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Iván Bernal, Ph.D.
http://ie205.epn.edu.ec/ibernalhttp://ie205.epn.edu.ec/ibernal
Comunicaciones Inalámbricas
Quito – Ecuador
Copyright @2006, I. Bernal
Escuela PolitEscuela Politéécnica Nacionalcnica Nacional
Quito – Ecuador
Comunicaciones
Celulares
AgendaAgenda
- Generalidades
- Procedimientos para llamadas celulares
- Reutilización de frecuencias
Algunas características de AMPS
- Handoff
- Interferencia
- Control de potencia
- Técnicas para incrementar la capacidad
- Trunking y GOS
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- T.S. Rappaport, “Wireless Communications: Principles &
Practice”, Prentice Hall.
- First Edition: 1995.
- Second Edition: 2001.
- W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd
Edition, Prentice Hall, 2005.
- G. Stuber, “Principles of Mobile Communication", Kluwer
Academic Publishers, 1996.
BibliografíaBibliografBibliografííaa
GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades
- Un sistema telefónico celular provee una conexión inalámbrica a la PSTN a sus
usuarios, en cualquier ubicación dentro del rango de cobertura del sistema.
Se desea atender a un gran número de usuarios sobre una gran área geográfica usando un
espectro de frecuencia limitado.
Se desea proveer un servicio de alta calidad que sea comparable a un sistema telefónico
original.
- La alta capacidad se obtiene de la siguiente manera:
Limitando la cobertura de cada estación base a una pequeña área geográfica denominada
“celda”.
Los mismos canales de radio pueden ser reutilizados por otra estación base ubicada a cierta
distancia.
Mediante el handoff (técnica de conmutación sofisticada), el sistema permite que una llamada
en progreso continué ininterrumpida cuando un usuario se mueve desde una celda a otra.
¾ No se alerta al usuario durante el handoff. ¾ En los documentos de USA se utiliza el término handoff , pero en los de la UIT se usa el término handover. 9 Los dos términos se usan en la literatura.
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GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades
Contienen un transceiver , una antena y circuitería de control.
Pueden estar montadas en un vehículo o utilizadas como una unida portátil.
Se comunican mediante radio con una de las estaciones base.
Con el proceso de handoff pueden pasar al control de cualquier número de
estaciones base durante la duración de una llamada.
Consisten de varios transmisores y receptores que de forma simultanea manejan
comunicaciones full duplex.
Generalmente, tienen torres que soportan varias antenas de transmisión y recepción.
Sirven de puente entre todos los usuarios móviles de la celda y el MSC.
¾ Conecta al MSC las llamadas simultaneas de los móviles mediante líneas telefónicas o
enlaces de microondas.
GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades
Coordina las actividades de todas las estaciones base y conecta todo el sistema
celular a la PSTN.
¾ Hace las conexiones entre estaciones móviles y usuarios fijos de la PSTN.
¾ Conecta las llamadas entre las estaciones móviles.
¾ Un MSC puede conectarse a un MSC remoto, usando la red telefónica o líneas dedicadas y establecer las conexiones entre un usuario móvil local y un usuario móvil remoto.
Un MSC típico maneja 100.000 abonados y 5.000 conversaciones simultaneas, y
maneja todo lo referente a facturación y funciones de mantenimiento.
Ajusta la potencia transmitida de los móviles (control de potencia).
Interviene en el handoff cambiando los canales del móvil y la estación base.
Maneja lo relacionado a facturación.
En grandes ciudades, un solo carrier puede utilizar varias MSCs.
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GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades
GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades
- CAI ( Common Air Interface )
Define la comunicación entre la estación base y los móviles.
Especifica cuatro tipos de canales diferentes:
¾ FVC ( Forward Voice Channels ) 9 Para transmisión de voz desde la estación base hacia los móviles. ¾ RVC ( Reverse Voice Channels ) 9 Para transmisión de voz desde los móviles hacia la estación base. ¾ FCC ( Forward Control Channels ) y RCC ( Reverse Control Channels ) 9 Responsables por iniciar las llamadas. 9 Sirven como beacons que difunden continuamente los pedidos de tráfico para todos los móviles en el sistema.
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Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?
- Llamada destinada a un móvil del sistema e iniciada por un abonado fijo
El MSC despacha el pedido a ciertasciertas estaciones base del sistema celular.
¾ Las que considere necesarias (o todas) basándose en el número (MIN).
Las estaciones base realizan un broadcast del MIN ( Mobile Identification Number ) en mensajes
de paging (localización) usando todostodos los canales FCCs asociados a las celdas.
¾ El MIN es el número telefónico del abonado y se usa también par facturación.
El móvil recibe el mensaje de paging enviado por la estación base (la estación base que el móvil
está monitoreando), compara con su propio MIN, y se concuerdan, se identifica usando un
RCC.
El móvil envía:
¾ El MIN ( Mobile Identification Number ) ¾ El ESN ( Electronic Serial Number ) ¾ El SCM ( Station Class Mark ) que indica el nivel de potencia máximo para el usuario particular.
La estación base transmite el acuse de recibo enviado por el móvil al MSC, informando del
intercambio de mensajes ( handshake ).
El MSC verifica el par (MIN, ESN) e instruye a la estación base que cambie la llamada a un
canal de voz libre dentro de la celda.
¾ El MSC mantiene una base de datos de con información de las unidades que se han reportado como robadas, y usa sus números de serie para bloquear a las unidades robadas. ¾ Es típico tener entre 10 y 60 canales de voz y un solo canal de control en cada estación base de una celda.
Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?
- Llamada destinada a un móvil del sistema e iniciada por un
abonado fijo
La estación base indica al móvil que cambie las frecuencias de los canales FVC y
RVC, a frecuencias que no están siendo utilizadas.
Se envía otro mensaje (llamado de alerta) por el FVCFVC para instruir al teléfono móvil
que timbre, lo que a su vez instruye al usuario que conteste el teléfono.
Todo lo descrito ocurre en unos pocos segundos y es imperceptible al usuario.
- Mientras la llamada está en progreso
El MSC ajusta la potencia transmitida del móvil y realiza handoffsfs, si es necesario.
¾ Handoff consiste en cambiar las estaciones bases y “los canales de la unidad móvil” para
mantener la calidad de la llamada mientras el abonado entre y sale del rango de
cobertura de las estaciones base.
¾ Se aplica señalización de control especial a los canales de vozcanales de voz para que el móvil pueda ser
controlado por la estación base y el MSC.
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Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?
- Llamada destinada a un móvil del sistema e iniciada por un abonado fijo
Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?
- Llamada originada por un móvil del sistema celular a un abonado fijo.
El móvil monitorea los canales de control para determinar si puede transmitir (si
canal tiene actividad).
¾ Chequea el FCC para ver si puede transmitir, cuando no se detecta actividad puede
transmitir en el canal de control reverso correspondiente (RCC).
El móvil envía un pedido de iniciación de llamada por el RCC, mas:
¾ El MIN
¾ El ESN ( Electronic Serial Number )
¾ El número al que se está llamando.
¾ El SCM ( Station Class Mark ) que indica el nivel de potencia máximo para el usuario en
particular.
La estación base de la celda recibe la información y la envía al MSC.
La MSC valida el pedido, realiza la conexión al número llamado usando la PSTN e
instruye a la estación base y al móvil para que se cambien a un par (FVC, RVC) de
canales no utilizados.
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Roaming RoamingRoaming
- Servicio que permite que los abonados operen en áreas de servicio
diferentes a las cuales están originalmente suscritos.
- Cuando un móvil ingresa a una ciudad o área geográfica, que es
diferente al área de servicio original contratada, se registra como
un roamer (errante) en la nueva área de servicio.
Roaming RoamingRoaming
- En intervalos de varios minutos, el MSC emite comandos globales en todos los
FCCs, preguntando por todos los móviles que no se han registrado que envíen
su MIN y ESN usando un RCC.
Roamers y locales.
- Las estaciones responden a estos pedidos de registro y el MSC usa el MIN/ESN
para solicitar el estado de facturación de cada roamer, si está autorizado se lo
admite en el sistema como un roamer válido.
El estado se solicita del HLR ( Home Location Register ) del roamer.
- Una vez registrados los roamers puede generar o recibir llamadas desde esa
área.
La facturación se enruta automáticamente al proveedor de servicios original del abonado.
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El concepto de “celular”El concepto de “El concepto de“celularcelular””
- El objetivo del diseño de los primeros sistemas móviles de radio
era conseguir una gran área de cobertura usando un solo
transmisor de alta potencia.
Con este esquema era imposible reutilizar las frecuencias utilizadas.
Ejemplo: En los 70s, “ Bell Movile System ”, en la ciudad de Nueva York, podía
soportar solamente un máximo de 12 conversaciones simultaneas en 1000 millas
cuadradas (radio de alrededor de 30km).
- Los organismos de regulación no hicieron asignaciones del
espectro de acuerdo a la creciente demanda de servicios móviles.
- Fue imperativo el reestructurar el sistemas de radio telefónico
para alcanzar gran capacidad con limitado espectro, y al mismo
tiempo cubriendo grandes áreas geográficas.
El concepto de “celular”El concepto de “El concepto de“celularcelular””
- El concepto celular fue una innovación que resolvió el problema de congestión
espectral y capacidad de usuarios.
Ofreció “muy alta capacidad” con espectro limitado y sin cambios tecnológicos sustanciales.
- Es una idea a nivel de sistema que requiere cambiar un único transmisor de alta
potencia (una gran celda) con varios transmisores de baja potencia (celdas
pequeñas), con cada celda cubriendo una pequeña porción del área de servicio.
Una celda es una pequeña área geográfica.
- A cada estación base se le asigna una porción del número total de canales
disponibles para todo el sistema.
A las estaciones base vecinas se les asigna grupos de canales diferentes para que la interferencia
entre estaciones base y sus usuarios se minimice.
Todos los canales disponibles son asignados a un número relativamente pequeño de estaciones
base vecinas.
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El concepto de “celular”El concepto de “El concepto de“celularcelular””
- Si la demanda se incrementa (mas canales se necesitan), el
número de estaciones base puede incrementarse (disminuyendo la
potencia de cada estación base).
Todo sin incrementar el espectro disponible.
- El principio fundamental es: “permite que un número fijo de
canales sirva a un gran número (arbitrario) de usuarios,
reutilizando los canales a lo largo de la región de cobertura”.
- “Reutilización de frecuencias” o “Plan de frecuencias”
Es el proceso de diseño para seleccionar y asignar los grupos de canales a todas las
estaciones base en un sistema.
El concepto de “celular”El concepto de “El concepto de“celularcelular””
- La forma hexagonal de la celda es conceptual y es un modelo
simplista de la cobertura de radio para cada estación base.
La forma hexagonal ha sido adoptada universalmente por que el hexágono permite un análisis
fácil y manejable de un sistema celular.
La zona de cobertura real de una celda es conocida como pisada ( footprint ) y se determina
mediante medidas de campo o modelos de propagación.
La pisada real es amorfa por naturaleza, pero se requiere de una forma regular para un diseño
sistemático del sistema y adaptación a futuros crecimientos.
- Puede parecer natural el adoptar una
forma circular, pero esta forma deja
espacios sin cobertura o regiones
sobrelapadas, cuando círculos adyacentes
se sobreponen con un mapa.
Con una celda hexagonal se obtiene cobertura total
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El concepto de “celular”El concepto de “El concepto de“celularcelular””
- Las formas geométricas que pueden cubrir completamente una región sin
sobrelapamiento y con igual área son tres: un cuadrado, triángulo equilátero y
un hexágono.
Una celda debe estar diseñada para proveer servicio a los móviles mas débiles dentro de la
pisada y estos están típicamente localizados en los extremos de la celda.
Para una distancia dada entre el centro de un polígono y sus puntos mas alejados en el
perímetro, el hexágono cubre el área mas grande entre las tres opciones.
Por lo tanto, usando los hexágonos se requiere el menor número de celdas para cubrir un área,
y con el hexágono se aproxima mas a un patrón de radiación circular.
¾ Un patrón circular se obtiene idealmente con una antena omnidireccional en la estación base y considerando solo propagación de espacio libre.
El concepto de “celular”El concepto de “El concepto de“celularcelular””
- En el caso del cuadrado, si el ancho de una celda cuadrada es d:
La celda tiene cuatro vecinas a una distancia √ 2*d.
Cuando un usuario se mueve desde el interior de la celda a los límites de la celda, es
mejor si todas las antenas son equidistantes.
¾ Se simplifica la tarea al determinar la antena adecuada para realizar el handoff y
cuando hacerlo.
Un patrón hexagonal provee antenas equidistantes.
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Reutilizació Reutilización de frecuenciasReutilización de frecuenciasn de frecuencias
- Se considera un sistema celular con las siguientes características:
S: total de canales duplex disponibles para uso. k: número de canales por grupo que se asigna a cada celda (k<S). N: número de celdas entre las cuales se dividen los S canales. ¾ Al dividir se forman grupos de canales únicos y disjuntos. ¾ Cada grupo tiene el mismo número de canales.
Cluster: se denomina la grupo de N celdas entre las que se reparten todos los canales disponibles. M: el número de veces que se replica un cluster (el número total de canales duplex ) en el sistema. C: una medida de la capacidad
La capacidad de un sistema celular es directamente proporcional al número de veces que un cluster se replica en un área de servicio fija. ¾ La capacidad de un cluster es S. 1/N : es el factor de reutilización de frecuencias. ¾ A cada celda en un cluster solosolo se le asigna solo 1/N canales del total disponible. ¾ Para tener una mayor reutilización N debe ser lo mas pequeño posible y 1/N lo mas grande posible.
S = kN
C = MkN = MS
Reutilizació Reutilización de frecuenciasReutilización de frecuenciasn de frecuencias
- N se conoce también como el “tamaño del cluster ”.
Valores típicos son 4, 7, 12.
- Si N se reduce, manteniendo el tamaño de un celda constante, se
requiere mas clusters para cubrir una región (M crece), por lo
tanto se consigue una mayor capacidad (C=MS).
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Reutilizació Reutilización de frecuenciasReutilización de frecuenciasn de frecuencias
- El valor de N es una función de cuanta interferencia un móvil o estación
base puede tolerar mientras mantiene una calidad suficiente en las
comunicaciones.
Un valor alto de N indica que las celdas co-canal están ubicadas a mayor distancia.
Un valor bajo de N indica que las celdas co-canal están ubicadas a menor distancia.
- Desde el punto de vista de diseño , es deseable tener el valor mas pequeño de
N para maximizar la capacidad en una región de cobertura.
Reutilizació Reutilización de frecuenciasReutilización de frecuenciasn de frecuencias
- Considerando la geometría hexagonal:
Cada celda tiene exactamente 6 vecinos equidistantes.
Las líneas que unen los centros de cada celda con cada una de sus vecinas están separadas 60º.
Solo es posible tener ciertos tamaños de cluster y arreglos de celdas.
¾ Para obtener conexiones sin espacios entre celdas adyacentes.
¾ Donde i y j son números enteros positivos (0,1,2,3,…).
Para encontrar el co-canal vecino mas cercano de una celda en particular:
¾ Moverse i celdas a lo largo de cualquier cadena de hexágonos. ¾ Girar 60 grados en el sentido contrario al de las manecillas del reloj. ¾ Moverse j celdas.
Se ilustra en la figura para i=3, j=2 (N=19)
N = i + ij + j
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Reutilizació Reutilización de frecuenciasReutilización de frecuenciasn de frecuencias
Reutilizació Reutilización de frecuenciasReutilización de frecuenciasn de frecuencias
Enero 06Enero 06 IvIváán Bernal, Ph.D.n Bernal, Ph.D.^3939
Reutilizació Reutilización de frecuenciasReutilización de frecuenciasn de frecuencias
Reutilizació Reutilización de frecuenciasReutilización de frecuenciasn de frecuencias
- Si se dedica 1 MHz del espectro para canales de control, determinar una
distribución equitativa de canales de voz y control en cada celda, para
cada N.
Canales de control = 1000/(2x25) =
Para N=
¾ 640/4= 160 canales de voz por celda 20/4= 5 canales de control por celda ¾ En la práctica se requiere un canal de control por celda. ¾ Los canales de control tienen una mayor distancia de reutilización que los de voz.
