Comunicaciones Móviles Unexpo 2014 Parte 1

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”VICERRECTORADO PUERTO ORDAZVICERRECTORADO PUERTO ORDAZ

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICACOMUNICACIONES MÓVILESCOMUNICACIONES MÓVILES

“COMUNICACIONES MÓVILES. TELEFONÍA CELULAR”

Realizado por Ing. Juan J. Hernández MSc.

REALIZADO POR ING. JUAN JOSÉ HERNÁNDEZ MSc.



ÍNDICE.

1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………… 1

2. COMPOSICIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES MÓVILES…………………. 2

3. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES…………………………………………….. 6

4. TERMINOLOGÍA DE LOS SISTEMAS MÓVILES……..……………………………………… 8

5. PRINCIPALES ACTORES EN EL MUNDO DE LAS COMUNICACIONES….…………….. 16

6. TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE…………………………………….……………………….. 18

7. DSSS Y FHSS ………………..………………………………………………………………………. 40

8. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS MÓVILES CELULARES…………………………….. 52

9. CONCEPTO DE SISTEMA CELULAR……………………………………………………………. 53

10. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS PÚBLICOS CELULARES……………………… 55

11. ESTUDIO DE LA GEOMETRÍA CELULAR. ESTRUCTURA CELULAR……………………. 56

12. PRINCIPALES ESTÁNDARES DE LA TELEFONÍA CELULAR…………………………….. 66

13. ARQUITECTURA DE REDES CELULARES……………………………….…………………….. 70

14. GSM ……………………………………………………………………………………………………… 97

15. CONMUTACIÓN TELEFÓNICA MÓVIL……..…………………………………………………… 137

16. HANDOVERS(TRASPASOS)………………………………………………………………………. 141

Pág.


1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………… 1

2. COMPOSICIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES MÓVILES…………………. 2

3. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES…………………………………………….. 6

4. TERMINOLOGÍA DE LOS SISTEMAS MÓVILES……..……………………………………… 8

5. PRINCIPALES ACTORES EN EL MUNDO DE LAS COMUNICACIONES….…………….. 16

6. TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE…………………………………….……………………….. 18

7. DSSS Y FHSS ………………..………………………………………………………………………. 40

8. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS MÓVILES CELULARES…………………………….. 52

9. CONCEPTO DE SISTEMA CELULAR……………………………………………………………. 53

10. CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS PÚBLICOS CELULARES……………………… 55

11. ESTUDIO DE LA GEOMETRÍA CELULAR. ESTRUCTURA CELULAR……………………. 56

12. PRINCIPALES ESTÁNDARES DE LA TELEFONÍA CELULAR…………………………….. 66

13. ARQUITECTURA DE REDES CELULARES……………………………….…………………….. 70

14. GSM ……………………………………………………………………………………………………… 97

15. CONMUTACIÓN TELEFÓNICA MÓVIL……..…………………………………………………… 137

16. HANDOVERS(TRASPASOS)………………………………………………………………………. 141



Dentro de las Telecomunicaciones, las Comunicaciones Móviles representanaproximadamente el 80% de este negocio y dentro de las Comunicaciones Móviles, laTelefonía Celular representa, también, este mismo porcentaje.

INTRODUCCIÓN.

Aunque el Servicio de Telefonía Celular es el que más se percibe y se vende anivel de la gente, la tendencia es a dar servicios Telemáticos (Data, Voz, Video yMultimedia Total) con una movilidad y portabilidad total del usuario y a una velocidad detransmisión cada vez mayor.

Hacia allá se están dirigiendo los Sistemas de Telecomunicaciones del Futuro,tanto es así que todavía no se han implementado en su total capacidad y versatilidad losSistemas de Tercera Generación, cuando ya se están realizando investigaciones yestudios de los Sistemas de Cuarta Generación y ya se comienzan con los estudios delos de Quinta Generación.


Aunque el Servicio de Telefonía Celular es el que más se percibe y se vende anivel de la gente, la tendencia es a dar servicios Telemáticos (Data, Voz, Video yMultimedia Total) con una movilidad y portabilidad total del usuario y a una velocidad detransmisión cada vez mayor.

Hacia allá se están dirigiendo los Sistemas de Telecomunicaciones del Futuro,tanto es así que todavía no se han implementado en su total capacidad y versatilidad losSistemas de Tercera Generación, cuando ya se están realizando investigaciones yestudios de los Sistemas de Cuarta Generación y ya se comienzan con los estudios delos de Quinta Generación.

El Módulo de Comunicaciones Móviles, Telefonía Celular, nos permitirá:Identificar la composición y clasificación de los Sistemas de Comunicaciones Móviles,conocer las distintas técnicas de acceso a la interfaz de aire de estos Sistemas, entenderel por que de su naturaleza celular y su relación con el reuso de frecuencia, laarquitectura de las redes móviles, y los procesos que se dan en el curso de unacomunicación telefónica móvil celular y detallar la tecnología estándar GSM y susactualizaciones.

1



INTRODUCCIÓN.

PROPÓSITO DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILESPrestar servicios de Telecomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrenasfijas, o entre dos estaciones móviles.

TIPOS DE SERVICIOS MÓVILESSe tienen tres tipos de Servicios Móviles:• Terrestre.• Marítimo.• Aereonáutico.• Independientemente de si se prestan desde estaciones terrestres o vía satélite.Ejemplos: Telefonía móvil terrestre, Redes móviles privadas, Comunicaciones móvilespor satélite, Radiomensajería, Radiolocalización GPS, Comunicaciones inalámbricas y elacceso móvil a Internet.


TIPOS DE SERVICIOS MÓVILESSe tienen tres tipos de Servicios Móviles:• Terrestre.• Marítimo.• Aereonáutico.• Independientemente de si se prestan desde estaciones terrestres o vía satélite.Ejemplos: Telefonía móvil terrestre, Redes móviles privadas, Comunicaciones móvilespor satélite, Radiomensajería, Radiolocalización GPS, Comunicaciones inalámbricas y elacceso móvil a Internet.

COMPOSICIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES MÓVILESEl conjunto de elementos que constituyen los componentes de un sistema decomunicaciones móviles son:

• Estaciones fijas: Son aquellas cuyo uso no está previsto que sea en movimiento. Seclasifican en:

2



COMPOSICIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES MÓVILES

1) Estaciones de Base: Estaciones fuente o destino de tráfico, controladas desde unequipo de control en cierto emplazamiento.2) Estaciones Repetidoras: Estaciones retransmisoras de señales electromagnéticas paralograr un objetivo de cobertura determinado.3) Estaciones de Control: Estaciones que gobiernan el funcionamiento de una estaciónbase o repetidora de un cierto emplazamiento.

• Estaciones móviles: Estaciones radioeléctricas o terminales previstas para su uso enmovimiento. Se clasifican en:


• Estaciones móviles: Estaciones radioeléctricas o terminales previstas para su uso enmovimiento. Se clasifican en:1) Estaciones Portátiles: Aquellas que tienen las características de portabilidad personal.2) Estaciones Móviles: A bordo de vehículos, con lo que esto implica a nivel de baterías(menores limitaciones de funcionamiento).

• Equipos de control: Aquellos que añaden la inteligencia a la Red, y que por tanto dancarácter de sistema al conjunto de las estaciones. Se ocupan de:1.- Generar y recibir llamadas.2.- Localizar e identificar usuarios y equipos.3.- Transferir llamadas.

3



COMPOSICIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES MÓVILES

Rango deCoberturade la Celda

Centro deConmutación

móvil

Compañía deTeléfonos


TeléfonoFijo

convencional

UsuarioMóvil

4



CONCEPTOS DE PORTABILIDAD Y MOVILIDADPortabilidad: Representa el caso simple en el cual el terminal es movido y luegoconectado nuevamente en otro punto de la Red. Es la capacidad del mismo de operarconectado a diferentes redes de acceso, pero siendo necesario detener y reiniciar lasconexiones de red activas en el nuevo punto de conexión a la red. Se puede decir que esuna configuración automática, pero no de un soporte transparente de la movilidad delterminal.Movilidad: Es la capacidad de un terminal de cambiar de punto de conexión a la red sinnecesidad de reiniciar ningún tipo de conexión. Implica que el suscriptor mueve suacceso personal; por ejemplo, cuando introduce su login sobre una Red de Datos desdediferentes posiciones de la Red.


Movilidad completa: se refiere a la condición de capacidad ambulatoria completa en lacual, ambos, el acceso del terminal y el suscriptor, pueden ser movidos, mientras la Redautomáticamente no pierde de vista todo el movimiento. En otras palabras, esto significaque ambos, el terminal y el servicio son movibles.

La Movilidad completa requiere de radio acceso vía estaciones base (o radio base). Elacceso físico en una Red Móvil está concebido para permitir a un terminal conectarse elmismo en cualquier parte de la Red y moverse por todos lados mientras una llamada estáen progreso (por supuesto la suscripción del usuario debe estar disponible en todos lospuntos de acceso). La Movilidad completa requiere células o celdas en vez de puntos deconexión, lo que permite mantener un contínuo radio contacto con la Red.

5

Movilidad: Es la capacidad de un terminal de cambiar de punto de conexión a la red sinnecesidad de reiniciar ningún tipo de conexión. Implica que el suscriptor mueve suacceso personal; por ejemplo, cuando introduce su login sobre una Red de Datos desdediferentes posiciones de la Red.



CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILESSe pueden clasificar los Sistemas Móviles de acuerdo a diferentes características ypropiedades:

• Por modalidad de funcionamiento:1. Radiotelefonía: comunicación bidireccional.2. Radiobúsqueda y radiomensajería: comunicación unidireccional.

• Por capacidad de prestar servicios:1. Mixto de voz + datos + Multimedia e Internet.2. Sólo voz.3. Sólo datos


• Por capacidad de prestar servicios:1. Mixto de voz + datos + Multimedia e Internet.2. Sólo voz.3. Sólo datos

• Por la ubicación de los repetidores:1. Repetidores en tierra: sistemas terrestres.2. Repetidores en satélites: sistemas satelitales.

6

• Por sector de aplicación:1. PMR: Private Mobile Radio o radio móvil privado terrestre.2. PMT: Public Mobile Telephone o telefonía móvil pública.3. PLMN: Public Land Mobile Networks o redes móviles terrestres públicas.4. CT y WT: Cordless y Wireless Telephony o telefonía sin hilos e inalámbrica.



CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES

• Por el terreno donde se preste el servicio:1. Terrestre: de exterior o de interior (edificios).2. Marítimo.3. Aeronaútico.

• Por Banda Frecuencial:1. VHF: 1) 30-80 MHz, banda antigua sistema de radiobúsqueda. 2) 140-170 MHz, PMR

tradicional. 3) 223-235 MHz, sistemas trunking.2. UHF: 1) 406-470 MHz, PMR tradicional. 2) 862-960 MHz, GSM, ETACS, etc. 3) 1.8-1.9

GHz, DECT, DCS, etc. 4) 1.9-2.2 GHz, IMT-2000.


• Por Banda Frecuencial:1. VHF: 1) 30-80 MHz, banda antigua sistema de radiobúsqueda. 2) 140-170 MHz, PMR

tradicional. 3) 223-235 MHz, sistemas trunking.2. UHF: 1) 406-470 MHz, PMR tradicional. 2) 862-960 MHz, GSM, ETACS, etc. 3) 1.8-1.9

GHz, DECT, DCS, etc. 4) 1.9-2.2 GHz, IMT-2000.

• Por técnica de multiacceso, orientado al uso compartido de recursos escasos ycomunes:

1. FDMA (Frecuency Division Multiple Access): asociado al PMR tradicional, a losradioenlaces entre otros.

2. TDMA (Time Division Multiple Access): asociado a sistemas digitales.3. CDMA (Code Division Multiple Access): asociado a modulaciones de espectro

expandido, sistemas de tercera generación.4. OFDMA (Ortogonal Frecuency Division Multiple Access): asociado a Wimax, Wibro,

LTE y 4G.

7



CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES

• Por el modo de explotación:1. Simplex: a una o dos frecuencias, comunicaciones unidireccionales.2. Semidúplex: comunicaciones bidireccionales no simultáneas.3. Dúplex: comunicaciones bidireccionales simultáneas.

• Por modulación y canalización:1. Modulaciones analógicas: Banda estrecha (BW = 8.5 KHz); PMR (BW=16 KHz); PMT

(BW = 24 KHz).2. Modulaciones digitales: Sistema GSM (modulación GMSK); CDMA (modulación

PSK); WCDMA (modulación QPSK); OFDMA (modulación OFDM).


• Por el modo de explotación:1. Simplex: a una o dos frecuencias, comunicaciones unidireccionales.2. Semidúplex: comunicaciones bidireccionales no simultáneas.3. Dúplex: comunicaciones bidireccionales simultáneas.

TERMINOLOGÍA DE LOS SISTEMAS MÓVILESAlgunas de las terminologías más usadas son:

• Comunicación inalámbrica: Comunicación que usa ondas electromagnéticaspropagadas a través del espacio, para transportar información de una fuente a undestino.

8

• Reuso de Frecuencia: Concepto de los Sistemas Móviles Celulares utilizado paraasegurar capacidad y optimización del espectro de frecuencias asignado, asegurando lacalidad de su desempeño.




• Sistemas 1G: Sistema de Telefonía Celular de primera generación, basado enmodulación analógica y teniendo como objetivo el Servicio de Voz.

• Sistemas 2G: Sistema de Telefonía Celular de segunda generación, basado enmodulación digital y teniendo como objetivo el Servicio de Voz y la transmisión de Data abaja velocidad.• Sistemas 3G: Sistema de Telefonía Celular de tercera generación, basado enmodulación digital y teniendo como objetivo el Servicio de Voz y la transmisión de Data yMultimedia a alta velocidad.

Realizado por Ing. Juan J. Hernández MSc.10

• Sistemas 3G: Sistema de Telefonía Celular de tercera generación, basado enmodulación digital y teniendo como objetivo el Servicio de Voz y la transmisión de Data yMultimedia a alta velocidad.

• Acceso al medio: Los sistemas de comunicaciones móviles se caracterizan por lautilización conjunta por parte de los móviles de un recurso compartido como lo es elespectro electromagnético. Con el objeto de coordinar el acceso a él, los diferentessistemas de comunicaciones móviles utilizan las tecnologías de acceso múltiple (FDMA,TDMA, CDMA y OFDMA).

• Sistemas 4G: Sistema de Comunicación Móvil y Telefonía Celular de cuarta generación,basado en modulación digital y teniendo como objetivo el Servicio de Voz y latransmisión de Data y Multimedia a muy alta velocidad y con altas características de QoS,integrando todas las plataformas existentes y utilizando como medio de acceso y detransporte la Red de Internet y su protocolo IP.



• Cobertura: Para una estación base, es el entorno en que la señal disponible para losmóviles es superior a un cierto umbral mínimo de funcionamiento. En este entorno sehabla de una serie de aspectos como los siguientes:1) Estudios teóricos de cobertura con cartografía y radiales (Ejemplo: programas decálculo de cobertura sobre MDT: Modelos Digitales del Terreno).2) Características aleatorias del fenómeno de la propagación electromagnética, quefundamenta las variaciones de las señales recibidas.3) Cobertura en un cierto porcentaje (%) de los lugares teóricamente servidos, porcentaje(%) de la población y porcentaje (%) del tiempo.4) Cobertura zonal y perimetral, como modo de indicar la cobertura territorial.



• Cobertura: Para una estación base, es el entorno en que la señal disponible para losmóviles es superior a un cierto umbral mínimo de funcionamiento. En este entorno sehabla de una serie de aspectos como los siguientes:1) Estudios teóricos de cobertura con cartografía y radiales (Ejemplo: programas decálculo de cobertura sobre MDT: Modelos Digitales del Terreno).2) Características aleatorias del fenómeno de la propagación electromagnética, quefundamenta las variaciones de las señales recibidas.3) Cobertura en un cierto porcentaje (%) de los lugares teóricamente servidos, porcentaje(%) de la población y porcentaje (%) del tiempo.4) Cobertura zonal y perimetral, como modo de indicar la cobertura territorial.

• Señalización: Es el aspecto que confiere carácter de sistema a los sistemas decomunicaciones en general y a los móviles en particular. Se puede definir SEÑALIZACIÓNal conjunto de los mecanismos que hacen posible conferir inteligencia y funcionamientoautomático a los sistemas en base a un conjunto de mensajes fuera o dentro de bandaque, transmitidos de diferentes modos, confieren capacidades adicionales a la puramentecomunicativa de los sistemas (posibildades de direccionar llamadas, de controlar laspotencias transmitidas, etc).

12



• Servicio: Es la capacidad de comunicación que el sistema permite a sus usuarios. Es,en definitiva, la finalidad última de un sistema, que pretende proporcionar un servicio asus usuarios con el fin de satisfacer sus necesidades de comunicaciones.



RED

TIENE

SERVICIOS

TIENEN

SUSCRIPTORES

13



TERMINOLOGÍA DE LOS SISTEMAS MÓVILES• Servicio: Es la capacidad de comunicación que el sistema permite a sus usuarios. Es,en definitiva, la finalidad última de un sistema, que pretende proporcionar un servicio asus usuarios con el fin de satisfacer sus necesidades de comunicaciones.

NUEVO ENFOQUE

RED


SERVICIOS

REQUIEREN REQUIEREN

RED

RED

RED

CONSUMIDORES

14



• Canales ascendentes y descendentes (uplink y downlink, respectivamente): Son loscanales físicos y lógicos que se dirigen en sentido de la estación base al móvil (canaldescendente), y viceversa (canal ascendente).

TERMINOLOGÍA DE LOS SISTEMAS MÓVILES


BTS

15



PRINCIPALES ACTORES EN EL MUNDO DE LAS COMUNICACIONES MÓVILES.

• Reguladores: (Nacionales e Internacionales), son aquellos que dictan normas para labuena gestión del espectro radioeléctrico y de los sistemas estandarizados que sedesarrollan: CONATEL e IUT.• Fabricantes: son aquellos que ejercen gran presión en la definición de normas yestándares, pués son ellos los que en definitiva disponen (o no) de la tecnología parahacer posible la implementación de los sistemas que nos proporcionarán los serviciosoportunos.• Operadores: son aquellos que compran las licencias o autorizaciones de lasadministraciones nacionales correspondientes para la explotación de una Red y laprovisión de un servicio. En definitiva, son los vendedores de minutos de servicios deTelecomunicaciones.


• Integradores: son los encargados de incorporar en las redes de los operadores losequipos de los fabricantes, de modo que equipos de fabricantes diversos funcionen deforma compatible y coordinada ofreciendo los servicios básicos que los operadoresdiseñan para sus clientes.

• Operadores: son aquellos que compran las licencias o autorizaciones de lasadministraciones nacionales correspondientes para la explotación de una Red y laprovisión de un servicio. En definitiva, son los vendedores de minutos de servicios deTelecomunicaciones.

• Proveedores de Servicios: son los que adquieren minutos de tráfico a los Operadores ylos facturan al cliente final.• Clientes o usuarios: (antiguamente abonados), son los que se convierten ahora en elfoco del negocio de los Operadores y Proveedores de Servicios, a los que el sistema seadaptará y servirá.

16



PRINCIPALES ACTORES EN EL MUNDO DE LAS COMUNICACIONES MÓVILES.

Fabricantes de Equipos Operadores de Servicios




TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. CONCEPTO DE ACCESO MÚLTIPLE

Los sistemas de comunicaciones móviles tienen el aire, el espacio conocido como libre,como medio en que se propagan y con una característica tal de movilidad que, en principio, no sedebe establecer restricción de acceso a la red que le da soporte. Para proporcionar un adecuadosoporte al sistema, se debe coordinar el denominado acceso al medio, es decir, el uso de este mediocompartido.

La forma en que se suele abordar este problema es por medio de la división de la interfazcomún aire en lo que llamaremos canales físicos, que son aquellas facilidades concedidas a losusuarios para que accedan al recurso común y compartido, es decir, al aire.

Sobre estos canales físicos se definen los canales lógicos, que son las utilizacionesconcretas que se hacen de los canales físicos de acuerdo con un cierto protocolo o estándar decomunicaciones con el fin de conseguir la comunicación coordinada e inteligente de los elementosdel sistema.

Refiriéndonos a los canales físicos, las técnicas de multiacceso son los procedimientosde acceso al medio, que se usan de acuerdo con los criterios establecidos por un cierto canallógico.


La forma en que se suele abordar este problema es por medio de la división de la interfazcomún aire en lo que llamaremos canales físicos, que son aquellas facilidades concedidas a losusuarios para que accedan al recurso común y compartido, es decir, al aire.

Sobre estos canales físicos se definen los canales lógicos, que son las utilizacionesconcretas que se hacen de los canales físicos de acuerdo con un cierto protocolo o estándar decomunicaciones con el fin de conseguir la comunicación coordinada e inteligente de los elementosdel sistema.

Refiriéndonos a los canales físicos, las técnicas de multiacceso son los procedimientosde acceso al medio, que se usan de acuerdo con los criterios establecidos por un cierto canallógico.

Frecuency Division Multiple Access, FDMA, o acceso al medio por división de frecuencia, donde lacompartición de recursos viene caracterizada por la asignación de diferentes frecuencias espectralesa diferentes usuarios. Todos los usuarios transmiten en los mismos instantes de tiempo, pero enfrecuencias diferentes.

TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. TÉCNICAS DE ACCESO AL MEDIO

18



TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. TÉCNICAS DE ACCESO AL MEDIO.

Code Division Multiple Access, CDMA, o acceso al medio por división en código, donde el modo deacceso al medio viene marcado por la asignación de códigos únicos y ortogonales a los usuarios.Todos los usuarios transmiten en las mismas frecuencias y al mismo tiempo, pero afectados porcódigos diferentes.

Time Division Multiple Access, TDMA, o acceso por división en tiempo, donde la compartición delmedio se realiza a través de una asignación de intervalos de tiempo (Time Slots) a los distintosusuarios. Todos los usuarios transmiten en la misma frecuencia, pero en diferentes instantes detiempo.


Code Division Multiple Access, CDMA, o acceso al medio por división en código, donde el modo deacceso al medio viene marcado por la asignación de códigos únicos y ortogonales a los usuarios.Todos los usuarios transmiten en las mismas frecuencias y al mismo tiempo, pero afectados porcódigos diferentes.

En los formatos analógicos es posible escuchar las conversaciones por medio de un sintonizador(scanner) de espectro radioeléctrico. En los formatos digitales el espía “clandestino” necesitarádecodificar los unos y los ceros de la conversación. Esto implica comunicación digital más segura.

Se pueden combinar estas técnicas de multiacceso, como por ejemplo la combinación de FDMA yTDMA para producir GSM y FDMA y TDMA con OFDM para producir OFDMA.

17

Las modulaciones analógicas están asociadas a FDMA, y las digitales a TDMA, CDMA y OFDMA.

Ortogonal Frecuency Division Multiple Access, OFDMA, o acceso al medio por multiplexación defrecuencias ortogonales, donde el modo de acceso al medio viene marcado por la asignación demúltiples frecuencias ortogonales a los usuarios. Grupos de usuarios transmiten en iguales time slotpero a diferentes frecuencias ortogonales y otros grupos a diferentes time slots pero a las mismasfrecuencia ortogonales diferentes.



Frecuencia Frecuencia

Usuario 1

Usuario 2

Usuario 3FDMA

TDMA


Tiempo

F1 F2 F3

Tiempo

F1 F2 F3

Tiempo

Frecuencia

F1

Usuario 4

Usuario 3Usuario 2

Usuario 1

CDMA



OFDMA

user3

user4


user1

user2

user3



OFDMA




TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. ACCESO MÚLTIPLE FDMA.

Esta técnica divide el volumen espectral disponible (Ancho de Banda) en una

serie de canalizaciones de banda estrecha, llamadas radiocanales o portadoras, que

serán las que se asignen a los usuarios. Las asignaciones serán del tipo un canal por

portadora.

La configuración del FDMA es diferente según nos refiramos a los canales

ascendente o descendente:


La configuración del FDMA es diferente según nos refiramos a los canales

ascendente o descendente:

Enlace ascendente, el usuario concentra su información en un canal concreto

que el sistema le asigna por medio de la selección en su transmisor de la

frecuencia correcta.

Enlace descendente, donde la red difunde el conjunto de todos los

radiocanales, y cada receptor sintoniza, mediante un filtro pasabanda, la

frecuencia que le corresponde.

18




BTS

Guarda

x x


ff1 f2 f3 ff1 f2 f3

x x

19




Las características más destacadas del FDMA son :

Validez para modulaciones analógicas.

Tecnología sobradamente probada por su utilización desde el año 1900 (incluso se podría decir queobsoleta, si no fuera porque su vigencia en combinación con otros métodos de acceso quebásicamente dividen el espectro en diferentes utilizaciones y usuarios, es un hecho).


Facilidad conceptual en la operación de los sistemas y facilidad en la fabricación de equipos.

Inconvenientes en los límites establecidos entre canales para que la información no se interfiera,diferentes según la frecuencia de trabajo que se considere.

Posibilidad de intermodulaciones en elementos no lineales de canales suficientemente próximos.

Ejemplos de utilización de FDMA: Sistemas PMR (Private Mobile Radio), Sistema TACS (Total AccessCommunication System), AMPS (Advanced Mobile Phone System), etc.

20



TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. ACCESO MÚLTIPLE TDMA.

La técnica de acceso múltiple por división en tiempo se aplica a señalesdigitales y consiste en la asignación de una misma frecuencia compartida en intervalosde tiempo sucesivos y cíclicos a los usuarios del sistema. Básicamente el TDMAconsigue una apariencia de continuidad en la asignación y uso de un recurso frecuencial,que realmente está temporalmente repartido entre múltiples usuarios.

Mientras que en FDMA cada móvil tiene asignada, en exclusiva, una frecuencia,ocurre que ahora esta frecuencia es compartida, interrumpiendo la transmisiónconstantemente para dar paso a la comunicación siguiente en la sucesión de usuarioscon comunicaciones en marcha.


La técnica de acceso múltiple por división en tiempo se aplica a señalesdigitales y consiste en la asignación de una misma frecuencia compartida en intervalosde tiempo sucesivos y cíclicos a los usuarios del sistema. Básicamente el TDMAconsigue una apariencia de continuidad en la asignación y uso de un recurso frecuencial,que realmente está temporalmente repartido entre múltiples usuarios.

Mientras que en FDMA cada móvil tiene asignada, en exclusiva, una frecuencia,ocurre que ahora esta frecuencia es compartida, interrumpiendo la transmisiónconstantemente para dar paso a la comunicación siguiente en la sucesión de usuarioscon comunicaciones en marcha.

TDMA es un sistema en que aunque para el usuario presenta una apariencia detener un recurso siempre a él asignado en exclusiva, la realidad es que el recurso se vaalternando entre varios a una velocidad lo suficientemente alta como para que el efectono pueda apreciarse.

La técnica de multiacceso TDMA no es exclusiva de los sistemas detelecomunicaciones, sino que es el mecanismo que se encuentra detrás de la capacidadde multiproceso de los ordenadores, donde se ejecutan simultáneamente una serie deactividades o procesos, que en realidad cada uno está ocurriendo en un instantediferente, de una manera cíclica pero en intervalos suficientemente pequeños para queparezca que el recurso está siempre disponible para cada proceso.

21




BTS

x x x


tt1 t2 t3

TS1 TS2 TS3 TS1

t4 tt1 t2 t3

TS2TS1

xTS3

xTS1

xt4

22




La operación de la transmisión se organiza en torno a Tramas de duración temporal “Tt”,siendo esta una sucesión de “N” intervalos de tiempo asignados cada uno a un terminal. La duración deun intervalo, por tanto, será de “T = Tt / N”, y este es el tiempo en que el terminal puede acceder almedio para transmitir información. En este tiempo “T” debe transmitir toda la información que teníaalmacenada para el envío, en forma de un tren de bits denominado ráfaga o burst. En TDMA se definenestos conceptos básicos :

Trama, ciclo periódico de acceso de los “N” usuarios a los recursos compartidos. Su duración, paraun intervalo de tiempo de valor “Tt”, suele ser menor o igual al producto “N x T”.


Trama, ciclo periódico de acceso de los “N” usuarios a los recursos compartidos. Su duración, paraun intervalo de tiempo de valor “Tt”, suele ser menor o igual al producto “N x T”.

Período de Trama, duración temporal de la Trama.

Intervalo de Tiempo o Time Slot, duración temporal de la ventana o temporización de accesoindividual.

Ráfaga o Burst, secuencia de bits transmitida o recibida en el período de un intervalo temporal.

Velocidades del sistema : Velocidad media de escritura, número de bits por usuario en la trama, dividido por el período dela trama. Velocidad instantánea de lectura, velocidad de transmisión de la información real en el períodode tiempo en que se transmite.

23




Trama ( Tt )

N intervalos por trama

Bj, bits de información por trama

0 1 2 3 ...... j ..... ..... ...... ...... ...... N-1


Bj, bits de información por trama

1 2 Bb

Burst

.............

Bj = Vc . Tt

Vc = Velocidad de la fuenteVi = Velocidad instantánea = Bb . (N / Tt) = Vm . N

Vm = Velocidad media =Bb / Tt

24




La técnica TDMA presenta problemas importantes de escalabilidad. Con el

aumento del número de usuarios en el sistema, el tiempo que se les asignaría para

transmitir sería muy pequeño y la velocidad instantánea con la que debería transmitir

información la fuente sería muy alta, generando con ello señales de ancho de banda muy

elevado y donde además podría ocurrir que el tiempo de subida y bajada de los

transmisores no pudiera adecuarse a esta velocidad necesaria. Para solucionar este

problema es para lo que aparece la combinación del FDMA y el TDMA, de modo que con

el número de intervalos de tiempo fijo se pueda incorporar más estructuras iguales (es

decir, más tramas temporales (TDM) en otras frecuencias (FDM).

De este modo se llega a un compromiso entre el ancho de banda, el tiempo

asignado a cada comunicación y la demora entre un intervalo temporal y el intervalo

temporal siguiente de la misma conversación que permita a esta comunicación

características de tiempo real.


La técnica TDMA presenta problemas importantes de escalabilidad. Con el

aumento del número de usuarios en el sistema, el tiempo que se les asignaría para

transmitir sería muy pequeño y la velocidad instantánea con la que debería transmitir

información la fuente sería muy alta, generando con ello señales de ancho de banda muy

elevado y donde además podría ocurrir que el tiempo de subida y bajada de los

transmisores no pudiera adecuarse a esta velocidad necesaria. Para solucionar este

problema es para lo que aparece la combinación del FDMA y el TDMA, de modo que con

el número de intervalos de tiempo fijo se pueda incorporar más estructuras iguales (es

decir, más tramas temporales (TDM) en otras frecuencias (FDM).

De este modo se llega a un compromiso entre el ancho de banda, el tiempo

asignado a cada comunicación y la demora entre un intervalo temporal y el intervalo

temporal siguiente de la misma conversación que permita a esta comunicación

características de tiempo real.

25



TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. ACCESO MÚLTIPLE CDMA.Las técnicas CDMA tienen un origen militar en el marco de las comunicaciones

relacionadas con la guerra electrónica. Las comunicaciones militares deben guardar unalto grado de seguridad, en el sentido de ser capaces de no ser descifradas por elenemigo. No hay mejor forma de proporcionar una señal indescifrable que la de aquellaseñal que ni siquiera se sabe que existe.

En el origen de las técnicas de CDMA se encuentra el espectro expandido y laintención de asemejar la señal transmitida al ruido del entorno.

Las técnicas FDMA y TDMA utilizan mecanismos diferentes para proporcionaracceso al medio. De un lado, acceso a las frecuencias como recurso compartido (FDMA),y de otro, acceso al tiempo como recurso compartido (TDMA).

El acceso CDMA, por el contrario, asigna para todos los usuarios todo elespectro durante todo el tiempo disponible. De este modo, la forma que se establece paradistinguir usuarios es mediante la asignación de códigos digitales diferentes.


Las técnicas FDMA y TDMA utilizan mecanismos diferentes para proporcionaracceso al medio. De un lado, acceso a las frecuencias como recurso compartido (FDMA),y de otro, acceso al tiempo como recurso compartido (TDMA).

El acceso CDMA, por el contrario, asigna para todos los usuarios todo elespectro durante todo el tiempo disponible. De este modo, la forma que se establece paradistinguir usuarios es mediante la asignación de códigos digitales diferentes.

La técnica CDMA hace uso de las técnicas de espectro expandido o spreadspectrum, donde a cada señal se le asigna un código digital (de forma diferente segúncuál sea la variante Spread Spectrum utilizada: Direct Sequence o Frecuency Hopping)que es el que sirve para diferenciar unas comunicaciones de otras.

26



TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. ACCESO MÚLTIPLE CDMA.

Una manera práctica e intuitiva de comprender lo que son los códigosy cómo funcionan es a través de la explicación de una fiesta multicultural.

Condición: Cada personahabla un solo idioma.

Idioma: Español


Condición: Cada personahabla un solo idioma.

Idioma: Español

Resultado:Comunicación Posible

27




Condición: Cada personahabla un solo idioma

Idioma: Varios distintosentre si (10)



Idioma: Varios distintosentre si (10)

Resultado:Comunicación No es Posible

28





Idioma: 5 idiomas.1 por pareja



Idioma: 5 idiomas.1 por pareja

Resultado:Comunicación Posiblesólo entre parejas

Conclusión:Sólo aquellos que compartan el mismo idioma se podrán comunicar

Cada idioma es su código particular de comunicación

29



Parámetro FiestaMulticultural

CDMA


Relación entre la Fiesta Multicultural y CDMA


Parámetro FiestaMulticultural

CDMA

Código Idiomas Códigos deIdentificación porusuario (Walsh)

Medio deTransporte

Voz en el Aire Canal de Frecuenciaen el aire

30




¿Por qué CDMA es un Sistema autointerferido?

En la Fiesta:Todos usan el mismo medio físico(aire) para comunicarse, por lo que,mientras más personas hablen,más difícil será comunicarse.

En CDMA:Todos usan el mismo canal defrecuencia, por lo que, mientrasmás móviles transmitan, más difícilserá comunicarse. Mayor ruidoradioeléctrico existirá.


En la Fiesta:Todos usan el mismo medio físico(aire) para comunicarse, por lo que,mientras más personas hablen,más difícil será comunicarse.

En CDMA:Todos usan el mismo canal defrecuencia, por lo que, mientrasmás móviles transmitan, más difícilserá comunicarse. Mayor ruidoradioeléctrico existirá.

31



TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. ACCESO MÚLTIPLE CDMA.CDMA de Secuencia Directa.En esta técnica, el código acompaña a la señal multiplicándola, de la forma que

se muestra a continuación:y(t) = x(t) . c(t) ; c(t) es la señal de código

Se asignan códigos ortogonales a los usuarios que intervienen en unacomunicación. Los códigos ortogonales cumplen:

ci(t) . cj(t) = 0ci(t) . ci(t) = 1

Las señales ci(t), o señales de código, son secuencias seudoaleatoriascompuestas de ceros (0) y unos (1), que lo que consiguen es “expandir” la señal en unabanda de transmisión muy ancha, repartiendo de este modo la energía de la señal, que enbanda base está muy concentrada en un ancho de banda concreto, en un ancho de bandamás grande.


CDMA de Secuencia Directa.En esta técnica, el código acompaña a la señal multiplicándola, de la forma que

se muestra a continuación:y(t) = x(t) . c(t) ; c(t) es la señal de código

Se asignan códigos ortogonales a los usuarios que intervienen en unacomunicación. Los códigos ortogonales cumplen:

ci(t) . cj(t) = 0ci(t) . ci(t) = 1

Las señales ci(t), o señales de código, son secuencias seudoaleatoriascompuestas de ceros (0) y unos (1), que lo que consiguen es “expandir” la señal en unabanda de transmisión muy ancha, repartiendo de este modo la energía de la señal, que enbanda base está muy concentrada en un ancho de banda concreto, en un ancho de bandamás grande.

Como se observa de la fórmula, la modulación se produce por medio delproducto de la señal modulante y el código seudoaleatorio, La demodulación se realizade la misma manera. Si consideramos como ejemplo la recepción de dos señales y1(t) yy2(t), sumadas por el efecto de la transmisión simultánea en frecuencia y tiempo; en elreceptor preparado para la detección de la señal 1 tenemos:

32



TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. ACCESO MÚLTIPLE CDMA.CDMA de Secuencia Directa.

[ y1(t) + y2(t) ] . c1(t) = [ x1(t) . c1(t) + x2(t) . c2(t) ] . c1(t) == x1(t) . c1(t) . c1(t) + x2(t) . c2(t) . c1(t) = x1(t)

Si la recibiera el receptor 2, preparado para recibirla, tendremos:[ y1(t) + y2(t) ] . c2(t) = [ x1(t) . c1(t) + x2(t) . c2(t) ] . c2(t) =

= x1(t) . c1(t) . c2(t) + x2(t) . c2(t) . c2(t) = x2(t)Y si la recibiera un receptor 3, que no tuviera nada que ver con los dos

anteriores tendremos:[ y1(t) + y2(t) ] . c3(t) = [ x1(t) . c1(t) + x2(t) . c2(t) ] . c3(t) =

= x1(t) . c1(t) . c3(t) + x2(t) . c2(t) . c3(t) = 0


Y si la recibiera un receptor 3, que no tuviera nada que ver con los dosanteriores tendremos:

[ y1(t) + y2(t) ] . c3(t) = [ x1(t) . c1(t) + x2(t) . c2(t) ] . c3(t) == x1(t) . c1(t) . c3(t) + x2(t) . c2(t) . c3(t) = 0

fBs

S

fW

S




S

I S

I

Bs

CDMA de Secuencia Directa.


fW

S

BI

fW

I

fBs

I

S

34



TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. ACCESO MÚLTIPLE CDMA. DSSS

Señal transmitida expandida coninterferencia añadida en el canal detransmisión y luego recuperada en elreceptor


Expansión de la Señal a través de lamultiplicación en el tiempo de la señal dedata con el código, resultando la señalcodificada (expandida en frecuencia) aser transmitida con el proceso demodulación normal.

Ts Tc




Diagrama en Bloques delelemento de Transmisiónen DSSS.


Espectro de la SeñalTransmitida.





Señales en el tiempo. Data de Entrada(dt). Código corto (pnt) y señal expandida(pnt.dt).

Señales en el tiempo. Data de Entrada(dt). Código largo (pnt) y señal expandida(pnt.dt).





Diagrama en Bloques de un Sistema DSSS con Modulación BPSK.






MODULACIÓN. DSSS




DEMODULACIÓN. DSSS




DEMODULACIÓN. DSSS




ANÁLISIS CON INTERFERENCIA EN DSSS.















DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICACOMUNICACIONES MÓVILESCOMUNICACIONES MÓVILESACCESO MÚLTIPLE EN DSSS.





CDMA de Salto de Frecuencia.Otra forma de utilizar el acceso múltiple CDMA es la técnica de salto de

frecuencia (Frecuency Hopping).La característica básica de este sistema de acceder al medio es que la señal

modulada cambia constantemente de frecuencias al ritmo que le marca el sistema. Estecambio de frecuencia es, en teoría, aleatorio, pero viene siempre marcado por secuenciasseudoaleatorias que permiten al receptor autorizado hacerse con la recepción, y alreceptor no autorizado, no ser capaz de recibir correctamente la señal, e incluso serincapaz de darse cuenta de la existencia de una señal.


Otra forma de utilizar el acceso múltiple CDMA es la técnica de salto defrecuencia (Frecuency Hopping).

La característica básica de este sistema de acceder al medio es que la señalmodulada cambia constantemente de frecuencias al ritmo que le marca el sistema. Estecambio de frecuencia es, en teoría, aleatorio, pero viene siempre marcado por secuenciasseudoaleatorias que permiten al receptor autorizado hacerse con la recepción, y alreceptor no autorizado, no ser capaz de recibir correctamente la señal, e incluso serincapaz de darse cuenta de la existencia de una señal.

Se definen dos modos de CDMA de salto de frecuencia: Salto de Frecuencia Lento, donde la velocidad de símbolo de la señal es un múltiploentero de la velocidad de salto de frecuencia, de modo que varios símbolos puedan sertransmitidos en cada salto de la señal.

Salto de Frecuencia Rápido, donde la frecuencia de salto es un múltiplo entero de lavelocidad de símbolo. Esto implica que la señal cambia de frecuencia varias vecesdurante el período de cada ráfaga.

La primera de las subtécnicas no es estrictamente CDMA, considerando elacceso al medio, sino que minimiza efectos no deseados del trayecto, por lo que es lasegunda la que se utiliza para el acceso al medio por CDMA,

48




CDMA de Salto de Frecuencia. Salto de Frecuencia Rápido, donde la frecuencia de salto es un múltiplo entero de lavelocidad de símbolo. Esto implica que la señal cambia de frecuencia varias vecesdurante el período de cada ráfaga.

Interferencias

Frecuencia

4f

6f5f

7f


Espectro ensanchado porsalto de frecuencia.

49

Tiempo

Interferencias

1f2f3f4f5f




CDMA de Salto de Frecuencia Rápido.

Frecuencia

CDMA de Salto de Frecuencia Lento.

Rata de Salto = Rh, Período de Salto = Th. Th = 1 / Rh


Período de Salto = Th. Tc = Tiempo de chip.

Th = Tc

Período de Salto = Th. Tc = Tiempo de chip.

Th = 2Tc



TÉCNICAS DE ACCESO MÚLTIPLE. ACCESO MÚLTIPLE CDMA. FHSS

Sintetizadorde frecuencia

Enganche

DemodulFSK

canalModulFSK X

Sintetizadorde frecuencia

XInformación Salida

Diagrama en bloques completo del sistema FHSS

Diagrama en bloques Transmisor delsistema FHSS


Generadorpseudoaleatorio


n

Espectro deFrecuecia de unSistema FHSS

Frecuencia

Amplitud

1 2 3 4 N

2 = N, donde n son elnúmero de chips del





Características de los sistemas CDMA.Se dice que la apariencia de la señal modulada CDMA es de ruido gaussiano

blanco, y que por ello el único problema es el que el nivel general de ruido aumente conrespecto a la situación sin transmisores. De hecho, en los sistemas móviles CDMA y enlos de tercera generación basados en el W-CDMA, el número de usuarios por célula vienelimitado por el crecimiento del umbral de ruido con el aumento del número de usuarios(concepto de respiración celular, por el cual las células aumentan o disminuyen detamaño como consecuencia del incremento del número de usuarios y la limitación de lapotencia disponible en la estación base).


Se dice que la apariencia de la señal modulada CDMA es de ruido gaussianoblanco, y que por ello el único problema es el que el nivel general de ruido aumente conrespecto a la situación sin transmisores. De hecho, en los sistemas móviles CDMA y enlos de tercera generación basados en el W-CDMA, el número de usuarios por célula vienelimitado por el crecimiento del umbral de ruido con el aumento del número de usuarios(concepto de respiración celular, por el cual las células aumentan o disminuyen detamaño como consecuencia del incremento del número de usuarios y la limitación de lapotencia disponible en la estación base).

Se puede realizar una estimación del número máximo de móviles soportados enel sistema: La interferencia presente en el demodulador de un receptor genérico (siendo pr lapotencia recibida) de un sistema de N equipos es:

Si B es el ancho de banda ocupado, se define la densidad de interferencia como:

52

rpNi )1(

BpN

Bii r

o

)1(




Características de los sistemas CDMA. La relación que marca la calidad de los sistemas digitales es la energía por bit respectode las interferencias, esta es igual a:

(bps)móvileslosdenetabinariavelocidad,)1(

R

BpN

Rp

ie

r

r

o

b


(bps)móvileslosdenetabinariavelocidad,)1(

R

BpN

Rp

ie

r

r

o

b

o

b

ieRB

N

La conclusión que se puede extraer de la anterior expresión es que el número de móvilesatendidos en el sistema puede llegar a superar el logrado con sistemas FDMA y TDMA,puesto que la Ganancia de Procesado puede llegar a tener un valor numérico muyelevado.

Con ello, el número de usuarios N es calculado con el parámetro denominadoGanancia de Procesado (B / R):

Documents

Comunicaciones Móviles Unexpo 2014 Parte 1