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1 Fundamentos de la telefonía móvil 27 influenciado por los respectivos comités de estandarización de los organismos ETSI europeo, ARIB japonés y TIA americano, [DAHL98]. 2.2 La propagación radio-móvil Las comunicaciones en telefonía móvil se establecen entre dos terminales móviles o entre un terminal móvil y un terminal fijo. El establecimiento de la comunicación comprende uno o dos tramos de acceso vía radio y un tramo de la comunicación por red fija. Para garantizar la calidad de la comunicación se debe asegurar una transmisión aceptable tanto en el tramo de acceso radio como en el tramo de transmisión por red fija. A efectos prácticos, las líneas de comunicación en red fija operan con unas tasas de error de transmisión muy reducidas y los retardos de transmisión están acotados en función del servicio deseado. Por este motivo, la complejidad en el mantenimiento de la calidad de la comunicación se traslada al tramo de transmisión por vía radio, de forma que la mayoría de los mecanismos de protección del funcionamiento de los sistemas de telefonía móvil se disponen para contrarrestar los efectos negativos que se producen sobre el interfaz radio. En este apartado se introducen las características básicas que describen el comportamiento del medio de transmisión para las comunicaciones móviles. Una vez descrito dicho comportamiento se apuntan los mecanismos genéricos utilizados para contrarrestar sus efectos, de forma que en posteriores capítulos se describirán los detalles de funcionamiento de algunos sistemas de telefonía móvil característicos. En primera aproximación, la señal recibida en una comunicación móvil está sujeta a tres efectos diferenciados [STEE92], [JAKE74], [LEE93]: Pérdidas por propagación Pérdidas por configuración del terreno Pérdidas por efecto multicamino Aunque la naturaleza de cada una de las pérdidas es diferente, la señal recibida está afectada por la superposición de los tres efectos, y en muchos casos resulta difícil separar un efecto del resto debido a la interrelación que existe Pérdidas por propagación Las pérdidas por propagación son las debidas a la distancia que separa al emisor del receptor. En espacio libre, las pérdidas por propagación son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ambos: 2 P rec 1 r (2.1)

2 28 Comunicaciones móviles Donde el término cuadrático se justifica porque la potencia emitida en espacio libre se reparte sobre una superficie esférica cuya área es proporcional al cuadrado del radio de la misma. Para las comunicaciones móviles la aproximación de espacio libre no es válida, ya que como mínimo se debe contar con el efecto del terreno que sustenta emisor y receptor. Véase figura 2.3. De este modo la energía emitida se concentra sobre la mitad de la esfera descrita en el caso anterior para espacio libre, y por ello el factor de pérdidas por propagación debería ser inferior a dos. Fig. 2.3 Efecto del terreno en la propagación En la práctica, con motivo de la reflexión de la señal sobre el suelo se produce un cambio de fase en la señal reflejada, esto conduce a una suma de señales destructiva debido a la reducida diferencia en los caminos recorridos por el rayo directo y el rayo reflejado en la mayoría de los casos. Esto implica que, contrariamente a lo anticipado, el factor de pérdidas por propagación será superior a dos. Además, en un caso más realista se deben contabilizar las contribuciones de las reflexiones sobre otros elementos que rodean emisor y receptor, de manera que el factor de pérdidas por propagación resulta de la composición de todas las señales recibidas. Esto implica que dicho factor de pérdidas por propagación será variante, dependiendo del entorno de operación del sistema. Los entornos de operación se clasifican en función del tipo y número de elementos que rodean a emisor y receptor. Una clasificación sencilla distingue tres tipos de entorno: entorno urbano, entorno suburbano y entorno rural. Para el entorno urbano las edificaciones que rodean emisor y receptor son abundantes y de dimensiones considerables. Para entorno suburbano las edificaciones son mucho más dispersas y de dimensiones reducidas. Para entorno rural las edificaciones son escasas y dispersas, siendo este entorno el más parecido al espacio abierto. Diferentes estudios de campo han proporcionado unos valores típicos del factor de pérdidas por propagación en cada uno de estos tres entornos, según se refleja en la tabla 2.3. Tabla 2.3 Factores de pérdidas por propagación Entorno Factor de pérdidas por propagación Urbano 5 Suburbano 4 Rural 3

3 Fundamentos de la telefonía móvil 29 El valor del factor de pérdidas por propagación queda justificado en parte, tal y como se acaba de comentar, con ayuda del efecto multicamino. En la práctica, como ya se ha dicho, los tres efectos (propagación, efectos del terreno y multicamino) están interrelacionados, por lo que resulta difícil aislar uno del resto. Por tanto, sólo se puede apuntar una tendencia en cuanto a los valores numéricos que adopta el factor de pérdidas por propagación y esto no impide, a su vez, que sea variante en el tiempo Pérdidas por configuración del terreno Las pérdidas por configuración del terreno, también llamadas desvanecimientos lentos, resultan, como su nombre indica, del entorno que rodea en cada momento emisor y receptor. Sin embargo, a diferencia del efecto multicamino, dichas pérdidas tienen una variación temporal lenta. Los desvanecimientos lentos se deben, por lo general, a la presencia de algún obstáculo de grandes dimensiones que impide la visión directa entre emisor y receptor. Esto contribuye con una atenuación adicional que se suma a las pérdidas por distancia. Las grandes dimensiones del obstáculo provocan un efecto que perdura mucho más en el tiempo que las atenuaciones por efecto multicamino, aunque la duración real de dicho desvanecimiento lento está sujeta a la velocidad de desplazamiento del terminal móvil. La estadística más utilizada para simular dicho efecto es la estadística Log-normal. Es decir, expresadas las pérdidas por configuración del terreno en forma logarítmica, su estadística será normal o Gaussiana con una desviación típica variante según el entorno de estudio escogido. La función densidad de probabilidad de las pérdidas por configuración del terreno es la mostrada en la expresión 2.2. f () r = 1 exp 2π σ ( r m) 2 2σ 2 (2.2) Los modelos de canal en simulaciones del comportamiento de una comunicación móvil suelen tomar desviaciones típicas del orden de 8 db [VITE95], [GILH91] Pérdidas por efecto multicamino El canal radio se puede observar en una escala temporal reducida a través de su respuesta impulsional [ROSS94]. En ella se aprecian dos características dominantes, el delay spread y el Doppler spread. El delay spread tiene como efectos directos la dispersión en el tiempo y el consiguiente desvanecimiento selectivo en frecuencia, mientras el Doppler spread da lugar a la dispersión en frecuencia y el desvanecimiento selectivo en el tiempo. Ambas características, delay spread y Doppler spread, son producto del efecto multicamino de las comunicaciones móviles. En la mayoría de los casos no existe visión directa entre transmisor y receptor, de modo que la señal recogida en el receptor es la suma de muchas señales procedentes de

4 30 Comunicaciones móviles sucesivas reflexiones producidas sobre los elementos que rodean emisor y receptor hasta llegar a la antena receptora. La señal suma de todas las reflexiones es la señal sujeta al efecto multicamino. La estadística más comúnmente utilizada para simular dicho efecto suele ser la estadística Rayleigh, cuya función densidad de probabilidad del valor de la atenuación es la que se presenta en la expresión 2.3. f 2 r r exp σ 2 σ () r = 2 2 (2.3) Delay spread El delay spread caracteriza los sucesivos ecos de señal recibidos. Estos ecos introducen una dispersión temporal sobre la señal transmitida, de modo que la suma de todos los ecos tiene como efecto un filtrado selectivo en frecuencia, es decir, la señal sufre atenuaciones diferentes a frecuencias distintas. Dos frecuencias cuya separación sea superior al inverso del delay spread sufrirán diferente atenuación. Por contra, si la separación frecuencial es inferior al inverso del delay spread tendrán una atenuación semejante. Es por ello que el carácter selectivo del canal en frecuencia depende del ancho de banda de la señal transmitida comparado con el inverso del delay spread, también denominado ancho de banda de coherencia del canal. Las señales con ancho de banda reducido en comparación con el ancho de banda de coherencia del canal sufren una atenuación plana en frecuencia. Las señales con ancho de banda del mismo orden de magnitud que el inverso del delay spread se ven sometidas al conocido efecto de interferencia intersimbólica. Estas últimas precisan de elementos de ecualización. Y por último, en señales con ancho de banda muy superior al ancho de banda de coherencia del canal, el receptor es capaz de distinguir los sucesivos ecos de señal recibidos y utilizarlos para combinarlos coherentemente antes de la decisión de la señal recibida. Este último es el caso de las transmisiones por espectro ensanchado. Doppler spread Otra característica del efecto multicamino es la varianza en el tiempo de propagación del canal de transmisión o Doppler spread consecuencia del desplazamiento del terminal móvil durante la comunicación. Esto provoca desvanecimientos selectivos en el tiempo que distorsionan la señal recibida. La dispersión frecuencial se traduce en una alteración del ancho de banda de la señal transmitida produciendo ensanchamientos o estrechamientos de la misma. Si la señal transmitida es de corta duración temporal, se observa un canal invariante en el tiempo. Por contra, a medida que aumente la duración de la señal, el canal tiene más tiempo para variar y en consecuencia distorsionar la señal transmitida. Por tanto, como en el caso del delay spread, la distorsión temporal es relativa al ancho de banda de la señal transmitida.

5 Fundamentos de la telefonía móvil 31 Se define un tiempo de coherencia del canal, tiempo en el cual el comportamiento del mismo es aproximadamente invariante. Para tener un orden de magnitud, se cuantifica dicho tiempo de coherencia como el inverso de la máxima frecuencia Doppler, que depende de la velocidad de desplazamiento del terminal móvil cuando éste se mueve en la misma dirección que la de propagación de la señal transmitida entre emisor y receptor. Para los sistemas celulares actuales, el ancho de banda de la señal es muy superior a la máxima frecuencia Doppler, de modo que las alteraciones en el ancho de banda de la señal recibida son despreciables. Por otra parte, un efecto colateral que puede causar una velocidad de desplazamiento excesiva del terminal móvil son los desplazamientos espectrales que ello conlleva y que pueden impedir el seguimiento frecuencial por parte del receptor del canal utilizado en la comunicación. Por otro lado, el tiempo de coherencia del canal es un parámetro muy útil de cuantificar para poder dimensionar a priori la profundidad de entrelazado a aplicar para eliminar los errores a ráfagas que se producen durante un desvanecimiento profundo. 2.3 Los sistemas celulares Los sistemas de primera generación fueron los primeros sistemas celulares. El concepto de sistema celular introduce nuevos procedimientos sobre los sistemas de telefonía móvil, uno de ellos es el traspaso de llamada. Con este nuevo procedimiento se gestiona el cambio de canal utilizado para la comunicación en una celda por otro nuevo canal de la celda de destino, es decir, el traspaso de llamada se produce cuando el terminal móvil abandona una celda para introducirse en otra. Otro procedimiento característico de los sistemas celulares es la búsqueda de un móvil para el establecimiento de una llamada dirigida hacia este. La ubicación del terminal móvil es ambigua, se desconoce la celda donde se encuentra y el establecimiento de una comunicación requiere realizar una localización. Para ello se hace necesario enviar un mensaje de búsqueda sobre el conjunto de celdas donde puede encontrarse el terminal móvil, a la espera de que el terminal móvil responda a través de una estación base determinada, y de este modo comunica indirectamente su posición. Por último, se introduce el procedimiento de actualización de posición. Sirve para facilitar la búsqueda del terminal móvil cuando se realiza una llamada hacia éste, como se ha descrito en el párrafo anterior. Este procedimiento reduce la ambigüedad en la ubicación del terminal móvil a unos límites razonables que proporcionan un tiempo de respuesta aceptable en la localización del móvil sin sobrecargar en exceso la red. Para ello el conjunto de celdas que constituyen el área de servicio de un operador de telefonía móvil se subdivide en áreas de localización, agrupaciones de celdas que emiten el mismo identificador de área de localización. Cuando un móvil detecta el identificador de área de localización, lo compara con el que guarda en memoria de la última actualización de posición que realizó. Si este identificador coincide, el terminal móvil no realiza ninguna acción extra. En cambio, si el móvil detecta que los identificadores de área de localización no coinciden, inicia el procedimiento de actualización de posición para indicar al sistema que ha abandonado un área de localización para entrar en otro diferente. De este modo el sistema conoce la localización de sus terminales móviles en todo momento con una ambigüedad equivalente al tamaño del área de localización. Si el sistema

6 32 Comunicaciones móviles precisa conocer con mayor exactitud la posición de un terminal móvil, concretamente en el proceso de establecimiento de una llamada dirigida hacia éste, se inicia el proceso de búsqueda del móvil, que concluirá con la localización a nivel de celda del terminal móvil buscado. Fig. 2.4 Áreas de localización y búsqueda de un móvil Dentro del contexto de lo explicado en párrafos anteriores, el conjunto de procedimientos asociados a un sistema telefonía móvil celular se puede clasificar en: Procedimientos de establecimiento de comunicación Procedimientos de actualización de posición Procedimientos de traspaso de llamada Y dentro de los procedimientos de establecimiento de comunicación existe una fase correspondiente al procedimiento de búsqueda del terminal móvil para las llamadas dirigidas hacia un terminal móvil Procedimiento de establecimiento de comunicación Existen dos tipos de procedimientos de establecimiento de comunicación: el procedimiento de establecimiento de conexión para llamada entrante, es decir, la llamada dirigida hacia un terminal móvil, y el procedimiento de establecimiento de conexión para llamada saliente, la llamada iniciada desde un terminal móvil. Las llamadas iniciadas desde el terminal móvil tienen una fase inicial de acceso al sistema para la solicitud de un canal de comunicación radio y una posterior autenticación del dispositivo móvil que es común a la fase inicial de otros procedimientos, como puede ser la actualización de posición. Una vez establecida la conexión con la red, se inicia el diálogo de establecimiento de la comunicación mediante un intercambio de mensajes que se asemeja al establecimiento de llamada para un abonado de acceso desde la red fija. La llamada dirigida hacia un terminal móvil tiene una fase inicial de búsqueda del terminal móvil. El terminal móvil escucha a través de un canal de broadcast los mensajes de búsqueda que se emiten hacia todos los terminales móviles que son llamados. Si dicho terminal móvil se identifica como uno de los buscados, contesta a la petición de búsqueda a través de la estación base más próxima, de modo

7 Fundamentos de la telefonía móvil 33 que automáticamente proporciona información sobre su posición y se establece el canal de conexión con la estación base. Posteriormente continúa el diálogo con la red que concluye el establecimiento de la llamada. Los detalles de ambos procedimientos de establecimiento de llamada se ven en el capítulo 3 dedicado al sistema GSM. En este capítulo se verán los elementos de red fija implicados en ambos procedimientos, así como los mensajes intercambiados. Con carácter anecdótico cabe comentar que se está estudiando para los sistemas de tercera generación la posibilidad de utilizar estrategias de búsqueda inteligente de los terminales móviles. Estos mecanismos realizan cálculos de probabilidad sobre la posible ubicación de un determinado móvil para diferentes celdas. Para poder aplicar este tipo de búsquedas es necesario disponer de información adicional, como puede ser la celda a través de la cual se realizó la última actualización de posición, o algún patrón de la ruta de desplazamiento del terminal móvil entre el domicilio del abonado y su lugar de trabajo. Todo ello sirve para discriminar unas celdas de otras asignando diferente probabilidad de localización del terminal móvil. En un caso sencillo se parte de un área de localización de N celdas y se toma un subconjunto de M celdas para las que el móvil estará ubicado con mayor probabilidad. Área de localización N celdas M celdas de mayor probabilidad Fig. 2.5 Áreas de paging inteligente Cuando se realiza la búsqueda de un terminal, primero se envían los mensajes de búsqueda en las M celdas de mayor probabilidad. Si el terminal móvil no responde, se envían los mensajes de búsqueda al resto de celdas del área de localización. Sea p la probabilidad de que el móvil esté ubicado en las M celdas, así el número medio de mensajes de búsqueda por usuario que se envían al utilizar la búsqueda inteligente es: Númeromedio = M + 1 ( p) ( N M ) (2.4) El número de mensajes de búsqueda que se envían si no se utiliza búsqueda inteligente es N, mientras que utilizando búsqueda inteligente siempre será menor o igual, igual en el peor de los casos con p=0. Sin embargo, este tipo de búsqueda tiene como inconveniente el incremento del tiempo de respuesta a la búsqueda en el establecimiento de llamada si no se localiza al móvil en las M celdas más probables, ya que en ese caso es necesario realizar dos envíos de mensajes de búsqueda.

8 34 Comunicaciones móviles Procedimiento de actualización de posición El procedimiento de actualización de posición ya se ha comentado con anterioridad. Su ejecución se puede realizar en diferentes contextos dependiendo de las celdas origen y destino implicadas. Si ambas celdas pertenecen al mismo controlador de la base de datos que almacena la información relativa a la ubicación del terminal móvil, se dice que se está realizando una actualización de posición intra-vlr, donde VLR, como se verá en el capítulo 3 dedicado al sistema GSM, corresponde a las siglas Visitor Location Register, registro de localización de los terminales móviles visitantes. La denominación intra-vlr indica que el mismo elemento VLR controla ambas celdas. En caso contrario, la actualización de posición será inter-vlr, lo cual implica un incremento en la complejidad de ejecución del procedimiento en cuestión. MSC VLR MSC VLR BTS BTS BTS BTS BTS BTS Área Localización 1 Intra-VLR Inter-VLR Área Localización 2 Área Localización 3 Fig. 2.6 Tipos de actualización de localización Cuando un terminal móvil se desplaza por los bordes de dos áreas de localización, es posible que con su desplazamiento esté provocando sucesivas actualizaciones. Para evitar este efecto se utiliza el margen de histéresis de reselección de celda, que se verá en el próximo apartado y que evita cambiar constantemente celda y en consecuencia de área de localización.

9 Fundamentos de la telefonía móvil Procedimiento de traspaso de llamada El procedimiento de traspaso de llamada también es diferente en función de las celdas origen y destino. En esta ocasión las diferencias vienen marcadas por el elemento controlador de estaciones base. Si las celdas origen y destino pertenecen al mismo controlador, Base Station Controller, el traspaso de llamada es intra-. Si no es así, pero ambas celdas pertenecen a dos s, que a su vez pertenecen al mismo elemento de conmutación, MSC Mobile Station Switching Center, el traspaso de llamada es inter-. Si esta última situación no se da, el traspaso de llamada es inter- MSC. MSC MSC BTS BTS BTS BTS BTS BTS Intra- Inter- Inter-MSC Fig. 2.7 Tipos de traspaso en función de los elementos que participan Cuando un terminal móvil se desplaza por los bordes de dos celdas, es posible que con su desplazamiento provoque sucesivos traspasos de llamada entre estas dos celdas, también conocido como efecto ping-pong. Fig. 2.8 Efecto ping-pong por sucesivos traspasos de llamada

10 36 Comunicaciones móviles Para evitar este efecto se utiliza un margen de histéresis. Con un umbral de histéresis, es necesario que el terminal móvil esté fuera de su celda con un determinado margen antes de que se produzca el traspaso de llamada. Si en la figura anterior se aplica histéresis positiva, se evitan los continuos traspasos, ya que la celda origen tiene una cobertura superior a la que tendría si no contase con el margen de histéresis. Histéresis Fig. 2.9 Histéresis positiva La histéresis puede ser tal y como se ha representado en la figura 2.9 (histéresis positiva) o puede ser histéresis negativa, como la representada en la figura 2.10, de modo que la llamada quede confinada en la celda origen, ya que la célula destino tiene una cobertura equivalente menor que sin histéresis. Histéresis Fig Histéresis negativa Si a pesar de los márgenes de histéresis se produce el traspaso, la motivación del mismo permite clasificarlos en tres tipos: Traspaso de rescate: el cambio de canal se produce porque la comunicación establecida tiene una calidad inferior a un cierto umbral.

11 Fundamentos de la telefonía móvil 37 Traspaso de tráfico: se produce este tipo de traspaso cuando una celda está al borde de su capacidad y alguna o algunas de las comunicaciones se traspasan a celdas vecinas que disponen de canales libres descongestionando la celda original. En este tipo de traspasos, la histéresis negativa se aplica a la celda congestionada y por tanto los móviles que están más cerca del borde de la celda son los candidatos a realizar el traspaso de tráfico. Traspaso de confinamiento: se produce este tipo de traspaso con el fin de confinar los móviles a su estación base más cercana a pesar de que reciban mayor calidad con una estación base distinta. A su vez, se puede distinguir el traspaso dependiendo de quién realiza el control y decide si se realiza el traspaso. Los tres tipos de traspasos son: Decidido por la red: En este caso, el móvil no realiza ningún tipo de actividad relacionada con el traspaso. La red se encarga de tomar las medidas necesarias y determinar cuándo se realiza el traspaso y hacia qué nueva estación base. Asistido por el móvil: El móvil contribuye al traspaso tomando medidas de la calidad de la comunicación, reporta las medidas a la red fija que se encarga de decidir cuándo y hacia dónde se realiza el traspaso. Decidido por el móvil: El terminal móvil en este caso toma las medidas y decide cuándo se realiza el traspaso y hacia qué nueva estación base Técnicas de acceso Hasta ahora se han comentado las implicaciones en la implementación de un sistema celular desde el punto de vista funcional, enumerando los nuevos procedimientos necesarios para el funcionamiento correcto del sistema. En este apartado y sucesivos se comentan las implicaciones de acceso a nivel radio que comporta trabajar con un sistema celular. A continuación se exponen las diferentes técnicas de acceso radio que se presentan en los sistemas de telefonía móvil celular. Existen tres técnicas básicas de acceso múltiple, independientemente del sistema de comunicaciones radio que se considere. Por acceso múltiple se entiende la multiplexación de las comunicaciones o compartición de un canal único de forma que se hace posible el mantenimiento de más de una comunicación simultáneamente:

12 38 Comunicaciones móviles Acceso múltiple por división en frecuencia, FDMA, (Frequency Division Multiple Access) frecuencia tiempo Fig División en frecuencia Acceso múltiple por división en tiempo, TDMA, (Time Division Multiple Access) frecuencia Fig División en tiempo tiempo Acceso múltiple por división en código, CDMA, (Code Division Multiple Access) frecuencia tiempo Fig División en código

13 Fundamentos de la telefonía móvil 39 Los sistemas de telefonía móvil de primera generación utilizan acceso múltiple por división en frecuencia. Véase tabla 2.4. Tabla 2.4 Técnica de acceso en los sistemas de primera generación Sistema Primera Generación Técnica de acceso FDD/FDMA Los sistemas de segunda generación, sistemas digitales, utilizan combinaciones de las técnicas de acceso. Véase tabla 2.5. Tabla 2.5 Técnicas de acceso en los sistemas de segunda generación Sistema GSM IS-54 IS-95 Técnica de acceso FDD/FDMA/TDMA FDD/FDMA/TDMA FDD/FDMA/CDMA El duplexado en todos los sistemas celulares actuales es frecuencial (FDD), es decir, se define una banda frecuencial para el enlace de subida, enlace con emisión desde los terminales móviles hacia las estaciones base, y una banda frecuencial para el enlace de bajada, con emisión desde las estaciones base hacia los terminales móviles. Véase tabla 2.5. Existen otros sistemas de comunicaciones como el sistema TETRA (Trans European Trunking RAdio) de trunking que realiza el duplexado en el tiempo (TDD). Por otra parte, los sistemas de segunda generación utilizan, igual que los sistemas de primera generación, la subdivisión frecuencial (FDMA) de todo el ancho de banda ascendente y descendente en canales. La diferencia entre los sistemas de primera y segunda generación estriba en que los sistemas de primera generación ocupan un canal por comunicación, mientras que los sistemas de segunda generación multiplexan en tiempo (TDMA) o en código (CDMA) varias comunicaciones sobre cada canal Reparto frecuencial Los sistemas de telefonía móvil subdividen el área de cobertura en celdas, cada una de ellas es atendida por una estación base. De este modo, el total de canales disponibles para un sistema se reparte entre las celdas de una agrupación o conjunto de celdas que constituye el patrón de reparto de canales en un sistema de telefonía móvil celular. Este patrón de reparto se repite espacialmente en

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