TELEFONÍA CELULAR
Principios Básicos
El concepto básico de telefonía celular es muy sencillo. Cada área geográfica se divide en celdas (células) hexagonales que se embonan para formar un patrón de panal. Se eligió la forma de hexágono porque proporciona la transmisión más efectiva aproximada a un patrón circular, mientras elimina espacios presentes entre los círculos adyacentes. Una célula se define por su tamaño físico y, lo más importante, por el tamaño de su población y patrones de tráfico. El número de células por sistema es definido por el proveedor, de acuerdo a patrones de tráfico anticipados. Cada área geográfica del servicio móvil se distribuye en canales de radio celular. Cada transmisor/receptor con un área envolvente tiene un subconjunto fijo de canales de radio disponibles, basados en el flujo de tráfico anticipado.
La red de radio se define por un conjunto de transmisores/receptores de radiofrecuencia, ubicados en el centro físico de cada célula. Las ubicaciones de estos transmisores/receptores de radio frecuencia se llaman estaciones base (BS).
Una estación base sirve como un control central para todos los usuarios dentro de esa célula. Las unidades móviles se comunican directamente con la estación base, la cual sirve como una estación retransmisora de potencia. Las unidades móviles transmiten a la estación base y la estación base emite esas transmisiones a una potencia mayor. La estación base puede mejorar la calidad de la transmisión, pero no puede incrementar la capacidad de canales, dentro del ancho de banda fijo de la red.
Debido a que las estaciones están distribuidas sobre un área de cobertura del sistema y se administran, también se controlan, por un controlador de sitio de células computarizado que maneja un control del sitio de la célula y funciones de conmutación. El conmutador se llama Oficina de Conmutación de Telefonía Móvil (MSTO). Una estación base se compone de un transmisor/receptor de baja potencia en elevación alta. La función de la estación base es una interfaz entre los teléfonos móviles celulares y el MSTO. Se comunica con el MSTO sobre enlaces de información dedicadas, metálicas y no metálicas, y se comunica con las unidades móviles, sobre las ondas del aire, utilizando un canal de control.
La función de MSTO es controlar el procesamiento y establecimiento de llamadas así como la realización de llamadas, lo cual incluye señalización, supervisión, conmutación y distribución de canales de RF.
El MSTO también proporciona una administración centralizada y el mantenimiento crítico para toda la red e interfaces con la Red de Telefonía Pública Conmutada (PSTN), asimismo los servicios de telefonía con líneas alámbricas convencionales.
A continuación se muestra gráficamente la estructura básica de una red celular:
Un MSTO se conoce por diferentes nombres, dependiendo del fabricante y la configuración del sistema. MSTO (Oficina de Conmutación de Telefonía Móvil) fue el nombre dado por Laboratorios Bell; EMX (Intercambio Móvil Electrónico), por Motorola, AEX por Ericsson; NEAX por NEC, Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC) por SIEMENS.
Sistemas Analógicos Vs. Sistemas Digitales
En los Sistemas Analógicos cada área geográfica o célula generalmente puede acomodar hasta 70 diferentes canales de usuario simultáneamente. Dentro de una célula, cada canal puede soportar solo un usuario de teléfono móvil a la vez. Los canales están asignados de manera dinámica y dedicados a un solo usuario, por la duración de la llamada, y cualquier usuario puede ser asignado a cualquier canal de usuario. Esto se llama re-uso de frecuencia, y permite que un sistema de telefonía celular, en un área sencilla, maneje considerablemente más de 666 canales disponibles.
Conforme se aleja un automóvil de un transmisor/receptor, en el centro de una célula, la intensidad de la señal recibida comienza a disminuir. La máxima potencia de salida de un transmisor/receptor celular es de 35dBm (3W) y puede ajustarse a incrementos reductores de 4dB hasta 7.8 dBm (0.7 W). La potencia de salida de las unidades móviles se controla por la estación base, mediante la transmisión de canales up/down, lo cual depende de la intensidad de la señal que está recibiendo actualmente. Cuando la intensidad de la señal disminuye, debajo de un nivel umbral predeterminado, el centro de conmutación electrónico localiza la célula en el panal que está recibiendo la señal más fuerte de la unidad móvil y transfiere de la unidad móvil al transmisor/receptor en la nueva célula.
La transferencia incluye convertir la llamada a una frecuencia disponible dentro del subconjunto de canales distribuidos en la nueva célula. Esta transferencia se denomina entrega y es completamente transparente al suscriptor (el suscriptor no sabe que su servicio ha sido conmutado). La transferencia toma aproximadamente 0.2 s, lo cual es imperceptible a los usuarios de teléfono de voz. Sin embargo, este retardo puede ser destructivo para las comunicaciones de datos.
Los seis componentes principales de un sistema de radio celular analógico son: el centro de conmutación electrónico, controlador del sitio de célula, transmisores/receptores de radio, interconexiones del sistema, unidades de telefonía móvil y un protocolo de comunicaciones.
Centro de Conmutación Electrónica. Es un conmutador telefónico digital es el corazón del sistema celular. El conmutador realiza dos funciones esenciales: (1) controla la conmutación entre la red telefónica pública y los sitios de células para todas las llamadas de línea alámbrica a móvil, móvil a línea alámbrica y móvil a móvil; y (2) procesa información recibida de los controladores de sitio de célula que concierne al estado de la unidad móvil, información de diagnóstico y compilación de información de facturas.
Controlador del sitio de célula. Cada célula contiene un controlador de sitio de célula que opera bajo la dirección del centro de conmutación. El controlador del sitio de célula administra cada uno de los canales de radio en el sitio, supervisa llamadas, enciende y apaga el transmisor y receptor de radio, inyecta información a los canales de control y usuario y realiza pruebas de diagnóstico en el equipo de sitio de la célula.
Transmisor/receptor de radio. Los transmisores/receptores utilizados para la radio celular, son FM de banda angosta, con una frecuencia de audio de 300 Hz a 3kHz y una desviación de frecuencia de ±12kHz para una modulación al 100%. Esto corresponde a un ancho de banda de 30kKhz usando la regla de Carlson. Cada célula contiene un transmisor y dos receptores de radio sintonizados a la misma frecuencia. Se selecciona cualquier receptor de radio que detecte la señal más fuerte.
Interconexiones del sistema. Las líneas telefónicas terminadas a cuatro hilos generalmente se utilizan para conectar los centros de conmutación a cada uno de los sitios de la célula. Existe un circuito troncal de cuatro hilos asignado para cada uno de los canales del usuario de la célula. Además, debe haber por lo menos un circuito a cuatro hilos para conectar el conmutador a un controlador de sitio de la célula como un canal de control.
Unidades de telefonía móvil (teléfonos móviles y portátiles). Las unidades de teléfonos móviles y portátiles son básicamente la misma cosa. La única diferencia es que las unidades portátiles tienen una potencia de salida más baja y una antena menos eficiente. Cada unidad de teléfono móvil consiste de una unidad de control, un transmisor/receptor de radio, una unidad lógica y una antena móvil. La unidad de control alberga todas las interfaces del usuario, incluyendo un auricular. El transmisor/receptor utiliza un sintetizador de frecuencia para sintonizar cualquier canal celular asignado. La unidad lógica interrumpe las acciones del suscriptor y los comandos del sistema y maneja al transmisor/receptor y las unidades de control.
Protocolo de Comunicaciones. El último componente de un sistema celular es el protocolo de comunicaciones que gobierna la manera en que una llamada telefónica es establecida. Los protocolos celulares difieren entre países. En Estados Unidos se utiliza el estándar del Servicio de Telefonía Móvil Avanzado (AMPS), en Canadá el sistema AURORA 800, y cada país Europeo utilizaba hasta hace poco uno propio. Más adelante se explicará con más detalles algunas características de estos y otros protocolos de comunicación.
Estándares Analógicos
Advanced Mobile Phone Service
El sistema de telefonía AMPS en U.S.A. es conocido como “Servicio
Telefónico Móvil Avanzado”. Fue diseñado en la mitad de la década de los 60, obteniendo su licencia
final en 1981.
Utiliza un espectro de 50
MHz en la banda de los 800 MHz. El espectro localizado para AMPS es compartido
por dos portadoras celulares en cada área o región. Cada portadora divide el
espectro en canales, utilizados para comunicar desde las estaciones bases en
las celdas hasta los dispositivos móviles, y canales de reversa utilizados para
comunicación entre los dispositivos móviles y las estaciones base. Los canales
son divididos en canales de voz de 30 kHz que emplean Modulación de Frecuencia
(Frecuency Modulator, FM) para transmitir la voz.
Narrow - AMPS
Este sistema conocido como
Narrowband – AMPS, fue desarrollado en 1992 con el objetivo de proporcionar
mayor cantidad de canales para telefonía celular analógica. Transmite en la
banda de frecuencias de 824-894 MHz. Los canales son divididos en canales de
voz de 10 kHz que emplean Modulación de Frecuencia (FM) para transmitir la voz.
Estándares Digitales
La necesidad de sistemas de telefonía celular digital es un resultado del crecimiento de la popularidad de servicios de telefonía móvil. A pesar de que el sistema analógico funciona bien, la demanda excede la capacidad en muchas regiones. Para minimizar la posibilidad de congestión de la red celular, se desarrollaron los sistemas digitales. La tecnología celular digital involucra la digitalización de la señal de voz y la transmisión sobre el aire de una cadena de bits seriales. Los sistemas digitales ofrecen mayor flexibilidad para servicios adicionales, incluyendo característica como identificación de llamadas (ID), capacidades de buscapersonas, y una variedad de funciones de datos y fax.
Los sistemas celulares digitales son más eficientes que los
analógicos debido a que incluyen múltiples transmisiones simultáneas sobre un
canal de radio simple. Una de las técnicas empleadas es la denominada “Acceso
Múltiple por División de Tiempo” (Time Division Multiple Access, TDMA); una segunda
técnica es el “Acceso Múltiple por División de Códigos” (Code Division Multiple
Access, CDMA). En los U.S.A., el estándar dominante en TDMA es el IS-136 TDMA y
el dominante en CDMA es el IS-95 CDMA.
Time Division Multiple Access
El estándar IS-136 TDMA define como un canal simple de 30kHz es descompuesto en pequeños incrementos que pueden ser compartidos por uno o más usuarios. TDMA divide a canal simple en una serie sucesiva de espacios de tiempo que pueden ser compartido por un grupo de usuarios (cada espacio de tiempo porta una información de un usuario específico), como se muestra en la figura.
Espacios de tiempo en TDMA.
Code Division Multiple Access
El estándar IS-95 CDMA, equivalente al IS-136 TDMA, define como un canal simple puede ser acondicionado para soportar más de un usuario simultáneamente. Con CDMA todos los usuarios móviles transmiten en la misma frecuencia, pero cada señal de usuario móvil es combinada con una señal pseudo-aleatoria, o código, que hace que la señal aparezca como un ruido de bajo nivel para otras transmisiones que ocurren al mismo tiempo. La señal original puede ser extraída solo por el conocimiento del código.
Comparación entre
TDMA y CDMA
Ambos TDMA y CDMA pueden ser progresivamente incorporados a las redes celulares existentes, coexistiendo las señales digitales y analógicas. Además, los teléfonos digitales poseen compatibilidad para ser usados en áreas celulares que sólo soporten señales analógicas.
En las nuevas bandas PCS, se usan sólo tecnologías digitales.
TDMA y CDMA fueron desarrollados inicialmente para soportar comunicaciones de voz. Sólo recientemente han sido desarrollados estándares que especifican cómo usar canales digitales para transmisión de datos. El lector podría pensar que un canal digital podría soportar lectura de datos, pero los requerimientos para transmisión de voz son bastante diferentes.
Global System for Mobile Communications
El estándar GSM, a semejanza del estándar IS-136 TDMA utiliza acceso múltiple por división de tiempo, pero no son compatibles.
Resumiendo, las características básicas de un sistema
celular GSM son:
-
Espaciamiento de portadora 30
kHz
- Esquema de acceso TDMA
con: 2 canales por portadora a 13 kps 3
canales por portadora a 8 kbps
- Velocidad del CODEC 13 kbps o 8 kbps
- Eficiencia del codificador de
canal 2/3
- Modulación 44 kbps QPSK
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