Tipos de Sistemas.
Celulares.
Es un sistema de telefonía pública concebido como una extensión del servicio de telefonía básico, proporcionando al menos los mismos servicios, pero de forma que el usuario está desplazándose. La consecución de una amplia cobertura y capacidad de tráfico se consigue sólo gracias al empleo de una red celular. Actualmente existen 2 sistemas: analógico y digital. Debido al gran crecimiento de la demanda del servicio de TMA plantea problemas en la capacidad de los sistemas, saturando el espectro radioeléctrico y favoreciendo el desarrollo e implantación de sistemas digitales. Se emplean varias bandas de frecuencia de UHF (450, 900, 1800, 1900 MHz) utilizando modulación en frecuencia y en fase. Las distancias de cobertura coinciden con el alcance óptico.
Sin hilos. Cordless.
Llamada telefonía inalámbrica, destinada a suministrar el acceso a redes públicas a personas en movimiento con desplazamientos cortos. Normalmente tiene un uso residencial (CT, cordless telephone), y actualmente su uso se está extendiendo a nivel empresarial con la aparición de PBX inalámbricas. Hasta hace no demasiado tiempo el estándar más utilizado era el CT2, que aplica una técnica MDF para portadoras y MDT para la transmisión dúplex entre 864 y 868 MHz, con 40 portadoras separadas 100 KHz. La potencia radiad es inferior a 10 mW con sistema de modulación GMSK. Actualmente debido al desarrollo de PBX inalámbricas se ha extendido un estándar más actual que es el DECT, que digitaliza la red y está formado por sistemas micro celulares que permiten efectuar y recibir llamadas desde cualquier punto del edificio o incluso en movimiento. La potencia de transmisión es de 250 mW. La trama se divide en 24 intervalos de tiempo (canales) con una duración total de 10 ms (intervalos de 417 ms). Cada canal transmite una trama de 420 bits en 368 ms. Utiliza un método de transmisión de MDT para portadoras y MDT para la transmisión dúplex (AMDT/DDT) con modulación GFSK. En este tipo de telefonía aparecen conceptos, como en sistemas celulares, de roaming y handover.
Radio búsqueda. Paging.
También llamada radiomensajería unidireccional. Se basa en el envío de mensajes cortos. Está definido por el CCIR, rec. 584, utilizando un estándar de facto, el POSAG (post office code standard advisory group) que permite una velocidad de datos de hasta 1200 bits/sg. El sistema más utilizado es el ERMES, que utiliza un enlace a 400 KHz de la banda de 169,4 a 169,8 MHz con 16 canales de 25 KHz. La velocidad es de 6,25 Kbits/s y la modulación es en fase.
Otras comunicaciones vía radio.
Bluetooth Describe como pueden interconectarse distintos dispositivos de manera inalámbrica, de corto alcance y sin visión directa entre los dispositivos que se conectan por que utiliza una conexión vía radio. Se supone que es una tecnología por la que apuesta la industria, aunque actualmente existen también otras tecnologías (IrDA, Wíreless Lan, etc.)
Cada equipo que funciona con esta tecnología incorpora un circuito que emite y recibe entre 2,402 y 2,480 GHz, una banda disponible para uso libre en todo el mundo y que no necesita licencia. Las conexiones son uno a uno con un rango máximo de 10 metros (aunque se pueden conseguir distancias de hasta 100 m amplificando la señal). Se ha diseñado para operar en un ambiente multiusuario, hasta 8 usuarios o dispositivos, formando una piconet, actuando uno como master y el resto como slaves. 10 piconets pueden coexistir en la misma área de cobertura formando una scatternet, utilizando el mismo rango de frecuencias y utilizando distintos canales de transmisión y sincronización. Cada enlace está codificado y protegido contra interferencia y pérdida de enlace, siendo una red de corto alcance muy segura, PAN, personal area network. Utiliza un sistema de spread spectrum parecido al de UMTS. - Potencia del transmisor: entre 1 y 100 mW (tipycally 2,5 mW). - Canales, máx.: 3 de voz y 7 de datos por piconet. - Velocidad: Máx. de 720 Kbits/s por piconet. - Interferencia: Emplea saltos rápidos de frecuencia, 1600 veces por segundo.
Comunicaciones vía satélite.
Se utilizan satélites geoestacionarios (en posición fija con respecto a la Tierra), altura entre 35000 y 40000 Km, se caracteriza por: - Amplia zona de cobertura, sin sombras. - Elevada potencia para transmisión y recepción. - Período de latencia elevado. Comienzan a proliferar sistemas de satélites que operan en órbitas entre 500 y 100 Km, precisando menor potencia, mayor velocidad y con menor cobertura. Trabajan en red realizando operaciones de traspaso entre satélites. - Utilizan bandas desde VHF, L, S, C, Ka, Ku. - Se ven afectados por rain fade. Algunos de estos sistemas son: - Inmarsat. Son 4 satélites geoestacionarios, 1 por región, más satélites de reserva. Se operan desde 3 centros de control (EEUU, Reino Unido y Alemania).
Las antenas en Tierra tienen 14 m de diámetro. Propuesto inicialmente por INMARSAT y que constaría de 10 satélites a 10.335 km de altura. La propuesta de ICO es más modesta que la de Motorola, pero cuenta con buenos apoyos internacionales y es de menor coste. Como características puede destacarse la similitud con el sistema GSM del que toma muchos de sus protocolos de red. ICO incorpora, además, un sistema de mensajería que debe funcionar incluso en el interior de edificios. - Globalstar. Globalstar (Loral) es un intermedio a las dos propuestas anteriores. Se proponen 48 satélites y se pone énfasis en las comunicaciones con áreas rurales y como solución, para incorporar a las mismas a la sociedad de la información, se utiliza la técnica de acceso en CDMA y se propone el uso de sistemas duales (AMPS/Globalstar-GSM/Globalstar) con conmutación automática. La es una representación de las coberturas alargadas de Globalstar que minimizan el número de traspasos debidos al movimiento del satélite. - Euteltracs. Orientado a mensajes. - Hispasat. Varios satélites con centro de control en Arganda del Rey. - Iridio. Red de satélites en órbitas bajas (780 Km), no geoestacionarios. Inicialmente se diseñó una red de 77 satélites (iridio es el elemento atómico número 77), reales 66. La cobertura se basa en sistemas celulares y en banda K (20 – 23,5 MHz) y banda L (1616 – 1626 MHz). Utiliza TDMA y señalización común a GSM. El empleo de enlaces entre satélites disminuye el retardo entre las comunicaciones. Los servicios serán de voz (a 4800 bit/s), datos y localización.
Telefonía Móvil. Sistemas Celulares.
Definición
Esta basado la división de la zona de cobertura en células y en la reutilización de frecuencias evitando posibles interferencias entre usuarios, operadores, etc. Características principales: Gran capacidad de usuarios, utilización eficiente del espectro y amplia cobertura. Se forma al dividir el territorio al que se pretende dar servicio en células hexagonales, cada una de las cuales es atendida por una estación de radio que restringe su zona de cobertura a la misma, aprovechando el alcance limitado de la propagación de las ondas de radio a frecuencias elevadas, así el espectro puede volver a ser reutilizado en cada nueva célula siempre teniendo cuidado de evitar interferencias entre células próximas. De esta manera se puede aumentar considerablemente el número de usuarios, al no requerirse una frecuencia exclusiva para cada uno de ellos, como si sucede por ejemplo en los sistemas de truncking.
Cuantas más pequeñas sean las células mayor será el número de canales que soporte el sistema, al poder asignar conjuntos de frecuencias diferentes para áreas o células distintas. La forma más utilizada es el hexágono, con el podemos dividir un plano, presenta mayor superficie en relación a su perímetro, ahorrando estaciones y cambios de celda (handovers). Las antenas son de transmisión y recepción, se ubican en un punto común de 3 celdas, con un diagrama de radiación horizontal y separación de 120º entre sectores, con una anchura de haz entre 60 y 90º y una anchura en el plano vertical de 10º. La ganancia está comprendida entre 15 y 20 dB, respecto a una omnidireccional. La medida de referencia para una antena de transmisión es el PIRE, que es el producto de la potencia suministrada a la antena por la máxima ganancia de la misma con relación a una antena isotrópica. La impedancia característica es de 50W y se protege el material radiante de radomo como elemento de protección. Se suele utilizar un único elemento por sector utilizando polarización cruzada a 45º y un combinador – distribuidor que mediante filtros separan las señales de emisión y recepción.
En algunas zonas (rurales) se utilizan mástiles de 20 a 40 m y se colocan 2 antenas de recepción y 1 de transmisión entre ellas, cubriendo sectores de 120º. En el mismo mástil y a distintas alturas se pueden colocar antenas de otros servicios. También se comparte el elemento radiante por varios operadores. En zonas de geometría longitudinal se utilizan antenas bisectoriales (2 x 180º) que tienen un diagrama de radiación omnibidireccional. En zonas muy congestionadas se utilizan 6 sectores de 60º (mayor directividad). En UMTS se utilizan antenas monohaces, muy directivas y que reducen la potencia, evitando interferencias. Para la unión entre BTS y BSS se utilizan enlaces de microondas. La reutilización de frecuencias consiste en el uso de canales de radio de la misma frecuencia portadora para cubrir distintas áreas geográficas, que deben estar separadas entre ellas lo suficiente para que no afecte la interferencia. Ésta puede ser cocanal, cuando se produce entre los mismos canales o adyacente cuando es entre canales muy próximos (f ! 200 KHz) afectando a la relación C/I < 9 dB.
Un conjunto de células que utiliza todos los canales de frecuencia disponibles del sistema, pero que no los reutiliza se denomina clúster, existiendo varios patrones de reuso (reuse pattern) siendo los más comunes 7/21, 4/12 ó 3/9 (3 emplazamientos y 9 grupos de frecuencias). A través de la reutilización de frecuencias un sistema móvil celular que preste servicio en una zona geográfica dada podrá llevar a cabo un número de llamadas mayor que el número de frecuencias utilizado. El proceso de subdivisión celular tiene el límite entre 500 y 1000 m (micro células) donde la potencia se reduce considerablemente).
Sectorización.
Según aumenta la demanda de usuarios, la red acaba diseñándose con BTS’s que dan cobertura a 3 celdas usando antenas directivas, que cubren ángulos de 120º, triplicando el nº de canales y disminuyendo las interferencias (sobre todo las cocanales) posibilitando la reducción de la distancia de reutilización e implícitamente disponemos de más canales por célula. También en función del número de usuarios las células van reduciendo su tamaño.
Planificación celular.
La red se empieza a desarrollar con células de gran tamaño y según aumenta las necesidades de los usuarios es decir el número de llamadas por Km2 , se van disminuyendo las celdas. Al planificar una red celular hay que tener en consideración, al menos, los siguientes principios: - Nº previsto de usuarios en la zona. - Tráfico cursado por los usuarios - Zona de servicio de cada BTS. - Máxima capacidad de canales. - Nivel de interferencias permitido. - Patrón de reutilización elegido, que determina el nº de canales por célula. - Factores topográficos. Por ejemplo: - Ancho de banda: 25 MHz. - Canalización: 200 KHz. - Nº portadoras: 25000/200 = 124. - Nº portadoreas por célula: 124/9 = 14. - Nº intervalos por portadora: 8. - Nº de canales por célula: 14 % 8 = 112. - Potencia en antena transmisora: 13 – 39 dBm. - Tiempo de subida y tiempo de bajada: 28 ls. - Sensibilidad del receptor: - 104 dBm. - Rechazo de canal común: - 86 dBm. - Rechazo de intermodulación: - 100 dBm. En función del tamaño de las celdas, tenemos: Macroceldas Se entiende como macrocélula aquella celda que proporciona cobertura con un alcance de algunos kilómetros. La definición es bastante amplia, ya que numerosos y muy diferentes entornos de propagación pueden considerarse macrocelulares; a saber: zonas rurales, zonas montañosas, autopistas, zonas residenciales suburbanas, zonas residenciales urbanas e incluso zonas urbanas con alta densidad de edificios. En estas últimas sigue en vigor la definición de macrocélulas, siempre y cuando las estaciones de base se encuentren por encima de las alturas medias de los edificios circundantes, típicamente en mástiles sobre tejados.
Para realizar los cálculos de propagación en entornos macrocelulares se utilizan bases de datos geográficas que contienen información topográfica (altura del terreno) y morfológica (uso del terreno) con una resolución que suele oscilar entre los 50 m y los 200 m. Esta información suele extraerse a partir de fotografías aéreas. Los cálculos son muy sensibles a errores en ambos tipos de información: · En el caso de la altura del terreno, los cálculos más sensibles son los de difracción. Se producen errores que pueden oscilar entre 0,3 y 1 dB por cada metro de error en la altura del obstáculo, para un único obstáculo. En el caso de múltiples obstáculos el error se propaga. · En el caso de la morfología, los modelos de propagación incorporan factores de corrección por uso del terreno que oscilan entre 0 y 30 dB.
Cualquier inexactitud en la base de datos puede dar lugar a una aplicación errónea de estos factores de corrección, con el consiguiente error en los cálculos de cobertura. Microceldas Las microcélulas son, por definición, células urbanas cubiertas por estaciones de base con antenas transmisoras colocadas por debajo de las alturas medias de los edificios circundantes. Se produce la propagación guiada de las ondas por las calles mediante reflexiones, difracciones en esquinas y, eventualmente, contribuciones de señal difractada por encima de los tejados. El alcance (cobertura) suele ser inferior a 1 km.
El modelado preciso de las condiciones de propagación en entornos microcelulares requiere contar con bases de datos del terreno con una resolución de hasta 1 m. Por otra parte, no sólo la resolución ha de ser mayor, sino que el nivel de información requerida es mucho más detallado. Es necesario contar con información tridimensional del entorno y la caracterización de los materiales constitutivos de los posibles dispersores, como edificios y otros obstáculos. Contar con todo este conjunto de información es costoso, dada la no disponibilidad comercial de la misma. Como ejemplo del tipo de errores que aparecen, se presenta un estudio en el que, partiendo de un escenario tipo en la ciudad de Barcelona, se ha procedido a modificar las bases de datos originales introduciendo errores con media cero y diferentes desviaciones típicas en la altura y la forma de los edificios. Picocélulas Aparte de los entornos macro y microcelulares en los que ya hoy en día se están realizando la planificación y la operación de las redes celulares, el futuro verá la evolución hacia escenarios picocelulares. Las picoceldas son celdas de tamaño generalmente menor que las microceldas y situadas en el interior de edificios. Comenzará a hacerse necesario, en consecuencia, contar con métodos de predicción de coberturas radioeléctricas en entornos interiores.
Estos entornos se caracterizan, desde el punto de vista de la propagación, por una presencia muy importante de obstáculos dispersores. Ello provoca una varianza muy importante en los niveles de potencia media recibidos en distintos emplazamientos y una fuerte dispersión temporal de la onda que llega al receptor. Radio sobre Fibra Un caso particular e interesante dentro de la planificación de un sistema de telefonía móvil es en un entorno cerrado. El proyecto "Radio sobre Fibra" de Telefónica Móviles está orientado a dos tipos de situaciones que se plantean a la hora de desplegar una red de telefonía celular: 1. Las zonas de sombra (dead spots) Este tipo de situación se produce en aquellas zonas en las que no es posible establecer una comunicación, debido al bajo o casi nulo nivel de señal recibida. Se dan típicamente en túneles de carretera, túneles de metro, etc. 2. Las zonas de gran cantidad de tráfico (hot spots) Debido a la creciente utilización de la telefonía móvil, existen áreas que tienden fácilmente a la congestión por la gran cantidad de usuarios que allí convergen al mismo tiempo. Es la situación típica de las zonas de negocios, aeropuertos, etc. Para evitar dicha saturación, se dividen las células radio en microcélulas, incluso en picocélulas, para así poder asegurar una mayor reutilización del espectro de frecuencias asignado, con lo cual se consigue un aumento del número de radiocanales disponibles [2]. La solución habitual consiste en aumentar el número de Estaciones Base desplegadas, de forma que cada microcélula, picocélula o zona de sombra esté servida por al menos una de ellas. Esto acarrea consigo un importante aumento de los costes de instalación, debido al elevado precio de una Estación Base.
Mediante el proyecto "Radio sobre Fibra" se dispone de una solución mucho más efectiva en términos económicos. Los repetidores de radio sobre fibra transportan las señales radio desde una única Estación Base a todos los puntos donde es necesario asegurar la cobertura. El transporte de dichas señales se hace mediante fibras ópticas. El uso de la fibra óptica como medio de transmisión lleva consigo una serie de importantes ventajas: · Baja atenuación. Frente a los 0,7 dB/m de un cable coaxial convencional, la fibra tiene unas pérdidas de 0,4 dB/km, es decir, casi unas 1.000 veces menos. Esto permite transportar las señales a grandes distancias sin el uso de repetidores intermedios, los cuales son necesarios en el caso del cable coaxial, con el consiguiente aumento de costes. · Inmunidad a interferencias electromagnéticas. La fibra emplea luz emitida por un láser para la comunicación, con lo cual no se ve afectada por las radiaciones electromagnéticas (de frecuencias mucho más bajas) del entorno. Esto es especialmente ventajoso para el cableado de edificios (permite usar las canalizaciones existentes, ocupadas habitualmente por cables de teléfono, coaxiales, líneas de fuerza, etc.), para tender los cables de fibra con la seguridad de que no se verán afectados por el resto de las comunicaciones. · Gran ancho de banda. El ancho de banda (relacionado con la capacidad de transporte de información) de una fibra es miles de veces superior al de un cable coaxial. En la fibra "caben" todos los estándares de telefonía móvil empleados en la actualidad (TMA900, GSM, DCS-1800, CDMA, DECT, etc.) y los que se usarán en un futuro próximo (UMTS). Esto permite que los equipos desarrollados sean fácilmente adaptables a las bandas de transmisión que Telefónica Móviles requiera en cada momento.
Sistema Global de Comunicaciones Móviles GSM.
Aporta un estándar europeo, con mayor eficiencia gracias al requisito de 9 dB de C/I frente a 18 dB de sistemas analógicos. También los costes en general son menores que los sistemas analógicos. Utiliza un sistema de modulación GMSK (desplazamiento mínimo gaussiano). Proporciona una serie de servicios añadidos a los de telefonía fija: - Comunicaciones de voz. - Buzón de voz. - Restricción de llamadas. - Envío y recepción de SMS. - Desvío de llamadas. - Agenda SIM. - Identificación de llamada entrante. - Ocultación de identidad propia. - Multiconferencia. - Indicación de coste de llamada. - Grupo cerrado de usuarios. - Transmisión de datos a 9600 bit/s. Es un sistema técnicamente TDM, dentro de las bandas de 900 y 1800 MHz, con separación de 200 KHz entre portadoras. Existen distintas variaciones, ejemplo en GSM 1800 cada una de las portadoras tiene 8 canales TDMA, que por el número total de canales es de 2992 canales. Los canales up y down van emparejados separados una distancia dúplex (ver tabla). Como cada portadora está separada 200 KHz y admite 8 usuarios, la eficiencia espectral es de 25 KHz, muy elevada. GSM emplea una codificación derivada de la típica de 64 Kbit/s en un MIC, ley A. Utiliza una ley ADMP que consigue velocidades de 13 Kbit/s, con cuantificación de 8192 niveles (213) y codificación RPE-LPT (regular pulse exitation – long term prediction) sin degradar la calidad del sonido. Frecuencia uplink: 890 + 0,2 n MHz (n=1 a 124) Frecuencia downlink: Frec. Up + 45 MHz
Por tanto a cada célula se la asigna un conjunto de frecuencias de radio (canales). 2 células adyacentes no tienen canales de comunicación comunes, para evitar interferencias de canal común (cocanal) se deja una distancia mínima de 2 células de separación entre 2 células que utilizan los mismos canales de radio.
Propagación
La propagación de la señal entre la estación móvil y la BTS sufre pérdidas cuando aumenta la distancia y la frecuencia (inversamente proporcional al cuadrado de la distancia). A esta pérdida se le conoce path loss (atenuación). Esto provoca que la señal recibida sea menor según el transmisor se encuentre más alejado, aunque puede ser un inconveniente, será una ventaja ya que si no las interferencias producidas por otros frentes de señal harían imposible la comunicación. Los obstáculos lejanos provocan shadow fading, dando una atenuación de la señal que aumenta siguiendo una campana de Gauss (show fading). Si los objetos que se interponen en el camino de la señal se encuentran cercanos, la señal rebota reflejándose y difractándose, siguiendo por diversos caminos (multitrayecto), llegando a la MS con distintas fases, unas constructivamente y otras destructivamente (desvanecimiento de Rayleigh). También aparecen dispersiones en el tiempo, debido a las reflexiones en objetos lejanos, provocando interferencia entre símbolos (ISI). Estando la señal directa y la reflejada separadas más del tiempo que transcurre en enviar 1 bit (en GSM 3,7 ls, aproximadamente 1 Km). Para evitar estos errores: - Entrelazado. Se separan los bits consecutivos de un mensaje de manera que no se transmite uno a continuación de otro, así no se perderán bloques completos. Por ejemplo, si durante una transmisión se perdiese una trama completa, con entrelazado de bits sólo se perderán unos bits de cada bloque. Se realiza por bloques de 464 elementos binarios.
Salto de frecuencia.
Para tratar el desvanecimiento de Rayleigh se realizan SFH (show frequency hopping) bajo la demanda de red con tal de conseguir mejor protección. En las BTS se suelen disponer 2 antenas separadas para conseguir la diversidad de recepción, y como los canales se ven afectados de distinta forma por los desvanecimientos, se elige la mejor de las señales, siendo improbable que se dé, al mismo tiempo, un desvanecimiento profundo en ambos. La velocidad es de 217 saltos por segundo (4,6 ms cada uno, coincidiendo con la trama TDMA), siguiendo uno de los 64 patrones en los que puede elegir el operador (63 aleatorios y uno cíclico). Durante la llamada, cada ráfaga se transmite a través de un canal de radio diferente, así se va evitando que toda la llamada tenga un desvanecimiento profundo. En GSM para ahorrar potencia, aumentar la duración de las baterías, reducir las interferencias y la exposición a campos electromagnéticos, sólo se transmite cuando existe señal moduladora (voz), mediante la funcionalidad VAD/DTX. - Ecualización. En el receptor se crea un modelo de canal de transmisión, capaz de distinguir entre la señal directa y la reflejada para evitar la interferencia entre símbolos.
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