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Redes Celulares Inalámbricas

Profesora Maria Elena Villapol

Principios

• Uso de múltiples transmisores de baja potencia (100 W o menos).

• Las áreas se dividen en celdas:

– Cada una servida por una estación base que consiste de transmisor, receptor y unidad de control.

– Tienen un conjunto de frecuencias asignadas.

– Las celdas adyacentes tienen asignadas diferentes frecuencias para evitar interferencia y crosstalk.

– Las celdas son determinadas de forma tal que las antenas de todos los vecinos son equidistantes (patrón hexagonal).

Reuso de la frecuencia



Aproximaciones para Incrementar la Capacidad

• Sumar nuevos canales.

• Préstamo de frecuencias – las frecuencias son tomadas de celdas adyacentes por celdas congestionadas.

• División de celda – las celdas en áreas muy usadas pueden ser divididas en celdas más pequeñas.

• Sectorización de celda – las celdas son divididas en sectores con su propio conjunto de canales.

• Microceldas – se disminuye el tamaño de las celdas y las antenas se mueven a edificios, postes.

Macrocelda Microcelda

Radio de la celda 1 a 20 Kim 0.1 a 1 Km

Potencia del transmisor

1 a 10 W 0.1 a 1 W

Máxima tasa de bits

0.3 Mbps 1 Mbps

Parámetros típicos

Una mirada al sistema celular

Términos de un sistema celular

• Estación base (BS) – incluye una antena, un

controlador y varios receptores.

• Oficina de Conmutación de Telecomunicaciones

Móviles (MTSO) – conecta llamadas entre

unidades móviles.

• Tipos de canales entre móvil y BS:

– Canales de control – intercambio de información para

el control de llamadas.

– Canales de tráfico – transportan voz o data.

Pasos envueltos en una llamada (dentro

del área controlada por un MTSO)

• Inicialización de una llamada

• Llamada originada por el móvil.

• Paging

• Llamada aceptada

• Llamada saliente

• Handoff

Funciones adicionales

• Bloqueo de llamadas.

• Terminación de una llamada.

• Bajar una llamada.

• Llamadas de y para un usuario fijo desde

un usuario móvil.

Efectos de la propagación de radio

• Fuerza de la señal

– Debe ser lo suficientemente fuerte entre la BS y la

unidad móvil para mantener la calidad en el receptor.

– No debe ser muy fuerte que cree mucha interferencia

con los canales en otra celda usando la misma banda

de frecuencia.

• Fading

– Efectos de la propagación de la señal pueden

provocar interrupción de la señal y causar errores.


• Los efectos de propagación son difíciles de predecir.

• Son necesarios para calcular el tamaño de las celdas.

• Okumura y subsecuentemente Hata desarrollaron modelos para predecir la

pérdida de camino en ambientes urbanos:

– LdB = 69.55 + 26.16log fc – 13.82loght – A(hr) + (44.9 – 6.55log ht)log d.

• Donde:

– fc = frecuencia portadora en MHz de 150 a 1500 MHz

– ht = altura de la antena transmisora (BS) en m, de 10 a 300 m.

– hr = altura de la antena receptora (móvil) en m, de 1 a 10 m.

– d = distancia de propagación entre antenas en KM, de 1 a 20 KM.

– A (hr) = factor de corrección para la altura de la antena receptora.


– Para ciudades pequeñas y de tamaño medio:

– A (hr) = (1.1log fc –0.7) hr – (1.56 log fc – 0.8) dB

• Para ciudades grandes:

– A (hr) = 8.29[log(1.54 hr)]2 – 1.1 dB fc <= 300 MHz

– A (hr) = 3.2[log(11.75 hr)]2 – 4.97dB fc >= 300 MHz

• Para áreas sub urbanas:

– LdB (sub urbana)= LdB (urbana) – 2[log (fc/28)] 2 - 5.4

• Para áreas abiertas

• LdB (abierta)= LdB (urbana) – 4.78(log fc)2 – 18.733(log fc) – 40.98

Handoff

• Es el procedimiento de cambiar la asignación de una unidad móvil de una BS a otra a medida que el móvil se mueve de una celda a otra.

• Estrategias para determinar el instante de un handoff:

– Fuerza de la señal relativa.

– Fuerza de la señal relativa con threshold.

– Fuerza de la señal relativa con histéresis.

– Fuerza de la señal relativa con histéresis y threshold.

– Técnicas de predicción.

Control de Potencia

• Los siguientes aspectos justifican el control de

potencia en sistemas celulares:

– La potencia del receptor debe ser suficientemente

superior al ruido para mantener una comunicación

efectiva.

– Es deseable minimizar la potencia de la señal

transmitida para reducir interferencia entre

cocanales, aliviar problemas de salud, ahorrar

batería.

Control de Potencia

• Open-loop power control

– Depende solo de la unidad móvil

– No feedback de la BS

– No tan exacta como closed-loop, pero puede reaccionar

rápidamente a fluctuaciones en la señal.

• Closed-loop power control

– Ajusta la señal en el canal reverso (móvil a BS) basado en

métricas de rendimiento.

– La BS hace los ajustes necesarios y se los comunica a la

estación móvil vía un canal de control.

Técnicas de Multiplexación del Canal

Primera Generación: Analógica

• Advanced Mobile Phone Service (AMPS)

– En Norte América, se reservan dos bandas de 25

MHz

• Una para la transmisión de la BS al móvil.

• La otra del móvil a la BS.

– Cada banda se divide para permitir competición

(varios operadores).

– Se explota el re uso de la frecuencia.

– Se utiliza el acceso múltiple por división de frecuencia

(FDMA).

AMPS: Parámetros

Banda de transmisión del la BS 869 a 894 Mhz

Banda de transmisión del móvil 824 a 849 MHz

Espaciado entre canales hacia delante y

reverso

45 MHz

Ancho de banda de los canales 30 KHz

Número de canales de voz FDX 790

Número de canales de control FDX 42

Potencia máxima del móvil 3 watts

Tamaño de la celda, radio 2 a 20 Km

Modulación de la voz FM

Modulación de los canales de control FSK

Tasa de transmisión máxima 10 kbps

Codificación de control de error BCH

AMPS Operación

• Un subscriptor inicia una llamada marcando el número y presionando la tecla de enviar.

• El MTSO verifica el número y autoriza al usuario.

• El MTSO envía un mensaje al teléfono del usuario indicando los canales de envío y recepción.

• El MTSO envía una señal de ring para el usuario que se esta llamando.

• El usuario contesta; el MTSO establece el circuito e inicia el proceso de cobro.

• Cuando alguien cuelga; el MTSO libera el circuito, el canal y completa el cobro.

Segunda Generación

• Diferencias entre 1G y 2G:

– Canales de tráfico digitales.

– Encriptamiento.

– Corrección y detección de errores.

– Acceso de canales- 2G permiten que los

canales sean dinámicamente compartidos por

un número de usuarios.

Acceso Múltiple por División de Tiempo

(TDMA)

• A cada celda se le asigna un número de canales (la

mitad hacia adelante y la otra mitad reverso).

• Para la comunicación FDX, cada unidad móvil se le

asigna canales hacia adelante y reversos.

• Adicionalmente, cada canal físico se subdivide en

canales lógicos.

• La transmisión es en la forma de una secuencia de

tramas, divididas en un número de slots de tiempo.

• TDMA es usado en GSM y IS-I36.

Diseño de sistemas TDMA:

Consideraciones

• Número de canales lógicos (número de slots de tiempo

en una trama TDMA) : 8

• Máximo radio de la celda (R): 35 km

• Frecuencia: región cercana a los 900 MHz

• Máxima velocidad de un vehículo (Vm):250 km/hr

• Máximo retardo de codificación: aprox. 20 ms

• Máximo retardo de despliegue (m): 10 s

• Ancho de banda: No mayor de 200 kHz (25 kHz por

canal)

Global System for Mobile

Communications (GSM)

• Desarrollado en Europa por un grupo de

trabajo del CEPT a partir de mediados de

los 80.

• Unificación de las tecnologías en Europa.

GSM: Servicios

• Servicios telefónicos.

• Servicios portadores o servicios de datos.

• Servicios suplementarios: los cuales

incluyen SMS.

GSM: Arquitectura

GSM: Arquitectura

Estación Móvil

• La estación móvil se comunica con la BS usando la

interfaz Um (interfaz aérea) en la misma celda que se

encuentra la unidad móvil.

• El equipo móvil (ME) – es el terminal físico, por ejemplo,

teléfono.

– Incluye un transceiver de radio, procesador de señal

digital y el módulo de identidad del subscriptor (SIM)

• Las unidades del subscriptor GSM son genéricas hasta

que se le inserta un SIM.

Subsistema de la Estación Base (BSS) o

Subsistema de Radio

• La BSS consiste de un controlador de la BS y

uno o más estaciones de transceiver (BTS)

• Cada BTS define una celda

– Incluye una antena de radio, un transceiver de radio y

un enlace al controlador de la BS (BSC).

• La BSC reserva frecuencias de radio, maneja el

handoff de unidades móviles de una celda a otra

dentro de una BSS y controla el paging.

Subsistema de Conmutación Red (NSS)

• Proporciona un enlace entre la red celular y la

red de telecomunicación pública

– Controla el handoff entre celdas en diferentes BSSs

– Autentifica usuarios y valida cuentas

– Capacita que los usuarios se muevan (roaming)

alrededor del mundo

• El elemento central del NS es el Centro de

Conmutación del Móvil (MSC)

Bases de Datos del MSC

• Base de Datos del Registro de Localización Local (HLR) –

almacena información acerca de cada subscriptor que

pertenece a esa localidad.

• Base de Datos del Registro de Localización del Visitante

(VLR) – mantiene información acerca de los subscriptores

que actualmente se encuentran en la región.

• Base de Datos de Autentificación (AuC) – usado para

actividades de autentificación, tiene llaves de encriptado.

• Base de Datos del Registro de Identidad del Equipo (EIR) –

mantiene un control del tipo de equipo que existe en la

estación móvil.

Subsistema de Radio

• Usa TDMA/FDMA.

• Se definen dos bandas: – Del móvil a la BS.

– De la BS al móvil.

• La bandas son divididas en 125 pares de portadoras espaciadas por 200 kHz.

• Cada celda tiene un rango fijo de portadoras asignadas.

• Para acceder el rango de los 200kHz por canal se usa TDMA.

GSM: Parámetros

Método de Acceso TDMA Banda de transmisión del la BS 935 a 960 Mhz Banda de transmisión del móvil 890 a 915 MHz Espaciado entre canales hacia delante y reverso

45 MHz

Ancho de banda de los canales 200 KHz Número de canales duplex 125 Potencia máxima del móvil 20 W Usuarios por canal 8 Modulación GMSK Tasa de bit de la portadora 270.8 kbps Codificación de la voz RPE - LTP Tasa de bit de codificación de la voz 13 kbps Tamaño de la trama 4.6 ms Codificación de control de error Convolucional 1/2

Formato de un Slot de Tiempo

Formato de un Slot de Tiempo

• Bits de remolque (Trail bits) – permitir la sincronización de

transmisión desde la unidades móviles.

• Bits encriptados – data encriptada

• Bit de robo – indica si el bloque contiene data o es robado.

• Secuencia de entrenamiento – usado para adaptar

parámetros del receptor a las características actuales del

camino de propagación

– Señales más fuertes seleccionadas en caso de

propagación multipath

• Bits de guardia – usado para impedir solapamiento con otras

ráfagas.

GSM: Tipos de Canales

• Canales de tráfico (TCH).

• Canales de control (CCH).


• Canales de Tráfico (TCH). – Voz digitalizada o data del usuario.

– HDX o FDX.

– Se transmiten la multitrama de 26 tramas.

– Excepto en la trama 12 (numerada desde el

0) y la trama 25.



• Canales Full-Rate TCH:

– TCH/FS: 13 kbps(tasa cruda de la data, 22,8

kbps tasa full).

– TCH/F9,6: 9,6 kbps(tasa cruda de la data,

22,8 kbps tasa full).






• Canales Half-Rate TCH:

– TCH/HS: 6,5 kbps (tasa cruda de la data, 11,4

kbps tasa full).

– TCH/H4,8: 4,8 kbps (tasa cruda de la data,


– TCH/F2,4: 2,4 kbps (tasa cruda de la data,



• Canales de Control (CCH): – Señalización y comandos para

sincronización.

– Canales de control comunes (CCCH).

– Canales de control dedicados (DCCH).

– Canales de difusión (BCH).


• BCH

– Operan sobre el canal hacia adelante.

– Proporcionan sincronismo para móviles en una celda.

– Viaja TS0 de algunas multitramas del canal de control

o multitramas de 51 tramas.

– Tipos de canales:

• Broadcast CCH (BCCH).

• Frequency CCH (FCCH).

• Synchronization Channel (SCH).

SLOT

TRAMA



• CCCH

– Viajan en el TS0 no usado por BCHs o una trama

vacía.

– Usados para Paging algunos usuarios, asignar

canales de señalización a algunos usuarios y recibir

requerimientos del usuario.

– Tipos de canales:

• Paging Channel (PCH).

• Random Access Channel (RACH).

• Access Grant Channel (AGCH).


• DCCH – Pueden viajar en cualquier TS excepto en el TS0 de

un BCH.

– Proporcionan servicios de señalización requeridos por los usuarios y supervisión de la trasmisión de la data entre BS y móvil durante una llamada.

– Tipos de Canales: • Stand-alone DCCH (SDCCH).

• Slow Associated CCH (SACCH).

• Fast Associated CCH (FACCH).

– Ver figura (GSM: Tipos de Canales) para asignación de canales.

Ejemplo de una llamada

• Un usuario móvil se sincroniza a una BS escuchando el BCH.

• Una vez recibido los mensajes FCCH, SCH y BCCH, el subscritor se conecta al sistema y al BCH apropiado.

• Un móvil origina una llamada.

• El usuario marca y envía el número telefónico.

• El móvil envía una ráfaga de RACH data.

• La BS responde asignándole un nuevo canal para una conexión SDCCH.

• La unidad del subscriptor, recibirá una asignación del canal y TS y se cambiará a usar estos.

• Entones el móvil espera por una trama SACCH que le informa acerca de niveles de potencia e información de temporización.

• Habiendo recibido esta información, el móvil es capaz de transmitir ráfagas de información de voz.

Ejemplo de una llamada

• El SDCCH envía mensaje entre el móvil y la BS tomando en cuenta

la autenticación y validación del usuario.

• Mientras la PSTN conecta al usuario que se ha llamado al MSC.

• Después de unos segundos se le indica al móvil vía el SDCCH

cambiarse a un nuevo canal y TS para la transmisión de tráfico

(TCH).

• Una vez hecho esto la llamada puede tener lugar y el canal SDCCH

queda disponible.

Estructura de tramas GSM

• Un usuario transmite una ráfaga en el TS que se le

asigna.

• Hay varios formatos de ráfagas (eg ráfagas normales

para tráfico TCH, ráfagas FCCH y SCH usados en el slot

0, la ráfaga RACH y la ráfaga vacía).

• Adicionalmente,

• Existen 8 TSs por trama TDMA.

• Para conversaciones normales, las tramas se agrupan

en multitramas, que son a su vez agrupadas en

supertramas y hipertramas.

GSM Speech Signal Processing

GSM Signaling Protocol Architecture

Funciones Provistas por los Protocolos

• Los protocolos por encima de la capa de enlace

de la arquitectura de protocolo de señalización

GSM proporcionan funciones específicas:

– Manejo de recursos de radio

– Manejo de la movilidad

– Manejo de la conexión

– Parte de aplicación del móvil (MAP)

– Manejo de BTS

CDMA

• Ventajas

• Diversidad de

frecuencia

• Resistencia al

multipath

• Privacidad

• Degradación gradual

• Desventajas

• Auto-embotellamiento

• Problema de cerca-

lejos

• Handoff suave

Consideraciones de Diseño

• Receptor RAKE – cuando múltiples versiones de

una señal llegan separadas por más de un

intervalo de un chip, el receptor RAKE intenta

recuperar la señal de múltiples caminos y

combinarla.

• Handoff Suave – el móvil se puede conectar

temporalmente dos BS simultaneamente.

CDMA: Estándar IS-95

• El proceso de expandido es diferente en

cada canal.

• Parámetros

Método de Acceso CDMA

Banda de transmisión del la BS 869 a 894 Mhz

Banda de transmisión del móvil 824 a 849 MHz

Espaciado entre canales hacia delante y

reverso

45 MHz

Máxima tasa de datos del usuario 9.6 kb/s

Tasa del Chip PN 1.2288 Mcps

Tipos de canales en el canal hacia

adelante

• Consiste de hasta 64 canales lógicos.

• Cada uno de 1228 kHz.

• Piloto (canal 0) - permite al móvil adquirir información de

temporización, proporciona referencia de fase y proporciona medios

para comparar la fuerza de la señal.

• Sincronismo (canal 32) – usado por el móvil para obtener la

información de identificación acerca del sistema celular.

• Paging (canales 1 to 7) – contiene mensajes para una o más

estaciones móviles.

• Tráfico (canales 8 al 31 y 33 al 63) – soporta 55 canales de tráfico.

Tipos de canales en el canal hacia

adelante

Procesamiento en el canal hacia adelante

• Codificación de la voz

– La voz es codificada a una tasa de 8550

bps.

Codificador para la Detección y

Corrección de Errores Bits adicionales se suman para detección

de errores.

La data es transmitida en bloques de 20-ms con corrección de errores provista por un codificador convolucional 1/2.


Intercalador de Bloque La data es intercalada en bloques para

reducir efectos de los errores.

Generador de Código Largo

Los bits de data son scrambled que funcionan como una máscara de privacidad.

Se usa un código pseudo aletaorio usando un registro de 42 bits de largo (ie el grado del polinomio es 42).


Control de Potencia

Información de control de potencia es insertada en el canal de tráfico.


Expandido del Espectro

Todos lo canales tienen el mismo BW.

Los códigos de chipping se usan para distinguir entre canales diferentes.

Se usan códigos de 64 bits ortogonales que se derivan de la matriz de 64x64 Walsh.

Cada fila en la matriz corresponde a un número de canal.

Por ejemplo, para el canal n, los símbolos en el transmisor son expandidos por los 64 chips de Walsh en la fila n de la matriz.

La función DS-SS expande la data a una tasa de 19.2 kbps a una tasa de 1.2288 Mbps usando una fila de la matriz de Walsh.


• Modulación QPSK.

– Finalmente la data es modulada usando

QPSK.

Canal Reverso

• Consiste de hasta 94 canales lógicos de 1228 kHz.

• Pueden haber hasta 32 canales de acceso y 62 de

tráfico.

• El canal de acceso se usa para iniciar una llamada,

responder a un mensaje del canal de paging desde la

BS y para actualización de la localización.

Procesamiento en el canal reverso

Codificador para la Detección y Corrección de Errores Bits adicionales se suman para detección

de errores.

La data es transmitida en bloques de 20-ms con corrección de errores provista por un codificador convolucional 1/3.


Intercalador de Bloque

La data es intercalada en bloques para reducir efectos de los errores.

Modulación Ortogonal

La data es modulada usando la matriz de 64x64 de Walsh.

Note la diferencia con el canal hacia adelante.

La data que viene del intercalador de bloques es agrupada en en unidades de 6 bits.

Cada unidad sirve como un índice para seleccionar una fila de la matriz de 64x64 de Walsh.


Aleatorización de la Ráfaga de Data

La ráfaga de data es aleatorizada para reducir interferencia de otras estaciones móviles.


Expandido del Espectro

La data data aleatorizada es expandida usando la función DSSS usando la secuencia PN larga.

Esto actúa como una máscara.

Dos tipos de máscara se definen en el estándar.

Un pública obtenida del número serial electrónico de la estación móvil (ESN).

Una privada que es el número de identificación de la estación móvil (MIN).

La secuencia PN opera a 1.228 Mcps.


• Modulación QPSK.

– Finalmente la data es modulada usando

QPSK.

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