Comunicaciones Moviles- Lineas de TX

“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación” CURSO: LINEAS DE TRANSMISIÓN. PROFESOR: ING. RUBEN, COTERA BARZOLA. ESCUELA: ING. ELECTRÓNICA. NIVEL: VII CICLO. TEMA: COMUNICACIONES MÓVILES. INTEGRANTES:      

REMOND VICENCIO, RONALD. VALLE PALACIOS, ANTHONY. BALBOA CAMA, ROMEL. PALOMINO CHAHUA, ROY. ALARCON QUISOCCAPAC, YUSEP. HUAMANI CARDENAS, RAY.

2015

INDICE: 1. INTRODUCCIÓN 2. FUNDAMENTOS DE LA INTERFAZ DE RADIO 3. PROPAGACIÓN EN COMUNICACINES MÓVILES 4. SISTEMAS CELULARES CLÁSICOS (FDMA/TDMA) 5. SISTEMAS GSM 6. SISTEMAS GPRS 7. SISTEMAS CELULARES CDMA 8. SISTEMAS UMTS 9. SISTEMAS HDSPA

 2.

1.- INTRODUCCIÓN: Por definición, el término "comunicaciones móviles" describe cualquier enlace de radiocomunicación entre dos terminales, de los cuales al menos uno está en movimiento, o parado, pero en localizaciones indeterminadas, pudiendo el otro ser un terminal fijo, tal como una estación base. Esta definición es de aplicación a todo tipo de enlace de comunicación, ya sea móvil a móvil o fijo a móvil. De hecho, el enlace móvil a móvil consiste muchas veces en un enlace móvil a fijo a móvil. El término móvil puede referirse a vehículos de todo tipo automóviles, aviones, trenes... - o, sencillamente, a personas paseando por las calles. El Reglamento de radiocomunicaciones define el servicio móvil como un servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrestres (fijas) o entre estaciones móviles únicamente. Además, en función de dónde se sitúa habitualmente el terminal móvil, el Reglamento diferencia tres tipos de servicio: _ Servicio móvil terrestre. _ Servicio móvil marítimo. _ Servicio móvil aeronáutico. Es importante destacar que al hablar de comunicaciones móviles se está pensando, generalmente, en un sistema de comunicaciones punto a punto. Aunque también es posible en algunas circunstancias efectuar comunicaciones punto a multipunto, se trata de una configuración especial del servicio que sirve a aplicaciones particulares. 2.- FUNDAMENTOS DE LA INTERFAZ DE RADIO

A través del interfaz de radio, se produce la unión entre los dispositivos móviles y las infraestructuras fijas que hay en las células. En GSM se han especificado dos bandas de frecuencia para poder ser usadas y con dos fines distintos: Por un lado, tenemos la banda de los 890-915 MHz, que se utiliza para transmitir desde la estación móvil a la estación base. Por otro lado tenemos la banda de los 935-960 MHz, para transmitir en el sentido contrario, es decir, desde la estación base a la estación móvil. Hay que señalar que de estas dos bandas de frecuencias (en total tenemos 25Mhz en cada banda de frecuencias), no se pueden usar todas, ya que algunas se encuentran no disponibles por motivos militares y por compatibilidad con algunos sistemas analógicos anteriores al GSM. Estas bandas de frecuencia, vimos antes que son utilizadas para mantener diferentes comunicaciones simultáneas; hay dos mecanismos fundamentalmente utilizados para poder proporcionar acceso múltiple a un medio limitado, como son las frecuencias. Estos dos mecanismos se denominan FDMA o Frequency Division Multiple Access (Acceso Múltiple por división de Frecuencia) y TDMA o Time Division Multiple Access (Acceso Múltiple por División de Tiempo). En el caso de FDMA a cada usuario se le asigna una frecuencia de manera que el máximo número de usuarios que pueden usar el sistema viene determinado por el máximo número de frecuencias disponibles. Mediante TDMA lo que se hace es que diferentes usuarios pueden utilizar el mismo canal; para ello, a cada usuario se le asigna un determinado tiempo en el cual puede hacer uso del canal. TDMA se usa en los sistemas GSM sobre la estructura de FDMA, de la manera siguiente: A los 25 MHz de banda de frecuencias se divide en 125 partes denominadas frecuencias transportadoras, las cuales se encuentran separadas unas de otras por una frecuencia

intermedia de 200 KHz; de las 125 frecuencias transportadoras (portadoras), una de ellas (generalmente la primera) se utiliza para comunicar GSM con servicios de baja frecuencia, por lo que de las 125, realmente solo 124 van a estar disponibles en todo momento. Posteriormente, cada frecuencia transportadora se divide siguiendo el esquema de TDMA en aproximadamente espacios de 0.577 ms, que son asignados a un usuario en particular. MODELO ENERGÉTICO

3.- PROPAGACION EN COMUNICACIONES MÓVILES En este apartado se introducen las características básicas que describen el comportamiento del medio de transmisión para las comunicaciones móviles. Una vez descrito dicho comportamiento se apuntan los mecanismos genéricos utilizados para contrarrestar sus efectos, de forma que en posteriores capítulos se describirán los detalles de funcionamiento de algunos sistemas de telefonía móvil característicos.

En primera aproximación, la señal recibida en una comunicación móvil está sujeta a tres efectos diferenciados [STEE92], [JAKE74], [LEE93]: Pérdidas por propagación. • Pérdidas por configuración del terreno. • Pérdidas por efecto multicamino. •

.Perdidas por propagación: Las pérdidas por propagación son las debidas a la distancia que separa al emisor del receptor. En espacio libre, las pérdidas por propagación son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ambos: Prec=

1 r2

Donde el término cuadrático se justifica porque la potencia emitida en espacio libre se reparte sobre una superficie esférica cuya área es proporcional al cuadrado del radio de la misma. Para las comunicaciones móviles la aproximación de espacio libre no es válida, ya que como mínimo se debe contar con el efecto del terreno que sustenta emisor y receptor. De este modo la energía emitida se concentra sobre la mitad de la esfera descrita en el caso anterior para espacio libre, y por ello el factor de pérdidas por propagación debería ser inferior a dos.

.Perdidas por la configuración del terreno: Las pérdidas por configuración del terreno, también llamadas desvanecimientos lentos, resultan, como su nombre indica, del entorno que rodea en cada momento emisor y receptor. Sin embargo, a diferencia del efecto multicamino, dichas pérdidas tienen una variación temporal lenta. Los desvanecimientos lentos se deben, por lo general, a la presencia de algún obstáculo de grandes dimensiones que impide la visión directa entre emisor y receptor. Esto contribuye con una atenuación adicional que se suma a las pérdidas por distancia. Las grandes dimensiones del obstáculo provocan un efecto que perdura mucho más en el tiempo que las atenuaciones por efecto multicamino, aunque la duración real de dicho desvanecimiento lento está sujeta a la velocidad de desplazamiento del terminal móvil. La estadística más utilizada para simular dicho efecto es la estadística Log-normal. Es decir, expresadas las pérdidas por configuración del terreno en forma logarítmica, su estadística será normal o Gaussiana con una desviación típica variante según el entorno de estudio escogido. La función densidad de probabilidad de las pérdidas por configuración del terreno es la mostrada en la expresión:

2

[ 1 f (r )= .e √2 π . σ

− ( r −m) ] 2 2.σ

.Perdida por efecto multicamino: El canal radio se puede observar en una escala temporal reducida a través de su respuesta impulsional [ROSS94]. En ella se aprecian dos características dominantes, el delay spread y el Doppler spread. El delay spread tiene como efectos directos la dispersión en el tiempo y el consiguiente desvanecimiento selectivo en frecuencia, mientras el Doppler spread da lugar a la dispersión en frecuencia y el desvanecimiento selectivo en el tiempo. Ambas características, delay spread y Doppler spread, son producto del efecto multicamino de las comunicaciones móviles. En la mayoría de los casos no existe visión directa entre transmisor y receptor, de modo que la señal recogida en el receptor es la suma de muchas señales procedentes de sucesivas reflexiones producidas sobre los elementos que rodean emisor y receptor hasta llegar a la antena receptora. La señal suma de todas las reflexiones es la señal sujeta al efecto multicamino. La estadística más comúnmente utilizada para simular dicho efecto suele ser la estadística Rayleigh, cuya función densidad de probabilidad del valor de la atenuación es la que se presenta en la expresión −r

r [ f ( r ) = 2 e 2σ σ

2 2

]

4.- SISTEMAS DE CELULARES CLÁSICOS (FDMA/TDMA) Los sistemas de primera generación fueron los primeros sistemas celulares. El concepto de sistema celular introduce nuevos procedimientos sobre los sistemas de telefonía móvil, uno de ellos es el traspaso de llamada. Con este nuevo

procedimiento se gestiona el cambio de canal utilizado para la comunicación en una celda por otro nuevo canal de la celda de destino, es decir, el traspaso de llamada se produce cuando el terminal móvil abandona una celda para introducirse en otra. Otro procedimiento característico de los sistemas celulares es la búsqueda de un móvil para el establecimiento de una llamada dirigida hacia este. La ubicación del terminal móvil es ambigua, se desconoce la celda donde se encuentra y el establecimiento de una comunicación requiere realizar una localización. Para ello se hace necesario enviar un mensaje de búsqueda sobre el conjunto de celdas donde puede encontrarse el terminal móvil, a la espera de que el terminal móvil responda a través de una estación base determinada, y de este modo comunica indirectamente su posición. Por último, se introduce el procedimiento de actualización de posición. Sirve para facilitar la búsqueda del terminal móvil cuando se realiza una llamada hacia éste, como se ha descrito en el párrafo anterior. Este procedimiento reduce la ambigüedad en la ubicación del terminal móvil a unos límites razonables que proporcionan un tiempo de respuesta aceptable en la localización del móvil sin sobrecargar en exceso la red. Para ello el conjunto de celdas que constituyen el área de servicio de un operador de telefonía móvil se subdivide en áreas de localización, agrupaciones de celdas que emiten el mismo identificador de área de localización. Cuando un móvil detecta el identificador de área de localización, lo compara con el que guarda en memoria de la última actualización de posición que realizó. Si este identificador coincide, el terminal móvil no realiza ninguna acción extra. En cambio, si el móvil detecta que los identificadores de área de localización no coinciden, inicia el procedimiento de actualización de posición para indicar al sistema que ha abandonado un área de localización para entrar en otro diferente. De este modo el sistema conoce la localización de sus terminales móviles en todo momento con una ambigüedad equivalente al tamaño del área de

localización. Si el sistema precisa conocer con mayor exactitud la posición de un terminal móvil, concretamente en el proceso de establecimiento de una llamada dirigida hacia éste, se inicia el proceso de búsqueda del móvil, que concluirá con la localización a nivel de celda del terminal móvil buscado.

.Tecnicas de Multiacceso: . Frequency Division Multiple Access (FDMA) Se basa en la separación en frecuencias del volumen espectral, el ancho de banda se divide en radiocanales, cada radiocanal se asigna a un usuario en la interfaz radio. (Un solo canal por portadora).

Características de FDMA: _ Compatibilidad con modulaciones y señales analógicas y digitales.

_ Tecnología madura y experimentada. _ Resistencia a las perturbaciones en su variante de banda estrecha. _ Adecuado para sistemas de baja/mediana capacidad de tráfico. _ Complejidad de las estaciones base. _ Escasa versatilidad para acomodar distintas aplicaciones o flujos de tráfico. _ Dificultades para la inserción de la señalización asociada a la llamada. _ Limitaciones para la mejora de la calidad de la voz. . Time Division Multiple Access (TDMA) TDMA asigna a los usuarios una misma frecuencia durante breves intervalos de tiempo, de forma periódica, de manera que aquellas efectúan transmisiones simultáneas pero discontinuas, en esa frecuencia portadora mediante ráfagas o paquetes de información.

TDMA posee las siguientes características: _Complejidad del Acceso: sincronización temporal para evitar colisiones. _ Amplificación de las estaciones base. _ Limitación tamaño de la trama, para evitar altas velocidades. _ Retardo en la comunicación, debido a que la transmisión es discontinua, se necesita usar buffer.

_ Elevada versatilidad, cambiar intervalos dependiendo de la necesidad de los usuarios. _ Facilidad de señalización, más fácil incluir bits dentro de la trama. _ Idoneidad, para media/alta capacidad de tráfico debido rendimiento del espectro radioeléctrico.

5.- SISTEMA GSM El sistema GSM (Sistema global de comunicaciones móviles) es un sistema de telefonía celular para la transmisión digital de voz y datos con una gran calidad que se está extendiendo por todo el mundo. Para poder utilizarlo, debe disponer de un teléfono celular compatible, abonarse al servicio GSM, utilizar un cable GSM y emplear un software de comunicaciones compatible con GSM. El sistema GSM proporciona al módem características de línea terrestre y de telefonía digital GSM; puede utilizar el módem para transferir datos por las líneas telefónicas o para

realizar la transmisión a través de un teléfono celular. Puede enviar y recibir archivos, faxes y mensajes cortos (SMS), y acceder a servicios en línea y a Internet. Se puede efectuar estas transferencias de datos desde cualquier lugar dentro el área de cobertura del proveedor de servicios de telefonía GSM.

.ARQUITECTURA El sistema GSM se estructura en unidades funcionales e interfaces. Las primeras son entidades que tienen a su cargo la ejecución de las funciones del sistema. Las interfaces son las fronteras de separación entre las unidades.

6. - SISTEMA GPRS (General Packet Radio Service)

La red GSM prevé unos servicios de transmisión de datos desde la fase inicial (fase 1). Sin embargo, se trata de servicios con modalidad de transferencia por conmutación del circuito, es decir, donde la red, una vez establecida la conexión física de cabo a rabo entre dos usuarios, dedica los recursos propios hasta que no es solicitado expresamente el establecimiento de la conexión, independientemente del hecho de que los dos usuarios se intercambien datos durante todo el tiempo de conexión. Esta modalidad de transferencia es óptima sólo en el caso en que los dos usuarios tengan que intercambiarse una cantidad significativa de datos (transferencia de ficheros o archivos); resulta ineficiente en cuanto los datos a intercambiarse son de pequeña entidad o bien, en el caso más frecuente, el tráfico de datos es de tipo interactivo o transitorio, es decir, el tiempo de uso efectivo de los recursos de la red supone sólo una parte con respecto al tiempo total de conexión (como, por ejemplo, la navegación en Internet a través de la World Wide Web). Es decir, se crea el mismo problema para el GSM que para la PSTN (Public Switsched Telephone Network) hace unos años: prever una modalidad de transferencia por paquetes de datos, en la que los datos de los usuarios, contenidos en entidades de protocolo autosuficientes con indicación del remitente y del destinatario, pueden ser transportados por la propia red sin necesidad de una estrecha asociación con un circuito físico. Ya se ha dado un paso intermedio en esa dirección con el GSM de fase 2, previendo servicios con acceso a las puertas pertinentes de la red PSPDN (Public Switched Packet Data Network). Sin embargo, siempre es necesario establecer una conexión física (por conmutación del circuito) en la red de radio, incluso cuando se accede a un canal virtual de la red de paquetes. El resultado de ello es que el recurso de radio es igualmente infrautilizado y el usuario ocupa un canal de tráfico (por cuyo uso tendrá que pagar presumiblemente por el tiempo empleado), para conectarse a otra red en la cual, sin embargo, la información no viaja a un rendimiento ffjo (y el transporte relativo se suele pagar en base al volumen de datos transportados).

Arquitectura de la red:

Para la realización de un servicio de datos por paquetes en la red celular GSM se pueden seguir dos inicializaciones diferentes: _ Inicialización de sistema separado _ Inicialización de sistema integrado La primera inicialización prevé que toda la infraestructura necesaria para el soporte del servicio sea añadida a la de la red GSM, mientras que la segunda prevé el añadido de la funcionalidad necesaria para el soporte del GPRS a las entidades que componen la infraestructura de la red GSM. En realidad, también la inicialización de sistema integrado requiere la introducción de nuevas entidades, garantizando de todos modos, desde el punto de vista económico, un impacto menos vistoso sobre los costes necesarios para la implementación del servicio. Las entidades que tienen que ser añadidas, desde el punto de vista de la integración del servicio GPRS en la red GSM, son: _ GSN (Gateway Support Node), que constituyen los nodos de soporte del servicioGPRS. _ GPRS register

7.- SISTEMAS CELULARES CDMA (Code Division Multiple Access) CDMA otorga a cada canal la totalidad del volumen espectral disponible: todo el ancho de banda, tiempo y toda la zona de cobertura de forma que permite la transmisión simultánea de varias comunicaciones que emplean todos los recursos a la vez. La separación entre ellas se realiza asignándoles distintos códigos digitales. Características básicas de CDMA: • Requiere que las señales a transmitir y los códigos de dirección sean digitales. • Es una técnica intrínsecamente de banda ancha. • Ofrece gran capacidad de tráfico. • Requiere estricta sincronización y control de potencia de las transmisiones. • En entornos contiguos, pueden utilizarse las mismas frecuencias, lo cual mejora la calidad de traspaso de una estación base a otra.

8. - SISTEMAS UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) En 1985, surge en Europa la primera generación (1G) tras adaptar el sistema AMPS (Advanced Mobile Phone System) a los requisitos europeos, y ser bautizada como TACS(Total Access Communications System). TACS engloba a todas aquellas tecnologías de comunicaciones móviles analógicas. Puede transmitir voz pero no datos. Actualmente esta tecnología está obsoleta y se espera que desaparezca en un futuro cercano. Debido a la sencillez y las limitaciones de la primera generación, surge el sistema GSM (Global System for Mobile Communications) que marcó el inicio de la segunda generación (2G). Su principal característica es la capacidad de

transmitir datos además de voz, a una velocidad de 9,6 kbit/s. Lo cual le ha permitido sacar a la luz el famoso y exitoso sistema de mensajes cortos (SMS). En 2001 surge la denominada segunda generación y media (2.5G) en Estados Unidos y Europa como paso previo a la 3G. En esta generación están incluidas aquellas tecnologías que permiten una mayor capacidad de transmisión de datos y que surgieron como paso previo a las tecnologías 3G. La tecnología más notoria de esta generación es el GPRS (General Packet Radio System), capaz de coexistir con GSM, pero ofreciendo servicio portador más eficiente para el acceso a redes IP como Internet. La velocidad máxima de GPRS es 171,2 kbit/s aunque en la práctica no suele pasar de 40 kbit/s de bajada y de 9,6 kbit/s de subida. Más tarde surgieron ya las tecnologías 3G. Las tecnologías de la tercera generación se categorizan dentro del IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) de laITU (Internacional Telecommunication Union), que marca el estándar para que todas las redes 3G sean compatibles unas con otras. Los servicios que ofrecen las tecnologías 3G son básicamente: acceso a Internet, servicios de banda ancha, roaming internacional e interoperatividad. Pero fundamentalmente, estos sistemas permiten el desarrollo de entornos multimedia para la transmisión de vídeo e imágenes en tiempo real, fomentando la aparición de nuevas aplicaciones y servicios tales como videoconferencia o comercio electrónico con una velocidad máxima de 2 Mbit/s en condiciones óptimas, como por ejemplo en el entorno interior de edificios. .ARQUITECTURA La estructura de redes UMTS está compuesta por dos grandes subredes: la red de telecomunicaciones y la red de gestión. La primera es la encargada de sustentar la transmisión de información entre los extremos de una

conexión. La segunda tiene como misiones la provisión de medios para la facturación y tarificación de los abonados, el registro y definición de los perfiles de servicio, la gestión y seguridad en el manejo de sus datos, así como la operación de los elementos de la red, con el fin de asegurar el correcto funcionamiento de ésta, la detección y resolución de averías o anomalías, o también la recuperación del funcionamiento tras periodos de apagado o desconexión de algunos de sus elementos. Dentro de este apartado vamos a analizar sólo la primera de las dos subredes, esto es, la de telecomunicaciones. UMTS usa una comunicación terrestre basada en una interfaz de radio W-CDMA, conocida como UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA). Soporta división de tiempo duplex (TDD) y división de frecuencia duplex (FDD). Ambos modelos ofrecen rangos de información de hasta 2 Mbps.

9. - SISTEMAS HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) Es una tecnología móvil conocida como 3.5G que viene a ser una mejora de la tecnología UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) de tercera generación (3G). Esencialmente esta tecnología provee velocidades altas en el canal de bajada (downlink), en teoría hasta 14.4 Mbps (y 20 Mbps con antenas MIMO – multiple input multiple output), superando altamente a los 384 kbps de UMTS, y aumentando así su eficiencia espectral, lo que permite brindar mejores tiempos de respuesta en aplicaciones en tiempo real como videoconferencia y juegos.

HSDPA realiza mejoras sobre los 5MHz de ancho de banda del canal de bajada de W-CDMA (wideband CDMA) usando una técnica diferente de modulación y codificación: modulación de amplitud en cuadratura 16QAM y codificación variable de errores.HSDPA implementa un nuevo canal dentro de W-CDMA llamado HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel), este canal es compartido entre todos los usuarios brindando altas velocidades de bajada, mejorando así también el uso del espectro. HSDPA también implementa el Fast Packet Sheduling y también el HARQ (Hybrid Automatic Repeat-Request).

.CONCLUSIONES: Las comunicaciones móviles, también llamadas personales, ya que van asociadas a cada individuo, vaya donde vaya, tienen un gran futuro por delante. Ya han experimentado una de las revoluciones más importantes, con los teléfonos móviles en todo el mundo, pero aún queda por llegar una nueva revolución, que traerá Internet y comunicaciones flexibles a los dispositivos móviles. Los sistemas distribuidos abarcan una cantidad de aspectos considerables, por lo cual su desarrollo implica mucha complejidad. Existen ciertos aspectos que requieren extremo cuidado al desarrollarse e implantarse como el manejo de fallos, el control de la concurrencia, etc. Muchas tecnologías están en constante desarrollo y maduración, lo cual implica un minucioso estudio previo de muchos factores antes de apostar por alguna tecnología en especial. Los dispositivos móviles se han convertido en una plataforma rica para el consumo de contenidos digitales. El desarrollo con pleno éxito del mercado de los contenidos requiere que los usuarios obtengan servicios y contenidos de una forma independiente de momento y lugar.

.BIBLIOGRAFIA:  Comunicaciones Móviles, 2ª ed. J. M. Hernando. CEURA, 2004.  Problemas de Comunicaciones Móvles. J. Reig Pascual, L. Ruibio Arjona.  Universidad Politécnica publicaciones. 2006.

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Valencia,

servicio

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 Introduction to Mobile Communications Engineering, J. M. Hernando, F. Pérez-Fontán. Artech House, 1999.  Fundamentals of Wireless Communication, D. Tse, P. Viswanath. Cambridge University Press, 2005. Versión online disponible  Comunicaciones Móviles de Tercera Generación: Sistema UMTS, 2ª ed. J. M. Hernando y C. Lluch (coords.). Telefónica Móviles España, 2001.  3G Evolution. HSPA and LTE for Mobile Broadband, 2ª ed. E. Dahlman y otros. Academic Press, 2008