Sistemas de Telefonía Móvil: Evolución de la Tecnología

Sistemas de Telefonía Celular

Telefonía Celular Analógica

AMPS

• Primer sistema celular de EE. UU.
• Desarrollado en la década de 1970, uso comercial en 1983.
• Reutilización de 7 celdas. Admite sectorización (emplea celdas de 3 sectores) y división.

Radioenlace

• Ocupa FDMA (acceso al medio por frecuencias).
• Cada canal tiene un ancho de banda (BW) de 30 KHz.
• Rango de frecuencias:
  • Hacia atrás: 824-849 MHz (25 MHz)
  • Hacia delante: 869-894 MHz (25 MHz)
• Son 832 ($\frac{25000}{30}=833$, se considera frecuencia de guarda en los extremos de la banda) canales en total.
• 416 canales para cada operador (21 de control que monitorean 18 canales, 395 para operar).

Funcionamiento

• La estación base transmite continuamente un canal de control hacia adelante. La estación base monitorea constantemente a los usuarios enganchados a ella.
• El móvil examina un limitado número de canales, se engancha a la mejor señal.
• Los usuarios acceden al canal de control hacia atrás con un protocolo de contienda en canal común.

Suponiendo que un móvil A desea hacer una llamada:

• A hace petición de llamada por el canal de control hacia atrás.
  • MIN: Identificación del móvil.
  • ESN: Electronic Serial Number.
  • SCM: Station Class Mark.
  • Número del destinatario.
• Todo esto se envía al MSC (Mobile Switching Center), Conmutación de llamadas.
  • MSC verifica los datos, conecta al abonado a la PSTN (Red Telefónica Pública Conmutada), asigna un par de canales RF a la llamada y asigna el correspondiente SAT (tono único para verificar estado de la llamada) y VMAC (controlar potencia).

En caso de necesitar un handoff (cambio de celda):

• MSC decide efectuar handoff, decide nueva estación base y reservar par de canales de RF. Asigna SAT y VMAC. Se envía la información a la estación base.
• La estación base transmite los datos en el canal de voz a través de Wideband Data Signaling. Se efectúa el handoff.

ETACS

• Sistema celular Europeo desarrollado a mediados de la década de 1980. Virtualmente idéntico a AMPS.
• Cambia el ancho de banda del canal de RF, también el rango de frecuencias del enlace.
• Cambia el número de canales RF por enlace, tasa de transmisión de datos y la modulación de voz.

N-AMPS

• Deriva de AMPS, desarrollado por Motorola. 3 veces la capacidad de AMPS, usa canales de RF de 10 kHz.

Telefonía Celular Digital

USDC

• Técnicas de modulación digital. Mayor capacidad de usuarios que AMPS.
• Diseñado para compartir con AMPS:
  • Espectro de frecuencias, reutilización de frecuencias, estaciones base.
• Es de 2G.

Radioenlace

• Sistema TDMA/FDD (acceso al medio por ranuras de tiempo). En cada canal para aumentar capacidad. Cada canal se divide en 6 ranuras temporales, a diferencia de AMPS que todo el canal se usa para un usuario.
  • 3 Usuarios full rate: ocupa dos canales.
  • 6 Usuarios half rate: ocupa un canal.
• 84 canales de control, 42 AMPS y 42 USDC.
• Mayor tasa de transmisión que AMPS (10 kbps, en AMPS no hay al ser analógica).

Señales de Supervisión

CDVCC

• 12 bits por ranura de tiempo.
• Similar a SAT.
• Si hay error, desconecta al usuario y libera la ranura de tiempo.

SACCH

• 12 bits por ranura de tiempo.
• Canal lógico lento y asociado que transmite información de control crítica para mantener la calidad y estabilidad de las conexiones activas en sistemas celulares. Es clave para tareas como el ajuste de potencia, la sincronización y la gestión del handoff.

GSM

• Sistema inalámbrico de 2G, norma paneuropea introducido al mercado en 1991.
• Es el primer sistema que especifica:
  • Arquitectura de red, modulación digital y servicios.
• Sus servicios son:
  • Telefonía, datos y servicios suplementarios ISDN.
• Acceso al medio por TDMA.
• SIM: Dispositivo de memoria, número de identificación del abonado, redes y países accesibles por el usuario, números secretos.
• SIM + PIN: permite activar el servicio desde cualquier teléfono GSM.

Arquitectura de la Red

• BSC controla cientos de estaciones base, administra Handover y gestiona asignación de recursos.
• El núcleo principal es la MSC. Las BSC se conectan a este núcleo, el cual se encarga de establecer las conexiones en las llamadas y además enrutar el tráfico hacia redes externas.
• El OMC se encarga de monitorear y mantener el rendimiento de la red.
• El MSC se conecta con redes externas como el PSTN, Data Network y ISDN.
• HLR contiene la base de datos principal que almacena información permanente del abonado.
• VLR contiene la base de datos que almacena información temporal de usuarios visitantes en la región del MSC correspondiente.
• AUC es el centro de autentificación que permite proteger la comunicación y asegurarla.
• Externos:
  • PSTN (telefonía fija)
  • Redes de datos (internet y otros servicios)
  • ISDN (Red Digital Avanzada)

Radioenlace

• Usa TDMA.
• Bandas de resguardo de 100 kHz.
• 124 canales RF dúplex de comunicación por enlace. Cada uno se llama ARFCN y es compartido por 8 usuarios en distintos tiempos. Cada usuario utiliza una única ranura de tiempo por trama.
• Rango de frecuencias:
  • Hacia atrás: 890 - 915 MHz
  • Hacia delante: 935 - 960 MHz
• Trama: conjunto de ranuras de tiempo. - Canal físico: Una ranura de tiempo específica dentro de un ARFCN.
• Canal lógico: tipo de información (7 TCH: voz, datos / CCH: señalización/control).
• TCH: voz, datos
  • Soporta 7 canales de tráfico. F full rate (información se envía en una ranura de tiempo, en cada trama) , H half rate (la información se envía en una ranura de tiempo, trama por medio).
• CCH: 9 canales de control soportados. Son hacia delante, enganche de los móviles, monitoreo de potencia de móviles en celdas vecinas. Establecimiento de llamadas, asignación canales de supervisión. PCH y AGCH son hacia adelante, RACH es hacia atrás.

Funcionamiento

Estación móvil monitorea los BCCH (canal de control hacia delante, broadcast a la celda. Identifica celda, red, estructura canales de control, disponibilidad canales) de estaciones base cercanas. Esto permite que el móvil se asegure de siempre estar conectado a la celda adecuada.

• Móvil monitorea BCCH de estaciones base cercanas y determina la mejor señal.
• Se sincroniza a la correspondiente estación base a través del FCCH (control hacia delante, ajusta frecuencia interna a la de la estación base) y del SCH (control hacia delante, identifica BTS a través del BSIC.

Si el móvil quiere hacer una llamada:

• Petición de llamada por el RACH (Random Access Channel).
• Estación base responde por el AGCH (instruye al móvil a operar en canal físico) asignando SDCCH.
• El móvil cambia al canal físico asignado por AGCH. Este es el SDCCH (canal de control bidireccional, señalización al establecer llamada. Al asignar TCH, se libera).
• El móvil espera el primer SACCH, cada SDCCH tiene un SACCH (control bidireccional lento, asociado a cada TCH. mismo canal físico, distinto tiempo).
• Móvil envía datos de autenticación y validación en el SDCCH.
• El centro de conmutación móvil verifica datos y conecta al abonado a la PSTN.
• Por el SDCCH la estación base asigna nuevo canal físico a estación móvil.
• El móvil cambia a un nuevo ARFCN ya nueva ranura de tiempo según asignación del SDCCH.
• Se produce el establecimiento de la conexión por el TCH y su correspondiente SACCH.
• El SDCCH es liberado.

Si llaman al móvil:

• El MSC instruye a estaciones base para efectuar broadcast por el PCH (canal de control hacia delante, servicios de paging a usuarios de la celda).
• El móvil confirma la recepción del mensaje por el RACH (Random Access).
• Estación base asigna SDCCH a través del AGCH.
• Móvil cambia al canal físico asignado por AGCH.
• Móvil espera el primer SACCH hacia delante, tiene un SDCCH asociado.
• El móvil envía datos de autenticación y validación en SDCCH.
• Centro de conmutación móvil verifica datos, conecta al abordado a la PSTN.
• Por el SDCCH la estación base asigna nuevo canal físico.
• El móvil cambia a nuevo ARFCN y nueva ranura de tiempo según SDCCH.
• Se produce el establecimiento de la conexión por el TCH y SACCH.
• SDCCH es liberado.

Tecnologías Celulares

• Múltiples transmisores de baja potencia con un rango pequeño. El área se divide en celdas.
• Cada celda tiene:
  • Sus propias antenas.
  • Una estación base (transmisor, receptor y unidad de control).
  • Asignación distinta de frecuencias para evitar interferencias (10/50 frecuencias).

Celdas

• Formas:
  • Cuadradas: no equidistantes.
  • Hexagonales: antenas equidistantes.
• Patrón hexagonal perfecto para la reutilización de frecuencias.
• Se agrupan en clusters (4, 7, 19 celdas) para una mejor distribución.
• Parámetros:
  • N = celdas por cluster.
  • d = distancia entre celdas adyacentes.
  • R = radio de la celda.
• Distancia mínima entre centros de celdas para evitar interferencias.

AMPS (Sistema Inicial de EE. UU.)

• N = 7.
• 57 frecuencias por celda.
• Patrón pequeño con aislamiento suficiente.
• Crecimiento gestionado mediante nuevos canales o frecuencias prestadas de celdas subadyacentes.

División de Celdas

• En zonas de alto tráfico, las celdas grandes se dividen en celdas pequeñas.
• Sectorización: celdas divididas en 360° por secciones. Cada sección tiene sus canales.
• Microceldas: celdas pequeñas con antenas de menor altura y reducción de potencia.

Handoff y Handover

• Handoff: Cambio de celda con comunicación establecida a una nueva estación base.
• Handover: Cambio de canal dentro de la misma estación base.

Interferencias

• Cocanal: recepción no deseada del mismo canal RF en otro cluster (Q ↓, D ↓).
• Adyacente: recepción no deseada de canales RF vecinos.
• Relación señal a interferencia (SIR): S/I = (D/R)^m, donde m es el exponente de pérdidas.

Canales de Tráfico y Control (BS y MTSO)

• Inicialización de unidad móvil.
• Inicialización llamada desde el móvil.
• Localización.
• Aceptación llamada.
• Llamada en curso, traspaso.

Técnicas de Acceso Múltiple (DMA, TDMA, CDMA)

• FDMA: Canal de frecuencia asignado, fácil de implementar, pero poco eficiente.
• TDMA: Canal asignado por ranura de tiempo, más eficiente.
• CDMA: Uso de todo el ancho de banda con códigos únicos.