Introducción a las comunicaciones móviles e inalámbricas GSM, TDMA, CDMA y D-AMPS. - 2.5G: paso intermedio entre el 2G y 3G; suele tratarse de teléfonos móviles 2G con algunas

Introducción a las comunicaciones móviles e

inalámbricas

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Objetivo

Presentar una introducción la los principios y características de las móviles e inalámbricas incluyendo sus clasificaciones y su relación con el desarrollo tecnológico digital.

El alumno aprenderá las características básicas de los sistemas de comunicación inalámbrica así como las principales nociones y características para su diseño.

Al finalizar esta unidad el alumno deberá tener una idea clara sobre los elementos y configuraciones básicas de una red móvil e inalámbrica de acuerdo al tipo de uso o segmento comercial dentro del cual se desea participar.

Antecedentes● Las comunicaciones inalámbricas no son nuevas. Desde un inicio la humanidad ha empleado métodos para comunicarse a distancia:

● Gritos, silbidos trompetas y tambores en selvas, bosques o a grandes distancias.

● Señales visuales con hogueras o señales de humo en planicies o sabanas.

● Sistemas de señalización evolucionan acorde con la tecnología de la época (e.g.: espejos, linternas, campanas y señalización con banderas).

Historia y Desarrollo

Fundamentos - Ondas EM● 1678 Christian Huygens trabaja en el fenómeno de la reflexión y refracción de la luz

● 1819 Agustin Fresnel demuestra la naturaleza ondulatoria de la luz

● 1831 Michael Faraday trabaja sobre el principio de la inducción electromagnética

● 1864 James Clerk Maxwell define la teoría de los campos electromagnéticos y las ecuaciones de onda.

● 1886 Heinrich Rudolf Hertz demuestra experimentalmente la transmisión y detección de una onda electromegnética a distancia (varios metros)

HistoriaHistoria y Desarrollo

Fundamentos - Ondas EM● 1893 Nikola Tesla realiza experimentos de alto voltaje y alta frecuencia los cuales revelan la posibilidad de establecer comunicaciones inalámbricas, incluso construye un bote de radio control.

● 1896 Guillermo Marconi reconoce que las ondas de longitud larga se propagan a través de grandes distancias. Hace una demostración con un alcance mayor a 3km.

● 1898 - 1901 - Guillermo Marconi continua con el desarrollo de la radiotelegrafía (transatlántica) usando frecuencias de 1MHz.


Fundamentos - Evolución● 1906 – Se auspicia la 1ra. conferencia para la regulación de la radio: World Administrative Radio Conference (WARC -> WRC). Ahí se reglamentan las asignaciones de bandas de radiofrecuencia (RF)

● 1906 El desarrollo de filtros permite limitar la banda de frecuencia (BW) y permite el control del espectro de radiofrecuencias.

● 1914 Primeras transmisiones de Voz

● 1920 Guillermo Marconi descubre la onda corta y su reflexión en la ionosfera. Se emplean bulbos para desarrollar transmisores y receptores de menor tamaño


Fundamentos - Evolución● 1930's Primeras transmisiones de voz bidireccionales para uso militar y policíaco.

● 1930's-1945 Desarrollo de las telecomunicaciones militares e impulso a la investigación de las señales electromagnéticas. Desarrollo del Radar (1906-1936).

● 1946 Se instala en EEUU (St. Luis) el primer servicio de telefonía móvil. Estacion fíjas - usuarios móviles. Estación transmisora/receptora de FM con alcance de 50km. Comunicación Half-Duplex con capacidad de tan sólo 12 canales simultáneos de voz de 3kHz y 120KHz de BW por canal (6 usuarios). Motiva el desarrollo de soluciones : AT&T → Principio celular


Fundamentos - Evolución ● 1948 Claude Shannon contribuye a los fundamentos teóricos de las telecomunicaciones mediante: A Mathematical Theory of Communicatios. En este trabajo plantea las condiciones para una transmisión sin errores a partir de la velocidad de transmisión y la relación señal a ruido (SNR) de la propia señal. Así como el ajuste de potencia en canales de frecuencia selectiva.

● 1957 La URSS lanza el satélite Sputnik. El satélite transmite durante 22 días lo que permite hacer mediciones sobre el efecto de la ionosfera en su señal. Detona el desarrollo satelital y de microondas.


Fundamentos - Evolución ● 1940's-1960's desarrollo de la Banda Civil (CB)

● 1958 Inicia operaciones la A-Netz en Alemania Telefonía celular analógica (160MHz) con conexión usuarios móviles sin roaming (11mil usuarios en 1971).

● 1960's Lanzamiento de los primeros satélites de comunicaciones

● 1972 Puesta en marcha en Alemania de B-Netz (160MHz), la ubicación de la la estación móvil debía ser conocida.

● 1974 W. Jakes publica: Microwave Mobile Comunications (IEEE press)


Fundamentos - Evolución ● 1970's Desarrollo de ecualizadores adaptivos y comunicaciones multicarrier (1ro. lineas fijas → wireless)

● 1979 Nippon Telephone Telegraph (NTT) establece el primer servicio celular.

● 1979 En los paises escandinavos inicia operaciones la Nordic Mobile Telephone (NMT) usando la banda de 450MHz.

● Ericsson : Conmutación digital, telefonía analógica

● 1979 Inicia operaciones el Anvadced Mobile Phone System (AMPS) en los EEUU.


Fundamentos - Evolución ● 1980's Desarrollo del mercado de celulares. Penetración del mercado 10% en UE y Japón, menor en EEUU.

● 1980's sistemas móviles basados en vehículos (carphones). Segmento premium. ( AT&T: Deja el mercado por bajas estimaciones de penetración)

● En Europa se inicia el desarrollo por parte del ETSI del standar Global Systems for Mobile (GSM)

● Finales de 1980's la miniaturización y la mejora en las baterias posibilita los primeros teléfonos móviles (Motorola). Se logra alta calidad audio analógico.


Fundamentos - Evolución ● 1991 se formula en UE la especificación DECT (Digital European Cordless Telephone) predecesor de la norma «Digital Enhanced Cordless Telecommunications»

● Bandas de 1880-1900MHz con alcance de ~100-500m , 120 canales Full duplex, 1.2Mbit/s de transmisión de datos, encryptación de voz, y unos 10000 usuarios/km2.

● 1992 – Inicio del GSM (2da. Gen), 900MHz, 124 canales

● Localización automática, Seguridad del servicio

● Roaming celular, migración entre celdas, Paquete de datos con 9.6kbit/s.


Fundamentos - Evolución ● Principio de los 90’s – Especificaciones IS 54, IS 136 e IS 95 en los EEUU ( TDMA, CDMA )

● 1994 - GSM a 1800MHz (Digital Cellular Service : DCS1800) - Desarrollo de micro células

● 1996 - HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network)

● 1996, Estandarización ETSI: 5.15 - 5.30GHz, 23.5Mbit/s

● 1997 - Wireless LANs (IEEE-Standard), 2.4 - 2.5GHz, 2Mbit/s

● 1998 Especificación de los sucesores del GSM


Fundamentos - Evolución ● 1998 – Comienza la especificación para la nueva generación de CDMA (Qualcomm - wideband CDMA)

● 1999 - Especificación IEEE802.11b incremento del BW a 11Mbit/s

● 2000 – Especificación del Bluetooth

● 1Mbit/s para comunicación con una sóla celda

● Se inicia con la especificación de 10Mbit/s (capacidad multi-enlace)

● 2001 – Tercera generación (3GPP/3GPP2) celular : EDGE, HSPA, UMTS


Fundamentos - Evolución ● 2000/2001 – «Telecom bubble»

● Disminución en I+D

● 2003 – Crecimiento de redes

● 2.5G Paises emergentes

● 3G EEUU, Japón y Europa

● 2008 – Iphone / Smartphones

● Contenidos y servicios de streaming (liveTV / Netflix)

● 2008/9 Cuarta Generación (4G): HSPA+, LTE



Tendencias ● Tres factores principales están contribuyendo al desarrollo del sector

● I) Una mayor variedad de servicios

● Voz, Video On demand, Datos, redes sociales,...

● II) Transmisión de datos a mayores tazas

● III) Mayor densidad de usuarios

● Internet de las cosas (IoT)

Proyecciones de consumo de datosHistoria y Desarrollo

Source: Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2011–2016

Proyecciones de consumo de datosHistoria y Desarrollo

Source: Cisco Networking : Mobile Wireless Spectrum and Growth in Traffic, 1993–2016

Detonadores del desarrollo● Uso extendido de los microprocesadores

● Implementación de algoritmos complejos

● Enlaces digitales entre las estaciones base y las unidades móviles.

● Permitió la puesta en marcha de servicios más completos (complejos)

● Trasferencias de enlaces en línea (roaming)

● Señalización digital

● Localización automática de la unidad móvil



Desarrollo de Estándares ● EEUU : Sin regulación oficial, libre mercado

● Verizon, U.S. Cellular y Sprint, utilizan la tecnología CDMA de 3G

● AT&T Mobility y T-Mobile usan la GSM para 3G

● Japón : Sin regulación oficial, libre mercado (2G)

● Europa : Establecen un único estándar en toda la región (UE)

● Economía de escala y compatibilidad entre países

Tipos de servicios

Tipos de servicios

Broadcasting (Tele/Radiodifusión)● Características:

● Transmisión unidireccional

● Misma contenido para todos los usuarios

● Transmisión ininterrumpida

● Múltiples transmisores transmiten la misma información (redes de radiodifusión)

● Implicaciones:

● Simplicidad de cobertura , Amplia audiencia, Sin encriptación (ver: pay-per-view), HalfDuplex, Multicast.

Tipos de servicios

Paging (Bipper)● Características

● Transmisión unidireccional de datos (Base → Receptor)

● Usuario no puede iniciar una comunicación

● La cantidad de información muy limitada (1 bit = call)

● Evolución a mensajes cortos

● Particularidades del Servicio:

● Pequeño BW, Frec. Portadora = 150MHz, Amplia cobertura debido a la baja frecuencia.

Tipos de servicios

Telefonía celular● Características

● Transmisión bidireccional

● Ubicación variable / cobertura nacional (roaming)

● Localización automática

● La llamada puede originarse en cualquier extremo

● Comunicación persona a persona (seguridad)

● Movilidad del usuario (cambio entre celdas)

● Subdivisión del área de cobertura

Tipos de servicios

Telefonía celular● Características

● Ancho de banda debe ser compartido (TDMA, CDMA...)

● Espectro de frecuencias limitado

● Re-uso de radiofrecuencias

● Sistema celular básico:

● Estaciones móviles

● Radiobases

● Estaciones de ruteo y comunicación (MTX/MSC)

Tipos de servicios

Telefonía celular

Mobile Telephone Exchange (MTX / MSC)

Tipos de servicios

Arquitectura de una red GSM

BTS (Base Transceiver Station)BSC (Base Station Controller)BSS (Business Support Systems)MS (Mobile Station)MSC (Mobile Switching Center)OSS (Operations Support Systems) VLR (Visitor Location Register) - Aparatos en el áreaHLR (Home Location Register) - SubscriptoresEIR (Equipment Identity Register)AuC (Authentication Center)NSS (Network Security Services)

Tipos de servicios

Arquitectura de una red 4G

Tipos de servicios

Telefonía celular: Evolución

Tipos de servicios


Tipos de servicios


- 1G: primera generación de telefonía móvil; servicios básicos de voz; sistema analógico.

- 2G: segunda generación de telefonía móvil (1990); significó el cambio de tecnología analógica (1G) a digital. Abarca los protocolos GSM, TDMA, CDMA y D-AMPS.

- 2.5G: paso intermedio entre el 2G y 3G; suele tratarse de teléfonos móviles 2G con algunas características de 3G, como el protocolo GPRS.

- 2.75G: lo mismo que el caso anterior, pero utilizando la tecnología EDGE.

Tipos de servicios


- 3G: tercera generación (2000), que usa la red o estándar UMTS para transmitir datos. Se puede transmitir voz y datos a la vez, además de descargar programas, mensajería instantánea, correo electrónico... Utiliza la tecnología W-CDMA. Como desventajas o principales problemas, puede bajar la velocidad si se está en movimiento (por ejemplo, en un coche) y tener latencia alta.

- 3.5G: es como el 3G pero más rápido, utilizando la tecnología HSDPA.

- 3.75G: lo mismo que el anterior, pero más rápido, utilizando la tecnología HSUPA.

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- 4G: cuarta generación; es un conjunto de tecnologías y protocolos para lograr una velocidad mayor con la red más barata. Utiliza el protocolo IP, Wi-Fi y Wi-Max, obteniendo velocidades altas (también en movimiento) y baja latencia.

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- 4.5G (4G LTE Advanced): Mientras que la eficiencia del uso del espectro ha mejorado, esto por sí solo no puede proporcionar las tasas de datos requeridas por el 4G LTE Advanced. Para conseguir velocidades de datos muy altas, es necesario aumentar los anchos de banda de transmisión.

El método que se propone se denomina agregación de portadora «CA» o agregación de canales. El cuál permite que múltiples portadoras LTE se utilicen juntas para proporcionar altas velocidades de transferencia de datos.

Estos canales o portadoras pueden estar en bandas contiguas del espectro, o pueden ser de hecho bandas diferentes.

Tipos de servicios


- 4.5G (4G LTE Advanced):

Tipos de servicios


- 4.5G (4G LTE Advanced): ● El 4,5G además maneja

más tráfico concurrente de usuarios y ofrece un mejor rendimiento en los límites de las áreas de cobertura.

● Además de la inclusión de portadoras,También emplea esquemas de Multi-Input Multi-Output (MIMO).

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Tipos de servicios

Tipos de servicios

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- Futuro:

Tipos de servicios


- 5G : Sus objetivos incluyen tasas de transferencia de datos mínimas de 10 Gb / s, (1000 veces mejor que el anterior), un aumento de entre 10 y 100 veces el número de dispositivos conectados simultáneamente, una reducción del 90% en el consumo de energía y la capacidad para que pequeños dispositivos IoT funcionen hasta 10 años con una sóla batería.

No obstante, 5G no es sólo el siguiente aumento incremental en las velocidades de descarga y subida sino que se trata de un ecosistema de extremo a extremo que permita « una sociedad totalmente móvil y conectada».

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- 5G : Se basará en el uso de espectro de frecuencias con licencia y sin licencia, la modularidad, las redes basadas en la nube definidas por software y la aplicación de recursos asignados dinámicamente.

Esto exigirá un cambio sustancial en la forma en que se construyen y orquestan las redes inalámbricas, en las frecuencias en las que operan, en las dramáticas reducciones de la latencia y el crecimiento exponencial de los tipos de dispositivos a los que se conectarán estas redes.

Tipos de servicios


Tipos de servicios

Red de comunicación radial● Características

● Sin conexión a la red telefónica pública

● Comunicación entre grupos cerrados de usuarios

● Taxistas, Bomberos, Emergencias, Gobierno,...

● Llamadas entre varios usuarios a la vez

● Priorización en el uso de los canales de comunicación

● Emergencias, Jerarquía de prioridades, Interrupción de una llamada

● Retransmisión de mensajes entre estaciones móviles

Tipos de servicios

Teléfonos inalámbricos● Remplazo de teléfonos regulares

● Conexión directa con la red pública

● Primeros modelos: tecnología analógica

● Seguridad comprometida:

● Posibilidad de escuchar conversaciones

● Intervención de la base para hacer llamadas no autorizadas

● Cambio hacia la tecnología digital.

● Encriptación y seguridad

Tipos de servicios

PABX● Private Automatic Branch eXchange

● Evolución de los teléfonos inalámbricos

● Base con varios trans-receptores

● Concentrador con varías bases

● Conversaciones en red privada

● Tecnología digital

● Encriptación y seguridad

● Video conferencias

Tipos de serviciosWireless Local Area Networks (WLAN)

● Alto Bitrate (5-20Mbit/s)

● Libre competencia entre fabricantes

● Años 90's Estándar IEEE

● 802.11 (1 Mbit/s)

● 802.11b = 11 Mbit/s

● 802.11a/g = 55 Mbit/s

● 802.11n hasta 600 Mbit/s

● Saturación del servicio

● Ancho de banda limitado (Ultra HD - 4K)

Tipos de serviciosPersonal Area Networks (PAN)

● Remplazo de cables

● Alcance: algunos metros

● Bitrate < 1 Mbit/s

● Bluetooth, IrDA, ZigBee, …

● Body Area Networks (BAN)

● Versión de menor alcance

● Aplicaciones médicas

Tipos de serviciosPersonal Area Networks (PAN)

● Entretenimiento (e.g. DNLA)

● IEEE 802.15 100 Mbit/s

Tipos de servicios

Tipos de servicios

Wireless Local Loop● Comunicación inalámbrica de última milla

● Servicio de voz y datos en edificios y oficinas

● No tendido de cables

● Unidad inalámbrica fija

● Punto a Punto

● Punto a Multipunto

● Regulaciones del mercado.

● Obligación de compartir la infraestructura

Tipos de servicios

Redes de sensores ● Monitoreo o control de sistemas de manera remota

● Conexiones de bajo costo

● Peer to Peer

● Ad-hoc (Sensado)

● Sin uso de infraestructura

● Propagación de mensajes entre nodos

● Múltiples rutas de enlace

● Actualmente: Área de investigación muy importante

Tipos de servicios

Telefonía satelital● Servicio + usado después que la TV satelital

● Similar a la telefonía celular convencional pero …

● 36,000 Km órbita geoestacionaria

● Órbitas (LEO : Low earth orbit ) > 100's KM

● Mayor energía de Transmisión

● Antenas de alta ganancia

● Comunicación fuera de edificios

● Tamaño de cada célula > 100KM

● Cobertura ideal para regiones rurales

Requerimientos de los servicios

● La clave para el diseño de sistemas inalámbricos radica en entender de que cada aplicación tiene distintos requerimientos en cuanto a tasa de transferencia, alcance, movilidad, consumo de energía, etcétera.

● Una tendencia común entre los ingenieros, es la desarrollar especificaciones para resolver cada uno de los anteriores problemas; i.e. máximo alcance, tasa de transferencia, mínimo consumo, ...


Tasa de Transferencia● La gama de tazas de transferencia entre los servicios inalámbricos pueden extenderse desde unos cuantos bits/s hasta transferencias del orden de Gbits.

● Redes de Sensores

● Tazas desde pocos bits hasta 1 kbit/s

● Monitoreo de variables físicas

● Los nodos centrales generalmente requieren un mayor baudrate (e.g. 10 Mbit/s)


Tasa de Transferencia● Comunicaciones de voz

● Tazas entre 5 y 64 kbit/s

● Dependiente de la calidad y taza de compresión de audio requerida

● Redes celulares, las cuales requieren mayor eficiencia espectral, usan tazas alrededor de 10 kbit/s

● Teléfonos inalámbricos para comunicación en oficinas y hogares (menor sofisticación) emplean tazas de 32 kbit/s.


Tasa de Transferencia● Servicios básicos de datos.

● Tazas entre 10 y 100 kbit/s

● Dispositivos celulares de 2da. generación (Symbian).

● Notebooks o tabletas con conexión WiFi (BAM) emplean tazas de alrededor 50 kbit/s.

● Comunicación entre dispositivos y periféricos

● Dispositivos como ratones, teclados e impresoras emplean tazas de hasta 1 Mbit/s


Tasa de Transferencia● Servicios de datos de alta velocidad

● WLAN y 3G Tazas entre 0.5 hasta 100 Mbit/s

● Actualmente en desarrollo y creciendo.

● Personal Area Networks (PAN's).

● Alcance de algunos metros con tazas variables pero hasta 10 Mbit/s; principalmente para el consumo de contenido multimedia.

● Body Area Networks requieren tazas menores de transferencia hasta 1 Mbit/s para aplicaciones médicas.

Tasa de transferencia● Sabemos que los componentes espectrales de la voz alcanzan frecuencias de alrededor de 8KHz, mientras que las frecuencias que alcanza a percibir el oído humano están al rededor de los 20 kHz como máximo.

● Es así que si deseamos transmitir audio por cualquier medio necesitaremos transmitir al menos ese intervalo de frecuencias.


Intervalo de Frecuencias Frecuencia de Muestreo

Hz kHzVoz por Teléfono 300 - 3,400 8Voz de Banda Ancha 50 - 7,000 16Audio Medio 10 - 11,000 24Audio de Banda Ancha (CD) 10 - 20,000 44.1

Tasa de transferencia : Radio● Para la transmisión de audio en AM contamos con 106 canales de 10KHz. Mientras que en la banda de FM tenemos disponibles 100 canales de 200kHz.


● Note que si quisiéramos transmitir en FM canales de audio con la misma calidad, y por ende con el mismo ancho de banda, que el de AM (10kHz), entonces podríamos colocar en la banda 2000 de esos canales. (~ x18)

Tasa de transferencia : Radio● Si el objetivo es transmitir audio con calidad de CD, cuyas frecuencias máximas rondan los 20 kHz y frecuencia de muestreo de 44.1 kHz, entonces el ancho de banda de los canales de AM resultan insuficientes. Debemos entonces emplear otros canales, por ejemplo los de FM con ancho de banda de 200 kHz.


● Como referencia: una línea telefónica analógica tiene un ancho de banda de 3 kHz, y puede llevar a frecuencias de entre 400 Hz y 3,4 Khz.

Tasa de transferencia : TV● En comparación las señales de TV analógica, donde se transmite tanto componentes de vídeo como de audio, emplean anchos de banda de 6MHz. (54 a 216 MHz.)


Tasa de transferencia : TVRequerimientos de los servicios

Ancho de Banda● La definición más aceptada de ancho de banda en un canal de transmisión análogo es la diferencia entre las frecuencias de transmisión más alta y la más baja.

● El ancho de banda se mide en Hertz. En el caso de un canal de banda de base, el ancho de banda corresponde al valor de la frecuencia más alta soportada.

● En las redes de comunicación de datos, el ancho de banda se refiere a la velocidad de datos máxima nominal, la cual se mide en bits por segundo (bps). La máxima velocidad de datos (o capacidad de canal) de un enlace de comunicación físico está relacionada con su ancho de banda en Hertz, a veces referido como su ancho de banda analógico (baudrate).


Ancho de Banda● El gráfico muestra una comparación de los anchos de banda típicos para tecnologías de acceso a Internet.


Alcance: Radio de cobertura● En términos simples, es la distancia máxima a la cual una señal puede ser recibida. Este valor depende de las características de los equipos involucrados (e.g.: potencia de transmisión o sensibilidad de las antenas) pero se puede ver afectado por el tipo de obstáculos que encuentre en enlace en su trayectoria.



Alcance y Número de usuarios● Body Area Networks (BAN's). Comprende la comunicación entre diversos dispositivos colocados en el cuerpo (e.g.: desede un celular colgado en la cintura hasta a un audífono receptor colocado en el oido).

● Alcance promedio = 1 metro.

● Personal Area Networks (PAN's).

● Alcanzan distancias al rededor de los 10 m, cubriendo el espacio de una persona.

● Sin embargo pueden existir traslapes entre varios usuarios en un mismo espacio. Por lo general el número de usuarios se mantiene en menos de 5.


Alcance y Número de usuarios● Wireless Local Area Networks (WLAN's). Cubren una distancia de entre 100 y 300 m y dan servicio a alrededor de 10 personas. En caso de eventos (e.g. Conferencias o conciertos) la taza de transferencia de datos decrece en proporción al número de usuarios.

● Teléfonos inalámbricos. Su área de cobertura es similar a la de los WLANs así como el número de usuarios (300m / 10).

● Caso especial son los PABXs ya que puede tener mayor alcance y mucho mayor número de usuarios (similitud con una red privada de telefonía celular).


Alcance y Número de usuarios● Redes de telefonía celular: Mayor alcance que las WLAN's. Las microceldas típicamente cubren distancias de 500 m de radio mientras que las macroceldas alcanzan entre 10 y 30 km.

● Dependiendo del ancho de banda disponible y de los diferentes protocolos de multiplexación, el número de usuarios activos puede variar de entre 5 a 50.

● En el caso de que el sistema provea servicios de datos de alta velocidad como parte de su servicio estandard, el número de posibles usuarios activos se reduce.


Alcance y Número de usuarios● Servicios inalámbricos de datos fijo: Su alcance va desde unos 100 m hasta algunos kilómetros y el número de usuarios es similar al de las compañías celulares.

● Servicios de comunicación satelital. Dichos servicios pueden cubrir de manera completa grandes ciudades, regiones enteras, países e incluso continentes. El tamaño de la celda depende de manera directa del tipo de órbita del satélite.

● Satélites geoestacionarios : 1000 km de radio

● Satélites de órbita baja (LEOs) : 100's km de radio

2nd. Generation cellphones


Alcance

Velocidad

1 Gbit/s

10 Mbit/s

100 Mbit/s

1 Mbit/s

100 kbit/s

10 kbit/s

1 m 10 m 100 m 10 km1 km 100 km

PAN WLAN

Fixed Wireless

Cordless phones

3rd. Generation Cellphones

Satellite phones

Alcance4th. Generation

Cellphones


Movilidad● Dispositivos fijos. Ubicados en un sólo lugar. La principal motivación para el uso de la tecnología inalámbrica recae en su facilidad de implementación respecto al tendido de cables entre el usuario y el proveedor del servicio.

● A pesar que el dispositivo no cambie de lugar, las condiciones de transmisión recepción pueden variar al transcurrir el tiempo.

● Cambios en el ambiente como cambios en el ordenamiento de la maquinaria o la reorganización del mobiliario contribuyen a estas modicifaciones.


Movilidad● Dispositivos re-ubicables. Se trata de dispositivos que son colocados en un lugar por un tiempo determinado (horas, o días); posteriormente es movido a una nueva ubicación.

● Durante esos intervalos de tiempo, el dispositivo se comportará como un dispositivo fijo. Sin embargo las condiciones de operación, entre ubicaciones, pueden cambiar radicalmente.

● Laptops o notebooks son ejemplos típicos, ya que no se espera que las personas se muevan con ellas.


Movilidad● Baja movilidad: El cambio de ubicación se realiza a la velocidad de un peatón. Teléfonos inalámbricos o celulares son ejemplos de estos dispositivos.

● El cambio de la radio base en servicio se considera como un evento poco frecuente.

● Alta movilidad: Cubre velocidades de entre 30 y 150km/h (e.g.: Celulares operados en vehículos).

● Muy alta velocidad: > 150 km/h (e.g.: trenes o aviones). Compensaciones por efecto Doppler y transferencia entre radiobases se deben considerar en su diseño.

2nd. Generation cellphones


Alcance

Velocidad

1 Gbit/s

10 Mbit/s

100 Mbit/s

1 Mbit/s

100 kbit/s

10 kbit/s

Estacionario

Re-ubicable vehícular

PSTN

WLAN

Fixed Wireless

Cordless phones

3rd. Generation Cellphones

Satellite phones

Movilidad

Peatonal De alta velocidad

PAN4th. Generation

Cellphones


Consumo de Energía● Baterías recargables. Si no todos, la gran mayoría de dispositivos móviles e inalámbricos operan con baterías recargables (e.g. Teléfonos celulares o inalámbricos).

● Factores como tiempo de carga / descarga, tiempo entre recargas y perfiles de operación, son los factores determinantes en este tipo de sistemas.

● El consumo se determina en parte por la potencia de transmisión empleada en cubrir la distancia entre el dispositivo y su base (a una SNR mínima). Otra parte del consumo la representa la cantidad de datos o tiempo de transferencia de estos.


Consumo de Energía● Baterías recargables (cont.).

● Tiempos de 2 horas en operación y 48 hrs. en standby son parámetros mínimos para los teléfonos celulares. Para laptops no hay especificaciones para el uso de la conexión WiFi, pero la mayor parte del consumo lo genera el CPU junto con el HDD.

● Para los celulares, el consumo de potencia por parte del CPU y de la conexión inalámbrica son similares.


Consumo de Energía● Baterías desechables. Preferentemente usadas por redes de sensores ya que ofrecen altas densidades de energía a bajo precio.

● El cambio de la batería es en raras ocasiones una opción viable, por lo que la eficiencia energética es uno de los parámetros más críticos en el diseño del sistema.

● Actualmente hay un fuerte impulso hacia la auto- alimentación «energy harvesting» de los sistemas. Los dispositivos extraen su energía de fuentes térmicas, luminosas o de RF del entorno.


Consumo de Energía● Alimentación de la línea. Es el método empleado para alimentar radiobases y otros dispositivos fijos o semi-móviles.

● La eficiencia energética no es una gran preocupación. Por lo tanto se procura que la mayor parte del consumo del enlace inalámbrico se realice en este lado de la comunicación.

● El peso de las baterías siempre ha sido parte de las restricciones de diseño. La evolución de teléfonos en vehículos, a teléfonos portátiles, a teléfonos celulares se debe en gran parte a la reducción del peso (2 → 0.2kg).


Uso del espectro● El uso de una banda del espectro puede estar determinado en base al uso compartido o exclusivo del mismo.

● Espectro dedicado al servicio u operador : En estos una parte del espectro radio-eléctrico es asignado para uso exclusivo de un operador (e.g. Las bandas usadas por los proveedores de telefonía celular).

● El concesionario dispone a plenitud de dichas bandas y puede organizar su uso en distintas regiones geográficas minimizando interferencias.


Uso del espectro● Espectro compartido entre múltiples operadores El espectro radio-eléctrico es asignado para un uso específico pero sin designar uno o varios operadores específicos (e.g. Las bandas usadas por la telefonía inalámbrica o la banda civil).

● El equipo usado debe ser diseñado para evitar la interferencia con otros equipos al tiempo que respeta las restricciones relacionadas con el uso de esa banda. Ya que interferencias sólo pueden venir de equipos similares la coordinación de uso en una región geográfica es relativamente simple.


Uso del espectro● Espectro Libre. Esta categoría comprende el espectro reservado para ser usado por variedad de servicios; e.g. La banda ISM de 2.4Ghz, la cual es usada para operar hornos de microondas, las conexiones de LAN WiFi, los enlaces de Bluetooth, equipo de radio control, etcétera.

● El equipo debe cumplir con severas restricciones de operación para minimizar la interferencia con otros equipos. Debido a la variedad de sistemas en operación, la coordinación de uso es prácticamente imposible ya que distintos equipos no pueden intercambiar información entre si.


Uso del espectro● Ultra Wide Bandwidth systems (UWB). A partir del año 2000 se definen equipos los cuales distribuyen su información a lo largo de un amplio espectro de frecuencias manteniendo una potencia y densidad espectral muy baja. Lo anterior permite usar bandas ya ocupadas por otros servicios pero sin crear una interferencia significativa.

● Uso Adaptativo del Espectro. (2000) En este esquema primero se analiza el uso actual del espectro en en entorno y se configura para emplear las partes del mismo no utilizadas. (e.g. «Cognitive radio»).


Dirección de Transmisión● Sistemas simples: La información viaja en un sólo sentido (e.g. Broadcast y Pagers ).

● Semi-duplex: Los sistemas pueden transmitir información en ambos sentidos, pero sólo uno es permitido en cualquier momento (e.g. Banda civil y comunicación de servicios de emergencias).

● Full-Duplex: Los sistemas permiten comunicación simultanea en ambas direcciones: (e.g. Telefonía cellular).

● Sistemas Asimétricos Duplex: Usados en la transmisión de datos (Download vs Upload speeds).


Calidad del servicio

El primer indicador de la calidad del servicio es la calidad de voz para sistemas de comunicación y la velocidad de transferencia para los servicios de datos.

● En cuanto a la calidad de voz, existe un parámetro: «Mean Opinion Score (MOS)» el cual mide de manera subjetiva la calidad del servicio en escala de 1 a 5 a través de encuestas de un número alto de usuarios.

● La transmisión de datos se mide mediante las tazas de transferencia, Bits / segundos


Calidad del servicio● Aún mas importante es el factor de disponibilidad del servicio. En telefonía celular, la calidad del servicio, con frecuencia es medido en términos de la fracción de llamadas bloqueadas (Cb) en conjunto con con la fracción de llamadas interrumpidas (Cd).

● Servicios de emergencia, seguridad pública, ...

Q =C total

Cblock + Cdrop

> 99.99%

Q =C total

Cblock+10⋅Cdrop


Calidad del servicio● Un factor relacionado con lo anterior es el tiempo de retardo de la llamada, también conocido como latencia de conexión.

● Para comunicación de voz, incluyendo los enlaces por tele-conferencia, la latencia en el enlace no debe ser sobrepasar los 100ms.

● Para la transmisión de contenido multimedia (video/audio) los niveles de latencia aceptables pueden llegar a alcanzar algunos segundos. Lo anterior en buena parte debido al uso de «buffers» en el pipeline de comunicación.

Introducción

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Introducción a las comunicaciones móviles e inalámbricas GSM, TDMA, CDMA y D-AMPS. - 2.5G: paso intermedio entre el 2G y 3G; suele tratarse de teléfonos móviles 2G con algunas