Telefonía celular El término comunicaciones móviles describe cualquier enlace de radiocomunicación entre dos terminales en los que uno de ellos es susceptible de desplazarse libremente mientras que el otro es fijo y se denomina Estación Base. Durante los últimos 10 años la industria de las comunicaciones móviles ha crecido de forma espectacular. Los sistemas celulares tanto analógicos como digitales han llegado a ser comunes entre nosotros. Las telecomunicaciones están evolucionando hacia redes de comunicaciones personales, cuyo objetivo es la disponibilidad de servicios de telecomunicaciones en cualquier momento, en cualquier lugar y a cualquier persona con un solo número de identificación y un terminal portátil. Juan José Domínguez Sánchez Ingeniero del ICAI. Ingeniería de Electrónica Industrial. División de Componentes. CCT Alcatel España. Profesor de la E.U. de Ingenieros Técnicos del I.C.A.I. 1. Conceptos básicos Los sistemas de telefonía celular son una forma de dar servicio a los teléfonos móviles. Un teléfono celular es básicamente un walkie-talkie bidireccional que funciona como un teléfono; con un teléfono celular se puede hablar y escuchar al mismo tiempo. Cada teléfono está conectado mediante un enlace de radio a una Estación Base (BS Base Station). Por turno, ésta se conecta a la red telefónica, la mayor máquina del planeta. Los primeros sistemas móviles utilizaban la asignación fija de una frecuencia para cada pareja móvil-estación base, de forma que cada canal se asignaba a un móvil específico (sistema no trunking). En un sistema trunking un grupo de canales queda a disposición de todos los usuarios, no existiendo canales asignados a priori. Lo que es realmente inteligente e ingenioso de un sistema celular es que en vez de utilizar una gran Estación Base cubriendo un gran área, cada BS cubre un área limitada (denominada celda). Cada celda contiene su propia antena y usa una serie de canales que tiene asignados. Si el teléfono se mueve y cambia de celda, la conexión pasa a una Estación Base adyacente. Esto se llama handover (en EEUU se denomina Hand-off) y permite la movilidad de los teléfonos y la reutilización de frecuencias por Estaciones Base cercanas pero no adyacentes. a 4 anales
El tamaño de las celdas varía de un sistema a otro, y de un lugar a otro. Pueden ser desde más de 70 km en los sistemas analógicos TACS, a menos de 500 m en áreas de alta ocupación de redes PCN. Cuanto más pequeño es el tamaño de la celda, más usuarios pueden estar conectados a la red, menor es la potencia que es necesaria para alcanzar la Estación Base, y las baterías pueden ser más pequeñas y ligeras. Desafortunadamente celdas más pequeñas significa mayor número de ellas, que la instalación es más cara, y mayores problemas de cobertura en lugares alejados de las grandes áreas urbanas. 2. Historia de la telefonía móvil Una breve introducción histórica de la telefonía móvil nos permite apreciar el enorme impacto que este sistema ha tenido en los últimos años. En 1946 se inició el primer sistema de telefonía móvil en USA (AT&T). Conectaba usuarios móviles con la PSTN. Se utilizaban transmisores de gran potencia para cubrir áreas extensas. Durante los años 50 y 60 los laboratorios AT&T Bell y otras compañías a lo largo del mundo desarrollaron la teoría y las técnicas de la radiotelefonía celular. El primer sistema implantado se denominó IMTS (Improved Mobile Telephone Service). Este sistema únicamente podía manejar 6 llamadas a la vez. En 1983 el FCC asignó 666 canales dúplex para el US AMPS (Advanced Mobile Phone System). En el año 1986 se añadieron 166 canales. A finales de 1991 se introduce el sistema D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) que permite hasta tres usuarios por el mismo canal. Este sistema utiliza TDMA (Time Division Multiple Access). El nuevo PCS (Personal Communications Service) obtuvo la licencia en 1995 en las bandas de 900/1900 MHz. En 1996 más de 82 millones de personas estaban conectadas a redes móviles celulares. Actualmente el escenario de las comunicaciones móviles está compuesto por: EVOLUCIÓN DE LA TELEFONÍA MÓVIL Años 50 y 60 IMTS (Improved Mobile Telephone Service) Años 80 AMPS (Advanced mobile Phone System) 1991 D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) 1995 PCS (Personal Communications Service) Primera generación de telefonía celular analógica. Segunda generación de telefonía celular digital. Sistemas inalámbricos analógicos y digitales. PMR. Sistemas de radio móvil analógica privada. Redes LAN sin hilos. Redes de satélites para móviles. Nuevas redes de satélites para móviles digitales. Los desarrollos en telefonía celular no se han ido produciendo según un esquema global. Tanto USA como Europa y Japón están usando diferentes frecuencias y protocolos. En USA el estándar es el sistema AMPS. En Europa no hay un estándar en telefonía analógica, pero en telefonía digital se ha establecido el GSM, que pretende llegar a ser un estándar global. En 1996 en Europa el número de clientes de telefonía celular digital superó a los de teléfonos celulares analógicos. 3. El sistema de la telefonía celular Hay que distinguir entre telefonía celular (cellular) y telefonía sin hilos (cordless). Los sistemas celulares están diseñados para una relativamente baja densidad de usuarios. La tecnología de macroceldas da un gran área de cobertura y permite hacer llamadas mientras se viaja a gran velocidad. Este tipo de comunicaciones se denomina generalmente comunicaciones móviles. Los sistemas tipo cordless están diseñados para usuarios en un área bien definida, usando una estación base co- aanales 5
Móviles (MM) 60 40 20 0 1991 nectada a la PSTN, como por ejemplo un teléfono inalámbrico doméstico o un DECT. Un sistema celular básico consiste en un teléfono móvil, una Estación Base (BS), un MSC (Mobile Switching Centre) y las conexiones a la PSTN (Red Pública Telefónica Conmutada) como se muestra en la figura 1. El teléfono móvil comunica a la Estación Base usando frecuencias distintas para transmitir y recibir. La Estación base trasmite en la frecuencia en que el móvil está sintonizado y el móvil trasmite en la frecuencia en que la Estación Base está sintonizada. Este PSTN método permite operación tipo full-duplex. La Estación Base recibe y envía información de los teléfonos móviles al MSC. Usando técnicas de modulación pone sobre una portadora todas las EVOLUCIÓN DE LA TELEFONÍA CELULAR 1993 1995 1997 Estación Base Uplink a 6 anales 1999 2001 2003 2005 Analógico Digital llamadas y los datos de control para enviarlos al MSC. El MSC efectúa todas las funciones necesarias en el proceso de llamada y es el cerebro de la red; mantiene los datos de los clientes, direcciona las llamadas, la información para el cobro... La PSTN se utiliza para enlazar la llamada con cualquier parte del mundo (figura 2). Los sistemas de radio celular se basan en el uso y reutilización eficiente de los canales disponibles a través de un área de cobertura. Cada Estación Downlink Estación de conmutación de moviles Estación Base Figura 1: Sistema celular básico Red fija Uplink Figura 2: Enlace de telefonía celular Estación Base Base tiene asignados una serie de canales de radio para ser usados en una pequeña área geográfica denominada celda. A las Estaciones Base en celdas adyacentes se les asigna un grupo de canales completamente distintos que las celdas vecinas. Limitando el área de cobertura de una Estación Base a una celda, el mismo grupo de canales pueden ser usados para cubrir diferentes celdas separadas unas de otras la suficiente distancia para mantener los niveles de interferencia en límites razonables. Este factor de interferencia (denominado interferencia entre canales) se expresa normalmente por la relación C/I: carrier/interface. La distancia mínima entre dos celdas que utilizan la misma frecuencia se relaciona en los sistemas analógicos mediante la ley de Lee con C/I: D/R [ 6 (C/I)] 1/4. Móvil Downlink En macroceldas (radio de 1 a 20 km.) se tienen unos niveles de potencia de entre 1 y 20 W. En microceldas (radio entre 0,1 y 100 m) se tienen unos niveles de potencia entre 0,1 y 1 W. Las microceldas se utilizan a menudo en ciudades, donde las podemos encontrar en las calles o dentro de los edificios. La reutilización de frecuencias trae como
consecuencia una mayor eficacia en el uso de los canales permitiendo más llamadas en el sistema. El proceso de selección y asignación de frecuencias y grupos de canales a cada una de las Estaciones Base se denomina frequency reuse o frequency planning. En la figura 3 se ilustra el concepto de reutilización de frecuencias. Se ha llamado con la misma letra el mismo grupo de canales. Cada celda se dibuja de forma hexagonal como representación simbólica del área de cobertura de una Estación Base. La situación ideal sería un circulo alrededor de la antena de la BS, que en una situación real estaría distorsionado por obstáculos tales como accidentes del terreno y edificaciones (figura 4). Tanto en la situación real como ideal hay interferencias entre celdas adyacentes. El radio de cobertura se determina mediante medidas de campo y modelos matemáticos de propagación de señales. En la figura 3 la reutilización de frecuencias es 1/7 y por tanto el factor de reutilización N = 7. El conjunto de celdas en donde está el número total de canales disponibles se denomina área de localización. En algunos casos cuando los niveles de tráfico alcanzan un determinado nivel se hace necesario dividir una celda en otras más pequeñas, donde las frecuencias pueden ser utilizadas de nuevo. Esto se denomina división de celdas (Cell Splitting) (figura 5). El tamaño de la nueva celda viene dado por el factor de reutilización N. Para N=3 se usa una división de celdas de 4:1 Para N=4 se usa una división de celdas de 3:1 Para N=7 se usa una división de celdas de 3:1 o 4:1 Para N=9 se usa una división de celdas de 4:1 Con una división 4:1 una nueva celda en la esquina de 2 existentes tiene un radio de 1/2 de las celdas originales y con 3:1 de un tercio. Otras técnicas que se emplean son: Segmentación. (segmentation) Divide el grupo de canales en segmentos de frecuencias mutuamente exclusivas, G y las celdas que están dentro de la distancia F de reutilización se les asigna su propio segmento del grupo de canales, de este modo se evita la interferencia entre canales. Esto disminuye la capacidad de la celda pero permite la reutilización de frecuencias dentro de la distancia de reutilización. Dualidad. (dualisation) B A G Figura 3: Reutilización de frecuencias Representación simbólica E F C Situación real (con obstáculos) D Figura 4: Cobertura celular B B E C D B A E Área de localización Es la forma de evitar la división total de una celda cuando el área total tendría de otra manera la necesidad de ser convertida en celdas más pequeñas. Cuando una nueva celda B se inicializa requiriendo el mismo grupo de canales que una celda existente A, pero B no está suficientemente alejada de A para una reutilización normal, el centro de la celda A se convierte en celda primaria y los mismos canales son asignados a la nueva C D Situación ideal Antes y después de la división de la celda Figura 5: División de celdas G F E D B F G A B C E C D aanales 7
celda B. En la práctica se requiere una Estación Base extra en el medio de la celda A. Hay entonces dos Estaciones Base en la celda A: una de gran potencia que cubre toda la celda secundaria y una de baja potencia que cubre la celda primaria. La asignación de canales en la BS puede ser fija o dinámica. Los canales fijos se asignan a la misma frecuencia para cada llamada. En un sistema dinámico el MSC asigna las diferentes frecuencias según se las van solicitando las BS. Cuando un móvil se mueve a una celda diferente mientras se está hablando, el MSC inicia una transferencia a la nueva celda. Este proceso de denomina handover. Esta operación de handover no sólo requiere la identificación de una nueva BS, sino que también requiere que tanto la voz como las señales de control pasen a situarse en los canales asociados con la nueva BS. El handover se puede activar por dos razones: Cuando la señal (o la señalruido) medida entre el emisor y el receptor cae por debajo de un determinado nivel. Cuando una red necesita liberar recursos por ejemplo para una llamada de emergencia. debe dar handover cuantas menos veces sea posible ya que utiliza muchos recursos del sistema. El handover consta de 4 estados: Inicialización. Reserva de recursos. Ejecución. Terminación. Es importante establecer el nivel de señal al que se inicia esta operación. Para decidir cuando iniciar una secuencia de handover es importante que la BS controle el nivel de la señal, de forma que no pierda la comunicación y pueda comenzar la secuencia de handover. El tiempo necesario para decidir si es necesario o no depende de la velocidad a la que se mueve el vehículo. 4. La calidad en el canal de radio Los obstáculos que se encuentra una onda electromagnética en su movimiento se pueden clasificar en estáticos (edificios, montañas...) y variables con el tiempo (vehículos en movimiento...) y se consideran parte del canal de propagación de las ondas. Este canal se considera bidireccional y lineal. Para el caso de aplicaciones móviles se asume que el canal varía con el tiempo de una forma lineal (LTV Linar Time Variant System). En algunas aplicaciones la variación del canal es muy pequeña comparada con la velocidad de transmisión. Esos canales se llaman quasi-estáticos. Para evaluar la calidad de la comunicación se deben entender los siguientes puntos: La reflexión es el resultado de el choque de la señal con obstáculos mucho mayores que la longitud de onda de la onda de radio. La difracción ocurre cuando la onda de radio choca contra esquinas y bordes de obstáculos. El handover se debe hacer de forma que sea imperceptible para el usuario (soft handover). Si la comunicación se interrumpe momentáneamente se denomina Hard Handover. Se Figura 6: Recepción multipath a 8 anales
La dispersión ocurre cuando las dimensiones del objeto que interactúa con la onda de radio son del orden de la longitud de onda de la señal. En el aire existen diversos factores que afectan a la calidad de la señal recibida: 1. La atenuación de la señal. Estas pérdidas son proporcionales a la distancia (1/ Rn) donde R es la distancia y n es un número positivo generalmente entre 2 y 6. En el espacio libre n = 2 y las pérdidas vienen dadas (en db) por: L fs = log 10 f c + log 10 R + 324 La arquitectura celular está constituida por muchos emisores de potencia reducida que cubren áreas limitadas denominadas células 2. La señal recorre diversos caminos en su propagación multipath (figura 6). Un ejemplo de este fenómeno son las imágenes fantasma en el receptor de televisión. Las diferentes contribuciones se suman o restan en función de la fase. Este problema se evidencia por fluctuaciones en la amplitud de la señal, señales fuertes y débiles mientras el móvil se mueve de un sitio a otro. Los entornos urbanos son propensos a múltiples reflexiones y las áreas rurales sólo tienen una o unas pocas reflexiones por cada señal. Debido al multipath tenemos dos tipos desvanecimiento, selectivo (en función de la frecuencia): cada frecuencia llega al receptor en diferente momento, dando como lugar la dispersión de la señal en el tiempo (entre 0,1 ms y 20ms); y plano, cuando hay muchos obstáculos cerca del móvil, dando como resultado que la fase y la amplitud de las señales que llegan son diferentes. 2. Desvanecimiento lento. Es debido a ondas refractadas debidas a un obstáculo entre el transmisor y el receptor. 3. El desvanecimiento tipo Rayleigh de la propagación que produce desplazamientos aleatorios en la fase que se traducen en fluctuaciones muy rápidas del nivel de la señal. 4. El efecto Doppler por el movimiento relativo entre el emisor y el receptor. El efecto Doppler es diferente en los distintos caminos de propagación, lo que provoca una modulación de frecuencia aleatoria de la señal recibida. Para la preservación de la calidad en el canal de radio, tradicionalmente en los sistemas analógicos se aumenta por un lado el margen de seguridad en los niveles de potencia con el fin de cancelar los efectos de los desvanecimientos (utilizando además control automático de ganancia) y por otro lado se utilizan técnicas de diversidad tanto espaciales (utilización de dos antenas), de polarización (dos polarizaciones) y de frecuencia (utilizando dos frecuencias); incluso se utilizan Estaciones Base suplementarias. En los sistemas digitales, no sólo se codifica la fuente con códigos muy robustos; el canal también se codifica con códigos que hacen posible la detección y corrección de errores. 5. Procesos en el interfaz aire 5.1. Antenas La antena es un elemento que se requiere tanto en el emisor como en el receptor. El desarrollo de ésta es crítico para la operación del sistema ya que su forma y colocación afecta a los parámetros de transmisión del sistema. Para reducir la interferencia entre canales se utilizan antenas direccionales. Pueden dividirse en 3 sectores (120º) o 6 sectores (60º). En el diseño de la antena hay que tener en cuenta los siguientes factores: diagrama de potencia de la antena, ancho de banda, ganancia, plano de tierra, altura, impedancia de entrada, rigidez mecánica y polaridad. 5.2. Codificador de fuente En el caso de comunicaciones de tipo digital la información procedente de la fuente, ya sea voz aanales 9
o datos, se procesa de forma adecuada. En el caso de voz, ésta se convierte de señal analógica a digital y se codifica con métodos de codificación que son cada vez más complejos, para conseguir transmitir el menor número de bits por segundo con una calidad aceptable. Cuanto menor sea el número de bits transmitidos menor será el ancho de banda requerido. Empleando códigos de análisis de la forma de onda como el PCM se envían muchas muestras redundantes (del orden del 85%). Con códigos basados en la modulación delta, que codifican solamente los cambios que se producen entre una muestra y otra como el ADPCM (Adaptative Differential PCM) con 32 Kb/s se obtienen calidades semejantes a los 64 Kb/s del PCM tradicional. Otras estrategias de codificación son los codificadores de fuente y los predictivos lineales (LPC). Entre los primeros los más sencillos son los vocoders. Estos distinguen entre excitaciones sonoras (vocales), de la que envía la frecuencia fundamental y la potencia, y excitaciones sordas. Con este procedimiento se obtiene un sonido muy metálico. Los codificadores predictivos lineales se basan en la elaboración de un modelo matemático del elemento que genera el sonido. Se basa en el análisis de trozos de la señal (generalmente de 20 ms) de los que se extrae: La frecuencia dominante. La representación de la señal sin la frecuencia fundamental. a 10 anales El error entre la señal así representada y la real. La ganancia. 5.3. Codificación de canal Los bits resultantes son codificados nuevamente con un código de canal que los protege frente a errores de transmisión. Esta codificación consiste en añadir a los bits que salen del codificador de voz un código. Este puede ser: Detector de errores. En el caso de que el receptor detecte un error puede pedir la retransmisión de los bits erróneos o simplemente informar que la transmisión no es válida. Corrector de errores. Se añade un código de forma que se puedan recuperar errores debidos al canal de radio. En radio móvil se utilizan códigos de bloque. Los códigos de bloque consisten en efectuar un algoritmo con un bloque de datos y añadir estos bits al final del bloque. La información se divide en bloques de k dígitos. Estos se trasladan a la salida en bloques de n dígitos donde n>k. La eficiencia del código viene dada por el valor k/n. La redundancia viene dada por 1-k/n. La redundancia se refiere a la cantidad de datos enviados que no son de la información original. También se emplean los códigos convolucionales son códigos cuya salida depende no sólo del bit entrante sino también de los K bits anteriores; por ejemplo, de cada 2 bits de entrada se obtienen 3 bits de salida, o con 3 bits de entrada 4 bits de salida. Un ejemplo de este tipo de códigos es el FEC (Forward Error Correction). La señal puede encriptarse para evitar que las comunicaciones puedan ser interceptadas. Existen 4 niveles de seguridad: Nivel 0: Ninguno. Todas las llamadas pueden ser interceptadas con un escáner. Nivel 1: Equivalente a un cable. Suficiente para las conversaciones privadas del día a día. Nivel 2: Seguridad comercial. Suficiente para conversaciones comerciales tales como transacciones, adquisiciones, discusiones legales... Nivel 3: Seguridad militar y gubernamental. Algoritmos complejos, difíciles de interceptar. 5.4. Entrelazado y multiplexado El resultado de esta codificación se entrelaza (figura 7), es decir se alterna en el tiempo (se reparten en distintos tiempos de envío), con el fin de distribuir los errores de ráfaga. La salida de este proceso se multiplexa con el resultado de otros procesos de otras fuentes. Para el acceso al medio se pueden utilizar diferentes técnicas (figura 8):
FRECUENCIA 1 1 2 3 4 5 6 FDMA (Frequency Division Multiple Access): Divide los canales de radio en canales de diferentes frecuencias. Se utiliza en los sistemas celulares analógicos. Los sistemas TACS y AMPS utilizan este sistema. Se asigna únicamente un usuario a cada canal al mismo tiempo. Tiene limitaciones en la reutilización de las frecuencias y en el número de usuarios por km 2. TDMA (Time Division Multiple Access): La transmisión ocurre en tramas, a cada usuario se le asigna 1 2 Usuario 6 Usuario 5 Usuario 4 Usuario 3 Usuario 2 Usuario 1 TIEMPO FDMA 3 2 4 5 6 Figura 7: Entrelazado Información original FRECUENCIA Figura 8: Acceso al medio 3 Recomposición Usuario 1 Usuario 2 Usuario 3 Usuario 4 Usuario 5 Usuario 6 Usuario 1 Usuario 2 TIEMPO TDMA parte (broadband TDMA) o la totalidad (narrowband TDMA) del ancho de banda durante la duración de la trama. Divide los canales de radio en rodajas de tiempo para obtener mayor capacidad. Se utiliza en sistemas como GSM, North America Digital Celular y PDC (Personal Digital Celular). CDMA (Code Division Multiple Access) Se utilizan técnicas de Spread Spectrum. Cada señal se trasmite sobre un rango de frecuencias mucho mayores que las necesarias para obtener una mayor ganancia en la relación señal ruido. Dos o más señales se pueden comunicar simultáneamente sobre la misma banda de frecuencias. A cada usuario se le asigna un código único para poder tener múltiples usuarios en el mismo ancho de banda de un canal al mismo tiempo. Los códigos, denominados pseudo random code sequences, tanto por la Estación Base como por los móviles. Con este sistema se obtienen de 10 a 20 veces más capacidad que el FDMA y de 4 a 7 veces más capacidad que el TDMA. Todos los usuarios CDMA pueden compartir el mismo canal de frecuencias porque sus conversaciones se distinguen únicamente por el código digital, mientras que los operadores de sistemas TDMA tienen que coordinar el reparto de canales en cada celda para evitar interferencias entre canales adyacentes. La potencia requerida por CD- MA es mucho menor que la requerida por sistemas FDMA y TDMA. Ha sido adoptado como estándar IS-95 por la TIA (Telecommunications Industry Association), por ANSI (J-STD-008) y es la primera tecnología digital que cumple con los estándares de la CTIA (Cellular Telecommunications Industry Association). 5.5. Modulación La trama que resulta se modula según la técnica de modulación elegida. Esta señal mo- aanales 11
1. Dividir los conjuntos de Bits en dos grupos 00 11 01 10 Grupo I 0 1 0 1 Grupo Q 0 1 1 0 2. Modular cada grupo con PSK Grupo I 0 1 0 1 dulada se convierte en frecuencia, se amplifica y ataca a la antena. Si la señal moduladora varía adquiriendo solamente valores discretos (ceros y unos) se dice que la modulación es digital. Los datos a enviar se pueden modular tanto en amplitud (ASK), como en frecuencia (FSK), en fase (PSK), o en cuadratura (QAM). -π/2 π/2 -π/2 π/2 Grupo Q 0 1 1 0 2. Modular cada grupo con PSK Fase combinada MSK (MINIMUN SHIFT KEYING) -π/2 -π/2 -π/2 π/2 -π/2 -π -π/2 0 -π/2 0 π/2 0 0111 0110 0010 0001 0100 0101 0011 0000 1100 1111 1001 1000 1101 1110 1010 1011 ej.: 0011 y 0001 tienen la misma fase (45º) pero diferentes amplitudes 0001 y 0111 tienen la misma amplitud pero diferentes fases Figura 9: Modulación 16-QAM En ASK para transmitir un uno se trasmite una portadora senoidal S(t)=A cos(2 p fc t), y para transmitir un cero S(t)=0. En la modulación FSK se generan dos portadoras de frecuencias fo + Df = f1 y fo + Df = f2, enviándose S(t)=A cos(2 p f0 t) para mandar un cero o S(t)=A cos(2 p f1 t) para enviar un uno. Las ventajas de la modulación FSK son que es una codificación sencilla y barata, y que el receptor puede amplificar la señal recibida sin control automático de ganancia. Un caso particular de FSK es la modulación CPFSK o FSK de fase continua. Consiste en que al pasar de una frecuencia a otra (cambio de uno a cero, o de cero a uno) se mantenga la fase de la señal. Esto permite el uso de amplificadores en clase C, que son más sencillos y baratos. En el caso de PSK para transmitir un uno se trasmite una portadora con la misma fase que la señal anterior S(t)=A cos(2 p fc t) y para transmitir un cero se envía una señal desviada 180º (p radianes) S(t)=A cos(2 p fc t+p). Una variedad de PSK es el QPSK (Quadratic Phase Shift Keying). Se codifican los bits de dos en dos: 00 225º S(t)=A cos(2 p fc t+225º) 01 315º S(t)=A cos(2 p f1 t+315º) 10 135º S(t)=A cos(2 p f1 t+135º) 11 45º S(t)=A cos(2 p f1 t+45º) Existe un problema con la modulación QPSK, y es que por ejemplo en la transición de 00 a 11 da un cambio de fase de 180º. Esto tiene el efecto de invertir la forma de onda de la portadora y esto puede causar errores de detección en el receptor. La solución es restringir los cambios de fase a ±90º, es lo que se denomina MKS (Mínimum Shift Keying) y el proceso de conversión desde el PSK puede verse en la tabla 2. El MSK tiene unas bandas laterales de valores muy grandes comparados con el lóbulo principal, y esto puede causar interferencias con los canales adyacentes. Para ello se utiliza la modulación GMSK (Gaussian MSK) que consiste en hacer pasar los impulsos moduladores por un filtro de Gauss, que atenúa los flancos y hace que se necesite un menor ancho de banda. a 12 anales
La modulación de amplitud en cuadratura (QAM)codifica grupos de bits y cada símbolo consiste en una combinación de ASK/PSK. Existen diferentes clases de QAM dependiendo del número de símbolos: 16- QAM, 32-QAM, 64-QAM... En la figura 9 se puede apreciar un codificación 16-QAM. 5.6. Recepción En recepción se lleva a cabo el proceso inverso, donde a veces se añade una ecualización antes de la desmodulación. La ecualización trata de compensar los efectos sobre la amplitud, la frecuencia y la fase de la señal transmitida. En el caso del canal de radio las características del mismo cambian con el tiempo, con lo que se aplica la denominada ecualización autoadaptativa. En este tipo de ecualización se cuantifica de forma continua la distorsión que el medio introduce en la señal de forma restaure la forma original de la señal. Esta cadena de procesos se muestra en la figura 10. 5.7. El proceso de llamada Cuando se marca un número en un teléfono móvil y se efectúa una llamada el proceso que sigue es el siguiente (figura 11): 1. Muestreo de los canales de control. Cuando el teléfono móvil se enciende muestrea el grupo de canales de control para determinar de qué Estación Base (BS) le llega la señal con mayor potencia. 2. Elección de Estación Base. El teléfono elige la señal más potente y la Estación Base de donde procede es la que decide cúal usar para efectuar la llamada. 3. Envío del mensaje de origen. El teléfono envía un mensaje muy corto (de unos 250 ms) que contiene el MIN (Mobile Identification Number, esto es el número de teléfono), su ESN (Electronic Serial Number) y el número marcado. 4. Obtención de asignación de canal. Después de que el servicio celular verifica que el usuario es un cliente válido (basado en el MIN y el ESN), la Estación Base envía un mensaje de asignación de canal al teléfono (mensaje de unos 250 ms). Este mensaje le dice al teléfono en qué canal tendrá lugar la conversación. 5. Comienzo de la conversación. El teléfono pasa al canal 1 PSTN Codificador de fuente Codificador de canal entrelazado Cifrado Acceso múltiple Modulación Transmisión aire Figura 10: Procesos en el Interfaz Aire 1 2 Figura 11: Establecimiento de llamada MTSC 1 3 PSTN PSTN Figura 12: Red de telefonía celular Proceso inverso Recepción y ecualización 1. Scan de canales de control 2. Mensaje origen (MIN, ESN) 3. Asignación de canal asignado y comienza la llamada. Se escucha el tono de llamada o la señal de terminal ocupado. Ambas señales son transmitidas por la Estación Base como una señal de audio. En la figura 12 está el esquema de una red celular, en donde la función del MTSO (Mobile Telephone Switching aanales 13
Office) es realizar todas las conexiones. El MTSO es el nexo (bridge) entre la Red Pública Conmutada (PSTN) y las celdas, que es en donde en última instancia se establece la conexión sin hilos con el móvil. El MTSO no sólo realiza las conexiones sino que controla todo lo relacionado con los móviles y las Estaciones Base mediante un canal de control. 6. Tecnologías celulares en el mundo Los teléfonos analógicos pueden ser objeto de escuchas no autorizadas usando un escáner. Por otro lado los piratas telefónicos únicamente necesitan un escáner y un ordenador donde se ejecuta un software especial para capturar el ESN (Electronic Serial Number) de un teléfono, y hacer llamadas, que son cargadas a la cuenta del propietario del número de teléfono. En cambio, los sistemas digitales son prácticamente imposibles de intervenir de esta manera debido a que las señales van codificadas. Estos sistemas analógicos funcionan suficientemente bien para la mayor parte de las necesidades. De hecho, en una buena conexión, la claridad y suavidad del sonido de un teléfono TACS es más agradable que la mayor dureza del sonido de un teléfono digital. Los sistemas digitales usan señales digitales codificadas, que a 14 anales no pueden ser escuchadas mediante el uso de un escáner. 6.1. Redes celulares analógicas AMPS (Advanced Mobile Phone System). Desarrollada por los laboratorios Bell en los años 70 y usada por primera vez en los EE.UU. en 1983. Opera en la banda de 800 MHz y actualmente es el estándar más usado. El sistema original tenía 666 canales (42 de control y 624 de voz). EAMPS (Extended AMPS). Tiene 832 canales (42 de control y 790 de voz). Ha reemplazado al AMPS como estándar en US. C-450. Instalado en Sudáfrica en los años 80. Actualmente se conoce como Motorphone. C-Netz. Tecnología celular que se encuentra principalmente en Alemania. Funciona en la banda de 450 MHz. N-AMPS (Narrow Advanced Mobile Phone System). Desarrollado por Motorola como un estado intermedio entre la tecnología analógica y digital. Tiene tres veces más capacidad que el AMPS y funciona en la banda de 800 khz. NMT-450 (Nordic Mobile Telephones/450). Desarrollado por Ericcson y Nokia para dar servicio a las especiales características geográficas de los países nórdicos. Funciona en la banda de 450 MHz. NMT-900 (Nordic Mobile Telephones/900). Es una mejora del sistema NMT-450 para darle mayor capacidad. NTT (Nippon Telegraph and Telephone). Es el antiguo estándar analógico japonés. La versión de alta capacidad se denomina HICAP. TACS (Total Access Communications System). Desarrollado por Motorola. Es similar al AMPS. Fue usado por primera vez en Gran Bretaña. En Japón se denomina JTAC. Opera en la banda de 900 MHz. Tiene 600 o 1.000 canales (42 de control, 558 o 958 de voz). Por razones técnicas, el TACS debe finalizar sus servicio antes del año 2005. Las redes habrán de mover sus usuarios hacia los servicios digitales ya que las frecuencias ocupadas por el TACS pasarán a ser utilizadas por el GSM. ETACS. Tiene 1.320 canales (42 de control, 1278 de voz). El sistema ETACS es lo mismo que el TACS pero incluye algunos canales extra alquilados de frecuencias militares, que se añaden en áreas congestionadas de tráfico telefónico y donde no es deseable poner nuevas celdas. 6.2. Redes celulares digitales CDMA (Code Division Multiple Access). Desarrollado por Qualcomm Inc. Se caracteriza por ser de gran capacidad y radios de celdas pequeños. Fue adoptado por la TIA (Telecommunications Industry Association) en 1993.
Los primeros sistemas basados en CDMA son ahora operativos. D-AMPS (Digital AMPS). Es una actualización de los sistema AMPS analógicos. Una infraestructura AMPS/D-AMPS puede soportar el uso tanto de teléfonos analógicos como digitales. Opera en la banda de 800 MHz. GSM (Global System for Mobile Communications). Es el primer estándar digital europeo, se ha desarrollado para disponer de compatibilidad en toda Europa. Su éxito se ha expandido a todas las partes del mundo y hay más de 80 redes GSM actualmente operativas. Opera en la banda de 900 Mhz. REDES INTERNACIONALES PAÍS SISTEMA 900 1900 450 450 800 800 800 800 900 900 1800 GSM GSM NTM CNETZ AMPS AMPS-TDMA DAMPS NAMPS CDMA ETACS TACS DCS Andorra X X Argentina X X X Australia X X Austria X X X Bélgica X X Brasil X X X Canadá X X X Chile X X China X X X X Rep. Checa X X Dinamarca X X Finlandia X X Francia X X X India X X Indonesia X X X X Italia X X Corea X X Liechtenstein X Luxemburgo X X Malasia X X X X Malta X X México X X Mónaco X Marruecos X X Holanda X X Noruega X X Polonia X X X Portugal X X Rusia X X X X X X Singapur X X X X X R. Eslovaquia X X Sudáfrica X X España X X X Suecia X X Suiza X X X Ucrania X X X Gran Bretaña X X X EE.UU. X X X aanales 15
DCS-1800 (Digital Cordless Standard). Fundamentalmente es un GSM que opera en la banda de 1800 MHz. Los actuales teléfonos GSM no pueden usarse en este tipo de redes. PCS (Personal Communications Service). Es la versión americana del GSM, pero los teléfonos GSM no pueden usarse en redes PCS. Opera en la banda de 1900 MHz. PHS (Personal Handly System). Sistema japonés que ofrece servicios de datos de alta velocidad y gran calidad de voz. TDMA (Time Division Multiple Access). Es el primer estándar digital USA: Fue adoptado por la TIA en 1992. El primer sistema comercial comenzó en 1993. TELEFONÍA CELULAR PCN. Es realmente un término de márketing y no una tecnología. En realidad es un sistema GSM funcionando en la banda de 1800 MHz. 6.3. Redes internacionales En la tabla de la página anterior se ofrece una lista de los diferentes sistemas de telefonía móvil que se utilizan en los países más importantes del mundo. ANALÓGICA Rango de Acceso múltiple Método Número Espacio Velocidad frecuencias (MHz) al medio dúplex de canales entre canales Modulación del canal AMPS 1 Rx 869-849 FMDA 2 FDD 3 832 30 khz FM n/a ETACS 4 Rx 916-949; Tx 871-904 FMDA FDD 1240 25 khz FM n/a NTACS 5 Rx 860-870; Tx 915-925 FMDA FDD 400 12,5 khz FM n/a NMT-450 6 Rx 463-468; Tx 453-458 FMDA FDD 200 25 khz FM n/a NMT-900 7 Rx 935-960; Tx 890-915 FMDA FDD 1.999 12,5 khz FM n/a DIGITAL Rango de Acceso múltiple Método Número Espacio Velocidad frecuencias (MHz) al medio dúplex de canales entre canales Modulación del canal IS-54/ -36 8 Rx 869-894; Tx 824-849 TDMA/FDM 9 FDD 832 10 30 khz π/4 DQPSK 48,6 kb/s IS-95 11 Rx 869-894; Tx 824-849 CDMA/FDM 12 FDD 20 13 1250 khz QPSK/OQPSK 14 1.228 Mb/s GSM 15 Rx 925-960; Tx 880-915 TDMA/FDM FDD 124 16 200 khz GMSK 17 270.833 kb/s DCS-1800 Rx 1805-1880; Tx 1710-1785 TDMA/FDM FDD 374 18 200 khz GMSK 270.833 kb/s PDC 19 Rx 810-826; Tx 940-956 TDMA/FDM FDD 1.600 20 25 khz π/4 DQPSK 42 kb/s Rx 1429-1453; Tx 1477-1501 1. AMPS: Advanced Mobile Phone Service. 2. FMDA: Frequency Division Multiple Access. 3. FDD: Frequency División Dúplex. 4. ETACS: Total Access Communication system. 5. NTACS: Total Access Communication system. 6. NMT-450: Nordic Mobile Telephone. 7. NMT-900: Nordic Mobile Telephone. 8. IS-54/ -36: North American Digital Cellular. 9. TDMA/FDM: Time Division Multiple Access. 10. 3 Users/Channel. 11. IS-95: North American Digital Cellular. 12. CDMA/FDM: Code Division Multiple Access. 13. 798 Users/Channel. 14. QPSK/OQPSK: Offset Quadrature Phase Shift Keying. 15. GSM: Global System for Mobile Comunications. 16. 8 Users/Chanel. 17. GMSK: 0,3 Gaussian Filter Minimum Shift Keying. 18. 8 Users/Chanel. 19. PDC: Personal Digital Celular. 20. 3 Users/Chanel. PCS (PERSONAL COMMUNICATION SYSTEMS) Rango de frecuencias (MHz): Rx 1930-1990; Tx 1850-1910 Estándar alto: PCS TDMA (Basado en IS-136) - PCS CDMA (Basado en IS-95) - PCS 1800 (Basado en GSM) Estándar bajo: PACS (Basado en PHS) - DCT-U (Basado en DECT) a 16 anales
7. Sistemas inalámbricos Los teléfonos inalámbricos están diseñados para usuarios que se mueven dentro de una área definida. El DECT (Digital European Cordless Telephone) fue establecido por la ETSI en 1991 (derivado del GSM) y el primer sistema se puso en marcha en 1991. Actualmente hay más de 5 millones de terminales en servicio. Incorpora encriptación, y da servicios de voz, fax y comunicaciones de datos. Ofrece mayor calidad que los sistemas celulares estándar como el GSM y el DCS1800 y comparable con el de las redes fijas. a DECT (DIGITAL EUROPEAN CORDLESS TELEPHONE) Rango de frecuencias (MHz): 1880-1900 Codificación: ADPCM (Adaptative Differential Pulse Code Modulation), codificador de voz que da una gran calidad. Acceso múltiple al medio: TDMA/FDM. Es capaz de manejar hasta 100.000 usuarios por km 2 en ambiente de oficinas. Selección de canales: DCS/DCA (Dinamic Channel Selection/Allocation). Es una capacidad del DECT que asegura que se utiliza siempre el mejor canal de radio disponible. Método dúplex: TDD Número de canales: 10 (12 users/channel) Espacio entre canales: 1728 MHz Modulación: GFSK (Filtro de Gaus de 0,5) Velocidad del canal: 1,152 kb/s OTROS SISTEMAS INALÁMBRICOS DIGITALES Rango de Acceso múltiple Método Número Espacio Velocidad Modulación frecuencias (MHz) al medio dúplex de canales entre canales del canal CT2/CT2+ 21 CT2: 684-868 TDMA/FDM FDD 40 100 khz GFSK 22 72 kb/s CT2+: 944-948 PHS 23 CT2: 1895-1918 TDMA/FDM FDD 832 30 khz GMSK 24 19,2 kb/s ANALÓGICOS Rango de Acceso múltiple Método Número Espacio Velocidad Modulación frecuencias (MHz) al medio dúplex de canales entre canales del canal CT0 25 España: 31-40 FMDA FDD 10, 12, 15, 20 o 25 1,7-20- 25-40 khz FM n/a CT1/CT1+ 26 CT1: 914-960 FMDA FDD Ct1: 40 25 khz FM n/a CT1+: 885-932 Ct1+: 80 JCT 27 254-380 FDMA FDD 89 12,5 khz FM n/a 21. CT2/CT2+: Cordless telephone 2. 22. GFSK: Filtro de Gauus de 0,5. 23. PHS: Personal Handy Phone System. 24. GMSK: Filtro de Gauus de 0,5. 25. CT0: Cordless telephone 0. 26. CT1/CT1+: Cordless telephone 1. 27. JCT: Japanese Cordless Telephone. [1] Analog and digital communication systems. Martin S. Roden. Prentice Hall. [2] Evaluating spread spectrum alternatives. Amos Young. Wireless Design and Development. [3] El futuro de las comunaciones móviles: Interoperatividad y/o convergencia. J. Bursztejn. [4] Ingeniería de las telecomunicaciones. J. Dunlop y D.G. Smith. Editorial Gustavo Gili. [5] Cálculo de antenas. Armando García Domínguez. Marcombo. Boixareu Editores. Bibliografía [6] Spread Spectrum Systems. R.C. Dyxon. Jhon Wiley and sons. [7] Digital Communications. Fundamentals and Applicatiions. Bernard Sklar. Prentice Hall. [8] Mobile antenna systems handbook. K.J. Fujimoto y J.R. James. Artech House. [9] Cellular mobile systems engineering. Saleh Faruque. Artech House. [10] Cellular radio: Analog and digital systems. Asha Mehrotra. Artech House. aanales 17