CAPÍTULO II: ASPECTOS TEÓRICOS

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1 CAPÍTULO II: 1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES 1.1. Radiocomunicaciones móviles: Consideraciones generales La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) define el servicio móvil como un servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrestres fijas, o entre estaciones móviles únicamente. Los sistemas móviles se clasifican, en función del entorno por el que se desplacen los terminales móviles, en servicio móvil terrestre, marítimo y aeronáutico. Cada uno de estos servicios puede prestarse mediante medios terrenales exclusivamente o utilizando repetidores espaciales (satélites). Los sistemas de radiocomunicaciones móviles permiten el intercambio de información variada (voz, datos, vídeos, teleacción, ) entre terminales a bordo de vehículos o transportados por personas y terminales fijos (centros de control, teléfonos) con unas características de calidad determinadas. En los sistemas móviles se aprovecha, plenamente, el carácter inalámbrico de las comunicaciones radioeléctricas y la movilidad inherente, lográndose enlaces de gran ubicuidad, versatilidad y flexibilidad. Como en cualquier sistema de telecomunicación, en los sistemas móviles se transmite información de usuario o tráfico e información adicional necesaria para el establecimiento, liberación y supervisión de las llamadas, así como para la protección de la información frente a las perturbaciones. A esta información adicional se le suele denominar señalización. La señalización puede intercambiarse junto al tráfico (señalización asociada) o utilizando recursos específico (señalización común). A la superficie geográfica dentro de la cual los terminales pueden establecer comunicaciones con una estación fija, y eventualmente entre sí, se le llama zona de cobertura. Por lo tanto, los sistemas de comunicaciones móviles han de diseñarse de forma que puedan realizarse los enlaces desde cualquier lugar de la zona de cobertura. Esto obliga a elegir cuidadosamente la ubicación de las estaciones fijas. Se denomina enlace descendente DL (downlink) al sentido de comunicación de estación fija a terminal móvil. El enlace ascendente UL (uplink) corresponde al sentido de comunicación de terminal móvil a estación fija. Hay que intentar que el alcance y el retroalcance sean iguales. Para ello es necesaria la adopción de diversas actuaciones de ingeniería, ya que las estaciones son de naturaleza y características distintas Composición de un sistema de radiocomunicaciones móviles En un sistema de radiocomunicaciones móviles se pueden distinguir los siguientes elementos:

2 Estaciones fijas (FS): Una estación fija es una estación radioeléctrica no prevista para su utilización en movimiento. Dentro de las estaciones fijas se puede distinguir entre: - Estación de base (BS): Es una estación radioeléctrica fija, cuyo funcionamiento se controla directamente desde una unidad de control situada en un punto especificado. El control puede ser local o remoto, mediante líneas telefónicas o radioenlaces. Las estaciones de base tienen como característica primordial el de ser fuentes y destinatarias de tráfico y de señalización. Están constituidas por equipos transceptores, sistemas radiantes y elementos de conexión entre unos y otros. - Estación de control (CS): Es una estación fija que se utiliza para la conexión de una estación de base con la red de telecomunicaciones fija, mediante un radioenlace punto a punto. - Estaciones repetidoras (RS): Son estaciones fijas que retransmiten las señales recibidas. Conectan estaciones base con estaciones móviles. Se emplean para conseguir una gran cobertura radioeléctrica, por lo que se suelen ubicar en lugares altos. También se usan para el relleno de zonas de sombra en la cobertura de una estación base o para proporcionar cobertura en lugares especiales tales como túneles, estacionamientos subterráneos, etc. Estaciones móviles (MS): Una estación móvil es una estación radioeléctrica del servicio móvil prevista para su utilización en un vehículo en marcha o que efectúa paradas en puntos indeterminados. El término incluye a los equipos portátiles o de mano, que son aquellos que acompañan al usuario, y a los denominados equipos transportables, que pueden instalarse temporalmente en vehículos (coches o motocicletas) y llevarse también a mano. A las estaciones móviles de un sistema suele llamárseles genéricamente terminales. Equipos de control: En los sistemas de comunicaciones móviles, en general, el conjunto de equipos de control lo forman los dispositivos necesarios para el gobierno de las estaciones de base, la generación y recepción de llamadas, localización e identificación de usuarios, de equipos y vehículos, transferencia de llamadas a red telefónica, señalización de canales, etc. Se incluyen también aquí los terminales de datos (pantallas, impresoras), miniordenadores y controladores Cobertura radioeléctrica en los sistemas móviles Los sistemas móviles son de cobertura zonal, debiéndose, en teoría, proporcionar servicio en cualquier punto de la zona de cobertura. Esto implica una multiplicidad de trayectos posibles con variadas situaciones de propagación. De aquí que el problema de la predicción de la zona de cobertura de las estaciones del servicio móvil o, a la inversa, la parametrización de esas estaciones en cuanto a potencia, características del sistema radiante, etc., para proporcionar una cobertura determinada, sea de primordial importancia. Dada

3 la imposibilidad física y temporal de analizar todos y cada uno de los trayectos, el estudio de la cobertura suele realizarse adoptando algunas simplificaciones. Hoy en día, el uso de herramientas informáticas agiliza esta tarea. La zona de cobertura se cuadricula en píxeles (por ejemplo de 100x100m) y por ordenador se calcula la pérdida de propagación o el valor de la señal en cada píxel, haciendo una representación de los distintos niveles según un código de colores. Los trayectos de propagación entre base y móviles resultan afectados de modo variable por el terreno, por lo que la pérdida de propagación tiene un carácter aleatorio. De esta forma se habla de cobertura en un sentido estadístico. Se utilizan dos grados de calidad estadística de cobertura: el porcentaje de emplazamientos, que indica el tanto por ciento de lugares dentro de la zona de cobertura teórica en que cabe esperar que exista enlace radioeléctrico, y el porcentaje de tiempo, que expresa el tanto por ciento del tiempo en que se espera existirá el circuito. En el primer caso se distingue entre cobertura zonal (se considera todo el área en torno a la estación base) y perimetral (en este caso se considera sólo el perímetro o límite de la cobertura teórica). El radio de cobertura de una estación base tiene una estrecha dependencia con la altura media de la antena de dicha estación respecto al terreno circundante. Por esto se busca siempre lugares altos para la colocación de las estaciones bases (montes, edificios elevados, ). Debido a la reducida altura de antena de las estaciones móviles, éstas muchas veces no serán visibles desde la estación base. Sin embargo, la comunicación es posible debido a múltiples reflexiones y difracciones de las ondas y a su poder de penetrabilidad, que es consecuencia de las altas frecuencias utilizadas. Este tipo de propagación, denominada propagación multitrayecto, genera varios caminos radioeléctricos entre transmisor y receptor y, aunque hace posibles las comunicaciones, produce efectos de dispersión temporal y desvanecimiento selectivo en las señales. Hemos hablado de calidad de cobertura, aunque existen otros parámetros de calidad que deben especificarse en los proyectos de sistemas móviles como objetivos de diseño, debiéndose exigir su cumplimiento a los proveedores de equipos e instaladores de los sistemas: calidad de terminal, calidad de disponibilidad, calidad de fiabilidad y calidad de fidelidad.

4 2. LA CAPA FÍSICA EN LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES 2.1. Introducción La capa física tiene una gran importancia en el diseño de las redes de comunicaciones móviles. Esto es debido a la peculiar naturaleza del medio radioeléctrico y los retos que plantea su eficiente utilización, debido a las limitaciones en los recursos de frecuencias, las perturbaciones existentes y la variabilidad aleatoria espacio-temporal de las condiciones de propagación. De hecho, las características propias de la capa física condicionan buena parte de los diseños de las capas de enlace y de red, como por ejemplo la localización de los terminales y los traspasos de comunicaciones en los sistemas de telefonía móvil celular, debido a las limitaciones de cobertura de las estaciones base La interfaz radio Generalidades En los sistemas de telecomunicaciones se distingue entre red de acceso y red de tránsito. En algunos sistemas, como la telefonía básica, cada terminal tiene su propia facilidad de acceso (bucle de abonado por línea). Sin embargo, en el caso de los sistemas móviles la red de acceso debe ser inalámbrica y ha de realizarse mediante el empleo de recursos radioeléctricos compartidos. Las estaciones móviles (MS) han de acceder a las estaciones de base (BS) (acceso) y desde éstas las comunicaciones pasarán a su destino a través de la red de tránsito. El acceso se realiza a través de una interfaz radio. En la interfaz radio se distinguen dos enlaces o sentidos de propagación: De MS a BS o ascendente (UL) De BS a MS o descendente (DL) En el UL, existen múltiples móviles a los que debe dárseles la posibilidad de utilizar los recursos disponibles en la BS para pasar sus comunicaciones a la red. Esto se realiza mediante las técnicas de acceso múltiple o multiacceso. El multiacceso supone una compartición de recursos para conseguir el efecto de concentración de muchos a uno. En el DL, las comunicaciones procedentes de la red han de llegar, vía la BS, a una MS o grupo de MS determinadas. La técnica utilizada para ello es una multiplexación con difusión selectiva, parcial o global. La comunicación es uno a muchos. Normalmente se emplean radiocanales con dos frecuencias portadoras diferentes, para el UL y el DL, elegidas en sub-bandas separadas. Las frecuencias de la sub-banda inferior suelen utilizarse para los enlaces MS-BS, ya que la menor potencia de emisión de las MS se compensa, en parte, con la menor atenuación de propagación que tienen las frecuencias más bajas. Todo proceso de radiocomunicación puede representarse mediante un modelo tridimensional, ocupando un volumen definido por tres magnitudes: espacio o cobertura, anchura de banda y tiempo. Por razones de interferencia,

5 la ocupación, por parte de una comunicación, de un cierto volumen prohíbe que otra comunicación ocupe total o parcialmente el mismo volumen. En consecuencia, las radiocomunicaciones deben separarse en frecuencia, tiempo y espacio. La separación espacial entre radiocomunicaciones que utilizan las mismas frecuencias al mismo tiempo constituye el principio de las técnicas de reutilización de frecuencias, que permiten multiplicar la capacidad de recursos de frecuencias. Las separaciones en frecuencia y en tiempo están vinculadas a las técnicas de multiacceso Recursos de frecuencia y canalización En comunicaciones móviles las frecuencias portadoras se habilitan en forma de una banda, constituida por dos sub-bandas, con una separación determinada. Se llama canalización a la subdivisión de una banda en intervalos o canales de frecuencias susceptibles de ser asignados a diferentes emisiones. La anchura de cada canal debe ser algo mayor que la anchura de banda de la emisión, para acomodar las desviaciones debidas a la deriva de frecuencias de los transmisores, que originan desplazamientos del espectro de emisión y separar con más facilidad en frecuencia unas emisiones de otras. Como ya dijimos anteriormente, a un usuario se le suele asignar un radiocanal (pareja de frecuencias) para su comunicación, que no es más que una frecuencia de la sub-banda inferior para el enlace MS-BS y otra frecuencia de la sub-banda superior para el enlace BS-MS. La estación constará de tantos transmisores-receptores (transceptores) como radiocanales se hayan establecido Entidades y parámetros de la interfaz radio Las entidades básicas son: el transmisor deseado que emite con una potencia PIRE D o PRA D y el receptor deseado, a cuya entrada hay una potencia de señal deseada P SD, así como una potencia de señal interferente P SI. En la interfaz radio se producen efectos no deseados que afectan notablemente a la calidad de funcionamiento de los sistemas móviles y se conocen genéricamente como perturbaciones. Las perturbaciones más importantes son el ruido, los desvanecimientos y la interferencia. El ruido que afecta a la recepción de la señal deseada puede provenir de fuentes externas (ruido externo) o ser generado en el propio receptor (ruido interno). Ambos se cuantifican por sendos valores de potencia de ruido: P next y P nint. Los desvanecimientos se producen por la presencia de obstáculos y la existencia de múltiples trayectos de propagación entre el transmisor y el receptor. La interferencia se debe a la actuación de otros transmisores que operan en la misma frecuencia que la del receptor considerado (interferencia cocanal) o en frecuencias contiguas (interferencias de canal adyacente).

6 En ocasiones resulta dominante una de las perturbaciones y así se habla de canales limitados por ruido cuando predomina esta perturbación, como suele suceder en áreas rurales y canales limitados por interferencia si es ésta la dominante, como ocurre en los sistemas móviles celulares en zonas urbanas con gran densidad de estaciones base. La calidad de la señal entregada por el receptor a su salida se mide por la tasa de errores, BER, para señales digitales. Esta calidad es función del sistema de modulación que se emplee, pero fijado éste, depende de la relación entre la potencia de la señal deseada y la potencia de la perturbación evaluada en un punto de referencia del receptor. En nuestro caso práctico se trata de la planificación de una zona urbana (Sevilla), de ahí que nos interese explicar la relación portadora/interferencia, ya que es esta perturbación la que determina la calidad de la señal entregada por el receptor a su salida. Se define la relación portadora/interferencia (C/I) como el cociente entre la potencia de la señal deseada y la potencia total de las señales interferentes. Se distingue entre los valores de C/I para la interferencia cocanal (C/I) c y para interferencias de canales adyacentes (C/I) a. Al valor umbral de la relación portadora/interferencia, correspondiente a una calidad y unas condiciones de recepción determinadas, se les llama relación de protección (R p ).

7 3. SISTEMAS MÓVILES CELULARES 3.1. Introducción Las primeras redes de telefonía móvil pública (PLMN) estaban constituidas por una estación de base multicanal, con potencia y altura de antena suficientes para asegurar la cobertura en el enlace descendente y una serie de receptores satélite multicanales para conseguir la comunicación en el enlace ascendente, debido a las menores potencia y altura de antena de los móviles. Estos sistemas dejaron de ser viables debido a los requisitos impuestos por la demanda de tráfico, por tratarse de sistemas que se ofrecen al público en general. No ofrecen posibilidad alguna de crecimiento, así que la saturación no tardó en llegar. Veremos a continuación cómo se ha podido acometer y resolver el problema de atender las exigencias de tráfico con recursos espectrales limitados Fundamentos de los sistemas celulares En 1947 se ideó un concepto teórico que permitía resolver el problema de exigencia de capacidad de tráfico propio de las redes PLMN y que se denominó concepto celular. Esta idea, radicalmente distinta de la expuesta anteriormente que emplea un transmisor único, se basa en: La división de la zona de cobertura en regiones pequeñas, llamadas células, de tamaño variable en función de la demanda de tráfico La reutilización de las frecuencias en células separadas por una distancia suficiente para que la interferencia cocanal sea tolerable Según hemos visto, el tráfico ofrecido en una zona es proporcional a la superficie de la zona. Al ser las células de tamaño reducido, también el tráfico será pequeño y podrá atenderse con un volumen de recursos moderado, manteniendo una probabilidad de pérdida adecuada. Además, gracias a la reutilización, se multiplica la capacidad de las frecuencias para cursar tráfico, pudiendo efectuarse en todo momento más llamadas que frecuencias haya disponibles ya que cualquier radiocanal puede cursar varias comunicaciones simultáneamente por células distintas, en tanto que en el sistema de transmisor único solamente podía darse servicio a un abonado por cada radiocanal. Se llama índice de reutilización de un sistema celular al cociente entre el número de radiocanales que se ofrecen y el número de frecuencias disponibles División celular Una red de telefonía móvil está fundamentada en la distribución espacial de Estaciones Base dotadas de equipos de transmisión y recepción radio, así como de antenas que transmiten y reciben la señal radio con la que se establece la comunicación con el terminal móvil del usuario. Estas Estaciones

8 Base están conectadas entre sí mediante una red de transmisión y conmutación. Una Estación Base puede albergar varios equipos de transmisión/recepción, y cada equipo (en función de la tecnología) puede ser capaz de ofrecer un número determinado de canales de comunicación a los usuarios. El número máximo de equipos (de canales de comunicación, en definitiva) que se puede instalar en una Estación Base está limitado por diversos factores, aunque sin duda alguna el más relevante de todos ellos es la necesidad de evitar interferencias (consecuencia de un espacio radioeléctrico finito). Se entiende por espacio radioeléctrico una banda concreta de frecuencias usada en una superficie determinada. Por ejemplo, las empresas de telefonía móvil tienen adjudicada en todo el territorio del Estado y por concesión administrativa una parte de lo que se define como banda GSM 900 (y DCS 1800), esto es, las frecuencias que se definen en los estándares internacionales como las adecuadas para el funcionamiento de la telefonía móvil automática celular digital y paneuropea, más conocida por el acrónimo GSM (o su variante DCS). Así pues cualquier operador, dispone de un juego concreto de frecuencias para proporcionar el servicio de telefonía móvil GSM. Si las frecuencias de las ondas electromagnéticas son próximas entre sí, y coinciden en una misma zona con niveles de potencia comparables, éstas se interfieren mutuamente provocando serias degradaciones de la forma de onda de las señales y por tanto de la calidad de servicio. Esto determina el número máximo de frecuencias (a la postre, de canales) que una Estación Base puede radiar, ya que las frecuencias radiadas en una misma área de terreno deben estar suficientemente separadas, y el número de frecuencias disponibles es limitado, como ya se ha señalado. Por otra parte, la vocación de la telefonía móvil automática como servicio público y por consiguiente con una importante penetración social, conlleva una demanda considerable de canales de comunicación. Este hecho hace absolutamente necesaria la utilización de todas y cada una de las frecuencias disponibles, lo cual es completamente imposible con una sola Estación Base que dé cobertura a una gran extensión de terreno, pues las colisiones frecuenciales serían permanentes. La consecuencia principal de estas consideraciones es que el diseño óptimo de una red de telefonía móvil debe estar basado en el concepto de red celular, y así es usado por la totalidad de operadores de telefonía móvil automática del mundo. En virtud de este tipo de despliegue, la superficie en cuestión se subdivide en zonas de cobertura denominadas células en el centro de cada una de las cuales está situada una Estación Base. De este modo, es posible controlar el nivel de interferencias puesto que las Estaciones Base de células vecinas se diseñan con frecuencias suficientemente separadas, y las de células alejadas pueden tener frecuencias coincidentes o adyacentes gracias a que los niveles de potencia transmitidos y el mecanismo de propagación radio limitan el alcance de estas señales de modo que las interferencias entre estas células alejadas sean admisibles por el sistema. Así, el radio de alcance de una

9 Estación Base se dimensiona de modo tal que no sean tanto las condiciones de propagación las que lo limiten, sino más bien el nivel de interferencias que se puede asumir. Estamos hablando en definitiva de un sistema limitado en interferencia, y no en potencia. Con anterioridad se ha señalado que el nivel de interferencias está determinado por la necesidad de uso de frecuencias y en definitiva por la cantidad de usuarios a los que se pretende dar servicio. Como quiera que se trata de un sistema limitado en interferencia, habrá distintos radios de cobertura apropiados para entornos con distintos niveles de interferencias. Hay por tanto una variada casuística de diseños de red celular, según el entorno en consideración. Así, en una capital importante, donde se origina mucho tráfico, el radio adecuado de las células es del orden de 400 metros mientras que en una carretera, suele ser suficiente con 5 Km. Antes de continuar con estos razonamientos conviene detenerse en el tipo de interferencias que se suelen tener en cuenta. En este sentido, las dos señales interferentes que más pueden afectar a una señal interferida son aquellas cuya frecuencia coincide plenamente con la señal interferida o bien aquellas cuya frecuencia es muy próxima a la de la señal interferida. El primer caso se da cuando los canales son los mismos (interferencia cocanal) mientras que el segundo ocurre cuando los canales correspondientes son consecutivos (interferencia por canal adyacente). Y como no podía ser de otra manera, la que más efectos perniciosos tiene es el primero de los dos tipos. En las Figuras 3, 4 y 5, se puede apreciar un ejemplo simplificado de lo expuesto: sean f1, f2, f3 y f4 las frecuencias disponibles, y asumamos que cada frecuencia es portadora de n canales lógicos de comunicación. Si el área comprendida dentro de la línea de trazos es la que se pretende cubrir, en el caso 1 (sin recurrir a la estructura celular) tendríamos a disposición de los usuarios de este área 4xn canales, pero con mala calidad pues en la misma zona se estarían transmitiendo frecuencias adyacentes (f1 y f2, por ejemplo). Para evitar estos problemas habría que renunciar a dos de las cuatro frecuencias (quedando f1 y f3, no adyacentes, por ejemplo) a costa por tanto de reducir la capacidad. Figura 3: Estructura no celular

10 En cambio, en el caso 2 (estructura celular) se consigue tener 4xn canales disponibles, pero ahora con buena calidad, pues aun siendo f1-f2 y f3- f4 portadoras adyacentes, tienen zonas de cobertura distintas y no coinciden. Figura 4 : Celdas grandes Si el tamaño de las células se hace menor (caso 3), se puede apreciar que en esa misma área de servicio se están ofreciendo más de 6xn canales a los usuarios (a los que se supone uniformemente distribuidos) sin menoscabo de la calidad. Figura 5: Celdas pequeñas En la tabla siguiente se resumen los resultados, incluyendo implicaciones económicas, de los tres casos propuestos. Para la valoración del impacto económico se consideran dos tipos de coste: el asociado al emplazamiento de la

11 estación base (con infraestructura y equipos genéricos incluidos) y el asociado a los equipos radio específicos (portadoras). Tabla 1: Comparativa entre casos Se puede concluir por tanto que la subdivisión en celdas cada vez más pequeñas multiplica el coste, pero aumenta considerablemente la capacidad sin que por ello la calidad se vea comprometida Diseño de una red celular Un modo de planificar estas ubicaciones es hacer uso de una estructura rómbica, según la cual las ubicaciones se sitúan en un sistema de coordenadas en el que los ejes mantienen un ángulo de 60º. A continuación se muestra un ejemplo de ello (Figura 6): Figura 6 : Estructura rómbica En virtud de este tipo de estructura geométrica, la distancia de las seis ubicaciones más próximas a una dada es constante. De hecho, como se puede observar en la figura, los seis emplazamientos más próximos al A son los vértices de un hexágono regular. Lo mismo ocurre con los seis siguientes más próximos, y así sucesivamente. Esta estructura no tiene por qué seguirse siempre. En la siguiente figura (Figura 7) se representa un caso genérico de agrupaciones de 4 células. Se puede apreciar que las ubicaciones de cada una

12 de las celdas sigue el esquema rómbico comentado con anterioridad (los ejes i y j forman un ángulo de 60º). Con los números 1 al 6 están indicadas las celdas interferentes cocanales más cercanas a la interferida, representada con un 0. El parámetro d es la distancia entre celdas o paso de la red rómbica y el parámetro R el radio de cobertura de una celda. Figura 7 : Agrupación de 4 células El caso más desfavorable para el cálculo de la relación C/I es cualquier punto del límite de cobertura de la celda en cuestión. Por eso se ha tomado el punto denominado como P en la figura. La expresión que relaciona R y d es la siguiente: d 2 =3 x R 2 Este radio de cobertura es un parámetro fijo pues, como ya se señaló con anterioridad, viene determinado por el número global de células y, en última instancia, por el tráfico estimado. A su vez, coincide con la distancia de la celda interferida (0) al punto evaluado (P). Por otro lado, los cuadrados de las distancias de las celdas interferentes al punto P, normalizadas al paso de la retícula (d), son los siguientes: Tabla 2: Cuadrados de las distancias (4 células) Las distancias de cada uno de los seis trayectos se obtienen de modo inmediato multiplicando la distancia normalizada por el parámetro conocido d.

13 Tabla 3: Distancias Si asumimos que los niveles de potencia de cada una de las celdas (interferentes o no) son iguales (si iguales), tenemos la siguiente expresión para la relación C/I: En unidades logarítmicas, se obtiene: C/I (GSM900) = 12,4 db La Figura 8 representa el caso de agrupaciones compuestas por 7 celdas: Figura 8 : Agrupaciones de 7 celdas

14 En esta ocasión, las distancias son distintas. Así, los cuadrados de las distancias de las celdas interferentes al punto P, normalizadas al paso de la retícula (d), son los siguientes: Tabla 4: Cuadrados de las distancias (7 células) Para GSM900, la tabla de pérdidas de propagación es la siguiente: Tabla 5: Distancias Y haciendo uso de la misma expresión del apartado precedente, se llega a: C/I (GSM900) = 17,8 db 3.4. Compartición de circuitos radioeléctricos Cualquier radiocanal (frecuencia) puede ser utilizado por cualquier móvil, de esta forma se aumenta la eficiencia del sistema Función de seguimiento (roaming) El sistema de telefonía móvil lleva asociado un registro de posición para saber donde se encuentra un móvil en cada momento, para así poder dirigirle la llamada. Para ello se definen las áreas de localización (las cuales pueden estar comprendidas por una o más células). Si el sistema sabe en que área de localización está el móvil, se hace aviso a todas las células que pertenecen al área de localización para buscar al móvil Función de traspaso (handover) Cuando un móvil tiene una llamada establecida esta no se corta si este móvil se encuentra en movimiento. Si se pasa de una célula a otra la red traspasa la llamada de una forma automática para así continuar la

15 comunicación. Esta función se puede configurar dependiendo de las necesidades que presente la red en cada momento. En función de la tecnología empleada existen varios tipos de handover, que no explicaremos en este documento.

16 4. EL SISTEMA GSM 4.1. Introducción al sistema GSM Los sistemas de telefonía móvil nacen con la idea de extender la red telefónica convencional a usuarios móviles. Se buscaba ofrecer los mismos servicios que ofrece la red telefónica pero vía radio. De las diferentes soluciones que surgieron, el sistema celular fue el que más prestaciones ofrecía. La idea de este sistema era dividir el área a cubrir como si fuesen independientes y así poder reutilizar las frecuencias, con lo que se aseguraba una mayor capacidad al sistema. Si se necesita más capacidad lo único que se debe hacer es crear células de un tamaño menor. Con esta filosofía surgieron sistemas como el TACS. El inconveniente de estos sistemas es que usan una tecnología propietaria, es decir no son compatibles sistemas creados por distintos fabricantes. Con el propósito de unificar las tecnologías y crear un sistema abierto, nació el estándar GSM. La historia del GSM comenzó en 1982 cuando la Conferencia de Administraciones de Correos y Telecomunicaciones (CEPT) tomó dos decisiones. La primera fue establecer un equipo con el nombre de Groupe Special Mobile (de aquí viene la abreviatura GSM), que desarrollaría un conjunto de estándares para una futura red celular de comunicaciones móviles de ámbito paneuropeo. La segunda fue recomendar la reserva de dos sub-bandas de frecuencias próximas a 900 MHz para este sistema. Estas decisiones fueron tomadas para tratar de solventar los problemas que había creado el desarrollo descoordinado e individual de sistemas móviles celulares en los diferentes países de la CEPT. Uno de estos problemas era el no poder disponer de un mismo terminal al pasar de un país al otro ya que los sistemas eran incompatibles entre sí, y otro era el no disponer de un mercado propio suficientemente extenso, lo que dificulta una industria europea de sistemas móviles competitiva a nivel mundial. En 1984 empieza a surgir otro factor adicional, los sistemas celulares de la primera generación, y en particular en los países del norte de Europa, experimentan una aceptación y penetración en el mercado extraordinariamente superior a la prevista. En 1986 las cifras indicaban la saturación de la capacidad de estos sistemas para principio de la década de los 90. Ante esto surgió la tentación de utilizar parte de las sub-bandas de frecuencias destinadas al GSM como ampliación de las usadas por los sistemas móviles celulares de primera generación. En consecuencia la Comisión de las Comunidades Europeas emitió una Directiva en la que reservaban dos sub-bandas de frecuencias en la banda de 900MHz, para el sistema paneuropeo, que empezaría a funcionar en 1991, pero más pequeñas que las recomendadas por la CEPT. Asimismo contemplaba que las frecuencias en estas sub-bandas que estuvieran siendo utilizadas por

17 sistemas móviles celulares de la primera generación (analógicos), deberían abandonarlas en los próximos años. Mientras tanto los miembros del GSM realizaban excelentes progresos en el desarrollo y acuerdo de estándares. Se adoptó la decisión de que el sistema sería digital, en lugar de analógico lo que redundaría en mejorar la eficiencia espectral, mejor calidad de transmisión, posibilidades de nuevos servicios y otras mejoras como la seguridad. También permitiría la utilización de tecnología VLSI, pudiendo fabricar terminales móviles más pequeños y baratos, y en definitiva el uso de un sistema digital complementaría el desarrollo de la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI) con la que GSM deber tener un interfaz. Se siguieron haciendo progresos y el 7 de septiembre de 1987 trece operadores de red europeos formaron un MoU (Memorandum of Understanding) para continuar con el proyecto y lanzarlo el 1 de julio de Esto fue seguido con la invitación simultánea hecha el 29 de febrero de 1988 a todos los operadores de red involucrados en el sistema. Pronto se dieron cuenta de que había más problemas de los previstos. Por lo que se acordó que se efectuaría el desarrollo de la especificación en dos fases. Además la implantación en términos geográficos se vislumbró que debía realizarse en fases, empezando por ciudades importantes y aeropuertos y se seguiría con autopistas, calculando que se tardarían años en lograr un servicio completo a todo Europa. En 1988 se inició una intensa actividad en pruebas de validación particularmente en relación con el interfaz radioeléctrico. Como resultado se ajustaron ligeramente las especificaciones GSM y se pudo comprobar que el sistema funcionaría. No se alcanzó la fecha acordada del 1 de julio de 1991 para el lanzamiento comercial del sistema GSM. A ello contribuyeron el retraso del desarrollo de pruebas de certificación y la necesidad de modificar algunas especificaciones GSM, ya que la complejidad técnica del desarrollo de terminales portátiles tardó en resolverse más de lo previsto. Fue en junio de 1992 cuando aparecieron los portátiles de mano. El servicio comercial del sistema GSM llegó en 1992, si bien el tamaño de las áreas de cobertura y el número de usuarios era bastante dispar. Las redes que estaban funcionando se basaban en las especificaciones de la fase 1 y no todos los servicios contemplados en la fase 1 estaban disponibles. A finales de 1993 el número de operadores que habían firmado el MoU había aumentado de trece a cuarenta y cinco, entre los que estaban la mayor parte del mundo excepto América del Norte y Japón. Treinta redes GSM estaban en servicio con cerca de un millón de abonados en todo el mundo. A finales del 1994 el número de miembros del MoU había crecido a 102 operadores de red y Administraciones reguladoras de Telecomunicaciones (de 60 países distintos). El mercado de redes y equipamientos GSM se ha extendido más allá de las fronteras de Europa occidental. Europa del Este, la Commonwealth, Oriente, Asia, Africa y Oceanía son áreas donde existen sistemas GSM operativos. Esta

18 amplitud del mercado es la razón por la que las siglas GSM han tomado otra acepción: Global System for Mobile comunications, que es diferente de la original de Así que, a modo de resumen, los requisitos básicos definidos por el GSM para este nuevo sistema fueron: Itinerancia internacional, dentro de los países de la CE Tecnología digital Gran capacidad de tráfico Utilización eficiente del espectro radioeléctrico Sistema de señalización digital Servicios básicos de voz y datos Amplia variedad de servicios telemáticos Posibilidad de conexión con la ISDN Seguridad y privacidad en la interfaz radio, con protección de la identidad de los usuarios y encriptación de sus transmisiones Utilización de teléfonos portátiles Calidades altas de cobertura, tráfico y señal recibida 4.2. Especificaciones del sistema GSM física: Se muestra a continuación las especificaciones más relevantes de la capa 1. Bandas de frecuencias 1.1. Banda de 900 MHz - Transmisión estación móvil MHz - Transmisión estación base MHz 1.2. Banda de 1800 MHz - Transmisión estación móvil MHz - Transmisión estación base MHz 2. Separación dúplex Banda de 900 MHz Banda de MHz 3. Separación de canales 45 MHz 95 MHz 200 KHz, que proporciona un valor mínimo de selectividad de canal RF adyacente dentro del sistema igual a 18 db. Los valores correspondientes a los segundos y terceros canales son, respectivamente, 50 db y 58 db como mínimo 4. Modulación

19 La modulación es GMSK con B b T=0,3 y velocidad de modulación 270,83 Kb/s en RF, con un rendimiento espectral aproximado de 1 bit/s/hz 5. Clase de emisión 271 K F 7 W 6. Relación de protección La relación de protección cocanal es R p =9 db 7. Retardo compensable máximo 223 µs 8. Dispersión Doppler Puede compensarse la dispersión Doppler del canal hasta velocidades del móvil de 200 km/h 9. PIRE máxima de la estación base 500 W por portadora 10. Dispersión temporal Puede ecualizarse una dispersión temporal de 16 µs como máximo 11. Codificación de canal Se utiliza un código bloque detector y un código convolucional corrector de errores, con entrelazado de bits para combatir las ráfagas de errores 12. Potencia nominal de las estaciones móviles Hay diversos tipos de estaciones, con potencias máximas de 2, 5, 8 y 20 W 13. Estructura celular y reutilización La estructura celular es sectorizada, de tipo 3/9 ó 4/12 en medios urbanos. En medios rurales las células son omnidireccionales. El radio celular varía entre un máximo de 35 Km (zonas rurales) y unos 0,5 Km (zonas urbanas) 14. Acceso múltiple Se utiliza TDMA con 8 intervalos de tiempo por trama. La duración de cada intervalo es de 0,577 ms. La trama comprende 8 canales físicos que transportan los canales lógicos de tráfico y señalización. Se han establecido también estructuras de multitrama para señalización por canal común 15. Canales de tráfico Hay dos clases de canales de tráfico para voz y datos: a) Canal de tráfico para voz

20 Se han definido canales de velocidad total y de velocidad mitad, para los cuales el codec vocal proporciona señales de 13 kbit/s y 6,5 kbit/s, respectivamente. b) Canal de tráfico para datos Se sustentan servicios de datos de tipo transparente a velocidades de 2,4; 4,8 y 9,6 kbit/s con diferentes procedimientos de adaptación de velocidad, codificación de canal y entrelazado. 16. Canales de control Se han establecido tres categorías de canales de control: Difusión Comunes Dedicados 17. Facilidades radio Las potencias de transmisión del móvil y de la base se regulan mediante algoritmos de control de potencia, de forma que sus valores son lo estrictamente necesarios para asegurar una determinada calidad de conexión. Ello conlleva una reducción de la interferencia y del riesgo de uso de los equipos. Bajo mandato de la red, los móviles pueden efectuar sus transmisiones cambiando de una frecuencia a otra. A esta modalidad de funcionamiento se le llama saltos de frecuencia FH (Frequency Hoping). Se consigue así una mejora de la calidad ya que la FH produce un efecto similar al de diversidad de frecuencia y, además, reduce el número de fuentes de interferencia. Puede también utilizarse la técnica de transmisión discontinua (DTX) en virtud de la cual únicamente hay emisión de señal RF cuando el usuario está hablando. De esta forma se reduce el nivel de interferencia y se prolonga la duración de la batería. También es posible la recepción discontinua (DRX) gracias a la cual el receptor móvil puede alternar períodos de reposo y escucha, lo que también aumenta la duración de la batería. 18. Reselección de célula En situaciones de reposo el móvil está vinculado a una célula, de forma que pueda interpretar con gran fiabilidad las señales de control del enlace descendente y, asimismo con gran probabilidad, establecer una comunicación por el enlace ascendente. La condición para efectuar la reselección de célula se basa en criterios de pérdida de propagación. Si se rebasa un umbral de pérdida, o si el móvil es incapaz de decodificar los bloques de control o de efectuar el acceso a la estación base, inicia el proceso de reselección. 19. Localización automática

21 Se efectúa mediante la evaluación, por parte del móvil, de la señal de control y la devolución de su identidad a la red. La localización automática debe ser posible entre los centros de conmutación del servicio móvil (MSC) de cada país y entre países. 20. Traspaso El traspaso asegura la continuidad de una comunicación cuando el móvil pasa de la zona de cobertura de una célula a la de otra. Puede también emplearse para aliviar una congestión de tráfico (traspaso gobernado por la red). El traspaso puede hacerse entre un canal de una célula y otro de una adyacente o entre canales de la misma célula. La estrategia de traspaso se basa en el control del enlace mediante mediciones efectuadas por las estaciones móviles y base. El móvil supervisa el nivel y calidad de la señal descendente enviada por la estación base que le atiende, así como de las células vecinas. La estación base supervisa el nivel y calidad de la señal ascendente para cada móvil. Las mediciones de nivel se utilizan también para el control de la potencia de RF. Es posible el traspaso entre diferentes zonas de localización y centros de conmutación MSC pertenecientes a la misma PLMN. 21. Señalización La señalización entre las estaciones base y los MSC sigue un procedimiento estructurado, similar al de la ISDN (Red digital de servicios integrados). Entre los MSC se utiliza el Sistema de Señalización número 7 del UIT-T. 22. Numeración El plan de numeración es conforme con las Recomendaciones de la Serie E del UIT-T. 23. Seguridad Se ha establecido una técnica de cifrado para las comunicaciones de voz y datos, así como un complejo sistema de autentificación para el acceso al sistema por parte de los terminales Estructura funcional del sistema GSM El sistema GSM posee una estructura normalizada basada en entidades funcionales e interfaces. Las primeras son entidades que tienen a su cargo la ejecución de las funciones del sistema. Las interfaces son las fronteras de separación entre las unidades. El conjunto organizado de estos elementos constituye la arquitectura funcional de GSM. El estándar GSM no se mete en el desarrollo de los bloques (dicha tarea le corresponde al fabricante). Lo que se define en el estándar GSM son las interfaces entre las entidades funcionales para que en la red pueda darse la existencia de distintos fabricantes. A continuación vemos el esquema funcional de la red GSM (Figura 9):

22 Figura 9: Arquitectura de la red GSM En esta figura se distinguen tres grandes bloques, compuesto cada uno de ellos por una serie de entidades funcionales: El subsistema de estaciones base BSS (Base Station Subsystem) - Las funciones de control BCF (Base station Control Functions) y los equipos (TRX) que constituyen la unidad funcional BTS (Base Station Transceivers) - El controlador de estación base BSC (Base Station Controller) El subsistema de conmutación y red NSS (Network Switching Subsystem) - Los centros de conmutación de servicios móviles MSC (Mobile Switching Center) con sus registros de visitantes VLR (Visitors Location Register) - El MSC de pasarela GMSC (Gateway MSC), a través del cual se efectúa la conexión de la PLMN/GSM con las redes públicas externas: PSTN, ISDN, otras PLMN - El Registro general de abonados HLR (Home Location Register) - El Registro de identidad de equipos EIR (Equipment Identity Register) - El Centro de autentificación AuC (Authentication Center) - El Centro de operación y mantenimiento OMC (Operation and Maintenance Center) - El Centro de gestión de red NMC (Network Managment Center) El conjunto de estaciones móviles MS (Mobile Stations)

23 Entre estos subsistemas funcionales, se han definido las dos interfaces básicas: Interfaz de línea, denominada A entre el NSS y el BSS Interfaz aérea o interfaz radio, denominada Um entre el BSS y el conjunto de MS La partición funcional más importante tiene lugar en la interfaz A donde se separan las funciones relativas a los aspectos de red y conmutación (asociadas al MSC, VLR y HLR) y las relacionadas con los aspectos radioeléctricos, ejecutadas en el BSS. La interfaz radio Um, la interfaz A y el interfaz A-bis se han definido utilizando un modelo de tres capas: Capa 1 (capa física) Capa 2 (enlace de datos) Capa 3 La capa 1 coincide con la capa inferior del modelo OSI, y soporta todas las funciones necesarias para la transmisión de una secuencia de bits sobre un canal establecido en un medio físico de transmisión. La capa 2 es la capa de enlace de datos, y tiene como misión permitir el intercambio de tramas de información entre dos entidades conectadas a través de un medio físico. La capa 3 en realidad comprende las capas 3 a 7 del modelo OSI, llegando por lo tanto hasta definir la naturaleza de la comunicación requerida para satisfacer las necesidades de los usuarios de la comunicación. Para definir totalmente la interconexión del sistema, además de esa estructura de capas es necesario también utilizar funciones de gestión del sistema. Éstas pueden incluir funciones que son comunes a varias capas El subsistema de estacione base (BSS) A fin de que las estaciones base sean más sencillas, pueden ejecutarse muchas funciones de control de forma centralizada en el BSC, del cual dependerán varias BTS. Para el caso en que se utilice esta configuración, se ha definido una interfaz denominada A-bis entre el BSC y los BTS. El BSS tiene a su cargo la gestión de los canales de radio que comprende, entre otras, las funciones de asignación de canales, supervisión de la calidad de transmisión, organización temporal de mensajes, codificación y conversión de velocidad. Las estaciones se pueden clasificar según su potencia de salida máxima en: - Clase 1: 320-(<640) W - Clase 2: 160-(<320) W - Clase 3: 80-(<160) W - Clase 4: 40-(<80) W - Clase 5: 20-(<40) W

24 - Clase 6: 10-(<20) W - Clase 7: 5-(<10) W - Clase 8: 2,5-(<5) W El subsistema de conmutación y red (NSS) Las entidades de este bloque realizan tareas de gestión de recursos, interfuncionamiento con otras redes, señalización, control de llamadas y cifrado de la información del usuario. En general, son responsables de la gestión de la movilidad. Entre estas funciones pueden destacarse las siguientes: autentificación, localización y aviso a móviles (paging) e interfuncionamiento con otras redes asociadas (PSTN, ISDN). Las funciones básicas de los elementos más importantes del esquema de arquitectura son: MSC: Realiza todas las actividades de conmutación y gestión de las llamadas desde/hacia las estaciones móviles Registro de usuarios: Almacenan información relativas a los abonados residentes y transeúntes. El HLR es el registro general de abonados, donde se guardan el tipo de abono, código de autentificación, número, etc. El VLR es un registro de visitantes o transeúntes, donde se inscribe temporalmente un usuario. Centro de autentificación: Almacena información de identidad del abonado móvil y de su equipo para la verificación de las llamadas. Centro de operación y mantenimiento: Ejecuta funciones de supervisión técnica del sistema y ayuda a la localización de averías. Genera también estadísticas de servicio Estación móvil (MS) La estación móvil se divide en dos partes, por un lado tenemos el TM (terminación móvil) y por otra parte tenemos el TE (equipo terminal): TE: tiene una funcionalidad semejante a un terminal RDSI. TM: asigna todas las funciones que tienen que ver con la comunicación vía radio. Engloba todas las funciones que realiza el móvil mediante el interfaz aire. Funciones: Transmisión radio Gestión de canales radio Codificación de voz Adaptación de velocidad de datos usuario a datos canal radio Gestión de la movilidad Protección de errores

25 Con la terminación móvil (TM) sólo se pueden dar servicios de comunicación de voz. Pero con el equipo terminal (TE), se pueden dar otros servicios. Se pueden clasificar las estaciones móviles de varias formas: En función de la movilidad: - equipo transportable - equipo portátil o de mano En función de la potencia de salida máxima: - Clase 1: 20 W (43 dbm) - Clase 2: 8 W (39 dbm) - Clase 3: 5 W (37 dbm) - Clase 4: 2 W (33 dbm) - Clase 5: 0,8 W (29 dbm) En la actualidad, los móviles emiten a 2 W (33 dbm) en la banda GSM 900 y son todos portátiles Interfaz Um Canales lógicos La interfaz Um se ha diseñado teniendo en cuenta las características de propagación por el canal radio móvil y la necesidad de sustentar la amplia gama de servicios que ofrece GSM. La interfaz se define de conformidad con el modelo estratificado de interconexión de sistemas abiertos. Para ello se han definido un conjunto de canales lógicos a los que se accede a través de la capa 2. Estos canales se pueden dividir en dos grandes grupos: canales de tráfico y canales de control. Vamos a repasar de forma muy breve estos canales: Canales de tráfico: - Canal de tráfico, TCH: Se utilizan para el transporte de flujo de información de usuario y permiten comunicaciones con conmutación de circuitos mediante conexiones, en modo transparente o en modo dedicado a un servicio, así como comunicaciones con conmutación de paquetes entre terminales dotados de esta posibilidad de funcionamiento. - Canales de control asociados a una llamada, SACCH y FACCH: Para la señalización asociada a una llamada (que deben coexistir con la propia conversación), los canales de tráfico llevan asociados dos canales de control: el canal de control asociado lento, SACCH y el canal de control asociado rápido, FACCH, que son canales bidireccionales que sustentan la señalización recurrente asociada a la llamada y que cursan la señalización correspondiente a órdenes de

26 ejecución inmediata, como la realización inmediata de un traspaso, respectivamente. Canales de control: Transportan información de señalización para todas las funciones propias de la red GSM, como son las de registro, localización, conmutación y gestión de la movilidad. Pueden sustentar servicios especiales como los de mensajes cortos (SMS). Podemos dividirlos en: - Canales de control dedicados, DCCH: Están compuestos por el SACCH, FACCH (explicados anteriormente en canales de tráfico, ya que están asociados a una llamada) y el SDCCH, que se utiliza para el intercambio de datos entre una MS concreta y la BTS, en el curso de establecimiento de la llamada y antes de que se asigne un TCH. - Canales de difusión, BCH: Está permanentemente activo. Difunde información general de la red GSM, de la célula que lo radia y de sus adyacentes (para orientación de las MS), parámetros de configuración del sistema y ráfagas de sincronización. Está compuesto por el canal de difusión de control común, BCCH; el canal de corrección de frecuencia, FCCH; y el canal de sincronización, SCH. BCCH: proporciona información general sobre la estación base y la configuración de otros canales de control. FCCH: por él se envía una señal piloto para sincronización de la frecuencia de recepción (y, en consecuencia de transmisión) de las MS. SCH: por donde se transmite información de sincronización - Canales de control comunes, CCCH: Está formado por el canal de acceso aleatorio, RACH; el canal de aviso, PCH y el canal de concesión de acceso, AGCH. PCH: canal utilizado para aviso a las MS RACH: canal usado para cursar a la red peticiones de comunicación de las MS no programadas de antemano AGCH: se emplea para la asignación de los TCH o los SDCCH a las MS A continuación se muestra una figura (Figura 10) donde aparecen todos los canales lógicos a los que se puede acceder a través de la capa 2. Se muestra también los sentidos de enlace. Una explicación detallada de cada uno de los canales lógicos, se puede encontrar en cualquier libro de la bibliografía o en Internet.