Redes de Comunicación Celular

Redes de Comunicación Celular Prof. Ronald Bracho M.Sc. Telecommunications and Networks Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 1

TECNOLOGÍAS DE LOS SISTEMAS CELULARES Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 2

TECNOLOGÍAS: VARIEDAD DE SISTEMAS (1/3) Los sistemas celulares se remontan (comercialmente) a principios de la década de los 80. Se implementaron a nivel mundial diferentes sistemas, todos ellos analógicos (AMPS, TACS, NMT). Todos estos sistemas tienen como base una canalización por división de frecuencias (conocido como FDMA: Acceso Múltiple por División de Frecuencia). Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 3

TECNOLOGÍAS: VARIEDAD DE SISTEMAS (2/3) En Venezuela, a partir de 1991, se implantó el sistema AMPS, el que actualmente lo tienen las empresas Movistar (a.k.a. Telcel) y Movilnet. En vista de las limitaciones de estos sistemas analógicos se iniciaron desarrollos a nivel mundial para alcanzar sistemas con modulaciones digitales, que resolvieran las limitantes de los sistemas analógicos, por lo que a partir de 1991, comenzaron a aparecer comercialmente sistemas digitales, como GSM, IS-54, IS-136 y IS-95, basados en sistemas de acceso TDMA: Acceso Múltiple por División de Tiempo y CDMA: Acceso Múltiple por División de Código. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 4

TECNOLOGÍAS: VARIEDAD DE SISTEMAS (2/3) Las redes móviles de 2da generación comprenden los primeros sistemas móviles celulares digitales: IS-95, IS- 136, GSM, JDC Servicios Básicos: Voz, SMS, Fax, Datos (14.4kbps) 2.5G: 115.2kbps, WAP, MMS, AVL, Descargas Mejores Terminales: Color, Resolución mayor, Pantallas Grandes, Polifonía. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 5

Telefonía Móvil TBD (???) 4G Voz + Datos Integrados (Multimedia) 3G Voz & Datos (Digital) 2G Voz (analógico) 1G Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 6

SISTEMAS ANALÓGICOS: ACCESO FDMA Los sistemas analógicos, se realizaron para comunicaciones de voz, por esto las voz modula directamente la portadora, y cada canal de voz es una portadora modulada por la información de voz del canal. A los usuarios les es asignada una frecuencia diferente. RF es dividido en pequeñas bandas llamadas subdivisiones. En FDMA: Las transmisiones son simultáneas e ininterrumpidas, separadas en frecuencia empleando distintas portadoras El receptor, mediante la sincronización, selecciona el canal deseado Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 7

Filtro selector del Receptor fc1 CANAL 1 fc2 CANAL 2 fc3 CANAL 3 Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 8

CARACTERÍSTICAS DE FDMA Tecnología muy madura y experimentada Para sistemas de baja/mediana intensidad de tráfico Banda ancha: Resistencia a perturbaciones del canal Banda estrecha: Sensible a interferencias Sencillez de realización de equipos Complejidad de las estaciones base multicanales Escasa versatilidad Dificultad de inserción de la señalización asociada a la llamada Limitaciones para la mejora de la calidad Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 9

SISTEMAS DIGITALES: ACCESO TDMA Los sistemas digitales se realizaron para poder manejar información de voz y datos, por lo que la voz es digitalizada por métodos predictivos, y se le aplica una modulación digital del tipo FSK (FSK, PSK, MSK). En TDMA: La transmisión es simultánea, pero discontinua, en la misma frecuencia portadora de ráfagas o paquetes por los distintos usuarios. Cada receptor selecciona la ráfaga con su número y desprecia las demás Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 10

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 1 2 2 3 3 Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 11

CARACTERÍSTICAS DE TDMA Complejidad en el acceso: Estricta sincronización temporal Para sistemas de alta capacidad de tráfico Banda Estrecha/ancha Simplificación de estaciones multicanales Retardo en la comunicación Elevada versatilidad Necesidad de digitalización de la información Facilidad de inserción de la señalización asociada a la llamada Permite conseguir una alta calidad Posibilidad de utilizar una sola frecuencia portadora para ambos sentidos de la comunicación (Dúplex Temporal TDD) Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 12

CDMA En CDMA la transmisión es simultánea e ininterrumpida de varias comunicaciones en la misma frecuencia pero con códigos de dirección diferentes. El receptor acepta solo las señales que traen su propio código y expande las demás, considerándolas como ruido. x1(t). c1(t) AIRE (Actua como un sumador con coeficientes arbitrarios) (+) Receptor: multiplica la señal recibida y evalua la correlación respecto al código del canal (c1) x1.c1(t).c1(t) + x2(t).c2(t).c1(t) c1(t) x1(t) x2(t). c2(t) A. X1(t).c1(t) + B. x2(t).c2 (t) Receptor: multiplica la señal recibida y evalua la correlación respecto al código del canal (c2) x2(t) x2.c2(t).c2(t) + x1(t).c1(t).c2(t) c2(t) Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 13

CDMA: CARACTERISTICAS Gran anchura de banda (espectro ensanchado) Sensible a las perturbaciones del canal Gran Capacidad de tráfico Requiere estricta sincronización y control de la potencia Sencillez de la estación base Tecnología compleja que exige dispositivos electrónicos especiales No requiere planificación de frecuencias Necesidad de digitalización de la información Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 14

SISTEMAS CELULARES COMERCIALES Banda 800 MHz Canal de 30 KHz de BW Baja Capacidad No hay espacio en el espectro para crecimiento Pobre comunicación de datos Mínima Privacidad Escasa posibilidad de servicios por señalización Protección inadecuada al fraude Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 15

Se resuelve el problema de la baja capacidad. Se divide un canal AMPS (30 KHz) en tres canales de 10 KHz. Se triplica la capacidad AMPS Se aumenta la posibilidad de interferencia Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 16

IS-136 TDMA Los canales se obtienen por división en el tiempo (timeslot). Coexiste con AMPS. La implementación inicial triplica la capacidad de AMPS. Es posible 6 a 15 veces la capacidad de AMPS. Utiliza varios bloques de 800 MHz y 1900 MHz. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 17

Estructura del Frame TDMA El tiempo de guardia es provisto entre ranuras para evitar la aliteración del tráfico en el móvil Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 18

Estructura de una Red TDMA Una red TDMA consiste de los siguientes elementos: Teléfono móvil (MS - Mobile Station) Estación Base (BS - Base Station ) y antena Mobile Switching Center (MSC) y Gateway Mobile Switching Center (GMSC) Visitor Location Center (VLR) Home Location Center (HLR) Authentication Center (AUC) Equipment Identification Center (EIC) Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 19

EIC Estructura de una Red TDMA (cont ) AUC PSTN HLR GMSC/MSC /VLR BSC BSC BSC Base station controller Base station Base station Base station Air interface Mobile station Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 20

IS-95 CDMA Incremento de la capacidad de 8 a 10 veces respecto a AMPS y 4 a 5 veces a GSM. Calidad de la voz mejorada respecto a los demás sistemas. Soporta transmisión de voz, datos y vídeo. Ancho de banda en demanda. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 21

Acceso Múltiple por División del Código (CDMA) (Code Division Multiple Access) La disciplina de compartir el acceso al medio no es el dominio de la frecuencia ni del tiempo, sino en el dominio del código Puede ser ortogonal o quasi-ortogonal Quasi-ortogonal: ruido de interferencia crece con el numero de usuarios Ortogonal: ruido es evitado cuando los canales están sincronizados y existe un manejo estricto del control de potencia. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 22

CDMA (2) Ortogonal vs. Quasi-ortogonal Definición: Ortogonalidad depende de la selección del código base (Ci(t)). Ortogonal ofrece mayor capacidad. Por que? Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 23

Alternativas CDMA Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 24

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Compatibilidad con ISDN. Transmisión de datos hasta 9600 bps Servicio de Mensajería Corta. Fax G3 Servicio General de Paquetes de radio Dos veces la capacidad AMPS. Alta seguridad y portabilidad (SIM Card) Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 26

Estructura Red GSM PSTN GSM Public land mobile network (PLMN) Um MT TE BTS MS A BSC BTS MSC BSS MS BSS Contiene el SIM VLR HLR AUC EIR OSS OMC NMC ADC OSS: operation subsystem BSS: base station subsystem MS: mobile station Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 27

Estructura Lógica de Canales GSM TCH CCH CBCH TCH/F TCH/H BCH CCCH DCCH FCCH SCH BCCH PCH AGCH RACH SACCH ACCH SDCCH FACCH Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 28

Canales Lógicos GSM Tres (03) grupos de canales lógicos de control 1. BCH (broadcast channel): punto-multipunto downlink only BCCH (broadcast control channel): envía identidad de celdas, información de organización acerca canales de control común, disponibilidad del servicio de llamadas, etc FCCH (frequency correction channel): Envía una frecuencia de corrección (burst de datos todos ceros) para afectar un salto constante de frecuencia en la portadora RF. SCH (synchronization channel): Envía el numero de trama TDMA y el código de identificación de las BTS para sincronizar los Móviles (MS) Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 29

Canales Lógicos GSM, cont 2. CCCH (common control channel): Para acceso y Paging. PCH (paging channel): para hacer paging a los MSs. AGCH (access grant channel): para asignar a los MSs a canales dedicados de control únicos (standalone) para asignación inicial. RACH (random access channel): para los MS enviar requerimientos de conexiones dedicadas. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 30

Canales Lógicos GSM, cont 3. DCCH (Dedicated Control Channel): canal de control bidireccional punto-a-punto: Canal Principal de Señalización. SDCCH (stand-alone dedicated control channel): para requerir servicios, autenticación de usuarios, validación de equipos, asignación de canal de trafico. SACCH (slow associated control channel): Para señalización fuera de banda asociada con un canal de trafico, ejemplo, mediciones de fuerza de la senial. FACCH (fast associated control channel): Para senializacion preventiva sobre un canal de trafico, ejemplo, mensajes de handoff. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 31

Números GSM IMEI (International Mobile station Equipment Identity): IMEI= TAC + FAC + SNR + SP TAC = Type Approval Code, 6 decimales FAC = Final Assembly Code, 6 decimales, asignados por el fabricante. SNR = Serial Number, 6 decimales, asignados por el fabricante. SP = Spare, 1 lugar decimal Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 32

Números GSM, cont IMSI (International Mobile Subscriber Identity): Almacenado en el SIM (Subscriber Identity Module) card. Es obtenido al momento de la suscripcion No se hace publico. IMSI = MCC + MNC + MSIN MCC = Mobile Country Code, 3 decimales MNC = Mobile Network Code, 2 decimales MSIN = Mobile Subscriber Identification Number, maximum 10 decimal digits Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 33

Números GSM, cont MSISDN (Mobile Station ISDN number): Es el numero telefónico real del usuario. Almacenado en el SIM Card. MSISDN = CC + NDC + SN CC = Country Code, hasta 3 decimales NDC = National Destination Code, tipicamente 2-3 decimales SN = Subscriber Number, máximo 10 decimales. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 34

Números GSM, cont MSRN (Mobile Station Roaming Number): El mismo formato del MSISDN Numero ISDN temporal dependiente de la localización del MS (Operador Dependiente). Asignado en dos casos: Al momento de registro en la red Al momento de originar una llamada. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 35

Números GSM, cont LAI (Location Area Identity): Enviada en el BCCH LAI = CC + MNC + LAC, LAC = Location Area Code, max 5 decimales (<FFFFhex). TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) Almacenado en el VLR y en el SIM card. Consiste de 32 bits, excluyendo el valor FFFF FFFFhex TMSI tiene solo significado en la red local que se encuentra el usuario y puede ser definido de acuerdo a las especificaciones del operador. LAI + TMSI define inequívocamente al usuario, es decir, IMSI no es necesitado una ves que la comunicación esta esteblecida. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 36

Números GSM, cont EIR (Equipment Identity Register) Frecuentemente Integrado al HLR Guarda una lista de los MS (identificados por su IMEI) que son prohibidos en la red o deben ser monitoreados. Diseniado para hacer seguimiento de MS robados. En teoría toda la data de MS robados debería estar distribuida en todos los EIRs alrededor del mundo. Sin embargo, es claro que algunos países no esta en operación. Tiene una lista blanca y una negra, y opcionalmente una lista gris. No tiene que cambiar en tiempo real, por lo cual puede ser menos distribuida que la función del HLR. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 37

Situación en Venezuela Operadores Inicial Actual NACIONALES TELCEL MOVILNET INFONET DIGITEL DIGICEL REGIONALES - RURALES Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 38

Acceso Múltiple al Medio & Multiplexión Técnicas de acceso múltiple son una manera regulada de explotar un recurso común por parte de un grupo de usuarios distribuidos en diferentes puntos del recurso (FDMA, TDMA, CDMA). Multiplexión es una combinación regulada de diferente señales centralizadas un una dimensión sencilla del recurso (FDM, TDM). Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 39

Acceso Múltiple al Medio & Multiplexión (2) Ambos Acceso Múltiple y Multiplexión son generalmente usados en sistemas de comunicación celulares Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 40

Protocolos de Acceso al Medio Ortogonal TDMA FDMA CDMA PMA Resumen Portadora Sencilla/Enlace (SCPL) Portadora Sencilla/Estacion (SCPS) Portadora Sencilla/Canal (SCPC) Secuencia Directa (DS-CDMA) Salto de Frecuencia (FH-CDMA) ALOHA Slotted ALOHA Reservacion de Paquetes Conmutacion de Paquetes Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 41 Conmutacion de Circuitos

Tecnicas Puras e Hibridas de Acceso Multiple al Canal Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 42

FDM vs. TDM FDM es apropiada para senales analógicas TMD es apropiada para senales digitales y señales analógicas digitalizadas (ejem., voz) Ambas son ineficientes cuando las ratas de transmisión son diferentes o variables. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 43

Multiplexión Estadística (ATM) Es la alternativa a utilizar cuando las ratas de transmisión son diferentes o variables (datos). Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 44

Acceso Multiple por Division de Frecuancia (FDMA) Varias Implementaciones: SCPL, SCPS, SCPC. Problema: Intermodulation (IM) entre portadoras al momento de procesarlas a bordo. SCPL: a cada GS le es asignado una portadora por enlace. En el caso de comunicación full-duplex entre N estaciones el numero de portadoras sera Nc = N (N 1). Alta IM. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 45

Acceso Multiple por Division de Frecuancia (FDMA) (2) SCPS: cada GS usa una portadora para todos sus enlaces. Numero de portadoras Nc = N. Menor IM. SCPC: cada GS usa una portadora por canal. Uso flexible de los recursos. IM puede ser disminuida por suicheo de las portadoras durante periodos de inactividad. Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 46

Questions? Preguntas? Chistes? Comentarios? Oct 2007 Celullar Networks, Lecture 2 47