviles en la misma red) o solo tiene que hacer una conexión con otra red móvil o fija. Una situación especial surge si a un móvil no se le puede asignar un canal de tráfico a través de la interfaz de aire porque no hay canales disponibles en la celda que está visitando. La red entonces le indicará al móvil que intente de nuevo en una celda vecina (reintento direccionado, directed retry). 6.4 Funciones de seguridad Las funciones que manejan mecanismos de seguridad son una parte importante de la inteligencia de una red móvil. Por razones obvias, la necesidad de dichas funciones son considerablemente mayores en una red móvil que en una fija; los equipos móviles son más propensos a pérdidas o robos, y el 62

63 acceso de radio invita a las escuchas no autorizadas. La seguridad en una PLMN abarca cuatro áreas: autenticación, encriptación, identificación de equipos y confidencialidad de identidad del cliente Autenticación Cuando se registra un nuevo cliente en GSM, se le da al móvil una llave de autenticación de cliente (Subscriber Authentication Key, KI) y un número telefónico, o identidad de cliente móvil internacional (International Mobile Subscriber Identity, IMSI), que son utilizados en la red para identificar al móvil. El KI y el IMSI son almacenados tanto en el móvil como en un elemento de red especial llamado AUC. El AUC utiliza el KI y el IMSI para calcular un parámetro de identificación llamado respuesta de señal (Signal Response, SRES). La SRES se calcula como una función del KI y un número aleatorio (RAND) generado por la AUC. Luego se almacenan el RAND y el SRES en el HLR para utilizarse en procedimientos de establecimiento. No se realizarán las tareas de establecimiento o registro hasta que se haya realizado la autenticación. Utilizando el IMSI del móvil, el MSC averigua del HLR el RAND y el SRES correspondientes. El RAND se envía al móvil, que utiliza sus valores de KI almacenados para calcular el SRES. Luego devuelve el SRES calculado al MSC, donde se lo compara con el SRES almacenado en el HLR. Si los valores concuerdan, se acepta el establecimiento; si no, se rechaza, Figura 6.4 Autenticación en GSM Encriptación Como las comunicaciones de radio pueden ser interceptadas por prácticamente cualquiera en los alrededores, un servicio muy importante en una red móvil es la protección contra escuchas no autorizadas. La mejor solución es una interfaz de aire encriptada, para tanto los canales de tráfico como de control. Como la encriptación de voz requiere codificación digital, no puede realizarse en redes móviles analógicas. Los canales de control pueden ser encriptados tanto en sistemas analógicos como digitales, pero es más habitual en redes móviles que utilizan canales de control digitales, como GSM y D AMPS. En GSM, la voz se encripta de la siguiente manera: 63

64 Además del SRES, el AUC calcula una llave de encriptación (Encryption Key, KC) basado en el KI y en el RAND. Esta llave se almacena en el HLR junto al RAND y el SRES. En conjunto con la autenticación, el móvil calcula un valor KC basado en el valor RAND recibido del MSC y en el valor de KI almacenado en el móvil. Si el resultado de la autenticación es aprobado, el MSC almacenará la llave de encriptación en su estación base (mediante el BSC) para utilizarla en operaciones de encriptación y decriptación. El BSC envía luego una señal de prueba (comando de modo de encriptación) al móvil. En respuesta, el móvil debería generar una señal encriptada (modo de encriptación completo) que, si el BSC puede interpretarlo, permite una señalización y comunicación continua. Todas las señales, incluyendo las de voz, son encriptadas. Figura 6.5 Encriptación en GSM Identificación de equipo El propósito de la identificación de equipo es asegurar que ningún móvil robado o no autorizado por el motivo que sea sean utilizados en la red. Para lograrlo, a cada móvil se le provee un número de equipo a prueba de falsificaciones en el proceso de manufacturación, en GSM una identidad de equipo móvil internacional (International Mobile Equipment Identity,IMEI). Durante la fase de establecimiento, el MSC puede requerir este número del móvil y luego enviarlo para confirmar en el elemento de red llamado EIR (en GSM). Si el número está bloqueado o es desconocido, el intento de establecimiento es rechazado Confidencialidad de identidad de cliente La confidencialidad de identidad de cliente significa que el operador trata de proteger el número telefónico del usuario (IMSI) de escuchas no autorizadas. Un número de cliente móvil temporal (TMSI en 64

65 GSM) es utilizado en el diálogo entre el móvil y la red, excepto por el primer intento de contacto en la fase de establecimiento. El MSC le da al móvil un TMSI aleatorio por cada establecimiento. 6.5 Servicios suplementarios distribuidos Las llamadas móviles suelen ser más caras que las llamadas en redes fijas. Además, muchos usuarios (al menos, los clientes empresariales) se suscriben a servicios en una o más redes adicionales, por ejemplo, la PSTN. Como resultado, los servicios suplementarios para control de llamadas, como bloqueo y retransmisión de llamadas son especialmente importantes para los clientes en una red móvil. 6.6 Servicios de red inteligente Número personal El servicio de número personal puede ser útil para la gente que se suscribe a servicios en más de una red. Los emisores pueden marcar siempre el mismo número: el número personal del cliente. La inteligencia de red conecta la llamada a la terminal en la que el cliente puede ser alcanzado en ese momento (quizás en otra red). La red seleccionada puede depender en el horario, la terminal que se enciende cuando se realiza la llamada o en el número de terminal temporal que el cliente tiene registrado. La Figura 6.6 muestra un ejemplo del uso de este servicio, que también puede incluir correo de voz para almacenar mensajes dejados por el emisor si el cliente no está accesible. Figura 6.6 Un solo número personal para dos clientes PLMN. Un operador puede ofrecer a sus clientes el servicio de números personales para que los conserven; por ejemplo, si ya tienen una suscripción en una red móvil analógica cuando compran un teléfono móvil digital. Por supuesto, este servicio también puede conectarse a otras redes, no solo a la PLMN VPN celular 65

66 Las redes privadas virtuales en la PLMN son conocidas como redes privadas virtuales celulares (Cellular Virtual Private Networks, CVPN). Este servicio permite que un grupo de usuarios (generalmente empleados por la misma compañía) especifiquen un plan de numeración común de números abreviados, que pueden ser idénticos a sus números de extensión de oficina. Solo se marca el número abreviado para llamadas dentro del grupo, mientras que las llamadas a clientes fuera del grupo requieren un prefijo externo para el número regular. En una CVPN, el operador de la red móvil conecta el PBX de una compañía directamente a un MSC en la red Llamadas prepagas Las llamadas prepagas pueden ser una solución atractiva cuando los clientes no tienen direcciones permanentes o referencias de crédito. Se han utilizado sistemas de pago descentralizados por operadores en países de bajos ingresos durante años. La tecnología IN posibilita la centralización de este servicio y lo hace más flexible. En GSM, los usuarios pueden acceder al servicio a través de la tarjeta SIM, que reponen con la cantidad deseada. El servicio de llamadas prepagas puede ser implementados de dos maneras. La información que muestra el balance disponible es almacenada o en la tarjeta del suscriptor o en la red. En el último caso, una base de datos en la red es actualizada cada vez que la llamada es utilizada para llamadas o recargada, y el número de tarjeta es solo una referencia a un campo en la base de datos. Muchos operadores prefieren la solución basada en red porque hace que el uso inapropiado sea más difícil. Una manera de hacer que el servicio de llamadas prepagas sea más atractivo es ofreciendo a los usuarios tarifas reducidas. Esto es financiado por el cliente, que al pagar por sus llamadas por adelantado, reduce el costo de interés del operador Servicios relacionados con la posición La red móvil es actualizada constantemente con la ubicación de cada usuario mediante las funciones de registro, y esta información puede ser usada como datos de ingreso para servicios basados en IN. Un número común para la información de tráfico local a nivel nacional o reportes meteorológicos. La información dada por la máquina anunciadora o base de datos depende de la ubicación actual del emisor. Las llamadas a una compañía con un número de cliente universal. El emisor es conectado a la oficina más cercana de la compañía. Tarifas basadas en la posición del cliente. En áreas predefinidas con tarifas especiales, el operador de la red móvil puede ofrecer llamadas con descuentos (ver Figura 6.7) en los alrededores inmediatos del cliente. De esta manera, el operador de la red móvil puede competir con operadores PSTN. 6.7 Servicios de valor agregado En las redes con terminales móviles, la necesidad de casillas de correo para voz o mensajes de fax es mayor que en la PSTN, donde los teléfonos suelen estar combinados con máquinas contestadoras. Las terminales móviles suelen ser apagadas y ocasionalmente pueden pasar por áreas donde los edificios y las colinas creen sombras de radio. Por supuesto, la PLMN también puede ofrecer otros servicios de valor agregado, como servicios de información y telefonista. 66

67 Figura 6.7 Llamadas económicas desde la zona de hogar del cliente A 67

68 7. Señalización. 7.1 Introducción La necesidad de señalización en redes móviles ha incrementado gradualmente a medida que los servicios de mensaje, roaming internacional y servicios IN (ver Capítulo 6) han sido introducidos. La estructura de señalización puede ser dividida en dos partes funcionales: La base consiste en portadores de señalización, es decir, funciones para el trasporte de información de señalización entre elementos de red. Estos portadores pueden ser tanto estandarizados o de propiedad. Figura 7.1 Portadores de señalización, protocolos e interfases de señalización en GSM. (D = DTAP = direct transfer application part; M = initial mobile station message; TCAP = transaction capabilities application part.) Los portadores de señalización transportan protocolos de señalización que definen cómo las funciones en elementos de red cooperan en la creación de servicios de red, incluyendo aspectos de operación y mantenimiento. Los protocolos de señalización son estandarizados en aquellas interfases entre elementos de red los cuales requieren funcionamiento entre equipamiento de diferentes proveedores. En GSM, la parte de aplicación móvil (Mobile Application Part, MAP) y la parte de usuario ISDN (ISUP) son usados como protocolos entre las MSCs y la GMSC. Los protocolos de señalización GSM son tratados en la Subsección 7.4. En AMPS, el protocolo EIA/TIA533 es usado en la interfaz de aire. Este protocolo también define la señalización a través de la interfaz de aire. Cada tipo de PLMN tiene su propio esquema de señalización, especialmente en las redes de acceso y a través de interfases de aire. Este capítulo da una breve descripción de señalización e 68

69 interfases asociadas a GSM. La Figura 7.1 da una imagen esquemática de los portadores de señalización, protocolos de señalización e interfases del sistema. 7.2 Interfases en GSM Interfaz de aire La interfaz de aire es llamada interfaz Um en el estándar GSM. En esta interfase, el protocolo de acceso a la conexión en el canal Dm, LAPDm, es usado acorde al estándar GSM: Controlador de estación base / Interfaz de estación base La interfaz física entre la BSC y las estaciones base (BTSs) es llamada Interfaz Abis. Las conexiones LAPD acorde al estándar GSM:08.56 son usadas para señalización. Diferentes direcciones LAPD son usadas para señales terminadas en el BTS y aquellas que pasan por la interfaz Um. Estas últimas son retransmitidas en la parte de radio de la estación base,es decir, el TRS Centro de conmutación móvil/ interfaz de control de estación base La interfase física entre el MSC y el BSC es llamada interfase A. Dos variantes del MTP/SCCP son usadas como portadores de señalización. Las señales involucradas en una conexión específica son transportadas por servicios orientados a conexiones de SCCP, mientras que otras son transportadas su servicio sin conexión. Adicionalmente, toda señalización que use SCCP es marcada por un parámetro discriminatorio que decide si la señal deberá ser retransmitida o terminada en la BSC. Esta función es parte del estándar para la parte de aplicación de sistema de estación base (Base Station System Application Part, BSSAP). El BSSAP también define el protocolo de señalización entre el MSC y el BSC. La función discriminativa en el BSSAP es llamada discriminación BSSAP, para distinguirla de la parte del protocolo de señalización. 7.3 Recursos de señalización de la red de acceso Introducción La tarea de la red de acceso es proveer a la red con recursos para el transporte de información de usuario y señalización. Estos recursos son designados en diferentes formas, dependiendo en su localización en la red de acceso. En la interfaz de aire consisten en canales de control y trafico. La Figura 7.2 muestra la configuración compleja de los recursos de señalización en una red de acceso GSM: canales lógicos y físicos (diferentes en distintas interfases de red) y funciones de retransmisión en la BTS y la BSC. La Figura 7.2 muestra como los elementos de la red GSM en la red de acceso son utilizados para proveer funciones para manejo de llamadas, autenticación, registro (actualización de ubicación), manejo de conexión, localización, Handover, control de estación base y distribución de información de red y celda (broadcast). Cada tipo de red móvil tiene su propia forma de solucionar este problema de asignación de función. En sistemas sin BSCs, la solución obvia es asignar la mayoría de las funciones al MSC, porque ellas requieren elementos de redes poderosos y este método mantiene bajo el costo de estaciones base. 69

70 Figura 7.2 Recursos de señalización de la red de acceso Canales físicos En la parte inferior de la Figura 7.2, los canales físicos son indicados por rayos eléctricos y líneas gruesas: En la interfaz de aire, el canal de frecuencia C0 y las ranuras de tiempo TS0 y TS1 en ese canal constituye los canales físicos. Cada celda tiene un canal C0 dedicado. La mayoría de los canales control lógicos para la señalización a través de la interfaz de aire son transportados por la LAPDm. En la interfase entre la estación base y la BSC, toda señalización es transportada por conexiones LAPD, que a su vez usan canales PCM. La señalización que también es transportada a través de la interfase de aire es llevadas por conexiones con 0 como la dirección identificadora de punto de acceso de servicio (Service Access Point Identifier, SAPI). Dado que un BSC es responsable por el mantenimiento de sus estaciones base, la comunicación BSC BTS es extensa. Las señales de mantenimiento son llevadas por conexiones LAPD teniendo 62 como la dirección SAPI para la estación base y 63 para el mantenimiento de LAPD. Las conexiones LAPD son a su vez llevadas por una ranura de tiempo (generalmente TS1) en el vinculo PCM que conecta una estación base a su BSC. 70

71 En la interfase entre un BSC y su MSC, hay tres niveles de canales físicos, como se muestra en la Figura 7.2. El nivel más alto es el mecanismo de discriminación del protocolo BSSAP, que distingue entre las señales que deben ser transportadas entre un móvil y el MSC y las que deben ser transportadas solo entre el MSC y el BSC. En ambos casos, las señales BSSAP son llevadas por el SCCP en SS7. Como mencionamos en la Subsección 7.2.3, todos los usos de señalización relacionados con llamadas usan el servicio orientado a conexión del SCCP, mientras que el sistema sin conexión se utiliza en todos los otros casos. SS7 normalmente usa 1 o más ranuras de tiempo en un sistema PCM. Los canales físicos (junto con las funciones de retransmisión) son usados para crear canales lógicos a través de toda o parte de la red de acceso. En la interfase de aire, estos canales lógicos son divididos en nueve tipos de canales de control y en dos tipos de canales de tráfico, todos los cuales son asignados en las ranuras de tiempo de los canales físicos. (Para la asignación de canales de tráfico, ver Capítulo 4, Subsección 4.3.5) Canales de control Los canales de control son divididos en tres clases, basados en cómo y cuándo se usan: canales de broadcast (BCH); canales de control común (CCCH);y canales de control dedicados(dcch). Figura 7.3 El sistema GSM tiene 11 canales lógicos Canales de broadcast Los canales de clase BCH continuamente envían información acerca de los parámetros de las celdas y la red a los móviles. Son unidireccionales (de la estación base al móvil) y usados conjuntamente por todos los móviles. Hay tres tipos de canales de broadcast: 71

72 Un canal de corrección de frecuencia (FCCH) lleva información de corrección de frecuencia Un canal de sincronización (SCH) lleva información de sincronización de marcos e información para identificar la estación base Un canal del control de broadcast (BCCH) lleva información específica de celdas Estos canales son mostrados en la parte inferior de la Figura 7.2 Canales de control comunes Los canales de clase CCCH son utilizados para el acceso a la red. Estos tres canales son comunes a todos los móviles. Un canal de localización (PCH) es usado por la red para llamar a las terminales Un canal de acceso aleatorio (RACH) es usado por un móvil para responder a las llamadas de localización y llamar a la red cuando el móvil inicia el establecimiento Un canal de acceso concedido (AGCH) es usado por la red para asignar un canal de control dedicado (SDCCH, ver más abajo) para la señalización continua o algún otro canal (FACCH, ver más abajo) para Handover. Todos esos canales lógicos son unidireccionales: PCH y AGCH de red a móvil; y RACH de móvil a red. Las señales enviadas en RACH, AGCH y PCH son retransmitidas mediante la estación base y transferidas desde y hacia el BCS en las conexiones LAPD (Ver Figura 7.2) Canales de control dedicados Los canales de clase DCCH son usados para la señalización entre un móvil y la red antes de y durante una llamada. Estos tres canales son asignados a conexiones individuales y siempre son bidireccionales. Un canal de control dedicado individual (SDCCH) es usado para la señalización durante la fase de establecimiento; es decir, antes de que se le asigne un canal de tráfico. Este canal también es usado para el registro, la autenticación y la señalización en relación con la liberación. Un canal de control asociado lento(sacch) es un canal de localización que el móvil utiliza para reportar continuamente la potencia de señal recibida en la celda visitada y de celdas cercanas. El SACCH no tiene la capacidad requerida para controlar el proceso de Handover. Un canal de control asociado rápido (FACCH), solo disponible en estado de conversación, es usado para operaciones de Handover. A FACCH se le asignan 20 ms del canal de tráfico cuando se requiere señalización rápida. El grupo de escucha no se percata de la pérdida de conversación de 20 ms porque la unidad receptora repite los últimos 20 ms. Hay un FACCH por cada canal de tráfico. Las señales en SACCH, FACCH y SDCCH son retransmitidas hacia el BSC a través de la estación base. Como se muestra en la Figura 7.2, las señales relacionadas con manejo de llamadas, autenticación y registro son retransmitidas mediante el SDCCH y luego enviadas al MSC. El manejo de la conexión es realizado tanto en el BSC como en el MSC. Todos los canales de control excepto el SCH y el FACCH usan LAPDm. Los siguientes comentarios completa la información dada en la Figura 7.2: Entre el BSC y las estaciones base, se utilizan conexiones LAPD para el mantenimiento de las estaciones base (función de control de base, BCF, en GSM). 72

73 Entre el BSC y el MSC, se utiliza señalización BSSAP (discriminatoria) para las tareas de localización (en el caso de una llamada a un móvil) y Handover, si el MSC está involucrado en esa Handover Registro de canales de control en canales fiscos Figura 7.4 Ejemplo del registro de canales lógicos en la ranura de tiempo, canales de frecuencia C0 Una estructura multimarcos es usado por varios canales de control en bajada (downstream). Aquí nos concentraremos en la ranura de tiempo 0 y el canal de frecuencia C0. "En bajada, la ranura de tiempo es usada para los canales de control FCCH, SCH y BCCH (todos los cuales son de tipo broadcast), y para PCH y AGCH. De subida, la ranura de tempo es usada solamente por el canal acceso aleatorio, RACH, por lo que no se necesitan multimarcos desde el móvil hacia la estación base. El multimarco cubre 51 marcos TDMA; ver Figura 7.4. Durante el tiempo que tarda para recibir los marcos (cerca de 0.25 s), el BCCS ocupa cuatro ranuras de tiempo, el SCH y el FCCH cinco cada uno, y el PCH y el AGCH juntos treinta y seis ranuras de tiempo. La ranura de tiempo 1 en el canal de frecuencia C0 es usada para los canales de control SDCCH y SACCH. Como hemos visto, el único canal de control restante en la interfaz de aire (FACCH) usa canales de tráfico (ver Subsección 7.3.3) 7.4 Protocolos de señalización en GSM Los protocolos de señalización usados en GSM aparecen en la Figura 7.5. Todos ellos, excepto ISUP, están especificados para GSM. 73

74 Figura 7.5 Protocolos de señalización en GSM Protocolos usados en la sección BSC BTS MS. Los protocolos en las interfaces Un y A (ver Figura 7.5) se ajustan al estándar ETSI. Las siguientes funciones BSC Y BTS son soportadas por estos protocolos: Envío de información de red y celda. La información se actualiza desde el BSC pero se almacena en y se envía continuamente del BTS. Localización. Esta actividad se inicializa en el MSC, que le ordena al BSC (sobre BSSMAP) que tome las medidas necesarias. El BSC, a su vez, le ordena a las estaciones base en el área de ubicación que actúen. Las BTSs involucradas envían llamadas de localización continuamente, detectan las señales de respuesta y envían reportes al BSC. También reciben llamadas inicializadas por los móviles y las envían al BSC para que actúe. Asignación y liberación de un canal de control (SDCCH). EL BSC inicializa estas actividades, y la estación base se encarga del intercambio de información de y hacia los móviles. Asignación y liberación de canales de tráfico (Traffic Channels, TCHs) en conexión con el establecimiento, la liberación y El método de Handover. El BSC inicializa estas acciones, y la estación base maneja las unidades de canal involucradas. 74

75 Identificación de Handover completadas. La estación base le reporta al BSC cuando detecta la señal del móvil en el nuevo canal de tráfico. Control de encriptación/decriptación. La estación base controla la activación y desactivación de su propia función de encriptación por orden del BSC. Control de codificadores de voz y adaptación de tasa de los canales de información. El equipo involucrado (la unidad de adaptación de tasa de transcodificación, o Transcoder Rate Adaptation Unit, TRAU) suele estar ubicada en el BSC pero controlada por la estación base, dado que se dedica a canales de tráfico individuales Mediciones de calidad de transmisión y potencia de señal en canales ocupados y disponibles en el canal ascendente. Las mediciones se realizan en la estación base, y los resultados son enviados al BSC. Mediciones de instantes de envío para móviles (alineación de tiempo). La estación base mide estos parámetros en los canales de tráfico. Los valores registrados son enviados al BSC. El protocolo de la interfaz de aire también incluye funciones que son manejadas autónomamente por la estación base: La información de sincronización e identidad de BTS es enviada continuamente desde el BTS. La función de control de frecuencia es manejada por el BTS. Las señales de control de frecuencia son enviadas continuamente del BTS. Adicionalmente, el protocolo de interfaz de aire incluye funciones para: Codificación de canal Multicanalización de canal Manejo de estallidos (ver Capítulo 5, Subsección 4.3.4) TDMA Modulación Protocolos utilizados en las secciones MSC BSC y MSC MS El protocolo de señalización BSSAP contiene los siguientes componentes: BSSMAP, DTAP y mensajes MS iníciales. La discriminación BSSAP mencionada en las Subsecciones y es una función de capa baja y por ende no se discute aquí. Los mensajes DTAP se intercambian entre el MSC y el móvil en conexión con registro y autenticación y cuando el móvil se apaga. Los mensajes DTAP son retransmitidos mediante el BSC y la estación base. Los mensajes de estación móvil inicial (Initial Mobile Station Messages, IMSMs) son intercambiados entre el MSC y el móvil en conexión con la actualización de ubicación y localización. BSSMAP es el protocolo utilizado entre el MSC y el BSC en conexión con localización, llamadas, Handover, asignaciones y mantenimiento de canales de tráfico y para iniciar la encriptación en la estación base y el móvil. Este protocolo también se usa para mantener las ranuras de tiempo en la conexión PCM entre el MSC y el BSC. Protocolos entre los centros de conmutación móviles 75

76 Cuando El método de Handover entre MSCs es ejecutada, se utiliza MAP para la señalización de Handover, mientras que se utiliza ISUP para establecer y liberar conexiones. Protocolo entre los centros de conmutación móviles de puertas de enlace y centros de conmutación móviles Se utiliza ISUP al igual que en PSTN/ISDN. Protocolos entre los centros de conmutación móviles y el HLR, VLR, AUC y EIR Se utiliza MAP para toda la señalización. Principalmente soporta los procesos de registro, señalización para números de roaming, autenticación e identificación de equipo. Protocolos para la comunicación con otras redes La parte de usuario de telefonía (Telephony User Part, TUP), ISUP y donde se utilizan los protocolos asociados a canales aplicables y variantes nacionales para la comunicación entre los elementos de red GSM y otras redes. 7.5 Un caso de tráfico en GSM Para ilustrar qué tan diferentemente interactúan los protocolos de señalización y los portadores de señalización, hemos elegido el caso de tráfico que se discutió en el Capítulo 6, Sección 6.3. El caso, que se ve en la Figura 7.6, involucra todas las interfaces y protocolos en una red GSM. 1 El cliente en la red fija marca el número de móvil del cliente B. La PSTN identifica el número y establece una conexión a la red llamada (eso es, al GMSC). En la Figura 7.6, asumimos que el protocolo de señalización entre la GMSC y la PSTN es ISUP, pero podría ser TUP o un protocolo asociado a canal. ISUP y TUP utilizan MTP como portador de señal. 2 El GMSC no sabe a través de qué MSC (o en qué red móvil que esté funcionando) puede alcanzar al móvil; tampoco sabe si el móvil está libre, ocupado, prendido o apagado. Para poder continuar, el GMSC debe requerir un número de enrutamiento al HLR. El GMSC usa el protocolo MAP para este pedido. MAP usa la parte de aplicación de capacidades de transacción (Transaction Capabilities Application Part, TCAP), que a su vez utiliza el SCCP como portador. 3 La función de registro actualiza constantemente el HLR con la ubicación del móvil (es decir, en qué área de servicio MSC puede encontrarse). Suponiendo que el móvil esté encendido y libre, el HLR llamará al VLR de ésa área de servicio para requerir un número de enrutamiento libre. La información de cliente de móvil es enviada junto con el pedido. Se utiliza el protocolo MAP para esta comunicación. 4 El GMSC recibe el número de enrutamiento y lo utiliza para seleccionar una ruta en el PLMN. En nuestro ejemplo, el GMSC retransmite la llamada a MSC1. Se utiliza el ISUP para la señalización entre el GMSC y el MSC. 5 MSC1 le consulta a su VLR para descubrir en qué grupo de celdas (área de ubicación) está el móvil en ese momento (mantener al VLR informado de la ubicación del móvil es parte de la función de registro). Entonces MSC1 le ordenará a BSC11 encontrar al móvil. La comunicación en este nivel toma la forma de señales BSSMAP en el protocolo BSSAP. Estas señales son llevadas entre el MSC y el BSC por el servicio SCCP sin conexión. 76

77 Figura 7.6 Estableciendo una conexión de la PSTN a un móvil 6 BSC11 le envía una llamada de localización a todas las celdas en las que podría estar el móvil dentro su área de servicio. El procedimiento de localización se escribe en el estándar GSM. La llamada de localización es llevada por LAPD (dirección SAPI 0) entre el BSC y la estación base, y en el canal de control PHC a través de la interfaz de aire. Luego, la llamada es contestada por el móvil. El procedimiento de respuesta se describe en el estándar GSM. La respuesta es llevada por el canal de control RACH a través de la interfaz de aire, y luego enviado al BSC en LAPD. BSC11 le asigna al móvil un canal de control (SDCCH) para señalización con MSC1. Esta información es llevada por LAPD (dirección SAPI 0) entre el BSC y la estación base, y por el canal de control AGCH a través de la interfaz de aire. También se reserva un canal de tráfico sobre acceso de radio entre MSC1 y BSC11 para la llamada. El móvil se comunica directamente con el MSC. Esta comunicación es acorde al protocolo DTAP. Las señales son llevadas por BSSAP/SCCP/MTP entre el MSC y el BSC, retransmitidas a través del BSC y llevadas por LAPD (dirección SAPI 0) entre el BSC y la estación base, y en SDCCH a través de la interfaz de aire. La señalización DTAP concluye con el establecimiento de un canal de tráfico a través de los conmutadores en BSC11 y MSC1. Un reconocimiento de esta conexión se envía al PSTN. 77

78 8. Gestión de la red. 8.1 Mediciones de tráfico El rápido incremento en el número de clientes móviles requiere mediciones frecuentes del tráfico generado. El resultado de dichas mediciones, que son utilizadas como información básica al decidir con respecto a modificaciones y extensiones en la red, indica: El tráfico de teléfono por celda: La información registrada es compilada de forma estadística por el sistema de soporte para operatividad y mantenimiento. Estas estadísticas muestran el número de establecimientos de llamada, el número de llamadas liberadas prematuramente, potencia de señal, información acerca de Handover, el porcentaje de Handover mal realizadas, y similares. Señalización por celda: las estadísticas de la señalización en las celdas muestran el número de registros, el número de llamadas a cada móvil (localización), el número de llamadas realizadas de cada móvil, el número de reintentos direccionados, las identidades de los canales de voz asignados a las llamadas y la frecuencia con la que estos canales son utilizados, el número de Handover y el número de celdas liberadas. Interfaz de aire: el número de canales de voz bloqueados, se reportan el porcentaje de tiempo bloqueado por canal de voz y la interferencia que afecta al SAT. Rendimiento: algunos ejemplos de valores de rendimiento son la calidad de voz, el número de llamadas liberadas prematuramente y la capacidad de acceso del sistema. 8.2 Soporte de operaciones Un sistema de soporte de operaciones debería tener funciones para: Procesamiento estadístico de resultados de mediciones de tráfico Configuración de red Representación gráfica del planificación de celdas Soporte para prueba de canales de radio El sistema también debe tener una base de datos conteniendo parámetros de red y sistema: Número de clientes Número de celdas Sitios de mástil Factor de reutilización para canales de tráfico Factor de reutilización para canales de control 78

79 Ajustando la potencia de salida de una estación base el operador puede cambiar los límites de una celda para ajustarse a un incremento local temporal en el volumen de tráfico. Dicho ajuste se conoce como organización de celda. Para lidiar con el incremento en el número de clientes, se deberán introducir nuevas unidades de canal (más frecuencias) y estaciones base para mantener la tasa de congestión en niveles aceptables. Esto requiere replanificación de frecuencias a intervalos regulares. Figura 8.1 Organización de celda 79

80 9 Funcionamiento entre redes. 9.1 Funcionamiento entre operadores Los arreglos que permiten que los operadores conecten sus equipos a las redes de otros no son nada nuevos. Sin embargo, los primeros arreglos de este tipo solo concernían a la capacidad de tráfico, señalización y el establecimiento de cuentas en relaciones internacionales entre operadores monopólicos nacionales. Con la llegada de las redes móviles, la competición entró al mundo de las telecomunicaciones. Los sistemas móviles también introdujeron el concepto de roaming internacional en la cooperación entre operadores en diferentes países. La competencia nacional requiere cooperación en el uso de frecuencias, planes de numeración y otros recursos. Los operadores también firman arreglos para arrendar capacidad de transmisión (tanto de larga distancia como de líneas de acceso). En muchos casos, las líneas se alquilan a operadores de red fija. Por supuesto, las negociaciones con respecto al precio y la calidad pueden ser difíciles, y la experiencia de diferentes países muestra que las autoridades nacionales a veces deberán cumplir el rol de mediadores. El roaming internacional requiere arreglos de roaming entre operadores. Hasta ahora, esto se aplica a operadores que tienen el mismo tipo de sistema móvil, como GSM. El roaming internacional actual entre sistemas basados en diferentes estándares puede ser realizado conectando un registro de localización que interfuncione entre los HLRs de los operadores (o sus equivalentes). Sin embargo, para que los clientes utilicen el mismo teléfono en áreas donde se despliegan diferentes tecnologías móviles, deberán tener terminales de modo dual. Figura 9.1 Funcionamiento entre PLMNs y la Internet 80

81 Otro tipo de funcionamiento entre operadores ocurre entre operadores móviles y los proveedores de servicio de Internet (Internet Service Providers, ISPs) cuando la Internet está conectada a la PLMN, como se muestra en la Figura Funcionamiento entre redes portadoras Sistemas celulares fijos La Figura 9.2 muestra las interfaces más importantes a otras redes. El funcionamiento con la PSTN es la configuración predominante en lo que respecta al volumen de tráfico y el número de circuitos. Una red móvil suele conectarse a la PSTN al nivel de tránsito. Las redes móviles también pueden establecer funcionamiento con redes de datos públicas, que por regla fueron alcanzadas a través de la PSTN y la ISDN. Finalmente, se puede interconectar directamente dos redes móviles. La interfaz entre la PLMN y otras redes es manejada por una GMSC. Figura 9.2 Funcionamiento entre la PLMN y la PSTN y entre la PLMN y la ISDN Sistemas celulares fijos Instalar un cable de telecomunicaciones tradicional en un terreno desigual (una región montañosa o un bosque denso, por ejemplo) puede ser una labor extremadamente intensa y cara. Además, actualizar y expandir la PSTN en una ciudad con una red de cable fuera de fecha y gastada puede tomar mucho tiempo. En casos similares, las soluciones basadas en radio suelen ser atractivas. Pueden basarse en radio en el bucle local o en sistemas celulares fijos. Por ejemplo, a los pueblos aislados en regiones de selvas se los equipa con teléfonos públicos conectados a la red de telecomunicaciones fija a través de 81

82 un PLMN. Los sistemas celulares fijos pueden ser rentables y efectivos, suponiendo que una red móvil esté disponible y que la legislación permita que la utilicen suscriptores fijos. La operatividad celular fija implica una carga más ligera en el procesador del MSC, comparado con la telefonía móvil regular. Una desventaja es el incremento en los costos de transmisión; por ejemplo, cuando un suscriptor celular fijo llama a un vecino que está conectado a la PSTN de la manera habitual. Dichas llamadas deben ser conectadas a través del PLMN y del MSC, aparte de la central PSTN local. Los clientes celulares fijos pagan las mismas tarifas que los clientes PSTN regulares. 9.3 Interacción entre servicios Telecomunicaciones personales universales La red móvil es una parte importante del UPT, y su movilidad representa un valor agregado alto Servicios de hogar en el extranjero Para competir por clientes, los operadores GSM ofrecen servicios específicos de red, generalmente basados en IN. Estos servicios pueden ser retransmitidos cuando el cliente está en un país extranjero y tiene acceso a una red móvil con la que el operador de su zona de residencia haya firmado un arreglo de roaming Aplicaciones personalizadas para lógica mejorada en redes móviles Las aplicaciones personalizadas para lógica mejorada en redes móviles (Customised applications for Mobile Network Enhanced Logic, CAMEL) es una recomendación GSM que cubre funciones y procedimientos que hacen que los servicios específicos de operadores (no estandarizados) sean disponibles para los clientes que están fuera de su propia red. El CAMEL está basado en eventos detectables y bien definidos, como el establecimiento de una llamada, la liberación, activación de servicio y registro. Cuando uno de estos eventos ocurra, la red visitada puede interrumpir temporalmente el proceso de establecimiento y contactar a un SCP en la red de residencia. En la terminología CAMEL, el SCP se conoce como ambiente de servicio CAMEL (CAMEL Service Environment, CSE). El CSE provee instrucciones acerca de cómo debe continuar el proceso. Algunos ejemplos de modificaciones a un procedimiento de establecimiento son: número B cambiado, tarifa cambiada e interrupción de proceso de establecimiento. La Figura 9.3 muestra un ejemplo de un VPN. Un cliente que tiene un servicio VPN en su red de residencia está en modo roaming en una red extranjera. Para llamar a un colega en su oficina, todo lo que debe hacer es llamar al número de extensión de cuatro dígitos de su colega. La central (SSP/MSC) en la red visitada clasifica la llamada como evento CSE, el proceso de establecimiento es momentáneamente interrumpido y se contacta al CSE en la red de residencia a través de la red de señalización. El CSE traduce el número de extensión a un número B para enrutamiento internacional y transfiere la información al MSC en la red visitada, que reanuda el proceso de establecimiento. Además de ejecución de servicios activados por eventos, CAMEL también puede pedir información en cualquier momento a red visitada acerca de la terminal del cliente; por ejemplo, en qué área de ubicación se encuentra en ese momento, si hay una llamada en progreso o si el equipo está apagado. Esta función se conoce como interrogación en cualquier momento (Any Time Interrogation). 82

83 La información que se devuelve a dicho pedido puede ser utilizada para otros servicios en la red de residencia, como servicios relacionados con la posición (ver Subsección 6.6.4). Una agencia de envíos y reenvíos puede estar actualizada constantemente de la ubicación de sus vehículos, mejorando así la seguridad, el planificación y la información a los clientes. Figura 9.3 Una VPN en una red visitada utilizando CAMEL Modo dual En áreas con una densidad extremadamente alta de clientes, los sistemas de tipo DECT pueden ser más económicos que una PLMN, como se ejemplifica en la Figura 9.4. Para los autos, sin embargo, la velocidad de las terminales favorece a la PLMN, así que una solución óptima sería un sistema que combine el PLMN con el DECT (PSTN). Con Handover constantes y móviles de modo dual capaces de utilizar ambos sistemas, una combinación así sería una solución atractiva, especialmente si resultase en tarifas más bajas que la conmutación de PLMN exclusiva. Figura 9.4 Gráficos mostrando ejemplos de diferencias de costo en tecnologías de radio 83

84 10. Planificación de la red Introducción Básicamente, los procesos de planificación e implementación para redes móviles son los mismos que para otros tipos de red. El operador bosqueja una estructura de red basado en el número previsto de usuarios, sus necesidades de servicios y su propia situación financiera estimada. Entonces establece niveles de calidad de servicio (Quality of Service, QoS) y grado de servicio (Grade of Service, GoS) apropiados, para ser capaz de poder prever con mayor precisión los volúmenes de tráfico y optimizar la red tanto técnica como económicamente. Figura 10.1 Un ejemplo de la evolución de costo de inversión total (terminal de acceso) En todos estos escenarios, las redes móviles son caracterizadas por las condiciones y propiedades especiales discutidas en este capítulo. El operador debe tener en cuenta el hecho de que la movilidad es apreciada cada vez más y que la tendencia de costo para soluciones de radio es favorable comparada con las soluciones basadas en cables (ver Figura 10.1) Aspectos de costo Un prerrequisito para el planificación de red efectivo es que el operador pueda hacer una estimación razonablemente acertada de los costos involucrados (operación y mantenimiento, licencia, hardware, software, personal, renta, instalación y transmisión). Las estaciones base requieren inversiones considerables. El número de estaciones base está determinado principalmente por la necesidad de cobertura y capacidad, pero varios factores pueden reducir los costos: menor tiempo de instalación, lugares pequeños y operación y mantenimiento fáciles de manejar. Huelga decir que un tiempo de instalación reducido implica que el sistema comenzará a rendir frutos más rápido. El costo de transmisión entre nodos de red es otro elemento importante en la lista de inversiones. En un caso normal, el operador móvil utiliza líneas arrendadas o una red de conexión de radio propia. El costo del arrendamiento de líneas varía considerablemente. Si el dueño, además de tener una posición 84

85 monopolista en redes fijas, tiene una red móvil que compite, el precio probablemente será mayor que si la capacidad de transmisión fuese arrendada de una compañía de trenes o las autoridades municipales Planes técnicos fundamentales En algunos aspectos, los planes técnicos fundamentales para una red móvil difieren bastante de los planes correspondientes para otras redes Plan de frecuencia El plan de frecuencia es mucho más importante para los operadores móviles que para otras categorías de operadores. El operador móvil debe tratar de obtener una banda de frecuencia lo más ancha posible y utilizar las frecuencias asignadas de la manera más económica posible. Los métodos disponibles para la optimización de operaciones son la reutilización de frecuencias y planificación detallado que tenga en consideración la interferencia co canalizada y la interferencia de canales adyacentes en la red. En los países donde los sistemas móviles diferentes utilizan las mismas bandas de frecuencia (NMT900, TACS, AMPS y GSM), los operadores deben tener un plan que muestre qué frecuencias utilizan los diferentes sistemas y un plan para futuras modificaciones. Los saltos de frecuencia (diversidad de frecuencia), como método para contrarrestar el desvanecimiento multicamino en los sistemas digitales, también debería seguir un plan Plan de numeración El plan de numeración para una red móvil puede estar totalmente integrado con el plan para PSTN/ISDN (E. 164), pero en la mayoría de los casos el cliente PSTN marca un código de acceso especial cuando se dirige a un cliente móvil. La recomendación I TUT E. 213 incluye un plan de numeración internacional especial para PLMN. Si un país tiene varios operadores de red móvil, pueden tener el mismo código de acceso y deben por ende coordinar sus planes de numeración Plan de enrutamiento El plan de enrutamiento debe ser suplementado con un plan que muestre el procedimiento de enrutamiento para ser utilizado en Handover entre MSC, teniendo en cuenta la estructura de red existente (ver Capítulo 3, Sección 3.3) Plan de tarifas Una llamada móvil doméstica suele ser cobrada basado en la duración de llamada y no en la distancia. En conexión con roaming internacional, sin embargo, la distancia es un factor que se debe considerar, y esto puede causar situaciones complicadas. No sería razonable cobrarle al suscriptor A con el costo extra debido al roaming a una red móvil de otro país del suscriptor B; al contrario, se le debería cobrar al suscriptor B. En las redes móviles modernas, se utiliza el etiquetamiento de peaje (toll ticketing) para lidiar con este tipo de situaciones. 85

86 Plan de sincronización Muchos operadores de red móvil extraen señales de sincronización de una red de transporte administrada por otro operador. Para este propósito, es importante tener un plan de sincronización detallado que impida que se produzcan errores por la cooperación entre operadores, como bucles en la red de sincronización. Las estaciones base deben alcanzar dos requerimientos de sincronización estrictos en un sistema digital: tiempo absoluto (cuando debe enviar) y suficiente precisión de frecuencia para evitar deslices. Otros operadores prefieren sincronizar sus redes a través de un satélite, por ejemplo, el sistema de posicionamiento global (Global Positioning System, GPS) Plan de grado de servicio Un número de factores afectan el GoS en una red móvil. El sub dimensionamiento puede generar congestión en la parte fija de la red, y a esto se le debe agregar la congestión de radio que puede ocurrir en las celdas temporalmente sobrecargadas. En una red móvil, las instalaciones de establecimiento disponibles no son el único factor que determina el GoS; otro factor es el riesgo de intentos fallidos de Handover. Este tipo de error puede resultar en desconexión de llamadas, y muchos clientes encuentran esto más irritante que un intento fallido de establecimiento. Una regla estándar es que el riesgo de desconexión de llamada debería ser entre 10 y 100 veces menor al riesgo de un intento de establecimiento de llamada fallido. Los siguientes son porcentajes sugeridos de congestión permitida máximos: MSC/PSTN: 1% MSC/MSC: 1% MSC/BSC: 0,5% Interfaz de aire: 2% 10.4 Planificación de celda La fase de planificación de celda, que también incluye planear la ubicación de las estaciones base en la red, debería dar los siguientes resultados: Cobertura completa del área de servicio Capacidad para proveer los GoS y QoS deseados a la vez que se minimiza el costo total del sistema del operador. La demanda de tráfico (es decir, el número de clientes que estarán conectados al sistema y la cantidad de tráfico que generaran) forma la base del planificación de celda. El volumen y la distribución geográfica de la demanda de tráfico pueden ser previstas utilizando información demográfica, como la 86

87 estructura de la población, la densidad de vehículos a motor, la distribución de ingresos, la densidad telefónica y datos acerca de la utilización de tierras. El resultado de esta previsión es el punto de inicio para el trabajo de planificación de celda inicial en áreas que no tienen experiencia previa con sistemas móviles. La Figura 10.2 muestra los componentes básicos del proceso de planificación de celda. Figura 10.2 El proceso de planificación de celda Plan de celda nominal Un plan de celda nominal muestra los sitios de mástil de las estaciones base, la cobertura de cada antena y la distribución de frecuencias en las celdas. Estos factores y otros están basados en la previsión de la demanda de tráfico. El plan de celda nominal suele realizarse en un patrón hexagonal. Cuando se prepara el plan de celda nominal, el operador debe tener en cuenta no solo la demanda de tráfico actual, sino también la posibilidad de separación de celdas en el futuro. Por ende, los sitios de mástil deben estar planeados para poder ser utilizados en futuras configuraciones de red. La propagación de ondas de radio es afectada principalmente por la topografía del área, pero también es afectada por el tipo de vegetación, ríos y lagos, edificios, etc. Para este propósito, se pueden utilizar diferentes mapas digitalizados y otros datos de utilización de tierras al preparar el plan de celda nominal. El operador debe intentar calcular la potencia de señal recibida en las diferentes partes de cada celda en el sistema. Como la operatividad de los sistemas celulares es limitada por la interferencia más que 87

88 por el ruido, el cálculo de interferencia co canalizada y de canales adyacentes es una parte muy importante del planificación de celda Encuestas de radio El propósito de la encuesta de radio es probar el plan de celda nominal y la potencia de señal calculada y los valores de interferencia. Se instalan transmisores de prueba movibles en los sitios de antena propuestos, y un vehículo equipado especialmente es utilizado para medir los niveles de señal recibidos en todas las partes del área de servicio. La encuesta de radio es seguida por cálculos que intentan describir aproximadamente cómo operará el sistema. Después de las modificaciones al planificación de celda que puedan llegar a necesitarse, se instala el sistema Sintonización Luego de que el sistema haya estado en uso comercial por un par de meses, debe ser sintonizado. El operador utiliza la información de tráfico recibida para decidir qué medidas son requeridas para ajustar la operación de sistema a la demanda de tráfico actual. Los siguientes son ejemplos de dichas medidas: Cambiar los parámetros para Handover en celdas individuales para transferir tráfico de una celda frecuentemente congestionada a una celda adyacente Cambiar los parámetros de enrutamiento para optimizar la capacidad de manejo de tráfico en la red núcleo Agregar celdas y frecuencias en celdas sobrecargadas y reducir el número de frecuencias en celdas que tienen un nivel de tráfico menor al esperado. Para lidiar con el número creciente de clientes móviles, debe haber márgenes para el crecimiento durante el período que sigue a la fase de planificación. Sin embargo, podría ser recomendable empezar un nuevo proceso de planificación de celda poco después de haber sintonizado el sistema Jerarquías de celda Un número de conceptos de celdas jerárquicas fueron desarrollados para asegurar una mejor utilización del número limitado de frecuencias. Celdas superpuestas En áreas con una alta intensidad de tráfico, la capacidad puede incrementarse si una celda se superpone con otra. Las dos celdas usan la misma estructura de estación base y el mismo canal de control, pero la cobertura de la celda superpuesta es limitado. Esta puede ser una solución práctica para problemas de capacidad en casos donde la demanda de tráfico cerca de la estación base es decididamente más alto que cerca de los límites de la celda. Celdas paraguas 88

89 Una celda paraguas, que cubre varias celdas más pequeñas, puede ser utilizada para eliminar brechas de cobertura y como reserva en caso de congestión de radio. Como es difícil ajustar la frecuencia (o frecuencias) de la celda paraguas a un patrón de reutilización, esta solución solo se utiliza en sistemas con frecuencias de sobra. Estructura de celda jerárquica El siguiente nivel de desarrollo después de las celdas paraguas es la estructura de celda jerárquica (Hierarchical Cell Structure, HCS), lo que significa que el plan de celda tiene tres niveles: microceldas, macro celdas y celdas paraguas. Los móviles siempre intentarán establecer contacto con la micro celda, y los móviles que se mueven a alta velocidad serán dirigidos al nivel más alto posible para minimizar el número de Handover Arquitectura de red Por supuesto, es importante establecer los límites entre diferentes áreas de centrales para utilizar óptimamente la red. Las redes sin movilidad aplican métodos probados para este propósito. El mejor patrón de límites es alcanzado determinando las posiciones geográficas de los clientes y registrando su nivel de tráfico. Una red móvil requiere métodos mucho más avanzados. Sabiendo cómo usan los clientes sus teléfonos no es suficiente; el operador también debe saber sus hábitos de viaje para poder minimizar la actividad de registro y las Handover entre MSC en la red La red de acceso Alternativas de transmisión El planificación de celdas y frecuencias suele ser cambiado frecuentemente debido al rápido incremento en el número de clientes móviles. Por ende, la parte de acceso de la red demanda gran flexibilidad. En principio, se pueden utilizar dos métodos para alcanzar dicha flexibilidad: Las estaciones base pueden utilizar la capacidad de sobra en una red de transporte existente. Esta alternativa suele realizarse en áreas metropolitanas. Los sistemas de conexión a radio pueden ser tanto de la variedad punto a punto o punto amultipunto. Ambos métodos suelen ser empleados en la red de acceso. Las reglas y regulaciones nacionales pueden definir la elección en cada caso. Posicionamiento de controladores de estación base Siempre que sea posible, la cobertura de una BSC debería ser elegida para que los límites corran a través de áreas con baja intensidad de Handover. Esto se debe a que las mayores frecuencias de Handover presentan una mayor carga para los MSCs y BSCs. Consecuentemente, los límites no deberían atravesar zonas céntricas o rutas y autopistas. 89

90 Localización de codificadores de voz Figura 10.3 Límites de BSC en zonas céntricas o cerca de rutas En los sistemas de telefonía móviles digitales, la voz es codificada a tasas de bit menores a las tasas de 64 kbit/s de las redes fijas. Esto significa que la localización del codificador de voz en la jerarquía de red es una consideración importante en el planificación de una red móvil. En teoría, la tasa de expansión de una celda en un sistema analógico podría ser de un canal por vez, mientras que en un sistema digital esta tasa expresada como número de canales no puede ser menor al número de ranuras de tiempo en un marco. Tasa de bit por canal de voz Naturalmente, introducir una tasa de medio bit en sistemas digitales afectará al planificación de red. Los canales con tasas de medio bit tendrán el doble de capacidad de los canales de tasa completa de hoy en día. Los móviles de tasa completa actuales deben seguir siendo servidos por el sistema. Esto significa que dos tasas en un sistema resultaran en tres grados de servicio diferentes: tasa completa, media tasa y tasa doble. Un móvil de tasa doble primero tratará de utilizar un canal de tasa media y luego, si no hay un canal disponible, tratará de conseguir uno a tasa completa Como tanto los móviles como la red pueden manejar ambos tipos de tasa simultáneamente, la capacidad de una celda variará dependiendo de los tipos de móvil que estén en ella en el momento La red núcleo Localización de centros de conmutación móviles La localización de MSCs depende de los hábitos de viaje esperados de los usuarios y de la solución elegida para la transmisión entre las estaciones base y el MSC. Los operadores suelen tener que elegir entre varias MSCs pequeñas y algunas grandes. Los factores a continuación se aplican al uso de un gran número de MSCs pequeñas. 90