Comunicación móvil

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Sistemas de Comunicación. Telefonía móvil. Teléfonos móviles de tercera generación

  • Enviado por: Josep Maria Sans Sanchez Y David Monforte Coronas
  • Idioma: catalán
  • País: España España
  • 30 páginas
publicidad

ÍNDEX

0- Index. 1

1- Introducció. 3

1.1- L'evolució dels serveis mòbils. 3

1.1.1- El passat de les comunicacions mòbils. 4

1.1.2- El present dels sistemes de comunicacions. 4

1.1.2.1- Sistemes analògics. 4

1.1.2.2- Sistemes digitals. 5

1.1.2.2.1- A Europa. 5

1.1.2.2.2- Als EE.UU. 5

1.1.2.2.3- Al Japó. 6

1.1.2.3- El WAP i el GPRS. 6

1.1.3- Intregració de les tecnologies. 7

1.1.3.1- UMTS, el sistema multimèdia. 7

2- Aplicacions i serveis dels mòbils de 3ª Generació. 8

2.1- Serveis multimèdia per xarxa. 8

2.2- Serveix multimèdia del propi terminal. 9

2.3- Terminals. 9

3- Arquitectura de la xarxa UMTS. 11

3.1- Xarxa Nucli. 11

3.2- Xarxa d'accés per ràdio UTRAN. 11

3.2.1- Elements de l'UTRAN. 11

3.2.1.1- L'RNS. 11

3.2.1.2- L'RNC. 12

3.2.1.3- El Node-B. 12

3.2.1.4- L'equip d'usuari. 12

3.2.2- Arquitectura de protocòls de l'UTRAN. 13

3.2.2.1- Nivell d'enllaç. 13

3.2.2.1.1- Subnivell PDCP. 13

3.2.2.1.2- Subnivell RLC. 13

3.2.2.1.3- Subnivell BMC. 13

3.2.2.1.4- Subnivell MAC. 14

3.2.2.2- Nivell de xarxa. 14

3.2.2.3- Nivell físic. 14

3.2.3- Canals de l'UTRAN. 14

3.2.3.1- Canals lògics. 14

3.2.3.2.1- Canals de control 14

3.2.3.2.2- Canals de tràfic 15

3.2.3.2- Canals de transport. 15

3.2.3.3- Canals físics. 16

3.2.3.3.1- Format dels canals físics. 16

3.2.3.3.2- Tipus de canals físics. 17

3.2.4- Mapejat dels canals. 18

4- Especificació de FDD i TDD. 19 4.1- Avantatges de l'FDD. 20

4.2- Avantatges del TDD. 20

5- El CDMA. 21

5.1- Introducció a les comunicacions per difussió d'espectre. 21

5.2- Tres tipus de comunicacions per difussió d'espectre. 22

5.3- Direct Sequence spread spectrum. 22

5.3.1- Implementant la tecnologia CDMA. 23

5.3.2- Generació de codis quasi aleatòris. 23

5.3.3- Correlació del codi. 24

5.3.4- Difussió amb el codi. 24

5.3.5- Modulació i Desmodulació. 25

5.3.5.1- Emissió de les dades. 26

5.3.5.2- Recepció de les dades. 27

5.3.6- El problema Aprop/Lluny. 28

5.3.7- Control automàtic de potència. 28

6- Conclusions 29

7- Bibliografía 30

1- Introducció

El primitiu estat de les telecomunicacións mòbils s'està transformant al llarg d'aquests anys amb la construcció de xarxes de tercera generació per part dels operadors. Per a les ambicions d'internet sense fils, les xarxes de dades per a mòbil utilitzades avui en dia, es poden considerar primitives. Normalment pensades en telefonia mòbil per veu, aquestes ofereixen velocitats de transmissió baixes i una interoperabilitat pobre.

Això cambiarà amb l'aparició de les xarxes per mòbil de tercera generació (3G). L'objectiu és proveir dades per transmissió de paquets a terminals tipus mòbil amb velocitats de l'ordre de centenars de kbps.

Els sistemes de 3G utilitzen tecnologia CDMA (Code Division Multiple Acces), un sistema que permet a varis usuaris de compartir la mateixa freqüència al mateix temps. Això s'aconsegueix mitjançant senyals codificats. L'unic sistema CDMA actualment en ús és el cdmaOne utilitzat per l'estàndard Americà IS-95 (2G), altrament conegut com D-AMPS.

La tecnologia 3G s'ha estat desenvolupant desde el 1992, quan la International Telecomunication Union (ITU) va començar a treballar amb un estàndard anomenat IMT-2000 pensat per a ser global i únic.L'últim avanç en les xarxes de 3G, és el sistema UMTS (Universal Mobile Telecomunications System) o WCDMA que és una variant del CDMA en banda ampla, el qual permetrà als sistemes mòbils utilitzar infinitat d'aplicacions multimèdia a part de poguer interoperar amb els sistemes GSM (Global System for Mobile comunications) o 2G actuals. L'UMTS es visiona com el successor del GSM ja que aquest satisfà la creixent demanda d'aplicacions d'internet i telefonia mòbil en sistemes de comunicació mòbils. La nova xarxa incrementarà la velocitat de transmissió fins a 2Mbps per usuari i esteblirà un estàndard global millorant les possibilitats d'itinerància (roaming).

1.1- L'Evolució dels serveis mòbils

Els sistemes de comunicacions mòbils s'han convertit en un dels motors de la societat de la informació. A Europa, el sistema GSM (Global System for Mobile comunications) guanya cada dia més clients. Tot i això, els GSM ha de competir amb els nous estendards dels quals desenvoluparan les comunicacions personals. A més, el GSM ha d'interoperar amb els nous sistemes per satèl·lit (Iridium, Globalstar, ICO, etc).

Però el que més ha impulsat les innvoacions tecnològiques d'àmbit global fins al desenvolupament de la tecnologia UMTS ( Universal Mobile Telecomunications System) ha estat la necesitat de disposar d'un sistema capaç d'afrontar les aplicacions multimèdia. S'espera que a l'any 2020, el servei pugui satisfer les necessitats del 80% dels Europeus. Tot i això, no esta del tot definit com serà aquest nou sistema.

1.1.1- El passat de les comunicacións mòbils.

D'ença dels experiments de Marconi, realitzats al 1901, en els quals s'instalaven els primers sistemes de “ràdio mòbil” sobre uns vehicles amb aparènça de trenvies, s'han anat produint molts avanços tant tecnològics com teòrics, que han anat posant les bases de la situació actual. Cal destacar el desenvolupament de l'electrònica amb els semiconductors, des dels transistors fins als circuits integrats i la revolució de la microelectrònica. La invenció de la modulació en freqüència, la modulació digital i finalment el desenvolupament de la divisió per codi (CDMA), han estat tècniques que han portat les telecomunicacións a l'estat actual.

1.1.2- El present dels sistemes de comunicacions mòbils

1.1.2.1- Sistemes analògics

Els primers sistemes que van aconseguir un desenvolupament comercial significatiu van apareixer als anys 80. Principalament a Europa el sistema NMT-450 (darrerament millorat en la seva versió NMT-900) y a EE.UU. el sistema AMPS (American Mobile Phone System), que posteriorment va ser adaptat a Europa com el sistema TACS (Total Accés Comunication System). De cara a l'usuari aquests sistemes tenien la majoria de característiques del servei actual:

-Possibilitat de realitzar y rebre trucades en qualsevol punt de l'Àrea de Cobertura (pròxima a la superfície total d'un païs). Gràcies al desenvolupament del “concepte celular”.

-Continuitat de la comunicació, al pasar del radi d'acció d'una estació de base a l'estació contigua.

Tot i això, aquests sistemes només estaben a l'habast d'uns quants països nòrdics (en bona situació econòmica) a causa dels costos que implicaven.

La raó de que aquests costos fossin tan elevats es poden classificar en dos tipus:

-Per una banda, la falta de competència entre operadors y subministradors d'equips que obliguéssin a reduir els preus.

-Per l'altra, dificultats de tipus tècniques, com un menor desenvolupament de la tecnologia electrònica.

1.1.2.2- Sistemes digitals

1.1.2.2.1- A Europa

A partir del 1982, a la “Conférence Européen des Administrations des Postes et Télécommunications” (CEPT), es va veure la necessitat de definir un nou sistema de comunicacions mòbil (darrerament conegut com GSM) que substituïs als sistemes analògics utilitzats fins el moment. Les principas raons que van fer pendre aquesta decissió van ser intentar aconseguir que a la dècada dels 90 es pogués utilitzar un sistema normalitzat en tots els països europeus possibilitant la itinerància (roaming) i buscar una reducció als preus (contant amb un mercat més ampli i competitiu).

El resultat d'aquests treballs va ser el Global System for Mobile comunications (GSM), que és un sistema digital amb molt bones prestacións orientat a la Xarxa Digital de Serveis Integrats (XDSI). Hi van participar els millors expèrts europèus que van aconseguir unes especificacions molt avançades.

L'estàndard dels sistema GSM va ser dissenyat amb la possibilitat de que varis operadors poguéssin compartir l'espectre de freqüències. Així l'abonat podia escollir la xarxa a la qual es desitjava conectar. La major part d'administracións permeten dos o més operadors de GSM en el seu territori.

El ràpid creixement dels sistemes celulars (mòbils), juntament amb la falta de freqüències a 900MHz , va impulsar una adaptació del sistema GSM a la banda de 1800 MHz (1900 a EE.UU.), els qual es denomina com DCS (Digital Comunication System) o GSM-1800. Al utilitzar la banda de 1800 MHz es resol el major problema: la falta d'espectre per planificar de forma econòmica les àreas urbanes.

1.1.2.2.2- Als EE.UU.

Als EE.UU. com a continuació de l'expansió del sistema AMPS, la administracio nordamericana va impulsar el desenvolupament de nous sistemes que permetéssin, per una banda, superar les seves limitacións tecnològiques i, per l'altra, augmentar la competència entre operadors.

La millora de la capacitat i la digitalització del AMPS s'aconsegueix amb l'IS-54 que consisteix, bàsicament, amb una versió millorada de l'AMPS. Una variant de l'IS-54 es l'IS-136 que millora la senyalització y aporta nous serveis com missatgeria, grup tancat d'usuaris, estructures jerarquicas de xarxa, etc. L'IS-54, conegut a vegades com D-AMPS, ofereix també la possibilitat de la seva integració amb el sistema analògic, de tal manera que, mitjançant terminals duals, es pot optimitzar la capacitat de la xarxa.

Una visió més revolucionaria de l'AMPS és el sistema basat en tecnologia CDMA (Code Division Multiple Acces), estandaritzat com IS-95, el qual és el primer sistema CDMA mòbil en desenvolupament comercial.

La proposta de l'estandard IS-95 va suposar la primera competència avançada al GSM. Aquest permet incorporar una sèrie de millores en capacitat i planificació, a més, es va anunciar una capacitat espectral 2 o 3 vegades superior al GSM. També s'indicava que l'IS-95 era menys perjudicial desde el punt de vista de compatibilitat electromagnètica, al generar una senyal menys susceptible d'interferir als aparells electrònics d'us general.

Aquests fets van donar lloc a una “guerra” tecnològica en que els seus detractors posaven de manifest les dificultats reals per obtenir els avantatges esmentats, a causa de la inmaduresa de la tecnologia.

1.1.2.2.3- Al Japó.

Japó va desenvolupar també un estandard digital de segona generació per sistemes mòbils, denominat PDC, que en alguns aspectes és similar als estàndards nordamericans IS-54 y IS-136. Gràcies al gran dinamisme de la indústria japonesa, es va desenvolupar un gran parc significatiu en aquesta tecnologia.

1.1.2.3- El WAP i el GPRS:

El sistema WAP (Wireless Application Protocol) va sorgir arran del GSM amb la finalitat de poguer oferir a l'usuari mòbil els serveis més rellevant d'internet. Aquest no és més que un protocol per a l'adaptació del terminal mòbil a un servidor d'internet connectat a la xarxa.

Una evolució del WAP és el sistema GPRS, altrament conegut com sistema de generació 2,5 ó 2+. El GPRS presenta les mateixes característiques que el WAP amb la diferència que el terminal es troba constantment connectat a la xarxa. Aquests sistemes ens demostren que hi ha la necessitat d'una tecnologia amb un ventall de possibilitats més ampli en forma mòbil.

1.1.3- La integració de les tecnologies

A partir de la finalització del sistema GSM, van començar a sorgir, a principis de 1990, les primeres propostes per dissenyar un nou sistema el qual “unifiques” tots els estendards actuals: l'Universal Mobile Telecomunication System (UMTS).

1.1.3.1- UMTS, el sistema multimèdia

Comunicación móvil
El primer argument seriós a favor de l'UMTS són les aplicacións que no pot cubrir el GSM. En primer lloc, l'UMTS ha de funcionar en un ventall d'escenaris molt ampli. A més, és necessari un sistema que soporti les aplicacions de major ampla de banda. En definitiva, els serveis denominats multimèdia. Es pot pensar que aquesta classe d'aplicacions tenen poc interès però no és així. L'European Telecomunication Standaritzation Institute (ETSI), ha publicat un estudi sobre el concepte Global Multimedia Mobile (GMM), on s'indica que s'ha d'oferir la possibilitat de que els usuaris puguin accedir als nous serveis multimèdia desde totes les localitzacions i amb terminals cad vegada més transportables. Aquesta necessitat és percebuda per molts usuaris d'ordinadors, sobretot a Europa, en la qual el tamany i la possibilitat de moure el terminal constitueixen una raó bàsica per l'adquisició d'aquest.

A més de les noves aplicacións, hi ha altres causes que impulsen el desenvolupament del nou sistema com, la liberalització creixent dels mercats i la demanda social, ja que s'estima una penetració del 80% de la població a l'any 2020.

2- Aplicacions i serveis dels mòbils de 3ª generació

En el món hi ha diversos sistemes de telefonia mòbil i, per tant, els terminals seràn incompatibles entre ells. El sistema UMTS vol acabar amb aquestes incompatibilitats i crear un sistema en que tots es terminals funcionin igual arreu del món. Aquests terminals s'han anomenat “mòbils de 3ª generació”.

Aquests poden tenir molts serveis multimèdia gràcies a la gran velocitat de transmissió i recepció, a la forma de codificació i modulació, i finalment gràcies a les novetats tecnològiques.

Els serveis que pot oferir estan breument esmentats a continuació:

  • Servei d' internet a qualsevol punt geogràfic.

  • Servei d' e-mail.

  • Servei de transmissió de fitxers de imatge i so.

  • Servei de videoconferència i conferència telefònica corrent.

  • Servei de càmara digital ( tant per filmar com per fotografiar ).

  • Servei de reproductor de música i vídeos d'alta qualitat.

  • Servei d'agenda personal electrònica.

  • Servei de GPS ( mapa de localització electrònic molt precís ).

Tots aquests serveis són els que poden oferir els mòbils de 3ª generació seus equips, ja que cada fabricant els dissenyarà al seu gust i segurament no tots tindran les mateixes prestacions.

Les operadores també tenen molt a veure ja que cada operadora decidirà quins models de terminals UMTS operaran els seus serveis i també decidiran la facturació del consum dels usuaris, ja que el sistema UMTS podrà transmetre a diferents velocitats i també transmetrà amb paquets, el que vol dir que es pot facturar per temps o per volum de dades, això dependrà de cada operadora.

2.1- Serveis multimèdia per xarxa

El sistema UMTS oferirà als usuaris serveis que avui en dia només s'aconsegueix a casa o a llocs de treball, com per exemple internet, correu electrònic, reproducció d' àudio i vídeo, videoconferència, transmissió de fitxers de qualsevol tipus, etc.…

Perquè això funcioni degudament les dades s'han de transmetre quasi a temps real per segons quin servei com telefonia o videoconferència (els altres serveis no es del tot necessari que funcioni a temps real ja que no es malmet ni es perd informarció i l'usuari entendrà sempre la informació que rep) , per tant, com que la transmissió es per paquets, la velocitat de transmissió serà de bps. En el cas de UMTS a transmissió s' efectua a 2MBps amb 2 amples de banda que estan al voltant dels 2 GHz que els usuaris hauran de compartir seguint el model CDMA. Amb aquestes velocitats s'aconsegueix poder transmetre molta informació codificada en poca estona i donar els serveis multimèdia abans esmentats.

2.2- Serveis multimèdia del propi terminal

El terminal incorporarà diferents serveis multimèdia per l'organització i entreteniment de l'usuari. Aquests serveis dependran de cada fabricant de terminals, no es seguiran uns estàndards per aquests serveis.

Per serveis d'organització tenim per exemple agendes personals, alarmes, recordatoris, programes de disseny d'imatges, editor de textos, base de dades i fulles de càlcul, calculadores, etc.…

També incorporaran programes de entreteniment, i jocs perquè l' usuari es pugui distreure. Un dels serveis més innovadors serà que el terminal porti incorporada una camara digital per poder filmar i fer fotos, i tenir-les al seu terminal i modificar-les al seu gust.

Al tenir tots aquests serveis implica una pantalla en que es pugui treballar i visualitzar correctament (ja que les pantalles la majoria seran tàctils amb un bolígraf especial). Això implica que el consum de la bateria serà elevat per tant el terminal tindrà poca autonomia. La solució més senzilla és dissenyar una bateria nova que pugui aguantar les dures condicions que li exigeix el terminal.

2.3- Terminals

Els terminals de 3ª generació seran molt particulars. Tots funcionaran internament de la mateixa forma però cada marca els dissenyarà i programarà d'una forma diferent, per tant, tindran diferents serveis entre diferents marques.

Cada terminal tindrà els trets més característics de la marca que la fabricat. A continuació veurem uns exemples de cada marca que farà mòbils UMTS.

Nokia

Comunicación móvil
Comunicación móvil
Comunicación móvil

Ericsson

Comunicación móvil
Comunicación móvil
Comunicación móvil

Siemens

Comunicación móvil
Comunicación móvil

Motorola

Comunicación móvil

Panasonic

Comunicación móvil

3- Arquitectura de la xarxa UMTS

La xarxa UMTS consisteix en tres dominis interactius: La xarxa nucli Core Network (CN), la xarxa d'accés per radio terrestre UMTS UMTS Terrestrial Radio Acces Network (UTRAN), i l'equip d'usuari User Equipment (UE). La principal funció de la xarxa nucli és proveir la conmutació, encaminament i el trànsit al tràfic de l'usuari. La xarxa nucli també conte les bases de dades i les funcions de gestió de la xarxa. L'arquitectura bàsica de la xarxa nucli de l'UMTS esta basada en la xarxa GSM amb GPRS. Tot i això, tot l'equip ha estat modificat per les operacions i serveis de l'UMTS. L'UTRAN proveeix el mètode d'accés a l'interfície d'aire per l'equip d'usuari. La xarxa d'accés per ràdio Radio Acces Network (RAN) és l'element nou introduit a la xarxa pel soport de l'UMTS. Per tant, el nostre estudi es centrara amb la xarxa d'accés per radio i deixarem de banda la xarxa nucli.

3.1- Xarxa Nucli

La xarxa nucli es divideix en dos dominis: Conmutació de circuits i conmutació de paquets. Per la transmissió nucli de l'UMTS s'aplica el mode de transferència asincrònica Asynchronous Transfer Mode (ATM). És possible que l'arquitectura de la xarxa nucli canvï quan s'introdueixin nous serveis.

3.2- Xarxa d'accés per ràdio UTRAN

L'UTRAN es pot dividir en subsistemes de xarxa de ràdio o Radio Network Subsystems (RNS). Cada subsistema de xarxa de radio conte un controlador de xarxa de radio o Radio Network Controller (RNC) i un o més d'un Node-B. Els Nodes-B estan connectats amb el controlador de xarxa de radio. Cada Node-B controla una o més cel.lules (antenes) destinades a l'emissió del senyal.

Per tal d'aconseguir una bona gestió i funcionament de la xarxa d'accés per radio conjuntament amb la xarxa nucli, s'estableixen una serie de protocols basats en el model d'arquitectura de xarxa definit per l'OSI.

3.2.1- Elements de l'UTRAN

3.2.1.1- L'RNS

Com hem dit l'UTRAN es pot dividir en subsistemes de xarxa de ràdio. Els diferents RNS de la xarxa estan interconectats entre ells a través de l'interfície Iur per la gestio de situacions de “macro-diversity” (s'explica més endavant, més d'una cèl.lula comunicant amb l'equip d'usuari).Q

Els RNS es poden classifcar segons la seva funció en situacions de “macro-diversity”.

SRNS. S'anomena “Serving RNS” i és l'RNS principal cuidant-se de la transmissió de dades d'usuari.

DRNS. S'anomena “Drift RNS” i és l'RNS secudari el qual s'ocupa de les dades de codificació, senylització, etc.

Comunicación móvil

3.2.1.2- L'RNC

En cada RNS hi ha un controlador de xaxa de ràdio. L'RNC és el controlador central de tots els elements que formen l'RNS. L'RNC controla l'intercanvi de protocòls entre les interfícies Iu, Iur, Iub i és el responsable de l'operació del sistema i el manteniment (O&M) de l'RNS. Els elements de l'RNS directament conectats a l'RNC són els Nodes-B.

3.2.1.3- El Node-B

El Node-B és l'unitat física per l'emissió/recepció d'una o un conjunt de cèlules. El Node-B es connecta amb l'equip d'usuari a través de l'interfície Uu i amb l'RNC a través de l'interfície en mode de transmissió asíncron (ATM) Iub.

La principal funció del Node-B és la conversió de dades d'entrada i sortida de la interfície Uu. El Node-B és qui mesura la potència del senyal que s'emet desde l'equip d'usuari i li envia informació per que s'autoajusti el nivell de potència adequat per solventar el problema aprop/lluny.

3.2.1.4- L'equip d'suari

L'equip d'usuari de l'UMTS es basa amb els mateixos principis que els equips del GSM, la separació entre l'equip mòbil i la targeta UMTS subscriber identity module (USIM).

3.2.2- Arquitectura de protocols de la xarxa d'acces per ràdio

El disseny dels protocòls de l'interfície de ràdio es centra en una estructura dels tres primers nivells definits per l'ISO, Nivell Físic (nivell 1), Nivell d'Enllaç (nivell 2) i Nivell de Xarxa (nivell 3).

3.2.2.1- Nivell d'enllaç

Aquest nivell és el responsable de la transmissió, sincronització i control d'errors sobre cada enllaç de comunicació. Subministra la transferència fiable de dades a través de l'enllaç físic. S'encarrega d'enviar les dades de l'usuari amb la necessaria sincronització i control d'errors i de flux. És normal que els elements a enllaçar no estiguin conectats directament, per tant, en qualsevol comunicació entre aquests elements primer és neccessari l'encaminament a través d'un o més nodes intermitjos (per exemple en el cas de la macro-diversity). Aquesta funció d'enrrutament és realitzada pel nivell de xarxa.

El nivell d'enllaç de l'UTRAN es pot dividir en quatre subnivells:

3.2.2.1.1- Subnivell PDCP (Protocol de convergència de paquets de dades)

Aquest subnivell és l'encarregat de gestionar l'emissió i recepció dels paquets de dades de la xarxa nucli. Aquest subnivell encamina els paquets de dades provinenets d'un protocol de la xarxa nucli cap a una entitat de l'enllaç per radio (RLC) o viceversa. També proveeix la compresió/descompresió de les capçeleres.

3.2.2.1.2- Subnivell RLC (control d'enllaç per ràdio)

S'estableix un control d'enllaç per radio a cada connexió. Aquest subnivell s'ocupa de la transmissió de dades a través de l'interfície Uu, qualitat de servei, configuració de l'enllaç, notificació de l'enllaç i velocitat de codificació.

3.2.2.1.3- Subnivell BMC (control d'emissió/multimemissió)

A l'arquitectura de l'UTRAN hi ha una entitat BMC per cèlula (antena). Aquest subnivell proveeix els serveis d'emissió de cada cèlula.

3.2.2.1.4- Subnivell MAC (control d'accés multiple)

Aquest subnivell realitza la selecció del format de transport, la codificació, la gestió de prioritats entre el flux de dades d'un equip d'usuari, gestió de prioritats entre els diferents equips d'usuari i l'identificació de l'equip d'usuari en el metode de transport en canal comú. El subnivell MAC és responsable del mapejat entre els canals lògics amb els canals de transport.

3.2.2.2- Nivell de xarxa.

El nivell de xarxa és el responsable de la transferència de dades a través de la xarxa, desde la font fins el seu destí, passant per nodes intermitjos si és necessari. És responsable d'establir, mantenir i alliberar les conexions. Les seves funcions es poden dividir en dos: Enrutament icontrol de congestió.

3.2.2.3- Nivell físic

El nivell físic és el responsable de la transmissió (sobre l'enllaç físic) de la corrent de bits. Aquesta capa invoca parametres com la senyal de voltatge, corrent i durada d'un bit (format específic de cada canal per les dades a transmetre). Esta relacionat amb l'establiment, manteniment i alliberament d'un enllaç físic.

Els canals destinats a l'emissió del senyal a través de l'interfície d'aire s'anomenen canals físics. Aquests canals físics són els portadors dels canals de transport.

3.2.3- Canals de l'UTRAN

3.2.3.1- Canals llògics

Els canals lògics es defineixen entre el punt més alt del nivell físic (Subnivell MAC) i el control d'enllaç per radio (RLC). Els canals lògics s'utilitzen per la comunicació del nivell físic amb els nivells superiors. Es defineixen una serie de canals lògics per cada tipus d'informació que es transmet.

3.2.3.2.1- Canals de control

Estan destinats a la transferència de l'informació de senyalització. Els diferents canals de control són:

-Canal de control de sincronització o Synchronisation Control Channel (SCCH): Canal destinat al downlink per la transmissió a través de l'interfície Uu d'informacions de sincronització per la modalitat TDD.

-Canal de control d'emissió o Broadcast Control Channel (BCCH): Canal destinat a la transmissió en emissió (broadcast) en mode downlink d'informació de control de sistema.

-Canal de control de crida o Paging Control Channel (PCCH): Canal en downlink per la transferència d'informacións de crida (avis de connexió a l'equip d'usuari), s'utilitza quan la xarxa no coneix la posicio respecte la celula del terminal mòbil.

-Canal de control comú o Common Control Channel (CCCH): Canal bidireccional (Uplink i Downlink) per la transmissió d'informacions de control entre la xarxa i l'equip d'usuari.

-Canal de control dedicat o Dedicated Control Channel (DCCH): És un canal punt-a-punt bidireccional per la transmissió d'informacions dedicades a un usuari en concret.

3.2.3.2.2- Canals de tràfic

Canals destinats a la transferència de l'informació d'usuari. Els diferents canals de tràfic són:

-Canal de tràfic dedicat o Dedicated Traffic Channel (DTCH): És una connexió punt-a-punt dedicada a un usuari en concret destinat a la transferència de dades de l'usuari.

-Canal de tràfic comú o Common Traffic Channel (CTCH): Connexió en mòde downlink punt-a-multipunt dedicat a varis usuaris i destinat a la transferència de dades per als usuaris.

3.2.3.2- Canals de transport

Els canals de transport es defineixen entre el subnivell més alt del nivell 2 (subnivell MAC) i el nivell físic. Els canals de transport defineixen el format de les dades a transmetre a través de l'interfície d'aire i amb quines característiques es transmeten.

Els canals de transport en mode comú són:

-Canal d'accés aleatori o Random Acces Channel (RACH): Canal d'uplink utilitzat per transportar informació de control desde l'equip d'usuari.

-Canal d'accés avançat o Forward Acces Channel (FACH): Canal de downlink utilitzat per transportar informació de control als equips d'usuari quan el sistema conèix la posició de la cèlula de l'equip d'usuari en qüestió.

-Canal de downlink compartit o Downlink Shared Channel (DSCH): Canal de downlink pel transport de dades de trafic o control per un conjunt d'usuaris.

-Canal d'uplink compartit o Uplink Shared Channel (USCH): Canal compartit d'uplink utilitzat pel transport de dades de control o tràfic

-Canal de paquet comú o Common Paquet Channel (CPCH): Canal d'uplink associat amb un canal dedicat en downlink, proveint el control de potència.

-Canal d'emissió o Broadcast Channel (BCH): Canal downlink per l'emissió d'informació del sistema i informació específica de la cèlula.

-Canal de crida o Paging Channel (PCH): Canal downlink utilitzat per transportar informació de control cap a l'equip d'usuari quan el sistema no coneix la localització de la celula a utilitzar

-Canal dedicat o Dedicated Channel (DCH): Canal bidireccional utilitzat pel transport d'informació d'usuari o de control entre l'UTRAN i l'equip d'usuari.

3.2.3.3- Canals físics

Els canals físics es podrien considerar com els portadors dels canals de transport. Segons el canal de transport que es desitgi transmetre o la informació que s'haigi de transmetre s'utilitza un canal físic o un altre. La informació a transmetre a través dels canals físics tant pot estar en mode FDD com en mode TDD.

3.2.3.3.1- Format del senyal d'un canal físic

El format del senyal segueix l'estructura que mostra la següent figura:

Comunicación móvil

El senyal es divideix en trames (frames) de 10ms. Cada una d'aquestes trames es divideix en 2 subtrames de 5ms cada una dins de les quals hi ha 7 espais temporals (time slots) de 0,675ms cada un. Dins de cada espai temporal s'hi introdueix la informació a transmetre. El format dels espais temporals dependrà de l'informació a transmetre (tipus de canal) i de com es transmeti aquesta informació (FDD o TDD). A més cada subtrama incloura un espai temporal pilot pel downlink, un espai temporal pilot per l'uplink i un espai de guarda entre cada espai temporal.

Espai de guarda: Entre cada espai temporal es deixa un espai de guarda per evitar errors de confussió entre els espais temporals.

Espai temporal pilot downlink: Senyal de sincronització pel downlink.

Espai temporal pilot uplink: Senyal de sincronització per l'uplink.

3.2.3.3.2- Tipus de canals físics

-Dedicated Physical Channel (DPCH): Aquest canal és exclusiu per un unic equip d'usuari el qual tant pot transmetre el canal de transport dedicat DCH com el canal de control dedicat DCCH.

-Primary Common Control Physical Channel (P-CCPCH): Aquest canal s'utilitza com a portador del canal de transport BCH.

-Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPCH): Aquest canal s'utilitza com a portador dels canals de transport PCH I FACH.

-Physical Random Acces Channel (PRACH): Aquest canal s'utilitza de portador del canal de transport RACH.

-Physical Synchronisation channel (PSCH): Aquest canal s'utilitza per portar el canal de control SCCH.

-Physical Uplink Shared Channal (PUSCH): Canal destinat a transmetre el canal de transport USCH.

-Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): Canal destinat a transmetre el canal de transport DSCH.

-Physical Common Packet Channel (PCPCH): S'utilitza per la transmissió del canl de transport CPCH.

3.2.4- Mapejat dels canals

(esquema mapejats)

4- Especificació de FDD i TDD

L'UMTS aportarà una gran revolució en el món de les comunicacions mòbils ja que disposaran de molts serveis multimèdia, per aquesta raó s'ha de dissenyar una xarxa segura i amb el màxim de velocitat en tot moment perquè funcionin aquests serveis. Aquesta xarxa tindrà una interfície d'aire (UTRAN) la qual soporta dos modes de transmissió diferents que s'aplicaran segons les necessitas:

Frequency Division Dúplex (FDD):

El mode de transmissió FDD s'aplica a la tècnica Direct-Sequence Code Division Multiple Accés (DS-CDMA) també coneguda com WCDMA (CDMA de banda ample). Les dades de l'usuari es transmeten contínues en el temps i van canviant de freqüència durant la comunicació. Aquests salts de freqüència s'utilitzen per aconseguir una transmissió Full-Duplex on l'uplink i el downlink utilitzen dues freqüències diferents (separades entre elles uns 190MHz).

Time Division Dúplex (TDD):

El mode de transmissió TDD s'aplica a la tècnica TD/CDMA (CDMA en divisió del temps). Les dades de l'usuari es transmeten sempre en la mateixa freqüència però estan dividides en el temps. Aquesta divisió del temps s'utilitza per aconseguir una transmissió Full-Duplex on l'uplink i el downlink emeten en la mateixa freqüència però en intèrvals de temps diferents.

També es pot transmetre els dos sistemes a la vegada ( FDD/TDD ) i suporta tots els requeriments del sistema UMTS.

Les dos formes de transmissió s'usen en paral·lel per proveir a l'usuari de les avantatges dels dos sistemes de transmissió. La combinació de les dues formes permet gaudir dels serveis en qualsevol lloc ( a casa, al carrer o de viatge ).

En el FDD l'espectre és parell i en el TDD és senar.

Comunicación móvil

4.1- Avantatges del FDD

El sistema FDD vol donar el màxim servei al públic de les cèl·lules micro i macro, que son les cèl·lules on hi ha poc trànsit de trucada i tenen la cobertura més amplia perquè hi ha menys densitat de gent, amb una transmissió de dades de 384 kbps i alta mobilitat (viatjar amb transport). A més a més permet els dos sentits de transmissió (Uplink i Downlink). Està especialment adequat a donar cobertura a àrees de territori gran enllaç a potències més elevades que el TDD, i també adapta la variació de les trames de dades requerides de l'usuari per les diverses aplicacions que pot fer servir.

La majoria d'espectres que s'assignen avui en dia per UMTS són parells, per tant, estan assignats per funcionar amb FDD. Es recomana un espectre de 2 x 15Mhz parells i 5Mhz senars per cada operador.

4.2- Avantatges del TDD

El sistema TDD dóna diferents avantatges al públic de les cèl·lules micro i pico, i està adaptat per llocs on hi hagi una gran densitat de tràfic (ciutats, centres, àrees de treball, aeroports, etc.) i llocs tancats (dintre d'edificis) on les aplicacions tendeixen a crear un tràfic asimètric alt (accés a internet), per tant, requereix un ample de banda bastant gran (banda ample). Això facilita que utilitzem l'espectre senar disponible i que la velocitat de dades augmenti fins a 2 Mbps amb una mobilitat baixa ( caminar i anar amb transport amb una velocitat baixa). El TDD és el sistema ideal per incorporar xarxes als llocs que estan a les afores de les ciutats, i això s'aconsegueix combinant-lo amb el sistema FDD per cobertures de àrees grans, encara que tinguin unes xarxes molt simples.

5- CDMA

El Code Division Multiple Access (CDMA) es un concepte radical nou en les comunicacions sense fils. Això ha guanyat una extensa acceptació per part dels operadors entenent la nova tecnologia com una actualització que incrementarà notablament les seves capacitats i serveis de qualitat.

El CDMA es una forma de difusió d'espectre (spread-spectrum), una familia de tècniques de comunicació que s'han utilitzat en aplicaccions militars durant bastants anys. El nucli principal de difusió d'espectre és l'us d'ones portadores (senyals banda base) semblants al soroll i amb un ample de banda més que suficient per una comunicació simple. El CDMA separa els canals utilitzant codis quasi aleatòris (pseudo-random) que són modulats pel senyal que es vol transmetre en el domini digital. Multiples usuaris poden ocupar la mateixa freqüència al mateix temps ja que el senyal es transmet codificat i així només l'usuari destí desitjat és qui pot rebre la informació.

Amb el CDMA s'aconsegueixen millors i noves aplicacions com:

-Increment de la capacitat de tràfic telefònic.

-Incremetn de la qualitat de veu i eliminació de les

interferències audibles.

-Reducció de la pèrdua de trucades.

-Mecanismes de transport per comunicacions de dades com fax i tràfic d'internet.

-Reducció de costos gràcies a la menor necessitat de cel.les.

-Reducció de la potència de transmissió.

-Reducció de riscos de salut.

-Cobertura pràcticament total del globus terrestre.

5.1- Introducció a les comunicacions per difusió d'espectre

El CDMA és una forma de comunicació difusió d'espectre de seqüència directa (Direct Sequence Spread Spectrum).En general, les comunicacions per expansió d'espectre es diferencien per tres elements claus:

1.La senyal ocupa un ample de banda més gran del neccessari per emetre la informació, resultant amb beneficis de cara a interferencies.

2.L'ample de banda es difusiona amb un codi el qual és completament independent de les dades a transmetre. Això ho diferencia dels esquemes de modulació estàndards.

3.El receptor es sincronitza amb el codi per tal de recuperar la informació. L'ús d'un codi independent i una recepció sincronitzada permet l'accés de multiples usuaris a la mateixa freqüència al mateix temps.

Amb la finalitat de protegir la senyal, el codi utilitzat és quasi aleatori. El receptor haurà de regenerar aquest codi per tal de poguer rebre la informació. Aquest codi quasi aleatori també és conegut com pseudo-noise (PN).

5.2- Tres tipus de comunicacions per difusió d'espectre

Hi ha tres maneres per difusionar l'ample de banda del senyal:

-Frequency hopping (salt de freqüències). El senyal és ràpidament conmutat entre diferents freqüències de dins de l'ample de banda de salt gairebé aleatoriament. El receptor coneix prèviament on i quan trobar el senyal.

-Time hopping (salt de temps). El senyal és transmès en ràfegues curtes gairabé aleatoriament. El receptor coneix prèviament quan ha de rèbre les ràfegues de senyal.

-Direct sequence (seqüència directa). Les dades digitals són directament codificades a una freqüència notablement més alta. El codi és generat gairabé aleatoriament. El receptor coneix com generar el mateix còdi i correlaciona la senyal rebuda amb el codi generat per extreure la informació.

5.3- Direct Sequence Spread Spectrum

El CDMA és un sistema de difusió d'espectre en seqüència directa. El sistema CDMA treballa directament amb senyals a 64kb/s. Aquests senyals poden ser veu digitalitzada, canals RDSI, dades de modem, etc.

La transmissió del senyal segueix els següents passos:

1.Es genera un codi quasi aleatori, diferent per cada canal i cada connexió.

2.Les dades d'informació modulen el codi (la senyal es difusiona).

3.El senyal resultant modula una ona portadora (senyal .

4.L'ona modulada (senyal passa banda) s'amplifica i s'emet.

La recepció del senyal segueix els següents passos:

1.L'ona és rebuda i amplificada.

2.La senyal rebuda es mescla amb una portadora local per recuperar el senyal difusionat (desmoulació).

3.Es genera un codi idèntic al de l'emissor.

4.El receptor sincronitza el codi creat amb la senyal desmodulada.

5.La senyal rebuda es correlaciona amb el codi generat, obtenint així la informació.

5.3.1- Implementant la tecnologia CDMA

El CDMA pot treballar amb informació de diferents fonts com veu digitalitzada o canals XDSI. Les velocitats de la informació poden variar segons la font. El CDMA treballa amb 64kb/s, tot i que pot acceptar entrades de 8, 16, 32 o 64kb/s. Per entrades inferiors a 64kb/s el sistema adapta les velocitats amb bits de reompliment per adaptar les dades a 64kb/s. Aquestes dades són convertides en simbols per tal de poderser transmèses (ho aclarirem a la modulació).

5.3.2- Generació dels codis quasi aleatoris

Per cada canal l'estació base genera un únic codi que canvia per cada connexió. L'estació base ajunta totes les transmissions codificades per cada abonat. El terminal de l'abonat genera el seu codi idèntic i l'utilitza per extreure'n el senyal apropiat. Per que això es pugui dur a terme els codis han de tenir les següents propietats:

-El terminal de l'usuari ha de ser capaç de generar el codi que coincideix amb el de l'estació base.

-Ha de semblar aleatori per a qualsevol receptor sense coneixement prèvi del codi (ha de semblar soroll).

-La correlació creuada (correlació entre dos codis no coincidents) ha de ser mínima.

-El codi ha de tenir un perïode llarg.

5.3.3- Correlació del codi

La funció correlació presenta les següents propietats:

-Val 1 si els dos codis són idèntics.

-Val 0 si els dos codis no tenen res en comú.

Els valors intermèdis indiquen la similitud entre els codis. Com més s'assemblin els codis generats per l'estació base en un mateix moment, més dificil serà pel receptor d'extreure el senyal apropiat.

Hi ha dos tipus de correlació:

-Correlació creuada: La correlació entre dos codis diferents, tal com hem dit, ha de ser mínima.

-Autocorrelació: La correlació d'un codi amb una versió desfasada d'ell mateix. En aquest cas, aquesta funció val zero per tal d'eliminar interferències d'eco, etc.

El receptor utilitza la correlació creuada per separar el senyal apropiat dels senyals pels altres receptors. L'autocorrelació, tal com hem dit, s'utilitza per eliminar ecos (en general, versions desfasades del codi).

5.3.4- Difusió amb el codi

La informació d'entrada, un cop adequada en velocitat, modula el codi. Per tal de fer més lleugera l'explicació de la difussió, primer definirem la terminologia utilitzada en aquest punt:

-Chipping Freqüency (fc): La velocitat de bit del codi.

-Information Rate (fi): La velocitat de bit de les dades digitals.

-Epoch: La durada del codi (periode de tot el codi). Aquesta sol ser de l'ordre d'alguns segons.

Comunicación móvil

En general, l'ample de banda d'un senyal digital és el doble de la seva velocitat de bit. Per tant com més alta la velocitat del codi, més ample serà l'ample de banda i, per tant, millor seràn les prestacións del sistema.

Comunicación móvil

5.3.5- Modulació i desmodulació

Per la modulació del CDMA s'utilitzen sistemes moduladors complexos.

5.3.5.1- Emissió de les dades:

La senyal codificada resultant modula una ona portadora de ràdiofreqüència (RF) per la transmissió utilitzant Quadrature Phase Shift Keying (QPSK). La QPSK utilitza quatre estats diferents per codificar cada símbol. Els quatre estats són desfasaments de la portadora espaiats 90 graus entre ells. Per conveni, els desfasaments són 45, 135, 225, 315 graus. Cada estat representa dos bits. Aquestes xifres de dos bits s'anomenen símbols. En el cas de la modulació complexa en general, sense aplicar-ho a l'accés múltiple, l'ona portadora amb l'aplicació d'un desfasament Y(t), es pot expressar com la suma de dues components, una ona cosinus i una sinus:

A(t)Cos(w0*t+Y(t))=I(t)Cos(w0*t)+Q(t)Sin(w0*t)

I(t) s'anomena real, o component “in-phase” del senyal, i Q(t) s'anomena imaginaria, o component “Quadrature-phase” del senyal. El sistema, genera les dues components I(t) i Q(t) del codi avanç de la modulació, les quals seràn modulades per un cosinus i un sinus desfasat 90 graus. Així doncs, obtenim les components I(t) i Q(t) desfasades entre elles 180 graus (es més fàcil modular i desmodular desfasaments de 180 que de 90 graus). Seguidament es sumaran les dues ones i es transmetran.

En el cas de l'accés múltiple, passa exactament el mateix, en diferència de que el senyal codificat que es tracta, és l'adició de tots els canals que es volen transmetre junts.

Comunicación móvil

Comunicación móvil

5.3.5.2- Recepció de les dades:

Per tal d'extereure la informació, el receptor segueix els següents passos:

-Desmodulació.

-Generació del codi i sincronització.

-Correlació del codi amb el senyal.

-Descoduficació de la informació.

Desmodulació:

El receptor genera dues ones de referència, el cosinus i el sinus. Mesclant cada una d'elles amb la senyal rebuda per separat, el receptor extreu l'I(t) i la Q(t). Utilitzant uns conversors d'analògic a digital, el receptor extreu la informació binària (els símbols).

Generació del codi i sincronització:

Els receptor genera el seu propi codi complex coincident amb el generat per l'emissor. Evidentment els codi del receptor ha d'estar sincronitzat amb la senyal rebuda.

Correlació i descodificació:

Un cop el codi complex esta sincronitzat, la senyal rebuda s'envia a un correlador que la correlaciona amb el codi, extraient-ne així les dades en forma de símbol I i Q. A partir de les dades I i Q el receptor genera la informació que l'emissor volia transmetre.

5.3.6- El Problema Aprop/Lluny

A causa de que la correlació creuada de dos codis PN no és exactament igual a zero, el sistema ha de vèncer el que anomenem problema Aprop/Lluny.

La sortida del correlador consisteix en dues components:

-L'autocorrelació del codi aleatori (PN) amb la senyal rebuda desitjada.

-La suma de correlacions creuades del codi amb tota la resta de senyals rebudes.

Com hem dit, considerem que la correlació creuada del codi amb una senyal qualsevol (no la desitjada) ha de ser pràcticament nula. Evidentment, l'estació base (RSU) es troba bombardejada per senyals de molts terminals mòbils (FSU). Si la senyal desitjada s'emet d'un terminal mòbil a l'estació base des de bastant lluny, i hi ha moltes més senyals no desitjades emetent desde més aprop, la senyal desitjada pot arribar a ser tant fluixa respecte les altres que el sistema la pot considerar com una senyal no desitjada. Aquest problema no existeix en la direcció inversa ja que el terminal mòbil només rep informació d'una estació base.

5.3.7- Control Automàtic de Potència

Per tal de solventar el problema Aprop/Lluny amb que es troben les estacions base, s'aplica el control automàtic de potència. El control automàtic de potència no és més que una senyalització addicional per tal de controlar la potència d'emissió dels terminals mòbils, aconseguint així que els senyals que entren a l'estació base arribin tots amb la mateixa potència.

6- Conclusions

Hem vist doncs, les claus que han permès el desenvolupament de les xarxes de comunicacions mòbils des de els seus orígens en els sistemes analògics, passant per la denominada segona generació (GSM) que ha establert les bases de la nova societat de la informació, fins les tendències futures, sota les perspectives de la integració.

S'han identificat les causes tant econòmiques com tècniques que han permès el ràpid desenvolupament del GSM i, el que esta clar, és que existirà una evolució cap a un sistema que:

-Tingui més eficiència espectral

-Integri els sistemes terrenals amb els sistemes basats en satèl·lits.

-Pugui oferir serveis multimèdia.

-El terminal i l'abonament han de ser econòmics i fàcils d'utilitzar, de forma que l'objecte sigui un sistema quotidià.

A mitjà i a llarg plaç, l'UMTS substituirà progressivament a les solucions actuals. La substitució es realitzarà d'acord amb les necessitats dels mercats i la presència de noves aplicacions que ho justifiquin.

7- Bibliografia

http://www.iies.es

http://www.tecnomarkets.com

http://www.imt-2000-online.com

http://sss-mag.com

http://wooster.hut.fi/kurssit/s88144/02_Radio_Access.pdf

http://www.gbtwireless.com/pages/tech/tech_b8.html

http://www.cwts.org/cwts/doc_eng.htm

http://www.newwaveinstruments.com/resources/

http://www.cdg.org

http://www.nuntius.com/

http://www.umts-report.com

The UMTS Network and Radio Access Technology (Jonathan P. Castro ; John Wiley & Sons, Ltd)

30

Evolució dels estandars celulars (mòbils)

Escenari del mercat de l'UMTS