UNVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS

"Presentación de la Cuarta Práctica Calificada del Curso Sistemas de Comunicaciones"

Tema: "Redes Celulares"

Noviembre de 2002

Actualmente, en los Estados Unidos se ha adoptado una sola clase de red analógica conocida como el Sistema Telefónico Móvil Avanzado (AMPS) el cual se encuentra siendo reemplazado por diversos sistemas digitales nuevos que vienen apareciendo.

El principal problema de los sistemas analógicos es que presentan un límite para el número de usuarios que pueden contener. Esto significa que por cada usuario se asigna una frecuencia y debido al ancho de banda limitado para la transmisión, se tiene un límite de frecuencias por área que pueden existir al mismo tiempo, lo cual por efecto, limita el número de usuarios que se puede soportar en simultáneo. Esta viene a ser una de las razones principales por las que el sistema analógico viene siendo reemplazado por los sistemas digitales.

Actualmente, los proveedores de redes celulares se encuentran investigando dos tecnologías que permitan el ingreso a la era digital. Estas tecnologías son el TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo) y el CDMA (Acceso Múltiple por División 1de Código). De estas dos, la técnica más popular es la del CDMA debido a que es capaz de manejar mayores transmisiones por frecuencia, puede generar velocidades de transmisión de datos más altas y transmisiones más seguras que el TDMA. Además, el sistema CDMA proporciona un control adicional de los niveles de potencia de transmisión, lo cual permite que una mayor vida a las baterías de los terminales celulares y menos interferencia entre cada celda.

Sin embargo, algunos sistemas analógicos todavía son utilizados internacionalmente debido a que muchas redes no han sido convertidas al formato digital. En muchos países es mucho menos costoso proporcionar servicios celulares que servicios alámbricos. Los sistemas analógicos internacionales son el NMT (Telefonía Móvil Nórdica) y el TACS (Sistemas de Comunicación de Acceso Total), los cuales se emplean en su mayoría fuera de Europa.

Ahora, en cuanto al estándar digital más usado internacionalmente, se tiene el GSM. Este estándar europeo ha sido adoptado por muchas regiones del mundo incluidas algunas zonas de los Estados Unidos. El GSM proporciona una solución celular netamente digital a través de su interfase aérea TDMA. Existen diferencias entre el GSM Norteamericano y el global. Estas diferencias son básicamente el número de transmisiones por canal (8 para el GSM global y 2 para el de Estados Unidos) y el espaciamiento en frecuencia entre canales.

Lo primero que se debe saber sobre una red celular es que se diseña dependiendo del mercado. Es decir, el número de personas con un equipo móvil y la zona geográfica donde estos se encuentran, define el tipo de red celular a ser instalada. En la industria inalámbrica, las áreas de cobertura se conocen como áreas estadísticas metropolitanas (MSA) y áreas estadísticas rurales (RSA). Está permitido que dos portadores proporcionen servicios celulares dentro de cada MSA o RSA. Esto significa que las frecuencias se asignan a ambos portadores en bloques. Los dos bloques de frecuencia dentro de un área de mercado se etiquetan como sistema A o sistema B. Los teléfonos celulares deben estar en la capacidad de poder trabajar en ambos sistemas sin importar la tecnología de esa red. Es decir, si el sistema A es una red AMPS analógica y el sistema B es una red CDMA, los usuarios podrán utilizar sus teléfonos en ambos sistemas.

Dentro de cada bloque de frecuencia existen 21 canales de establecimiento o control. Estos canales funcionan en dos modos hacia delante y en reversa. El canal hacia delante se utiliza para reconocer el estado de la unidad móvil mientras que el reverso lo utiliza la unidad móvil para solicitar una llamada. Cuando un teléfono celular se prende inmediatamente buscará dentro de los 21 canales de control la señal de mayor potencia. Cada canal de control se encuentra asociado con una zona celular. Cuando la unidad móvil determina que señal es la de mayor potencia envía una solicitud de llamada al sitio celular por su canal de control. Así, el sitio celular determinará cuál canal de voz se encuentra disponible y se lo asignará a ese terminal celular asignándole una frecuencia. Entonces, si se realiza una llamada por ese teléfono celular, la voz se conectará a la central por medio de esa frecuencia asignada.

El corazón de las redes celulares es el MSC (Mobile Switching Center), el cual se encarga de administrar el enrutamiento de las llamadas dentro de la red. También controla los handoffs y los accesos a ciertas características de los sistemas y accesos a las bases de datos de la red. Existe un MSC por cada MSA o RSA. El MSC también se encarga de coordinar los cambios de un sitio celular a otro, también envía alertas a los teléfonos móviles, registra los momentos en que cada celular es prendido y administra las conexiones con la red PSTN.

Todos los MSC proporcionan acceso con el HLR que es una base de datos. Esta base de datos proporciona información acerca de todos los usuarios de una misma área local. El teléfono celular está suscrito con un número serial, un MIN (o identificación. En el sistema IDEN es conocido como IMEI ID) y el número telefónico celular. Toda esta información del equipo está almacenada en el HLR. Así, cada usuario debe pertenecer a una área local. De esta manera, cualquier llamada fuera de esta área necesitará de un servicio de roaming que puede ser proporcionada por la misma compañía u otro proveedor de servicio. Así, los datos del teléfono de un usuario y los servicios por los que paga se encuentran localizados dentro de la base de datos del área local asignada. Cuando un usuario viaja, la compañía que le brinda el servicio celular debe ser capaz de identificar el área local al que el usuario se ha movilizado. Esto también lo identifica a través del HLR.

Por otro lado, los MSA o RSA tienen acceso a un VLR. Esta es una base de datos de ubicaciones. El HRL solamente conoce el último que da servicio a un usuario. Esta información permanece hasta que la actualiza el VLR que justamente se encarga de reconocer el último sitio donde el terminal móvil se ha ubicado para proporcionarle así el servicio de telefonía.

Entonces, el proceso de conexión de un terminal celular es el siguiente. Cuando un usuario realiza una llamada telefónica, el proveedor del servicio de telefonía enrutará la llamada a su MSC de su área local. El MSC consultará con su base de datos la última localización del usuario cuando hizo la última llamada. Luego, el MSC buscará en el HRL donde se encuentra el MIN de ese terminal celular. En caso de no encontrar el MIN en su base de datos, entonces se pasará a examinar el VLR. Este VLR identificará si el teléfono se encuentra activo en esa red y en caso que sea positivo buscará el sitio celular que se encuentra dando servicio al teléfono del usuario. En caso de que el usuario no esté utilizando su equipo, el VLR estará eliminando la última información adquirida sobre la situación de ese terminal. Así, mientras el teléfono celular se encuentre inactivo periódicamente estará enviando una señal al sitio celular para hacer saber que todavía se encuentra activado. Dentro de esta señal se encuentra el MIN, de forma tal que el VLR almacenará esa información periódicamente. El VLR es una base de datos dinámica, es decir almacena y borra información constantemente.

Un sitio celular se compone básicamente de dos partes, el BSC (Base Station Controller) y el BTS (Base Transceiver Subsystem). El BTS es el transceptor de radio y las antenas utilizadas en una zona. La combinación entre antenas y transceptores se conoce como BSS (Base Station Subsystem). Las antenas se encuentran conectadas en un sistema que les permite conmutarse a diferentes transceptores. Esto es controlado por el BSC.

Con la ayuda de la antena de sitio celular se logra la unión con los transceptores de la estación base. Los transceptores son utilizados para transmitir y recibir llamadas vía aérea. Cada transceptor puede soportar una o múltiples transmisiones por frecuencia, según sea la tecnología de la interfaz aérea. Así, la interfaz aérea se encuentra entre el BTS y el teléfono celular. La interfaz aérea puede ser analógica o digital. Esto significa que si un teléfono celular puede utilizar ambas intefases esta trabajando en modo dual.

1.2.1. Establecimiento de la llamada

El paso principal para realizar una llamada o recibirla es registrarse con la red. Cuando se activa un teléfono celular, este envía una señal hacia la red celular. Esta señal posee información de registro, la cual es almacenada en el VLR y el HLR del área de servicio. Así, el registro se envía al MSC, el cual administra el registro de todos los teléfonos celulares en su red. El MSC examina el MIN para determinar si ese equipo debe tener línea activada o no. Luego, el MSC envía un mensaje al VLR. Este actualiza su información creando un registro para el MIN identificado. El VLR identifica la posición del equipo con el MIN indicado e informa al HLR del lugar y solicita un perfil de servicio que se utilizará para el nuevo registro.

Entonces, cuando se marca un número de teléfono celular el código de estación de ese número indica el MSC que se encuentra registrado en el MSC local para el suscriptor. Ahí el MSC debe determinar cómo enrutar la llamada. Cuando el MSC recibe la llamada deber verificar los primeros números generados y consultar con su HRL. El HRL identificará el último MSC. Si el último MSC fue el MSC local el MSC puede consultar el HLR para determinar exactamente en cuál celda se encuentra ahora el teléfono celular. Si está registrado en otro MSC, el MSC local debe transferir la llamada hacia el MSC de servicio.

Antes de realizarse la transferencia el VLR del lugar consulta con el MSC que está en servicio para determinar como se debe conectar la llamada. Luego, el VLR recibe un número de directorio local temporal llamado TLDN (Temporary Local Directory Number). Este TLDN se introduce en el VLR, el cual actualizará el HLR para futuras llamadas.

El VLR en el área visitada identificará cuál celda es a la que se encuentra solicitando el servicio y determinará si esta está activa o inactiva. Si está activo el MSC envía una señal hacia el BSC solicitando que el teléfono celular sea buscado. Luego, la señal de búsqueda enviada al celular le dirá al terminal que frecuencia usar. Cuando el teléfono receptor recibe la señal de búsqueda se conmuta a la frecuencia establecida y envía la confirmación a su BTS que lo reenvía a su BSC, de forma que la llamada se enruta a través del MSC.

3.0. Arquitectura y Protocolos de Red Celular.

3.1. Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA)

La tecnología TDMA, permite a los operadores de red celular multiplexar transmisiones múltiples sobre una frecuencia de radio. Esto proporciona un mayor soporte de suscriptor utilizando el espectro de frecuencias disponibles.

En Estados Unidos la tecnología AMPS y la TDMA deben ser compatibles para que los teléfonos celulares puedan operar automáticamente en “modo dual” (modo analógico y modo digital).

Actualmente, TDMA soporta tres (3) transmisiones digitales sobre una frecuencia, lo cual es bastante para un limitado espectro de frecuencias. Asimismo, el estándar de TDMA define un soporte de diez (10) transmisiones por frecuencia, pero no ha sido probado en ninguna red celular.

En redes GSM, la tecnología TDMA se encuentra dividida en ocho (8) ranuras de tiempo (en lugar de tres), esa es la razón por la que GSM puede soportar un mayor número de suscriptores por canal de voz.

La razón de la diferencia es que el espaciamiento de los canales de AMPS es de 30 Khz. Y en las redes GSM es de 200 Khz.

En el momento que un teléfono celular solicita servicio desde un sitio celular, dicho “sitio” identifica la frecuencia a la que el teléfono transmite y la brecha de tiempo que utilizará, de este modo se le asigna esta brecha de tiempo al teléfono celular y no será utilizada por ningún otro teléfono de la misma celda.

El teléfono celular no transmite mientras su brecha de tiempo no este disponible, este procedimiento se conoce como “Transmisión por ráfagas”.

El estándar que define a TDMA fue dado por EIA/TIA y es conocido como IS-54, pero actualmente el nuevo estándar es el IS-136 que soporta servicio macro celular para una cobertura geográfica grande con baja cantidad de suscriptores.

También soporta procedimientos para redes inalámbricas fijas usando teléfonos fijos y terminales de datos.

Asimismo, dicho estándar soporta la interacción irrestricta con las redes AMPS ya que estas últimas operan a 900Mhz. Y las TDMA en un intervalo de hasta 2 Ghz.

También el nuevo estándar integra mayores características a los teléfonos celulares como el indicador de mensaje de espera en el aparato, identificador de llamadas, capacidad de localizador alfanumérico y/o envío de mensajes y modo de suspensión.

Finalmente el hecho por que dicha tecnología no se difundió más es porque se debate la interferencia de dichos teléfonos con otros equipos electrónicos como sistemas de navegación aérea, auxiliares de audición y posiblemente con algunos marcapasos (RFI, Radio Frecuency Interference).

La interferencia se debe a que dichos equipos utilizan cristales en sus circuitos los cuales oscilan a frecuencias que son utilizadas por el teléfono y se produce la interferencia, hecho que no sucede en los teléfonos de tecnología CDMA

3.2. Acceso Múltiple por División de Código (CDMA)

En CDMA varias frecuencias se envían sobre la misma frecuencia sin multiplexado, en su lugar se agrega un código único para cada transmisión. De este modo los aparatos reciben todas las transmisiones, decodifican cada una y hallan el código correcto. A esta tecnología de dispersar frecuencias por todo el espectro se le conoce como Dispersión espectral.

Las ventajas de CDMA son:

• Contempla un método de control de energía diseñado para el ahorro de la batería y para ayudar a que no hayan interferencias con otro canal. Así se establece una comunicación con el sitio celular receptor y el teléfono para mantener los niveles de potencia constantes y los mas pequeños posibles.

• En CDMA NO se emplean cristales, los cuales al oscilar crean problemas de RFI potenciales para otros equipos electrónicos.

• El handoff (pase entre celdas) es el convencional (fuerte) con uno suave adicional. Cuando el teléfono cruza la frontera de una celda, la celda original continua proporcionando servicio al teléfono. La nueva celda se activa y el teléfono funciona en ambos sitios celulares hasta alcanzar la suficiente intensidad de señal que la nueva celda pueda tomar.

• No hay degradación notable de la calidad de transmisión durante el handoff, lo cual es critico en la transmisión de datos.

• CDMA soporta servicios de datos, conmutación de paquetes y la integración de datos empaquetados digitales celulares(CDPD).

La desventaja de CDMA ante la presencia de equipos AMPS es la gran interferencia originada en los equipos CDMA, problema que ha sido ya rectificado.

3.3. Sistema Global para Comunicaciones Móviles GSM.

La primera red GSM fue implementada en Alemania en 1992. Debido al éxito que tuvo en esa época el desarrollo del ISDN y su posible implementación en redes inalámbricas, es que GSM se tuvo que implementar como una red digital. Así, el GSM se implementó en sus inicios en base a la señalización en base a la tecnología SS7.

El GSM presenta varias características importantes como las llamadas en espera, identificación de la llamada, retención de llamada, llamadas en conferencia y velocidades de datos de 2400 hasta 9600 bps.

Por otro lado, existen tres tipos diferentes de entidades celulares que utilizan GSM. Estas entidades son equipos terminales fijos, portátiles o de mano. La estación móvil fija es aquella que se encuentra instalada permanentemente sobre un automóvil, estas consumen hasta 20 W con lo que se logra obtener una cobertura mayor pero, con un riesgo de interferencia mayor también. Una estación portátil viene a ser un teléfono de maletín, el cual es un poco más grande que los teléfonos de bolsillo y permanecen instalados dentro del maletín funcionando hasta con 8 Watts de consumo. Finalmente, las estaciones móviles son los teléfonos celulares más pequeños y que consumen menos potencia (alrededor de 2W).

Una característica típica de los teléfonos celulares que utilizan GSM es la tarjeta SIM. Esta tarjeta viene a ser un dispositivo pequeño que se inserta en una ranura especial dentro del equipo. Toda la información que el usuario graba en su equipo, tal como directorio, llamadas recibidas, llamadas enviadas, etc. es almacenada en la tarjeta SIM. Así también la línea se encuentra reconocida en la tarjeta, de forma tal que al intercambiar la tarjeta SIM de un equipo a otro la línea o número telefónico de dicho equipo se traslada al otro terminal. Además, las redes GSM proporcionan un sistema de seguridad que permiten desactivar la línea de un equipo celular cuando este ha sido robado.

3.4. Servicios de Comunicaciones Personales (PCS)

PCS no es una nueva tecnología, la innovación está en que ahora es una nueva característica de los servicios celulares.

Puesto que los proveedores de celulares ya han saturado los segmentos de mercados, a los cuales también apuntan los PCS, ofreciendo llamadas gratuitas durante los fines de semana y teléfonos celulares gratis (a cambio de contratos extendidos o tarifarios). Es por esto que ahora los proveedores de PCS, si quieren competir con los de redes celulares, deben primero construir sus redes para posteriormente ofrecer la misma cobertura con características extendidas. Y para esto no podrán tomarse tanto tiempo como las redes celulares, que han dedicado 10 años a la construcción de sus redes. Las redes PCS deben ser capaces de competir con las redes celulares desde el primer día en que se active la red.

Las tecnologías candidatas para PCS son TDMA, CDMA, y GSM, digitales en su totalidad.

La principal diferencia entre PCS y las redes celulares estará en los servicios que brindan, por ejemplo, los servicios de seguimiento por localizador (paging), que tendrán la única diferencia en los celulares PCS. Cuando se reciba un mensaje alfanumérico, se podrá elegir entre recibir el mensaje o conectarse con la persona que envió el mensaje, mientras que la persona que llama se mantendrá el línea mientras usted decide entre conectarse o simplemente recibir el mensaje.