Sistemas de comunicaciones móviles

• Introducción a los sistemas de comunicaciones móviles

• Modelos de propagación

• Estructura celular y técnicas de acceso

• Caracterización del canal móvil

• Sistema GSM

• UMTS HSDPA y LTE1

Tema 1

Introducción a los sistemas decomunicaciones móviles

2

ITU-R: Definición del servicio móvil

•Servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estacionesterrestres, o entre estaciones móviles•Se diferencia del servicio fijo en la existencia de al menos un terminalcuya ubicación se desplaza, requiriéndose el mantenimiento del servicio

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Varias clasificaciones

Medio

• Servicio móvil terrestre• Servicio móvil marítimo• Servicio móvil aeronáutico

Direccionalidad de la comunicación

• Unidireccional (p.ej. radiomensajería)• Bidireccional (p.ej. telefonía celular)

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Servicio móvil terrestre

•Redes móviles privadas: PMR (Private Mobile Radio) (TETRA)•Sistemas de telefonía celular públicos:

Analógicos de 1G: NMT, AMPS, TACSDigitales 2G: ADC, GSM, DCS 1800, CDMA IS-95Digitales 3G: UMTS (ETSI) y FPLMTS (ITU)4G: Redes basadas en IP. LTE

•Sistemas de telefonía sin hilos: CT0,..., CT2, DECT•Sistemas de radiomensajería: ERMES•Sistemas de telefonía terrestre por satélite: INMARSAT, IRIDIUM

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TETRA: Trans European Trunking RadioNMT: Nordic Mobile TelephonyAMPS: Advanced Mobile Communications System (EEUU)TACS: Total Access Communication System (AMPS-UK)ADC: American Digital Cellular (TDMA) (IS-54, EEUU)GSM: Global System for Mobile CommunicationsDCS-1800: Digital Cellular System (1800-MHz)IS-95: Interim Estándar (CDMA, EEUU)UMTS: Universal Mobile Telecommunications SystemsFPLMTS: Future Public Land Mobile Telecommunications SystemsIMT2000: International Mobile TelecommunicationsCTx: Cordless TelephonyDECT: Digital European Cordless Telephone (1800 MHz)HSDPA: High Speed Downlink Packet Access

Glosario de términos

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Servicio móvil marítimo y aeronáutico

Funciones de socorro y seguridadDependiendo de la cobertura se usan diferentes bandas

•Onda corta (4-30 MHz): cobertura mundial•Onda media (425 KHz - 4 MHz): 50-350 millas •VHF (156-174 MHz): Cobertura costera de hasta 50 millas

Aparición de sistemas marítimos por satélite: INMARSATOtros sistemas por satélite: IRIDIUM, GLOBALSTAR y ODYSSEY

Control de tráfico aéreo, aunque se implementan servicios de telefoníapara los usuarios de líneas aéreas

•Estaciones base terrenas: TFTS (Terrestrial Flight Telephone Systems)•Sistemas por satélite: INMARSAT-EURO

y

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Evolución histórica I

•1919: Comercialización de las comunicaciones de voz vía radio (AT&T)•1921: El Departamento de Policía de Detroit instala por primera vez radioreceptores en los coches a 2 MHz (“one-way”)•Años 30: Ventajas de las modulaciones AM y FM, pero sigue existiendo el problema de la limitación de espectro•1946: Primer servicio de radiotelefonía móvil comercial en St. Louis (Banda de 150 MHz, 3 canales de voz con FM espaciados 120 KHz). Sistema manual prestado por AT&T y autorizado por el FCC (Federal Communication Commite)•1940-1960: Se reducen los anchos de banda de 120 KHz a 25 KHz, mejorandoen eficiencia espectral. Se pasa de sistemas de accesibilidad parcial a sistemas de accesibilidad total (trunked radio)•Principios 60: Se generalizan una serie de facilidades como el encaminamientoautomático, marcación directa y el servicio full-duplex (hasta entonces semi-duplex por problemas de ancho de banda)

8

1964: Implantación del IMTS (Improved Mobile Telephone System). Encaminamiento automático, marcación directa y servicio full-duplex. 1964: Prototipo a 150 MHz de sistema celular (MJ) sin movilidad1969: Segundo prototipo celular a 450 MHz (MK) sin movilidadPrincipios 70: Pruebas de campo del AMPS (Advanced Mobile Telephone System)en Chicago y ARTS (American Radio Telephone Service) en Washington DC.1978: Primer servicio comercial con arquitectura celular en Japón (NAMTS, Narrowband Advanced Mobile Phone System)1979: La WARC (World Administrative Radio Conference) acuerda las frecuenciasa usar en la telefonía móvil a nivel europeo. Se recomienda la creación de gruposinternacionales para llegar a un único estándar (economía de gran escala)1981: Ericsson Radio termina de desarrollar el NMT (Nordic Mobile Telephone System) con un alto índice de penetración. Sistema con arquitectura celular.1982: Telefónica S.A. opera en España con el sistema NMT-4501982: Matra promueve en el seno del ETSI la creación del Groupe Special Mobile,Desarrollo del estándar GSM (Especificaciones terminadas en 1990)

Evolución histórica II

9

1983: El FCC unifica AMPS y ARTS en un estándar denominado AMPS1985: Surge el sistema TACS (Total Access Communications Systems) británicobasado en el AMPS. Operativo en España (900MHz)1986: Pruebas del interfaz radio de GSM en París1987: Firma del Memorandum of Understanding por parte de 13 Administracionesy 14 operadores (GSM operativo en julio de 1991)Finales 80: Progama europeo RACE (Research on Advanced Telecommunicationsfor Europe)1990: Especificaciones de GSM Fase 1 terminadas1991: GSM Fase 1 operativo en Alemania1992: Addendum en GSM para operadores no europeos1992: La WARC, en Málaga, define el espectro para FPLMTS1993: DCS-18001995: Especificaciones de GSM Fase 2 terminadas. PCS-1900 en USA1995: GSM en España (MoviStar y Airtel)1998: Amena comienza a operar1999: Aprox. 11 millones de usuarios de la telefonía móvil en España

Evolución histórica III

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2000: se adjudicaron las 4 licencias UMTS disponibles a las operadoras Telefónica Móviles (Movistar), Airtel (Vodafone), Amena (Orange) y Xfera (Yoigo).2001: comienza a funcionar en España GPRS (2.5 G)2002: comienza a ofrecerse servicio en España de UMTS.2006: se alcanza en junio en España un porcentaje de penetración del 100 % (44,3 millones de líneas de telefonía móvil)2006: comienza a proporcionarse servicio de HSDPA en España2006: se ofrece servicio GSM por operadores virtuales2007: se llega a 8,7 millones de usuarios de UMTS en España2010: se llega en España a 51,6 millones de líneas y 3,1 millones de módems HSDPA2011: se licencian las bandas de 800 MHz, 2,6 GHz (LTE) y 900 MHz (3G)2011: se llega en España a 52 millones de líneas y 3,4 millones de módems HSDPA

Evolución histórica IV

11

Penetración en Españap

12

1980... 1990...

NMT

TACS

CT1

CT2

Eurosignal

POCSAG

MPT 1327

MOBITEX

GSM

DECT

ERMES

TETRA/TETRAPOL

UMTS

1ª Generación 2ª Generación 3ª Generación

2000...

Inicialmente se pensaba en un sistema único...

4ª Generación

LTE

2012...13

1993 2000 2002 2006 2015

GSMFax/Data/SMS

9.6 kbps

UMTS(8 - 384 kbpspor usuario

+datos

compresión)

GPRS(8 - 92 kbps

por usuario)

Evolución histórica IV

HSDPA(hasta 14 Mbps

por usuario

1 Mbps promedio

Compatible conUMTS)

4G LTE(hasta 300 Mbpsen movimiento

Basadas IP)

14

21 34 5 6

87 9

+34934016524

Teléfono

0# *

comandos

Básicamente Voz

199X

Terminales multimedia

200X4 Pantalla táctil4 Formas ergonómicas4 Cámara foto, video, PDA, GPS,..4 WiFi, Bluetooth, …..4 Fácil navegación Internet

Evolución histórica V

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Comunicación• WWW Browsing• Video-Telefonía• Video-Conferencia• E-mail• Servicio Noticias

• Musica bajo demanda• Juegos bajo demanda• Video-Clip• Servicio Lotería

Ocio y Entretenimiento

• Escuela Virtual• Educación on-line• Consulta remota• Biblioteca electrónica

Educación

• Banca on-line• Bolsa

Servicios Financieros

• Acceso remoto Administración • Horarios Transporte• Información Pública• Sufragio electrónico

Servicios Público

• Busqueda inteligente• Traducción On-line• Reserva Hoteles/Espect.• Turismo

Información• Seguridad/Emergencia• Telemedicina

Servicios Especiales

• Oficina Móvil • Tele-trabajo• Comercio Electrónico

Trabajo/Negocios

Aplicaciones comunicaciones móvilesp

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Estructura sistema celular I

Sistema de telefonía celular:Sistema de telefonía móvil automática con estructura celulary reutilización de frecuencias

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BS

BSMS

CS

MS (Mobile Station): Estación móvilBS (Base Station): Estaciones fijas radiotransmisorasCS (Control Station): Controlan el funcionamientos de las BSRS (Repeating Station): Retransmite la señal en zonas de sombra

Estructura sistema celular II

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Modulación y canalización I

Primeros sistemas:•Orientados a voz, limitación del ancho de banda en BBa 2.5 ó ·3 KHz.•Modulación FM por robustez frente a ruido e interferencias•FM de banda estrecha por limitación del espectro

ffrecuencia

f

B B

f

B: Ancho de banda del canal: Separación de canales

21

f

Gx(f)

fd: Desviación de frecuencia de picofm: Frecuencia superior en banda base

f3

f(KHz) fd(KHz) B(KHz)PMR–N 12,5 2,5 11PMR–W 25 5 16AMPS 30 12 30TACS 25 9,5 25NMT–900 12,5 5 16NTT 25/12,5 5/ 2,5 16/11

y

19

Modulación y canalización II

Sistemas digitales (2G)BER no demasiado alta en términos de C/N y C/IElevada eficiencia de transmisión (bps/Hz)Facilidad de implementación en circuitos miniaturizados y económicos

SistemaGSM IS–54

ADC/D–AMPSIS–95ADC

JDC

Modulación GMSK4 QPSK DQPSK

4 QPSKAncho de banda del radiocanal (KHz) 200 30 1230 25

Velocidad de transmisión (Kb/s) 271 48.6 1228 42

y

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Sistemas de telefonía móvil celular

Sistema Comienzo deOperaciones

Separación decanales (KHz)

Banda(MHZ)

Número decanales

Características másrelevantes

Países

NAMTS 1978 25 900 600 Ampliable a 2400canales

Japón, Kuwait

NMT–450 1981 25 450 180 Baja capacidad decanal. Buen radio decobertura. Ideal paraáreas rurales.

Países Escandinavos, Austria,Benelux, China, Francia, Islandia,Indonesia, Malasia, Omán, ArabiaSaudí, España, Suiza, Tailandia,Túnez, Turquía.

AMPS 1983 30 850 832 Entorno urbano.Células menores queNMT.

EE.UU., América Central y del Sur,Australia, Canadá, Hong Kong,Nueva Zelanda, Tailandia.

C–450 y 900 1984 10 450 y 900 573 (cada uno) Señalización digital (elC–900) y cifrado devoz.

Alemania y Portugal

TACS 1985 25 900 1000 50% más de capacidadque AMPS.Menor tamaño decélulas.

Reino Unido, China, Irlanda, HongKong, Emiratos Árabes Unidos,Malta, España.

ETACS 25 900 640 más Ampliación del TACS Ver anteriorNMT–900 1986 12.5 900 1999 Urbano. Países Escandinavos, Austria,

Benelux, Islandia, Suiza.Radiocomm 2000 12.5 200 y 400 1200 y 512 Banda de 200 rural y

de 400 urbana (París)Francia

RMTS 25 450 200 ItaliaGSM 1991 200 (*) 900 124

(992 conTDMA)

Digital.Acceso RDSI.Estándar pan–europeo

Europa.Sudáfrica, Nueva Zelanda, Australia ymuchos otros.

DCS–1800 1994 200 (*) 1800 375(3000 conTDMA)

Digital.Redes compatibles ycompetitivas con RTB.

Europa. Varias licencias ya otorgadasen Reino Unido y Alemania

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Bandas de frecuencias

SISTEMA FRECUENCIASSERVICIO MÓVIL TERRESTRERedes móviles privadas 138–144MHzERMESSistema de radiobúsqueda 169,400–169,800MHzTRUNKING ANALÓGICO 223–224,5MHz

229–230,5MHzSERVICIO MÓVIL TERRESTRERedes móviles privadas

454,3125–458,8125MHz464,3125–468,8125MHz

NMT–450Sistema de telefonía celular analógico

454,3125–458,8125MHz464,3125–468,8125MHz

TETRATrunking digital

230–400MHz790–862MHz870–888/915–933MHz1710–1880MHz

DSRRSistema de telefonía sin hilos

888–890MHz933–935MHz

ETACSSistema de telefonía celular analógico

890–905MHz935–950MHz

GSMSistema de telefonía celular digital

890–915MHz935–960MHz

DCS–1800Sistema de telefonía celular digital picocelular 1710–1880MHzDECTSistema de telefonía sin hilos 1880–1900MHzUMTS–FPLMTSSistema de telecomunicaciones móviles terrenas del futuro

1885–2025MHz2110–2200MHz

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Modos de funcionamiento de los sistemas

f1 f2 f3 f'1 f'2 f'3 frecuenciaf0

Canales duplex

f1 f2 f3 frecuencia

Canales simplex

f4 f5 f6

Canales símplex y dúplex

23

Modos de funcionamiento de los sistemas

PTT(Push To Talk)

Para Hablar

PTTpulsado

frecuenciaPara Escuchar

PTTsin pulsar

frecuencia

Equipos simplex

f1

f1 frecuencia

frecuenciaf'1

f1

Equipos duplex

Equipos símplex y dúplex

PMRsSistemas públicos de

telefonía celular

24

f1f1

f1f1

Sistema simplex a una frecuencia

f1f2

Sistema simplex a dos frecuencias

f1f2

Sistemas simplex

25

Sistemas simplex

BS1

MS1

dBS1-M

f1

d : distancia de cobertura en el enlace base-móvilB-M

d : distancia de cobertura en el enlace móvil-baseM-B

dBS2-M

BS2

f1

f 1f 2 frecuenciaf

3f4

4 MHz

Interferencias de canal adyacente en co-emplazamientos

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Sistemas simplex

Interferencia intra–sistema

BS

MS1

MS2

dB-M

dM-M

dM-Mf1

f1

d : distancia de cobertura en el enlace base-móvilB-M

d : distancia de cobertura en el enlace móvil-móvilM-M

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Sistema semidúplex

f1f2

f1f2

f1 f1

f1

BS: dúplexMS: simplex

28

Sistema dúplex

f '2f2

f '1f1

Sistema duplex

ff '3

3

BS: dúplexMS: dúplex

29

Redes móviles privadas

f1

f2f1

f2f1

Interferencia

RED SEMIDÚPLEX RED SEMIDÚPLEX

f2

MS1

RS1

MS2

RS2

frecuencia300 Hz 3000 Hz

CTCSS

67 Hz 250,3 Hz

Interferencias en redes semidúplex

Subtonos CTCSS (Continuous ToneControlled Signaling System)

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Sistemas “trunking”

• La concentración de enlaces es un concepto implantado desde hace mucho tiempo en la telefonía fija.

• En radiocomunicaciones móviles, la evolución ha sido lenta. Durante mucho tiempo las redes PMR han funcionado sobre la base de la asignación rígida de uno o más canales a flotas, redes o grupos de usuarios, empleándose la conmutación manual para cambiar de canal.

• El número de móviles a los que puede dar servicio un radiocanal depende de la intensidad de tráfico ofrecida por móvil y de la calidad de servicio deseada; es decir, del tiempo de espera en caso de canal ocupado.

A1=B–1(p,1) AN=B–1(p,N)

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Sistemas “trunking”

………………

PMR no trunking

A1A1A1

A1

123

N

PMR trunking

AN

123

N……….

canalestráfico

1 11

N

Tj

A A NA

Sistemas “trunking”

Número canales

Tráfico ofrecido (E)

p = 1 %

A1

1

N

AN

11 1%,1 canalA B p

1 1%, canalesNA B p N

1 11 1%,1 canal 1%, canalesT NA NA NB p A B p N

AT

Erlang-B

Sistemas “trunking”

Existen tres modalidades de asignación distintas:*Asignación por mensaje (Message trunking): En estos casos, el usuario mantiene en propiedadel radiocanal mientras se mantenga la comunicación, independientemente de que existanpausas intermedias.*Asignación por transmisión (Transmission trunking): Aquí, el canal se asigna para cadasentido de transmisión. Tiene sentido en equipos símplex, en los que se detecta la señalizaciónasociada a la pulsación del PTT. En las pausas intermedias los canales se liberan. Puede existirla posibilidad de que una conversación se corte definitivamente si al volver a intentar la asignación, no existen canales disponibles.*Asignación mixta (Quasi–trasmission trunking): Tras soltar el PTT, el radiocanal permaneceen propiedad de los usuarios durante algún tiempo después. En caso de que se vuelva a utilizar rápidamente, la conversación no se corta.

Estructuras mono-emplazamiento y multi-emplazamiento

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Básica[Rap96] T.S. Rappaport, Wireless Communications, Principles and practice, 1996Comunicaciones Móviles, Ed. UPV, 1997 Ref: 2010.4114

Bibliografía

Agradecimientos (Notas de clase)D Lorenzo Rubio ArjonaD Juan Reig Pascual

Profesores Universidad Politécnica de Valencia, España

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