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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
3
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)
4
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
5
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
6
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
7
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
10
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
15
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
16
Estructura sistema celular I
Sistema de telefonía celular:Sistema de telefonía móvil automática con estructura celulary reutilización de frecuencias
17
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
18
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
20
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
26
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
27
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)
30
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)
31
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
34
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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