Telefonía Móvil Celular (0 a 4G LTE-Advanced)

Ing. Fernando Mendioroz, MSc. (c.)
Dr. Ing. Álvaro Rendón Gallón
Popayán, 2014
Universidad del Cauca
Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones
Departamento de Telemática

 Fundamentos de Telefonía Móvil Celular
 Historia.
 Conceptos generales: celda, reúso de frecuencias, interferencia, traspaso,
sectorización.
 Trunking, grado de servicio, tráfico (Erlang B y C), sectorización, esquemas de
codificación y modulación.
 Técnicas de acceso múltiple.
 Telefonía Móvil Celular Digital de 2° Generación: GSM
 Telefonía Móvil Celular Digital de 3° Generación: UMTS
 Telefonía Móvil Celular Digital de 4° Generación: LTE/LTE-Advanced

Historia: Comienzos
 Comunicación inalámbrica
 Señales de humo;
 Semáforos (Telegrafía Óptica).
 Redes privadas de telefonía móvil
 1921: Detroit (USA), Policía;
 1934: Funcionamiento con modulación AM.
 Sistema público (Generación 0: 0G)
 MTS: Mobile Telephone Service (AT&T);
 1946, Saint Louis (USA), aprox. 5000 usuarios;
 FM, VHF, 6 canales semi-dúplex;
 Asistido por operadora;
 1964: IMTS (Improved MTS)
 VHF/UHF, 9-12 canales dúplex;
 Un solo transmisor central de gran potencia;
 Antenas a buena altura para mayor cobertura;
 Eliminó la necesidad de operadores: digitado por
parte del cliente (customer dialing).
Telégrafo óptico
(revolución francesa)
Trigild Gemini 2, modelo
DM1-TP13 (IMTS)

Sistemas Analógicos (1G)
 Década de 1970
 Exploración de primera generación (1G) de radio móvil en
Bell Labs;
 Primer sistema celular: TZ-801/803, de NTT (Nippon
Telegraph and Telephone), Japón 1979. Desventaja: alto
consumo de espectro radioeléctrico.
 Década de 1980
 NMT-450: Sistema Nórdico de Telefonía Móvil (Nordic
Mobile Telephone System). Sistema analógico
implementado en Finlandia, Suecia, Noruega, Dinamarca a
partir de 1981. Transmitía con modulación FM para voz y
FFSK para señalización. Operaba en el rango de 450 MHz.
Primer sistema con itinerancia (roaming) y handover;
Nokia Talkman 620 (NMT450)

 Década de 1980
 AMPS: Sistema Avanzado de Telefonía Móvil (Advance Mobile Telephone
System) desarrolla en Bell Labs (USA) y especificado originalmente por
American National Standards Institute (ANSI) como EIA/TIA/IS-3 (1982), luego
EIA/TIA-553. Sistema analógico que operaba en el rango de 850 MHz con
modulación FM para el canal de voz de 30 KHz y FSK a 8 KHz para señalización.
 TACS: Sistema de Comunicación de Acceso Total (Total Access Communication
System). Sistema analógico desarrollado por Vodafone y Cellnet en las
instalaciones de General Electric (luego Motorola) en Lynchburg, Virginia, USA.
Constituye a grandes rasgos una variante de AMPS. Luego se terminó
produciendo en el Reino Unido de Gran Bretaña bajo la denominación ETACS
(1985). Operaba en el rango de 900 MHz con modulación FM para el canal de
voz de 25 KHz y FSK a 6.4 KHz para señalización.
 JTACS (Japan Total Access Communication System). Variante japonesa de TACS.
 RC-2000 (RadioComm): Francia, 1985

Historia: Sistemas Analógicos (1G)

 Terminales
Martin Cooper: «Padre» del teléfono móvil.
«Sistema radioteléfono» (1973).
Motorola DynaTAC 8000X
 Año: 1983.
 Diseño: Rudy Krolopp.
 Primer sistema comercial.
 Precio: U$S 4.000.

Sistemas Digitales (2G)
 Década de 1980
 1982: Exploración de segunda generación inalámbrica CT-2.
 1983: Exploración de tecnología de segunda generación digital GSM
(Groupe Spécial Mobile, luego Global System for Mobile
Communications).
 1985: Exploración de tecnologías inalámbricas PBX (Private Branch
eXchange) y DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone).
 1988: Inicio del desarrollo de GSM.
 1988: Inicio de D-AMPS (Digital AMPS), denominado como IS-54 (luego
también IS-136), especificado como ANSI/TIA/EIA-627. Popularmente
conocido como TDMA.
 1988: Exploración de tecnología CDMA (Qualcomm).

Sistemas Digitales (2G)
 Década de 1990
 1991: Lanzamiento de GSM, Europa.
 1993: Lanzamientos de PHS (Personal Handy-phone System,
China) y DCS 1800 (Digital Communication System 1800) (variante
de GSM de 900 a 1800 MHz).
 1993: Lanzamiento de PDC (Personal Digital Cellular), Japón.
 1993: Inicio del estándar IS-95 (CDMA), USA.
 1995: Remate de la banda PCS (Personal Communication System)
por la FCC (Federal Communication Committee), USA
 1995: Finalización de PACS (Personal Advanced Communication
System), USA.

Comparación de Sistemas Digitales (2G)
Sistema de telefonía digital de 2° Generación
Características GSM IS-54 JDC IS-95
Región Europa/Asia U.S.A. Japón U.S.A./Asia
Método de acceso TDMA/FDD TDMA/FDD TDMA/FDD CDMA/FDD
Esquema de modulación GMSK π/4-DQPSK π/4-DQPSK SQPSK/QPSK
Banda de frecuencia
(MHz)
935-960
890-915
869-894 / 824-849
1477-1489 / 1429-
1441
1501-1513 / 1453-
1465
810-826
840-856
869-894
824-849
Espacio entre portadora
(KHz)
200 30 25 1250
Canales/portadora 8 3 3 Variable
Tasa de bit por canal
(Kbps)
270.833 48.6 42.0 1228.8
Codificación de voz
13 Kbps
(ley A)
8 Kbps (ley µ)
8 Kbps
(ley µ)
1-8 Kbps
(ley µ)
Duración de trama (ms) 4.615 40 20 20

Movilidad y Acceso a Redes de Datos (GPRS/EDGE) -2.5G
La incorporación de GPRS (General Packet Radio Services) implementada en
redes GSM (especificado en la norma 3GPP TS 23.060), acercó la movilidad
del Protocolo de Internet (IP) e Internet en sí al usuario de la telefonía móvil.
GPRS introduce dos nodos adicionales, los cuales componen la denominada
red de paquetes conmutados o Packet Switched Core Network (PS CN), a
través de los cuales la red puede establecer una conexión entre una estación
móvil y una red de paquetes o PDN -Packet Data Network- (por ejemplo:
Internet) a saber: SGSN y GGSN (a describir más adelante en este
documento).
Si bien GPRS brindó conectividad a Internet al usuario de telefonía móvil, no
resultó ser la solución óptima o final. Se implementa consecuentemente la
tecnología EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution), cuyo objetivo fue
mejorar la velocidad de transferencia de datos por paquetes.

Tercera Generación (3G)
El breve resumen anterior de tecnologías digitales de segunda generación de
telefonía móvil (2G), constituían por su variedad e incompatibilidad de metodología
de acceso, esquema de modulación, etc., un enorme problema global,
especialmente ante la imposibilidad de los operadores de brindar servicio de
roaming por fuera del área de cobertura de la red nativa del suscriptor.
Ante este panorama, se tornó evidente que la tercera generación de telefonía móvil
debía converger hacia un estándar común. Entonces, bajo el amparo de la ITU se
crea el IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) como el estándar
global para telefonía móvil de tercera generación.
IMT-2000 constituye entonces el resultado de la colaboración de diferentes cuerpos
y apunta a la provisión de acceso de servicios de telecomunicaciones utilizando
enlaces de radio, incluyendo redes terrestres y satelitales. De IMT-2000 sobrevienen
los estándares 3GPP (Third Generation Partnership Project) y 3GPP2 (Third
Generation Partnership Project 2).

Las especificaciones 3GPP nacen en 1998 de la convergencia técnica de
grupos de colaboración de diferentes regiones o socios organizacionales,:
 ETSI (European Telecommunications Standards Institute) de Europa:
www.etsi.org
 ARIB (Association of Radio Industries and Business) de Japón: www.arib.org.jp
 CCSA (China Communications Standards Association) de China:
www.ccsa.org.cn
 T1 Committee de los Estados Unidos de América: www.t1.org
 TTA (Telecommunications Technology Association) de Corea del Sur:
www.tta.or.kr
 TTC (Telecommunications Technology Committee) de Japón: www.ttc.or.jp

3GPP constituye entonces un conjunto de especificaciones y reportes técnicos (TS -
Technical Specifications; TR - Technical Reports) para el sistema 3G de telefonía móvil
basado en el sistema digital 2G dominante a nivel mundial a la fecha, es decir, GSM.
Así como 3GPP asciende a modo de evolución de las especificaciones propias del sistema
GSM hacia un sistema de telefonía celular de tercera generación, 3GPP2 surge de forma
de evolucionar las redes de acceso de radio americanas y asiáticas basadas en los
estándares ANSI/TIA/EIA-41 y cdma2000 hacia un sistema 3G. Los socios organizacionales
de 3GPP2 son los mismos de 3GPP, más la TIA (Telecommunications Industry Association).
Aparte de los socios organizacionales anteriormente mencionados, se despliegan socios
representativos del 3GPP y 3GPP2, de modo de converger necesidades de diferentes
mercados. Estos socios incluyen el UMTS Forum, 3G Americas, GSM Association (GSMA),
el TD-SCDMA Forum, IPv6, entre otros.
La evolución de los sistemas de telefonía móvil de acuerdo a los estándares 3GPP se
denomina Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles o UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System).

Convergencia a todo IP: Cuarta Generación (4G)
La constante evolución tecnológica y la convergencia de los servicios
de telecomunicaciones han desplazado la telefonía móvil hacia el
modelo conocido como LTE (Long Term Evolution) LTE-Advanced.
Especificada a partir del Release 8 de 3GPP, LTE ha sido diseñado para
una arquitectura enteramente basada en paquetes de datos, de modo
de brindar conectividad totalmente IP a los equipos de usuario móvil o
UE (User Equipment) y la red de paquetes de datos o PDN (Packet Data
Network), sin interrupción posible sobre las aplicaciones del usuario
por su movilidad, de modo de acceder a servicios como el de voz sobre
IP (por ejemplo, vía los populares servicios de Skype, WhatsApp, Viber,
etc.), descargar un archivo vía FTP, acceder a una página web vía HTTP,
etc.

Convergencia a todo IP: Cuarta Generación (4G)
Al igual que con lo sucedido con el advenimiento de UMTS, con el fin
de proveer mayor velocidad de transmisión de datos, LTE constituye en
primer lugar una evolución importante en la red de acceso
radioeléctrico, la cual comprende una afinación de las técnicas de
acceso y modulación empleadas.
También dicha evolución abarca propiedades envueltas bajo el
concepto de evolución arquitectónica del sistema o SAE (System
Architecture Evolution), el cual comprende la red de paquetes
evolucionada o EPC (Evolved Packet Core), totalmente basada en el
protocolo IP. Conjuntamente, LTE y SAE comprenden el sistema
evolucionado de paquetes o EPS (Evolved Packet System)

Evolución Telefonía Móvil 1G-2G-3G-4G
Analógico Digital
Digital
Banda Ancha
Digital
Banda Ancha
Multimedia
(9,6-14,4 Kbps) 384 Kbps-2 Mbps
100 Mbps- 1 Gbps
AMPS
(E)(J)TACS
NMT-450
TZ-80x
GSM
DAMPS
PDC
JDC
cdmaOne
1979…
UMTS
cdma2000
LTE
LTE-A
1990… 2000… 2011…

Evolución Telefonía Móvil Digital 2G-3G-4G

Características Generales
 Extensión del servicio de telefonía
convencional fija a abonados móviles.
 No es posible su conexión permanente a una
central de conmutación.
 Requiere enlaces radioeléctricos.
 Primeros diseños:
 Amplia área de cobertura usando una antena elevada
transmitiendo a alta potencia:
 Gran cobertura
 Baja capacidad
 Ineficiencia espectral
Cualquier intento de reutilizar
frecuencias resultaba en interferencia…

 Gran capacidad de abonados;
 Calidad telefónica similar al servicio telefónico
convencional;
 Utilización eficaz del espectro de radiofrecuencia;
 Gran movilidad;
 Conmutación automática de canales;
 Capacidad de expansión;
 Poder constituir una red de comunicaciones
completa en sí misma;
El sistema de telefonía celular móvil debe cumplir con los siguientes
objetivos generales:

 Redistribución geográfica ⇒ reúso de frecuencias;
 Movilidad;
 Redistribución del método de cobertura (“Cell Splitting”);
 Traspaso (“Handoff” o “Handover”);
 Itinerancia o Roaming;
 Mayor complejidad.
Las principales diferencias del sistema de telefonía celular comparado
con otros sistemas de difusión de señales de radiofrecuencia (TV,
radio, WLAN, etc.), comprenden las siguientes:

El concepto “celular”
 Reemplaza la antena transmisora de alta potencia para amplia cobertura por
muchas estaciones transmisoras de baja potencia (radiobases), cada una
proveyendo el servicio a una pequeña porción (célula o celda) dentro del área total
de cobertura.
 A cada radiobase se le asigna una porción del total de canales disponibles en el
sistema ⇒ diferentes grupos de canales son asignados a radiobases vecinas de
modo que la interferencia en el enlace causada por transmisión desde radiobases
vecinas es minimizada.
 El total de canales son asignados a un número
relativamente pequeño de radiobases vecinas. Este
conjunto de celdas que agrupan la totalidad de los
canales del sistema se denomina “clúster”.
Acumulando varios clústeres es como se alcanza la
cobertura total del sistema celular.

 Mediante el sistemático espaciado de radiobases y sus grupos de canales, los
canales disponibles son distribuidos a través de la región geográfica de cobertura y
pueden reutilizarse cuantas veces sea posible, de manera de mantener la
interferencia co-canal debajo de límites aceptables.
 La forma hexagonal de la celda es un modelo conceptual y simplista del radio de
cobertura de cada radiobase.
 Aceptando que el área de cobertura real tiene una naturaleza amorfa, una forma
regular es necesaria para un diseño sistemático del sistema y adaptabilidad para
crecimiento futuro.
Forma amorfa real del
radio de cobertura de
las distintas radiobases.

Formas reales de las celdas:
(Eberspächer et al., 2009)

 Mientras parece natural elegir un círculo para representar el área de cobertura de
una estación radiobase, surge el inconveniente que círculos adyacentes no pueden
montarse en un mapa sin dejar espacios descubiertos o regiones de solapamiento.
 Se necesita entonces considerar formas geométricas que cubran un área completa
sin solapamiento y de áreas iguales: Triángulo
Cuadrado
Hexágono

 Para una distancia dada entre el centro del polígono y sus puntos perimétricos más
distantes, el hexágono tiene la mayor área ⇒ usando geometría hexagonal se
puede cubrir una región geográfica utilizando la menor cantidad de celdas posible.
 El hexágono además aproxima un patrón de radiación circular similar al dado para
una antena omnidireccional o, aproxima el contorno circular de igual potencia de
señal recibida cuando la transmisión es isotrópica en el plano horizontal.

 Los transreceptores de las radiobases son colocados en el centro de la celda
cuando se usan antenas omnidireccionales (típico de ambientes rurales) …
… o en tres de los seis vértices de la celda cuando se usan antenas direccionales
(típico zonas urbanas densamente pobladas). Consideraciones prácticas llevan a que
las antenas de las radiobases se posicionen dentro de un rango de un cuarto de radio
separadas de su ubicación ideal o teórica.

Clasificación de celdas según el tipo de cobertura
Satélite,
Itinerancia
(roaming)
Red Pública Terrestre de Telefonía Móvil
Public Land Mobile Network (PLMN)

Reúso de Frecuencias
 Considerar un sistema celular con un total de S canales dúplex disponibles.
 Si a cada celda se le asignan un grupo de k canales (k < S), y si los S canales
están distribuidos en N celdas en grupos de canales únicos y disjuntos, cada
celda con el mismo número de canales ⇒
S = k . N
 Las N celdas que colectivamente utilizan el set completo de canales de
radiofrecuencia es denominado clúster.
 Si un clúster es replicado M veces dentro del sistema de cobertura total, el
número total de canales dúplex C, puede usarse como una medida de la
capacidad del sistema y está dada por:
C = M . k . N = M . S

 El factor N se denomina tamaño de clúster.
 Manteniendo área de celda constante, a menor valor de N ⇒ mayor valor de M para cubrir
la misma área ⇒ mayor capacidad C
 Clúster más grande ⇒ menor relación entre radio de celda y distancia entre celdas co-canal
⇒ menor capacidad & menor interferencia co-canal.
 Clúster más pequeño ⇒ celdas co-canal más cercanas ⇒ mayor interferencia co-canal &
mayor capacidad.
⇒ El valor para N es función de cuanta interferencia puede tolerar una estación móvil o un
receptor manteniéndose dentro de un margen de calidad de comunicación.
⇒ Diseño: El menor valor posible de N es deseable de modo de maximizar la
capacidad para un área de cobertura dada (maximizando C entonces).
 Razón de reúso de frecuencia = 1/N, desde que cada clúster es provisto con sólo 1/N del
total de canales disponibles en el sistema.

Definición de enlaces
Estación
base
Estación
móvil
Downlink
(Forward link)
Uplink
(Reverse link)
890
Uplink Downlink
915 935 960
MHz
Localización del espectro:
Ejemplo, GSM 900:
2 bandas de 25 MHz cada una:
124 portadoras 124 portadoras

Problema:
 Número finito de canales de
comunicación.
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
124 canales
(uplink)
+
124 canales
(downlink)
Solución:
 Reúso de frecuencias.
 Celdas adyacentes
tienen conjuntos de
frecuencias disjuntos.
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
Canales 1-17
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
Canales 1-17
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
Canales 1-17
Canales 18-35
Canales 36-53
Canales 54-72
Canales 73-90
Canales 91-
106
Canales 107-
124
Canales 18-35
Canales 36-53
Canales 54-72
Canales 73-90
Canales 91-
106
Canales 107-
124
Canales 1-17
Canales 18-35
Canales 36-53
Canales 54-72
Canales 73-90
Canales 91-
106
Canales 107-
124
Canales 18-35
Canales 36-53
Canales 54-72
Canales 73-90
Canales 91-
106
Canales 107-
124

En la figura tenemos N = 7; 𝑣1 = 𝑣2 = 𝑅 3
Área del hexágono = 𝑣1 × 𝑣2 = 3𝑅2
sen 60°
El desplazamiento entre dos celdas usando las
mismas frecuencias puede ser expresado como
una combinación lineal de los vectores de reúso.
Dado que las regiones tienen la misma
periodicidad transicional que el paralelogramo
definido por 𝑈1 y 𝑈2 , el área de la región está
dada por:
𝑈1 × 𝑈2
𝑈1 = 𝑗1 𝑣1 + 𝑖2 𝑣2
𝑈2 = 𝑗2 𝑣1 + 𝑖2 𝑣2
⇒ 𝑈1 × 𝑈2 = 𝑗1 𝑖2 − 𝑗2 𝑖1 𝑣1 × 𝑣2
⇒𝑁 = 𝑗1 𝑖2 − 𝑗2 𝑖1
Esta área también viene dada por N veces
el área de una celda individual:

Para un arreglo simétrico de las celdas co-canal, algunas elecciones de los enteros 𝑖1,2 y 𝑗1,2
resultarán en que los vectores 𝑈1 y 𝑈2 serán iguales en magnitud y el ángulo entre ellos será de
60°. Esto resultará en un arreglo simétrico de las celdas co-canal, uniéndolas alrededor de un
círculo cuyo centro es cualquier celda de referencia.
Para patrones de reúso simétricos, sólo ciertos valores de N son posibles. Para hallar estos
valores, los coeficientes 𝑖2 y 𝑗2 son expresados en términos de 𝑖1 y 𝑗1 al proponer que 𝑈1 y 𝑈2
tengan magnitudes iguales, estando 𝑈2 rotado 60° en sentido contra reloj respecto de 𝑈1 . Esto
se logra con 𝑣2 rotado 60° respecto de 𝑣1 y que el vector 𝑣2 − 𝑣1 tenga la misma longitud que
𝑣1 y 𝑣2, y esté rotado 60° respecto de 𝑣2.
𝑈1 = 𝑗1 𝑣2 + 𝑖1 𝑣2 − 𝑣1 = −𝑖1 𝑣1 + (𝑖1 + 𝑗1) 𝑣2
Dado que 𝑈1 = 𝑗1 𝑣1 + 𝑖2 𝑣2 𝑦 𝑈2 = 𝑗2 𝑣1 + 𝑖2 𝑣2
⇒ 𝑖2 = 𝑖1 𝑦 𝑗2 = 𝑖1 + 𝑗1
De esta forma, se puede expresar 𝑈1 de la
siguiente manera:

Se verifica fácilmente que 𝑈1 es igual a 𝑈2 y el ángulo entre ellos es de 60°.
Sustituyendo estas expresiones para los coeficientes 𝑖2 y 𝑗2 en la ecuación
𝑁 = 𝑗1 𝑖2 − 𝑗2 𝑖1
tenemos para 𝑖 = 𝑖1 y 𝑗 = 𝑗1:
𝑵 = 𝒊 𝟐
+ 𝒊. 𝒋 + 𝒋 𝟐
Sustituyendo valores enteros para 𝑖 y 𝑗 en esta ecuación, nos dan los valores de N para
los que las celdas co-canal se ubican simétricamente en círculos alrededor de una
celda de referencia.
Estos valores de N son entonces: 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21,
etc.

Para hallar las celdas vecinas co-canal más próximas de una celda particular se deben
seguir los siguientes pasos:
1) Moverse i celdas a lo largo de cualquier cadena de hexágonos.
2) Girar 60° en sentido antihorario y moverse j celdas (en la figura: i=3; j=2; N=19)

 Definiendo 𝐷 = 𝑈1 = 𝑈2 , el área de un clúster puede ser
expresada en términos de 𝐷 a través de 𝑈1 × 𝑈2 = 𝐷2
sen 60° ,
mientras que el área de una celda es 𝑣1 × 𝑣2 = 3𝑅2
sen 60° .
 Dado que el área de un clúster en N veces el área de una celda:
𝑁 =
𝑈1 × 𝑈2
𝑣1 × 𝑣2
=
1
3
𝐷
𝑅
2
 La relación entre el radio de cobertura de la celda 𝑅 y la distancia 𝐷 a
una celda co-canal, queda expresada entonces en función del tamaño
de clúster según:
𝐷
𝑅
= 3𝑁

Interferencia & Capacidad del Sistema
 Interferencia: factor limitante de los sistemas celulares de
radio.
 Interferencia:
 En canales de voz ⇒ Cross-Talk (superposición del habla).
 En canales de control ⇒ llamadas bloqueadas o perdidas
debido a errores en la señalización digital.
 Fuentes de interferencia:
 Otra estación móvil en la misma celda;
 Llamada en progreso en celda vecina;
 Radiobases operando en la misma banda de frecuencia;
 Otro sistema no-celular inadvertidamente derramando
energía en la banda de frecuencia celular.

Interferencia & Capacidad del Sistema
 Los dos tipos de interferencia mayores generadas por el
mismo sistema celular son:
 Interferencia co-canal;
 Interferencia de canal adyacente.
 Interferencia → difícil de controlar:
 Efectos de la propagación aleatoria.
 Interferencia de usuarios fuera de banda por sobrecarga
de equipamiento y productos intermitentes y de
intermodulación.
 Interferencia entre sistemas competidores (radiobases de
empresas competidoras ubicadas muy próximas de
modo de tener coberturas comparables).

Interferencia co-canal
 Celdas co-canal ⇒ celdas dentro de un área total que utilizan el
mismo set de frecuencias:
 Interferencia co-canal:
 Interferencia entre señales de celdas co-canal.
 Solución para combatir ruido térmico:
 Aumentar relación S/N (aumentando potencia de portadora)
 En sistemas celulares esto no sirve para combatir la interferencia
co-canal.
 Solución dada por el diseño geométrico:
 Separación de celdas co-canal deben estar dadas por una
distancia mayor a una mínima para proveer una relación señal a
interferencia (S/I) suficiente para mantener una calidad de
comunicación aceptable.

 Hipótesis:
• Áreas de celdas aproximadamente iguales
• Radiobases transmitiendo con igual potencia
⇒ Interferencia co-canal independiente de la potencia transmitida y se
vuelve función del radio de la celda 𝑅 y de la distancia entre centros de
celdas co-canal más próximas ( 𝐷). Hipótesis:
 Aumentando 𝐷
𝑅⇒
 Parámetro 𝑄 = razón de reúso co-canal:
𝑄 =
𝐷
𝑅
= 3𝑁
Aumenta separación espacial entre celdas co-canal
relativa a la distancia de cobertura de cada celda.
Interferencia reducida por aislación aumentada de
energía de RF desde la celda co-canal.

 Ejercicio: Para un tamaño de clúster N = 7, y radio de celda R = 3 Km.,
calcular la distancia de reúso:
𝐷 = 𝑅 3𝑁= R.Q
⇒ 𝐷 = 3 3.7
⇒ 𝐷 = 13,748 Km
Para un tamaño de clúster
de N = 7, la mínima
distancia a la cual se
puede reusarla frecuencia
es aproximadamente
Q = 4,6 veces el radio de la
celda R.

 Q menor ⇒ tamaño de clúster N pequeño ⇒ Capacidad mayor.
 Q mayor ⇒ interferencia co-canal reducida ⇒ Mejor Calidad de
transmisión.
 Compromiso de diseño entre ambos objetivos: capacidad vs. calidad
de transmisión.

Considerando 𝑖0 el número de celdas interferentes
⇒ Relación Señal a Interferencia ( 𝑆
𝐼) para un receptor móvil dada por:
𝑺
𝑰
=
𝑺
𝒊=𝟏
𝒊 𝟎
𝑰𝒊
donde:
𝑆 = potencia de señal deseada desde la radiobase de interés.
𝐼𝑖=potencia interferente causada por la radiobase de la iésima celda interferente.
 La potencia recibida 𝑃𝑟 a una distancia 𝑑 de la antena transmisora se
aproxima por:
𝑷 𝒓 = 𝑷 𝟎
𝒅
𝒅 𝟎
−𝒏
↔ 𝑷 𝒓 𝒅𝑩𝒎 = 𝑷 𝟎 𝒅𝑩𝒎 − 𝟏𝟎𝒏 𝐥𝐨𝐠
𝒅
𝒅 𝟎
donde:
𝑃0 = potencia recibida en un punto de referencia a una distancia 𝑑0 de la antena
transmisora.
𝑛=coeficiente de pérdida de propagación o índice de rango.

 Considerar un enlace downlink (radiobase → móvil) donde la interferencia es
debida a radiobases co-canal .
→ si 𝐷𝑖 es la distancia al móvil del iésimo interferente, la potencia recibida en un
móvil dado debida al iésimo interferente será proporcional a 𝐷𝑖
−𝑛
:
 Si la potencia transmitida de cada radiobase es igual y el coeficiente de
pérdida es el mismo para toda la región de cobertura, la razón 𝑆
𝐼 para un
móvil puede aproximarse por:
𝑺
𝑰
=
𝑹−𝒏
𝒊=𝟏
𝒊 𝟎
𝑫𝒊
−𝒏
 Considerando sólo el grupo de celdas interferentes más cercanas (𝑖0 = 6), si
todas son equidistantes de la radiobase en cuestión, considerando distancia
entre 𝐷 entre centros de celdas vecinas, entonces,
𝑺
𝑰
=
𝑫
𝑹
𝒏
𝟔
=
𝟑𝑵
𝒏
𝟔
=
𝑸 𝒏
𝟔

 Ejemplo para sistema analógico AMPS:
 Canales FM de 30 KHz;
 Exigencia mínima de calidad en enlace de señal de voz (FM):
𝑆
𝐼
≥
18 𝑑𝐵
⇒
𝑆
𝐼
=
3𝑁
𝑛
6
≥ 18 𝑑𝐵
⇒ 𝑁 = 6,49 (𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑛 = 4)
⇒ 𝑵 = 𝟕 , requisito mínimo para cumplir con el requerimiento de
calidad del enlace de radiofrecuencia en FM (ejemplo obsoleto en
cuanto al uso de FM en telefonía móvil celular, pero aún
conceptualmente válido).

 Para un arreglo geométrico exacto, puede demostrarse, para un clúster
con 𝑁 = 7, con el móvil ubicado en el límite de la celda ⇒ el móvil está a
una distancia 𝐷 − 𝑅 de las 2 celdas co-canal más cercanas, y
exactamente 𝐷 + 𝑅
2 , 𝐷, 𝐷 − 𝑅
2, y 𝐷 + 𝑅 de las otras celdas interferentes
en el primer lazo de celdas:

 De acuerdo a la figura anterior entonces, asumiendo 𝑛 =
4, la razón 𝑆
𝐼 para el peor caso puede aproximarse por:
𝑆
𝐼
=
𝑅−4
2 𝐷 − 𝑅 −4 + 2 𝐷 + 𝑅 −4 + 2𝐷−4
 Expresando este resultado en función del factor de reúso
𝑄, la razón 𝑆
𝐼 para el peor caso queda entonces,
𝑆
𝐼
=
1
2 𝑄 − 1 −4 + 2 𝑄 + 1 −4 + 2𝑄−4

 Para 𝑁 = 7 ⇒ 𝑄 = 4,6 ⇒
la razón 𝑆
𝐼 𝑝𝑒𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑠𝑜 ≈ 17 𝑑𝐵 ≤ 18𝑑𝐵:
 Para 𝑁 = 7 ⇒ 𝑆
𝐼 está por debajo del requerimiento de calidad mínimo
para el peor caso posible ⇒ Se necesita entonces aumentar 𝑁 al tamaño
mayor siguiente, o sea, 𝑁 = 12 (𝑖 = 𝑗 = 2) (no se consideran valores nulos
de los coeficientes)
⇒Disminución de capacidad, desde que un patrón de reúso de 12 celdas ofrece
una utilización espectral de 1/12 por celda, mientras que para con un patrón de
reúso de 7 celdas se tiene una utilización espectral de 1/7 por celda. En la
práctica una reducción de 7/12 de capacidad puede no ser tolerable para
acomodar el sistema para una situación de peor caso que rara vez se da.
 Conclusiones: La interferencia co-canal determina la performance del
enlace, lo que termina dictando el plan de reúso de frecuencia y la
capacidad del sistema celular.

 Ejercicio: Comparar la interferencia provocada por el primer lazo de celdas
co-canal (𝑖0 = 6) con la interferencia provocada por los dos primeros lazos
de celdas co-canal (𝑖0 = 12). Considerar 𝑛 = 4.

 Solución:
 Del primer lazo
𝑆
𝐼
=
𝑆
𝑖=1
6 𝐼 𝑖
=
𝐷
𝑅
4
6
=
𝑄1
4
6
 Para los dos primeros lazos:
𝑆
𝐼
=
𝑆
𝑖=1
6
𝐼1 𝑖
+𝐼2 𝑖
=
1
6 𝑄1
−4
+𝑄2
−4
Para 𝑁 = 7 ⇒ 𝑸 𝟏 = 𝟒, 𝟔; para el segundo lazo 𝑄1 = 𝐷2
𝑅 ≈ 2𝐷1
𝑅 = 2𝑄1⇒ 𝑸 𝟐 = 𝟗, 2;
⇒
𝑆
𝐼 1°𝑙𝑎𝑧𝑜
= 18,72 𝑑𝐵
𝑆
𝐼 2°𝑙𝑎𝑧𝑜
= 18,46 𝑑𝐵
 Conclusión: la interferencia causada por las seis celdas interferentes del
segundo lazo es despreciable.

Interferencia del canal adyacente
 La interferencia de canal adyacente es aquella que resulta de
señales de frecuencias adyacentes a la señal deseada.
 Resulta del filtrado imperfecto en recepción, lo que permite a
señales con frecuencias cercanas “derramarse” en el ancho de
banda deseado.
 Se vuelve particularmente problemático cuando surge el efecto
“near-far” o cercano-lejano, cuando un móvil cercano a una
radiobase transmite en un canal adyacente a otro que está
siendo usado por un móvil lejano ⇒ la radiobase puede tener
problemas para discriminar el usuario deseado del “derrame”
causado por el móvil cercano de canal adyacente.

 Lo mismo ocurre con dos móviles con canales
adyacentes, pero ambos lejanos a la radiobase. Las
señales transmitidas por ambos pueden derramarse con
alta potencia en ambos receptores, que interferirán con
las señales deseadas transmitidas por la radiobase, las
cuales arriban con débil potencia debido al largo camino
de propagación.
 La interferencia de canal adyacente puede minimizarse
mediante buen filtrado y una adecuada estrategia de
asignación de canales.

 Entonces, en vez de asignar a cada celda en particular, canales
que forman una banda contigua de frecuencias, los canales se
asignan de modo que la separación espectral entre canales en
una determinada celda es maximizada.
 Esto se logra asignando canales adyacentes en la banda de
frecuencia a diferentes celdas en forma sucesiva ⇒ lo ideal es
entonces separar N anchos de banda los canales adyacentes en
una determinada celda, donde N es el tamaño de clúster.
 Incluso algunos esquemas evitan asignar canales adyacentes
entre celdas vecinas.
 De esto se evidencia que cuanto mayor N ⇒ menor interferencia
de canal adyacente.

 Ejemplo (interferencia de canal adyacente y efecto “near-far”):
 Considerar un móvil cercano a la radiobase en una relación 20:1
respecto a otro móvil lejano, que además derrama energía por fuera
de su ancho de banda.
 La razón 𝑆
𝐼 en la radiobase para el móvil lejano (previo filtrado) es
aproximadamente:
𝑆
𝐼 = 20 −𝑛
 Para un índice de rango de 𝑛 = 4, esto es igual a –52 dB.
 Si el filtro de FI en la BS tiene una pendiente de 20 dB/octava,
entonces el canal interferente más próximo debe estar separado al
menos seis veces el ancho de banda pasabanda de la frecuencia
central pasabanda del receptor para lograr una atenuación de 52 dB.

 Una separación de seis anchos de banda es necesaria
para filtros típicos para proveer una razón 𝑆
𝐼 de 0 dB
para un usuario cercano con canal adyacente.
 En la práctica, los receptores de las radiobases están
precedidos por filtros de parámetro 𝑄 de alto valor para
rechazar la interferencia de canal adyacente.

Control de Potencia
 Las radiobases controlan permanentemente la potencia transmitida
por cada estación móvil.
 Para esto existen un canales de control (normalmente uno por cada
celda) los cuales transportan mensajes cortos y en ráfagas.
 El control de potencia asegura que cada móvil transmita la mínima
potencia necesaria para mantener una buena calidad de señal en el
enlace, en el sentido móvil-radiobase (“uplink”).
 De este modo, no sólo se prolonga la carga en la batería de la
estación móvil, sino que además se reduce dramáticamente la razón
𝑆
𝐼 en el sentido inverso.
 En los sistemas que utilizan la técnica de acceso CDMA el control de
potencia se vuelve un tópico vital, debido a que el efecto near-far
impacta en gran forma la performance del sistema.

Traspaso: Handoff / Handover
Cuando una estación móvil se desplaza a una nueva celda mientras la llamada
está en progreso, el centro de conmutación móvil (MSC/MSCS/MME en
GSM/UMTS/LTE) y/o el centro de control de estaciones base (BSC/RNC/eNodeB
en GSM/UMTS/LTE) transfiere automáticamente la llamada a un nuevo canal o
código de comunicación perteneciente a la nueva estación radiobase (Handoff o
Handover).

 Los handoffs deben realizarse:
 exitosamente;
 lo menos frecuentemente posible;
 imperceptiblemente para los demás usuarios;
 prioritariamente a arribos de solicitud de llamada.
 Conociendo el umbral de nivel de señal para calidad de voz aceptable
en el enlace (típicamente -90 dBm o –100 dBm en radiobase), se
especifica entonces un nivel de señal un poco superior como el
umbral para el cual se inicia el handoff.
 El margen ∆= 𝑃𝑅−ℎ𝑎𝑛𝑑𝑜𝑓𝑓 − 𝑃𝑅−𝑢𝑚𝑏𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 de calidad no debe
ser ni muy chico ni muy grande:
 Δ muy grande ⇒ocurrencia de handoffs innecesarios.
 Δ muy chico ⇒puede ser insuficiente el tiempo para completar el
handoff antes de que se pierda la llamada por débil recepción.

Caso de handoff fallido
Caso de handoff exitoso

 La entidad controladora puede además fracasar en el traspaso por:
 sobrecarga computacional que deriva en retardo (usualmente
debido a alto tráfico).
 ausencia de canales libres en la celda a la cual se transfiere la
llamada.
Otros parámetros a controlar:
 Fluctuaciones rápidas de señal por desvanecimientos pueden
provocar handoffs innecesarios:
 Se monitorea la señal durante un intervalo de tiempo para
prevenir esta situación.
 Velocidad del móvil:
 A alta velocidad el handoff debe ser rápido (se monitorea
controlando la pendiente de la pérdida de potencia promedio).

Tipos de Handoff:
 Handoff intra-celda:
• Interferencia de banda angosta ⇒cambio de frecuencia portadora
• Controlado por la estación controlador de radiobases BSC/RNC, controlada a su
vez por el MSC(S).
 Handoff inter-celda, intra-BSC/RNC:
• Escenario típico
• La BSC/RNC controla el handoff, asigna canal nuevo en la nueva celda, libera canal
viejo en la celda vieja.
 Handoff inter-BSC, intra-MSC:
• Handoff entre celdas controladas por diferentes BSC/RNC.
• Controlado por el MSC(S).
 Handoff inter-MSC:
• Handoff entre celdas pertenecientes a diferentes MSC(S).
• Controlado por ambos MSC(S).
• Debe tenerse en cuenta ciertos escenarios:
 Una llamada local puede transformarse en larga-distancia.
 Debe existir compatibilidad entre los sistemas de ambas MSC(S).

Soft Handoff:
 Utilizados en sistemas basados en técnica de acceso CDMA (IS-95,
cdma2000, UMTS o WCDMA -3G-)
 Las comunicaciones entre radiobase y estación móvil se establecen a
través de dos canales distintos desde las radiobases de las celdas
contiguas en cuestión. Las señales de ambos canales son recibidas en
la estación móvil, debiendo el receptor generar el código respectivo
para cada señal.
 De este modo una nueva conexión es establecida antes de que la
conexión en curso sea cortada al moverse un usuario de una celda a
otra, por lo que la breve interrupción que existe durante un handoff
en los otros sistemas no sucede en sistemas de acceso CDMA.

Trunking y Grado de Servicio
 El concepto de «Trunking» en un sistema de radio celular
refiere a la posibilidad que tienen un alto número de usuarios
de compartir el número relativamente pequeño de canales de
radio disponibles en una celda al proveer acceso a cada
usuario, a demanda, de un conjunto de canales disponibles.
 En un sistema de radio troncal, los canales son asignados a
demanda; al terminar la llamada, el canal asignado a un
determinado usuario es liberado y retorna al estado de canales
disponibles.
 El sistema troncal explota el comportamiento estadístico de los
usuarios, de modo de acomodar una comunidad aleatoria
grande de usuarios a un número fijo de canales.

 Existe un compromiso entre el número de canales
disponibles y la factibilidad de no hallar canales
disponibles durante las horas pico para asignar a un
usuario que demande el uso de una troncal para
establecer una llamada.
 Cuando un usuario particular solicita el servicio de
llamada al sistema y todos los canales de radio están en
uso, el usuario es bloqueado, o se le niega el acceso al
sistema.
 En algunos sistemas, se utiliza una cola para retener a
aquellos usuarios demandantes, hasta que un canal
queda disponible.

Parámetros del Sistema Troncal
 Tiempo de establecimiento (Setup Time): Tiempo requerido
para asignar un canal de radio a un usuario determinado.
 Llamada bloqueada/perdida: Llamada que no puede
completarse durante el tiempo de establecimiento debido a
congestión.
 Tiempo de Holding: Duración promedio de una llamada típica.
Denotada mediante H (en segundos o minutos).
 Intensidad de Tráfico: Medida del uso temporal de un canal, la
cual es la ocupación de canal promedio medida en Erlangs.
Denotada mediante A.

 Erlang: Cantidad adimensional usada para medir el
tiempo de uso de uno o múltiples canales. Un Erlang
representa la intensidad de tráfico transportado por un
canal que está completamente ocupado. Por ejemplo, un
canal de radio que está ocupado 30 minutos durante una
hora, carga un tráfico de 0.5 Erlangs.
 Carga (Load): Intensidad de tráfico (medido en Erlangs) a
lo largo del sistema troncal completo.

 Grado de Servicio GOS (Grade of Service): Una medida de
la congestión, la cual es especificada como:
 La probabilidad de que una llamada sea bloqueada
(modelo Erlang B);
 La probabilidad de que una llamada sea puesta en
espera más allá de un cierto intervalo de tiempo
(modelo Erlang C).
 Tasa de llamadas (Request Rate): Cantidad promedio de
llamadas solicitadas por unidad de tiempo. Denotada
mediante λ.

Tráfico
 La intensidad de tráfico ofrecida por cada usuario es igual al
producto de tasa de llamadas por el tiempo de holding. Esto es, cada
usuario genera una intensidad de tráfico A (Erlangs) dada por:
𝐴=λ.H
 Para un sistema que contiene U usuarios y una cantidad de canales
no especificada, la intensidad de tráfico total ofrecida AT, está dada
como:
𝐴 𝑇=U.A
 Más aún, en un sistema troncal de C canales, si el tráfico es
igualmente distribuido a través de dichos canales, la intensidad de
tráfico por canal entonces, está dada por:
𝐴 𝐶=
U.A
𝐶

Tráfico
 Es importante notar que el tráfico ofrecido no es necesariamente el
tráfico que es transportado por el sistema troncal. Cuando el tráfico
ofrecido excede la máxima capacidad del sistema, el tráfico
transportado se torna limitado por esta limitación (i.e.: número finito
de canales).
 El máximo tráfico transportado posible es el número total de canales,
C, en Erlangs. Por ejemplo, para un GOS de 2% de probabilidad de
bloqueo, esto implica que las locaciones para ambientes celulares
son designadas de forma de que 2 de cada 100 llamadas estarán
bloqueadas durante las horas pico debido a la ocupación de los
canales.
 Las dos clases preponderantes en cuanto a sistemas de radio
troncales son las denominadas «llamada perdida eliminada» o LCC
(Lost Call Cleared) y «llamada perdida demorada» o LCD (Lost Call
Delayed).

Tráfico
 En los sistemas LCC no se provee una cola de llamada en espera para
solicitud de llamada entrante.
 Cuando un usuario solicita el servicio, existe un tiempo de establecimiento
mínimo (Setup time) y si hay un canal disponible se le da acceso al servicio
en forma inmediata.
 Si todos los canales están ocupados, la llamada es bloqueada, no
permitiendo el acceso al sistema. El usuario no accede al servicio, quedando
libre para intentarlo más tarde.
 Se asume que el arribo de llamadas obedece a una distribución de
probabilidad de Poisson, asumiendo también que existe una cantidad casi
infinita de usuarios.
 La fórmula Erlang B describe el grado de servicio (GOS) como la probabilidad
de que una llamada de un usuario arbitrario sea bloqueada en un sistema
LCC.
 El tiempo entre llamadas sucesivas de un usuario bloqueado es un proceso
aleatorio y se asume que obedece a una distribución de probabilidad de
Poisson.
 Este modelo es adecuado para un sistema amplio con muchos canales y
muchos usuarios con patrones de llamada similares.

Tráfico: Modelo Erlang B
El modelo Erlang B se basa en las siguientes suposiciones básicas:
 Las solicitudes de llamada son inmemoriales ⇒ todos los usuarios (incluyendo los
bloqueados), pueden solicitar un canal en cualquier momento.
 Todos los canales libres están completamente disponibles para proveer servicio
de llamada hasta que todos los canales se encuentran ocupados.
 La probabilidad de ocupación de un canal obedece a una distribución de
probabilidad exponencial ⇒ llamadas largas tienen menor probabilidad de
ocurrencia.
 Existe un número limitado de canales en el conjunto troncal.
 Las solicitudes de tráfico obedecen a una distribución de probabilidad de Poisson
⇒ tiempos de arribo entre llamadas exponencialmente distribuidos.
 Los tiempos de arribo entre llamadas son independientes unos de otros.
 La probabilidad de bloqueo está dada por:
Pbloqueo =
AC
C!
k=0
C Ak
k!
= GOS
(donde C es el número de canales troncales;
A es la carga total ofrecida al sistema troncal)

Modelo Erlang B
Tráfico: Modelo Erlang B

Tráfico
 En los sistemas LCD se usan colas de espera para retener solicitudes de
llamada que inicialmente están bloqueadas. Cuando no existe un canal
disponible ante una llamada entrante, la llamada es demorada hasta que
un canal quede liberado.
 La probabilidad de que una llamada no tenga acceso inmediato a un
canal en un sistema LCD está determinada por la fórmula Erlang C.
 Para los sistemas LCD, el GOS es medida por la probabilidad de que las
llamadas tengan un retraso superior a t segundos.
 Se asume que un número casi infinito de usuarios están presentes en el
sistema, y que todas las llamadas en la cola son eventualmente
atendidas.
 El modelo Erlang C también asume un número amplio de canales y
usuarios con similares patrones de llamada. Típicamente se considera
que cinco o más canales es un número suficientemente largo de canales.

Tráfico: Modelo Erlang C
El modelo Erlang B se basa en las siguientes suposiciones básicas:
 Considerar un sistema donde C es el número de canales entroncados.
 Las suposiciones utilizadas para derivar la fórmula Erlang C son similares a
aquellos usados para derivar Erlang B, excepto para la estipulación adicional de
que si no puede ser asignado un canal a una llamada entrante, es ubicada en una
cola de longitud infinita.
 La probabilidad de bloqueo dada por la fórmula Erlang C está dada por•:
PC canales ocupados =
𝐴 𝐶
𝐴 𝐶 + C! 1 −
𝐴
𝐶 k=0
C−1 Ak
k!
 El retardo promedio TD para toda llamada en un sistema de colas viene dado por:
𝑇 𝐷 = PC canales ocupados.
𝐻
𝐶−𝐴
donde el retardo promedio para las llamadas encoladas está dado por
𝐻
𝐶−𝐴
.

Sectorización
 La interferencia co-canal puede reducirse reemplazando la antena
omnidireccional en la estación radiobase por antenas direccionales,
cada una radiando hacia un sector específico.
 De este modo, una celda dada transmitirá y recibirá interferencia sólo
de una fracción de las celdas co-canal.
 Normalmente la celda se divide en tres o seis sectores utilizando
patrones de radiación de 120º y 60º respectivamente.

Sectorización
Cuando se sectoriza, los canales
utilizados dentro de una celda particular
son agrupados en sectores y utilizados
sólo en el sector correspondiente.
Asumiendo tamaño de clúster 7, para el
caso de sectorización de 120º, la
cantidad de celdas interferentes en el
primer lazo se reduce de seis a dos.
Considerar en la figura la interferencia
experimentada por un móvil localizado
en la celda “5”.
De las seis celdas co-canal sólo dos
celdas tienen sectores con patrones que
irradian hacia la celda central, por lo que
un móvil en ésta experimentará
interferencia en el enlace directo sólo
desde esos sectores.

Sectorización
 La mejora considerable de S/I para sectorización de 120º (24,5 dB)
implica que la razón S/I mínima requerida de 18 dB puede lograrse
fácilmente con un tamaño de clúster de 7 celdas, en vez de el patrón de
reúso de 12 celdas necesario para el peor escenario para celdas no
sectorizadas ⇒ sectorizar reduce la interferencia, lo que conlleva a un
aumento de capacidad por un factor de 12/7, al aumentar el tamaño de
clúster de 12 a 7.
 En la práctica, la reducción de interferencia ofrecida por la sectorización
permite a los diseñadores reducir el tamaño de clúster, proveyendo una
mayor libertad en la asignación de canales.
 La penalidad que hay que pagar por sectorizar es un aumento de costo
por la mayor cantidad de antenas en las radiobases y una disminución de
capacidad troncal. También la cantidad de handoffs aumenta.
Radiobases modernas permiten a los móviles pasar de un sector a otro
dentro de la misma celda sin intervención del MSC, por lo que el handoff
no constituye un gran problema.

Sectorización
 Desventaja más importante de sectorizar: disminución de capacidad troncal,
penalidad que se paga por el aumento de relación S/I obtenido.
 Al utilizar más antenas por radiobase, los canales disponibles en la celda
deben ser subdivididos y dedicados a antenas especificas ⇒el grupo de
canales se fragmenta en subgrupos lo que disminuye la eficiencia troncal
(ver tablas Erlang, para una misma GOS y la disminución de canales
correspondiente).
Ejercicio:
Considerar un sistema celular en el cual una llamada promedio dura dos
minutos (tiempo de holding, H=2 min.). Asumir una probabilidad de bloqueo
(GOS) para un sistema LCC (Erlang B) de 1%. Asumir que cada suscriptor realiza
una llamada por hora en promedio. Considerar asignados 395 canales de tráfico
para un sistema de reúso de 7 celdas. Comparar la capacidad troncal de este
sistema utilizando celdas con a) antenas omnidireccionales, b) sectorizadas
120º, c) sectorizadas 60º.

Sectorización
Solución:
 a) Antenas omnidireccionales. Dado un patrón de reúso de 7 celdas,
existen entonces 395/7=57 canales por celda. De la tabla Erlang B ⇒
el sistema no sectorizado soporta A = 44.2 Erlangs. Entonces, por
A= λ.H, dado que H= 2 minutos ⇒ λ= 1326 llamadas por hora.
 b) Sectorización 120º ⇒ sólo 19 canales por sector (57/3). De la tabla
Erlang B ⇒ cada sector soporta 11.2 Erlangs ⇒ por cada celda A =
11.2 x 3 = 33.6 Erlangs = A ⇒ λ= 1008 llamadas por hora (24%
menos respecto al caso omnidireccional).
 c) Sectorización 60º ⇒ sólo hay 9 canales por sector. De la tabla
Erlang B ⇒ cada sector soporta 3.78 Erlangs ⇒ por cada celda A =
3.78 x 6 = 22.7 Erlangs ⇒ λ= 680 llamadas por hora (49% menos
respecto al caso omnidireccional).

Ejercicio de conceptos abarcados hasta aquí respecto a GOS, tráfico,
sectorización:
Un proveedor de servicio celular decide usar un sistema digital TDMA (IS-45), el
cual puede tolerar una relación señal a interferencia de 16 dB en el peor caso.
a) Encontrar el valor óptimo de N para antenas omnidireccionales, sectorización
120º y sectorización 60º.
b) De utilizarse sectorización, ¿cuál esquema debe usarse el proveedor de
servicio desde el punto de vista de su negocio? (considerar coeficiente de
pérdida n = 4).
c) Suponer que el sistema se diseña para una GOS de 5%, en el que el sistema
troncal presenta dos “cuellos de botella”, la central de conmutación y la
plataforma de prepago. El tiempo de duración promedio de llamada es de 2
minutos. En total se dispone de 25 canales de radio por sector. El área total
de cobertura está dividida en 24 clústeres. Si la plataforma de prepago
soporta 125 mil solicitudes de llamadas por hora, calcular cuántas llamadas
rechazará la plataforma por hora (utilizar el esquema elegido en b).

Solución:
a) Antenas omnidireccionales:
Relación S/I para peor caso dada por:
𝑆
𝐼
=
1
2 𝑄−1 −4+2 𝑄+1 −4+2𝑄−4
Dado N=7, Q = 4,6 
𝑆
𝐼
= 17 𝑑𝐵
Dado N=4, Q = 3,46 
𝑆
𝐼
= 11,3 𝑑𝐵 (valor inaceptable)
Por lo tanto, para antenas omnidireccionales, el tamaño de clúster
óptimo es N = 7 (debe ser el mínimo valor que asegura una calidad de
recepción aceptable, de modo de proveer la mayor capacidad posible).

Sectorización 120º:
𝑆
𝐼
=
1
𝑄−4+(𝑄+0,7)−4
Análogamente a como se hizo para antenas omnidireccionales, se
puede hallar que el valor mínimo de N aceptable es N = 3
(para el cual
𝑆
𝐼
= 17,5 𝑑𝐵)
Sectorización 60º:
𝑆
𝐼
= (𝑄 + 0,7)4
Análogamente a como se hizo para antenas omnidireccionales, se
puede hallar que el valor mínimo de N aceptable es N = 3.
(para el cual
𝑆
𝐼
= 22,7 𝑑𝐵)

b) En caso de usarse sectorización, para el caso aquí estudiado, lo mejor
es utilizar sectorización 120º, pues ofrece mejor capacidad troncal que
sectorización 60º (si bien S/I es peor, el requerimiento mínimo es
alcanzado  la mejora en la calidad de la señal dada por sectorización
60º no representa un beneficio útil).
c) 25 canales por sector, GOS = 5 %  de tabla Erlang B, se tiene un
tráfico de A = 20 Erlangs / sector.
Tráfico total: 𝐴 𝑇 = 20
𝐸𝑟𝑙.
𝑠𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟
× 3
𝑠𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠
𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎
× 3
𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠
𝑐𝑙ú𝑠𝑡𝑒𝑟
× 24 𝑐𝑙ú𝑠𝑡𝑒𝑟𝑒𝑠 = 4320 𝐸𝑟𝑙𝑎𝑛𝑔𝑠
𝐻 =
1
30
ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
𝐴 𝑇 = λ. 𝐻 ⇒ λ=4320.30=129600 llamadas/hora
 Tráfico total: 129600 – 1250000 = 4600 llamadas rechazadas/hora

Tasas de Datos elevados en Comunicaciones Móviles
 Para un enlace de radio singular únicamente afectado por ruido gaussiano, la
capacidad del canal 𝐶 viene dada por la ecuación de Shannon:
𝐶 = 𝐵𝑊. log2 1 +
𝑆
𝑁
donde 𝐵𝑊= ancho de banda disponible en la comunicación; 𝑆 = potencia de
señal recibida ; 𝑁= potencia del ruido gaussiano apareado a la señal.
 Asumir una cierta tasa de información 𝑅. La potencia de señal recibida puede
expresarse como 𝑆 = 𝐸 𝑅. 𝑅, donde 𝐸 𝑅= energía por bit de información. Más
aún, la potencia de ruido puede expresarse como 𝑁 = 𝑁0. 𝐵𝑊, donde 𝑁0es la
densidad de potencia espectral de ruido constante medida en W/Hz.
 La tasa de información 𝑅 nunca puede exceder la capacidad del canal 𝐶.
Entonces, para las potencias de señal y ruido recibidas, esto implica:
𝑅 ≤ 𝐶 = 𝐵𝑊. log2 1 +
𝑆
𝑁
= 𝐵𝑊. log2 1 +
𝐸 𝑅. 𝑅
𝑁0. 𝐵𝑊

𝑅 ≤ 𝐶 = 𝐵𝑊. log2 1 +
𝑆
𝑁
= 𝐵𝑊. log2 1 +
𝐸 𝑅. 𝑅
𝑁0. 𝐵𝑊
 Definiendo a la utilización del ancho de banda del enlace de radio
como 𝛾 = 𝑅
𝐵𝑊, entonces:
𝛾 ≤ log2 1 + 𝛾
𝐸 𝑅
𝑁0
 Esta inecuación puede reformularse para proveer una cota inferior
para la energía recibida por bit de información requerida,
normalizada a la densidad de potencia de ruido, para una utilización
del ancho de banda 𝛾 dado:
Eb
N0
≥ min
Eb
N0
=
2γ
− 1
γ

 El
𝐸 𝑏
𝑁0
mínimo en el receptor como función de la utilización del ancho de banda, se
ilustra en la figura a continuación. Para utilizaciones de BW significativamente menores
a 1 –esto es, para tasas de información mucho menores que el BW utilizado- el
𝐸 𝑏
𝑁0
mínimo requerido es relativamente constante, indiferentemente del valor γ. Para una
densidad de potencia de ruido dada, todo aumento de la tasa de información entonces
implica un aumento relativo similar en la potencia de señal mínima requerida en el
receptor, esto es, 𝑆 = 𝐸 𝑅. 𝑅 . Por otro lado, para utilizaciones de ancho de banda
significativamente mayores a 1, el
𝐸 𝑏
𝑁0
mínimo requerido crece rápidamente con γ. Por
tanto, en el caso de tasas de información del mismo orden o superior que el BW de
comunicación, todo incremento adicional de aquélla, sin el correspondiente
incremento en el BW disponible, implica un mayor y eventualmente mucho mayor
incremento relativo en la potencia de señal de recepción mínima requerida.

 De la discusión anterior, algunas conclusiones básicas pueden extraerse respecto a la
provisión de mayores velocidades de datos en un sistema de comunicaciones móviles
si el ruido es la principal fuente deterioro del radio-enlace:
 Las tasas de datos que pueden proveerse en estos escenarios son siempre limitadas
por la potencia de señal recibida disponible o, en el caso general, la razón S/N. Todo
incremento de la tasa de datos posible dentro de un BW dado precisará al menos el
mismo incremento relativo de la potencia de señal recibida. Al mismo tiempo, si una
suficiente potencia de señal recibida puede obtenerse, al menos en teoría, cualquier
tasa de datos puede ser provista dentro de un BW limitado dado.
 En el caso de baja utilización de ancho de banda todo incremento de tasa de datos
requiere aproximadamente el mismo incremento relativo en la potencia de señal
recibida. Esto puede ser referido como operación limitada por potencia. Un aumento
en el ancho de banda disponible no impacta sustancialmente el requerimiento de
potencia de señal recibida para una cierta tasa de datos.
 En el caso de alta utilización de ancho de banda, todo aumento en la tasa de datos
requiere un aumento relativo mucho mayor en la potencia de señal recibida, salvo que
el BW sea aumentado proporcionalmente a este incremento de tasa de información.
Esto puede ser referido como operación de ancho de banda limitado. Un aumento en
el ancho de banda reducirá la potencia de señal recibida necesaria para una tasa de
datos específica.

 De modo de hacer un uso eficiente de la potencia de señal recibida disponible o, en el
caso general, la tasa S/N disponible, el BW de transmisión debiera al menos ser del
mismo orden que las tasas de datos a ser provistas.
 Asumiendo una potencia de transmisión constante, la potencia de señal recibida
puede ser siempre aumentada mediante la reducción de la distancia entre el
transmisor y el receptor, reduciendo entonces la atenuación de la señal a medida que
se propaga. Al menos en teoría, en un escenario de ruido limitado, siempre es posible
aumentar las tasas de datos, asumiendo la aceptación de una reducción en la distancia
entre Tx/Rx. En un sistema de comunicación móvil esto corresponde a reducir el
tamaño de la celda y por tanto, la necesidad de más celdas para cubrir la misma área.
En particular, la provisión de tasas de datos del mismo orden del BW requeriría una
reducción significativa del tamaño de celda. Alternativamente, se puede aceptar que
las tasas de datos altas estén sólo disponibles para terminales en el centro de la celda.
 Otras formas de aumentar la potencia de señal recibida para una potencia de
transmisión dada es la utilización de antenas adicionales en el receptor o diversidad
de antena de receptor. Múltiples antenas de recepción pueden ser aplicadas tanto en
la estación base como en la terminal. Mediante una combinación apropiada de las
señales recibidas en diferentes antenas, la razón S/N puede aumentar en proporción al
número de antenas de recepción, por tanto permitiendo tasas de datos mayores para
una determinada distancia entre Tx y Rx.
 .

 Múltiples arreglos de antenas también pueden aplicarse del lado de la
transmisión, típicamente en la estación base, y ser utilizados para enfocar
una potencia de transmisión total dada en la dirección del receptor, o sea,
hacia la terminal de destino. Esto aumentará la potencia de señal recibida y
por tanto, otra vez, permitirá tasas de datos superiores para una distancia
Tx/Rx dada.
 La provisión de tasas de datos superiores mediante el uso de arreglos de
múltiples antenas de Tx/Rx es eficiente hasta un cierto punto, es decir, las
tasas de datos son más limitadas en potencia que en ancho de banda. Más
allá de este punto, el ancho de banda alcanzable comienza a provocar
saturación y todo aumento en el número de antenas, más allá de proveer un
incremento en la relación señal a ruido en recepción, sólo proveerá de un
aumento marginal en las alcanzables tasas de datos. Esta saturación en las
tasas de datos alcanzables puede ser evitada mediante el uso de múltiples
antenas tanto en el transmisor como en el receptor, habilitando lo que se
suele denominar múltiplex espacial, también referido como MIMO (Multiple
Input Multiple Output). LTE utiliza esta técnica.

 La discusión hasta aquí asume únicamente una comunicación
afectada por ruido gaussiano, lo que está lejos de un escenario real.
La interferencia de celdas adyacentes es frecuentemente la
predominante. También debe agregarse la interferencia intra-celda.
 Particularmente, los principios básicos discutidos hasta aquí también
aplican cuando la interferencia es la principal causa de degradación:
 La tasa de datos máxima alcanzable e un ancho de banda es
limitado por la razón de señal a interferencia (S/I).
 La provisión de tasas de datos mayores que el ancho de banda
disponible es costosa en el sentido de que necesita una razón S/I
altamente desproporcionada.

 Reducir la celda obviamente reducirá la cantidad de usuarios y por
consiguiente, el tráfico global por celda. Esto reducirá el nivel de
interferencia relativo y por tanto permitirá tasas de datos mayores.
 Similar al aumento en la razón señal a ruido, la combinación
adecuada de las señales recibidas en múltiples antenas también
aumentará la razón S/I.
 El uso de formación de haz mediante múltiples antenas de
transmisión centrará la potencia de transmisión en la dirección del
receptor de destino, conllevando a una reducción de la interferencia
a otros enlaces de radio y por tanto mejorando la razón S/I global en
el sistema.
 Una diferencia importante entre interferencia y ruido recae en que
aquélla, en contraste al ruido, típicamente tiene una estructura lo que la
hace hasta cierto punto predecible y por consiguiente, posible de
suprimir o incluso remover por completo. Por ejemplo, una señal de
interferencia dominante puede arribas desde una cierta dirección, en
cual caso la interferencia correspondiente puede ser removida mediante
la técnica MIMO.

Modulación para órdenes superiores de tasas de datos
 Forma directa de proveer tasas de datos mayores dentro de un BW dado: uso de
modulación de alto orden, ⇒ el alfabeto de modulación es extendido de modo de
incluir alternativas de señalización adicionales y por ende, permitiendo mayor cantidad
bits de comunicación por símbolo modulado.
 En el caso de la modulación QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), esquema de
modulación utilizado para el enlace directo en los primeros despliegues 3G (WCDMA y
cdma200), el alfabeto de modulación consiste de cuatro alternativas diferentes. Estas
cuatro alternativas pueden representarse como cuatro puntos diferentes en un plano
bidimensional. Entonces, QPSK = 2 bits de información por cada intervalo de símbolo.
Constelación de esquemas de modulación QPSK y 8PSK

 16 QAM por tanto extiende a 4 bits de información por cada
intervalo de símbolo, proveyendo 16 diferentes alternativas de
señalización.
 64 QAM extiende a 64 alternativas mediante 6 bits de
información por cada intervalo de símbolo.
 Al mismo tiempo, el BW de la señal transmitida es, al menos en
principio, independiente del tamaño del alfabeto de
modulación y, principalmente, depende de la tasa de
modulación (cantidad de símbolos de modulación por unidad
de tiempo.)
 El máximo uso de BW expresado en bps/Hz de 16 QAM y 64
QAM es al menos en un principio, 2 o 3 veces superior
respectivamente que QPSK.

 El uso de modulación de alto orden provee la posibilidad para una
utilización de BW superior, o sea, la posibilidad de tasas de datos
superiores dentro de un BW dado.
 De todas formas, esto conlleva un costo de robustez reducida e
interferencia o, dicho de otro modo, 16 QAM o 64 QAM requieren de
un
𝐸 𝑏
𝑁0
mayor en el receptor para una probabilidad de error dada, en
comparación a QPSK, coherentemente con lo expresado
anteriormente en lo referente a que una tasa de información superior
dentro de un BW limitado en general requiere de una razón
𝐸 𝑏
𝑁0
mayor
en el receptor.

Diagrama esquemático simplificado de Transmisor y Receptor con
modulación 16QAM y constelación de señal cuadrada y umbrales 16 QAM.
A. Bruce Carlson (2011)

Constelaciones de señal QPSK, 16 QAM y 64 QAM.

 16 QAM o 64 QAM requieren una razón
𝐸 𝑏
𝑁0
mayor en el receptor para
una tasa de error dada en comparación con QPSK. De todos modos,
en combinación con la codificación de canal, esto puede no ser así.
 Esto puede, por ejemplo, ocurrir cuando el BW objetivo implica que,
con un orden de modulación menor, nula o muy poca codificación de
canal puede ser aplicada.
 En este caso, la codificación adicional que puede aplicarse al utilizar
un esquema de modulación superior como 16 o 64 QAM puede
conllevar una mejora en eficiencia de potencia en comparación a
QPSK. Por ejemplo, si una utilización de BW de casi 2 bits de
información por símbolo modulado es requerida, QPSK habilitará una
codificación de canal limitada (tasa de codificación de canal cercana a
1).

 Por otro lado, el uso de 16 QAM habilitaría a una tasa de codificación de
canal del orden de ½. Similarmente, si una eficiencia de BW cercana a 4
bits de información por símbolo modulado es requerida, el uso de 64
QAM puede ser más eficiente que 16 QAM, tomando en cuenta la
posibilidad de menor tasa de codificación de canal y la correspondiente
ganancia adicional de codificación en el caso de 64 QAM.
 Debe anotarse que esto no contradice lo anteriormente dicho, donde se
concluye que la transmisión con una utilización superior de ancho de
banda es inherentemente ineficiente en potencia. El uso de tasa de
codificación de canal de ½ para 16 QAM obviamente reduce la tasa de
datos de información y por lo tanto, la utilización del ancho de banda al
mismo nivel que QPSK no codificado.
 Entonces, para una razón S/I dada, una combinación acertada de
esquema de modulación y codificación de canal es óptima en el sentido
de que puede entregar la más alta utilización de BW para dicha razón S/I.

 Una desventaja general de los esquemas de modulación 16 y 64 QAM, donde la
información también es codificada en la amplitud instantánea de la señal modulada,
reside en el hecho de que ésta tendrá variaciones mayores y por lo tanto, también
picos mayores en su potencia instantánea. Esto puede observarse en la siguiente figura
que ilustra la distribución de la potencia instantánea, más específicamente la
probabilidad de que la potencia instantánea se encuentre por encima de un valor
determinado para QPSK, 16 QAM y 64 QAM respectivamente. Claramente, la
probabilidad de picos altos en la potencia instantánea es mayor cuanto mayor el orden
del esquema de modulación.

 Picos mayores en la potencia de la señal instantánea implican que el
amplificador de potencia del transmisor debe ser sobredimensionado de
modo de evadir no linealidades, ocurrentes en niveles altos de potencia
instantánea, causantes de corrupción de la señal a transmitir. Como
consecuencia, la eficiencia del amplificador de potencia se ve reducida,
conllevando a mayor consumo de potencia.
 Adicionalmente, existirá un impacto negativo en costo. Alternativamente,
la potencia promedio a transmitir puede reducirse, implicando un rango
reducido para una tasa de datos dada. La eficiencia de amplificación de
potencia es especialmente importante para los terminales, o sea, para la
dirección de transmisión inversa o «uplink», debido a la importancia en
costo y consumo de potencia de éstos.
 Consiguientemente, picos altos de potencia de señal son un problema
menor en el enlace directo que para el inverso ⇒ la modulación de mayor
orden es más apropiada para «downlink» que para «uplink».

Técnicas de Acceso
FDMA (Frequency Division Multiple Access)
 A cada usuario se le asigna una frecuencia diferente (concepto
análogo por ejemplo a sintonizar un canal de radio AM/FM).

Técnicas de Acceso
TDMA (Time Division Multiple Access)
 A cada usuario se le asigna un intervalo de tiempo para transmitir.
 Nace con los sistemas digitales (2G).
 Multiplicó la capacidad de los sistemas analógicos. Ejemplo para
GSM: Cada portadora soporta una trama de 8 intervalos de tiempo.

Técnicas de Acceso
CDMA (Code Division Multiple Access)
 Los usuarios utilizan todo el ancho de banda al mismo tiempo, utilizando un
código único para cada comunicación.
 Los códigos son ortogonales, es decir, tienen correlación nula entre ellos, a
excepción de la multiplicación de los datos codificados por el mismo código
(correlación 1).
 Utilizado en IS-95 (2G) y WCDMA (3G).
Buenos
días
Bonjour Good
morning
dobré
ráno
доброе
утро

Técnicas de Acceso
CDMA (Code Division Multiple Access)

Técnicas de Acceso
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
 Utilizando transformadas discretas de Fourier directas e inversas (DFT /
IDFT), OFDM emplea una potencia de 2 de sub-portadoras ortogonales,
moduladas cada una en QPSK, 16QAM o 64QAM. La ortogonalidad se
traslada a la transformada en el tiempo, y cada componente adicional al
símbolo actual es nulo en el instante de muestreo, anulando o minimizando
la interferencia inter-símbolo.
Programación del canal downlink en los
dominios de tiempo y frecuencia en OFDMA
en LTE.
Dahlman et al
(2011)

Técnicas de Acceso
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
O. R. Pons (2014)

 Introducción.
 Arquitectura: Entidades del BSS, NSS y NMS.
 Canales Lógicos Usuario-Red.
 Gestión de localización.
 Servicio de Paquetes y acceso a redes de datos: GPRS/EDGE.

Introducción: Breve resumen histórico
1982: El CEPT crea el GSM (Groupe Spécial Mobile)
Objetivo:
Crear un sistema para móviles único que sirviese
de estándar para Europa y fuese compatible con los
servicios existentes y futuros sobre la proyectada
Red Digital de Servicios Integrados (ISDN).
Luego, GSM = Global System for Mobile Communications
CEPT: Conferencia Europea de Administraciones de Correos y Telecomunicaciones

 1982 – La CEPT crea el Groupe Spécial Mobile.
 1985 - Primeras recomendaciones del grupo GSM.
 1986 – Primeras pruebas de radio sobre GSM.
 1987 - Se elige el sistema TDMA como técnica de acceso al medio.
 1988 - Se valida el sistema GSM.
 1989 - Se traspasa GSM de la CEPT al ETSI.
 1989 - Primeras especificaciones sobre GSM para desarrollar
productos comerciales.
 1990 - Lanzamiento de GSM a nivel comercial.
 1991 – Primera llamada GSM hecha por Radiolinja en Finlandia.
 1991 - Inclusión de GSM en ciudades y aeropuertos.
 1992 – Primer mensaje SMS.
 1993 - Cobertura de GSM en autopista e inicio de su uso fuera de
Europa.
 1995 - Cobertura de áreas rurales.

Casi 5.000 millones de suscriptores a través de 1.050 redes en
222 países y regiones (Ericsson Mobility Report, Nov. 2013)

Sistema Banda Uplink (MHz) Downlink (MHz) Número de canal
T-GSM-380 380 380.2–389.8 390.2–399.8 dinámico
…
T-GSM-810 810 806.0–821.0 851.0–866.0 dinámico
GSM-850 850 824.0–849.0 869.0–894.0 128–251
P-GSM-900 900 890.2–914.8 935.2–959.8 1–124
E-GSM-900 900 880.0–914.8 925.0–959.8 975–1023, 0-124
R-GSM-900 900 876.0–914.8 921.0–959.8 955–1023, 0-124
T-GSM-900 900 870.4–876.0 915.4–921.0 dinámico
DCS-1800 1800 1710.2–1784.8 1805.2–1879.8 512–885
PCS-1900 1900 1850.0–1910.0 1930.0–1990.0 512–810
Las bandas más usadas Bandas usadas en Colombia

Arquitectura
Subsistema de Estación Base
(BSS – Base Station Subsystem)
 Gestión del tráfico y la señalización entre MS y NSS
 Transcodificación de los canales de voz
 Asignación de los canales de radio.
 Localización para provisión de servicios (paging).

MS (Mobile Station): Estación Móvil
Transmisión de voz/datos, control, señalización, control del nivel de potencia.
Una MS está dividida en dos partes:
El hardware y el software necesarios para las interfaces de radio y humana (HMI);
SIM (Subscriber Identity Module): constituye una tarjeta inteligente o unidad lógica que
se adquiere al subscribirse a un sistema GSM. La tarjeta SIM se inserta en una MS y asocia
a ésta con un usuario. La SIM posee una cantidad de identificaciones entre las que
destacan:
- IMSI (International Mobile Subscriber Identity): número internacional de identidad
de suscriptor móvil;
- Ki (Authentication Key): llave de autenticación;
- Kc (Cryptography Key): llave de criptografía;
- TMSI (Temporal Mobile Subscriber Identity): identidad temporal de suscriptor
móvil, asignada temporalmente por el VLR en sustitución de la IMSI por motivos de
seguridad.

MS (Mobile Station): Estación Móvil
¿Cómo se identifica? Número de directorio.
MSISDN: Mobile Subscriber Integrated Services Digital Network
Number.
MSISDN = CC + NDC + SN (Rec. E.164, §6.2.1)
CC (Country Code): Indicativo del País
NDC (National Destination Code): Indicativo Nacional de Destino
SN (Subscriber Number): Número del Abonado
Ej: 57-300-7654321
Decreto 25 de 2002
Título II, Capítulo I
Plan Nacional de Numeración

BTS (Base Transceiver Station):
Estación Base de Transrecepción
Conforma los dispositivos de transmisión y recepción, incluyendo las
antenas y el procesamiento de señal necesario para la interfaz de radio.
Cubre una unidad geográfica denominada celda, normalmente dividida
en tres sectores de 120°.
La BTS normalmente contiene la unidad transcodificadora de adaptación
de tasa o TRAU (Transcoding and Rate Adaptation Unit), donde se
produce la codificación y decodificación de voz específica de GSM,
proveyendo una interfaz entre PCM Ley A y GSM-Codec, así como la
adaptación de tasa de bit de los canales de datos.

BSC (Base Station Controller)
Controlador de Estación Base
Las BTS de un área geográfica se encuentran conectadas a
una BSC vía la interfaz denominada Abis.
La BSC se encarga de todas las funciones centrales del
subsistema BSS (conexión de radiofrecuencia (RF), control
de potencia, liberación, handoff, localización, autenticación,
etc.), comprendiendo las BTS conectadas a las BSC.
BSC

Subsistema de Soporte de Red
(NSS – Network Support System)
Funciones principales:
 Conmutación telefónica (entre móviles, móviles-fijos).
 Gestión de perfiles de usuarios.
 Gestión de movilidad.
Arquitectura

(NSS – Network Support Subsystem)
MSC (Mobile Switching Center):
Centro de Conmutación Móvil
Constituye la entidad central de conmutación de la red.
Los suscriptores GSM bajo cobertura de acceso RF proporcionada por un
conjunto de BTS dentro de un área de la PLMN, se encuentran bajo
servicio de una MSC y registrados en la base de datos de ésta (VLR).
Todas las llamadas desde y hacia estos suscriptores son controladas
por la MSC en cuestión.
Las MSC se encuentran distribuidas geográficamente de modo de
proporcionar el servicio a todos los usuarios GSM suscriptos en la PLMN.
MSC

VLR (Visitor Location Register)
Registro de Localización Visitante
Base de datos contenedora de la información de usuario para los
suscriptores registrados en una MSC (todo MSC contiene un VLR).
A pesar de que la MSC y el VLR son accesibles por separado,
constituyen siempre un único nodo integrado (en terminología SS7,
dentro de una entidad de red con el mismo SPC y/o GT, se accede por
número de subsistema o SSN –SubSystem Number- diferente para cada
función -7 para el VLR, 8 para la MSC-).
MSC
VLR
B

GMSC (Gateway MSC): Pasarela MSC
Constituye una entidad conmutadora que dirige las llamadas que
terminan en un móvil, actuando de pasarela entre la PLMN del
suscriptor móvil y la red de la parte originante (PSTN, otra PLMN,
etc.).
Cuando se establece una llamada hacia un usuario GSM, el GMSC
contacta al HLR local del suscriptor de modo de obtener la
dirección de la MSC donde actualmente se encuentra registrado.
Dicha información es utilizada para direccionar las llamadas hacia
el usuario deseado.
GMSC

HLR (Home Location Register):
Registro de Localización Base
Base de datos contenedora de los registros de cada usuario
suscripto en la red. Un suscriptor GSM se encuentra normalmente
asociado con un HLR.
El parámetro MSISDN se encuentra aprovisionado en el HLR como
parte del perfil de usuario y es enviado al MSC durante la etapa
de registro o a un SCP durante la invocación de un servicio
CAMEL.
El HLR es responsable de la transmisión de datos de suscripción
al VLR (durante la etapa de registro) o al GMSC (durante la
gestión o terminación de llamada).

AuC (Authentication Center):
Centro de Autenticación
El AuC es accedido por el HLR de modo de determinar si la estación
móvil (MS) será provista de servicio.
Define si la MS es auténtica, enviándole un mensaje encriptado y
verificando la respuesta del móvil. La autenticación está basada en la
señalización que se produce entre el AuC y la tarjeta SIM del suscriptor.
El método se basa en una secuencia aleatoria de números, denominada
RAND, una clave de seguridad Ki grabada por seguridad en la SIM y en
el AuC, de forma que nadie tiene en principio acceso a esta clave –única
para cada cliente- y un algoritmo, denominado A3, que calcula una
respuesta partir de RAND y Ki.

EIR (Equipment Identity Register):
Registro de Identidad de Equipamiento
El EIR mantiene un listado de MS legítimas, fraudulentas y
fallidas (modelos, software, versiones, listas negras, etc.).
Utiliza con este propósito el número de serie de
equipamiento de la MS denominado IMEI (International
Mobile Equipment Identity).

Subsistema de Operación y Soporte (OSS)
Permite al operador monitorear, controlar, configurar,
mantener y gestionar los elementos de la red GSM.
Arquitectura

Arquitectura
Subsistema de Operación y Soporte (OSS)
 NMC (Network Management Center)
Está a cargo de la gestión de toda la red: monitorización de alarmas
de alto nivel, control de sobrecargas, gestión de tráfico,
planificación, etc. Puede reemplazar un OMC.
 OMC (Operation and Maintenance Center)
Está a cargo típicamente de un subsistema (BSS, NSS, etc.). Supervisa
el estado de la red, gestiona alarmas, rendimiento, controla
configuración, colecta información de tráfico, etc.
 ADC (ADministration Center)
Está a cargo de las funciones administrativas de la red como las
suscripciones de usuarios y facturación.

Canales Lógicos Usuario-Red
Estructura de los canales físicos:
 La interfaz de radio combina FDMA y TDMA.
 En una celda están disponibles varias portadoras (C0-Cn).
 En cada portadora se tienen 8 intervalos de tiempo (TS0-TS7).
 Los TS pueden transportar varios tipos de ráfagas.

Tipos de canales lógicos:
Los canales físicos se utilizan para transportar canales lógicos:
Canales de Control.
Canales de Tráfico.
Ráfaga
Corrección
Frecuencia
Ráfaga
Normal
Ráfaga
Falsa
Ráfaga
Acceso
Ráfaga
Sincroniz.
(Herradón, 2007)
TS0
Portadora C0
TS1
Portadora C0
TS2-TS7 en
C0, C1…Cn

Broadcast Channels (BCH):
 Punto a multipunto.
 Unidireccionales en enlace downlink (BTS a MS).
Synchronisation Channel (SCH): usado para identificar la BTS y para
sincronización de trama.
Frequency Correction Channel (FCCH): ráfaga de datos en el TS0
repetida cada 10 tramas. Usado para enganche y corrección de
frecuencia en la MS.
Broadcast Control Channel (BCCH): envía la identidad de la celda (GCI)
y del área (LAI), las características de operación de la celda, y la lista
de celdas vecinas.

Common Control Channels (CCCH):
 Punto a multipunto
 Establecimiento y gestión de llamadas.
Paging Channel (PCH): canal de aviso/ubicación. Envía mensajes a
todas las MS que «escuchan» para conocer si tienen una solicitud de
llamada.
Random Access Channel (RACH): sólo se transmite en el enlace inverso
(MS → BTS). Usado para solicitar una llamada o responder a una alerta
en PCH.
Access Grant Channel (AGCH): da instrucciones a la MS para operar en
un canal físico particular. Es usado por las BTS para responder un
mensaje RACH.

Dedicated Control Channels (DCCH):
 Punto a punto
 Bidireccionales
 Señalización usuario-red.
 Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH): Transporta señalización
(mensajes de autenticación y alerta) previa a la asignación de un canal de
tráfico.
 Slow Associated Control Channel (SACCH): siempre está asociado al canal
de tráfico asignado a la MS. BTS envía instrucciones sobre la potencia de
transmisión y temporización. MS envía información sobre calidad del
canal.
 Fast Associated Control Channel (FACCH): transporta mensajes urgentes,
como la solicitud de cambio de canal (handoff/handover).

Gestión de Localización
Área geográficas de la red GSM
Área de cobertura de radio de
una BTS
Cada celda tiene un
identificador único (GCI),
unidad básica para
localización de una MS (se
guarda periódicamente en
HLR vía MAP UL entre MSC y
VLR)
LA: Grupo de celdas
manejadas por uno o varios
BSC.
Se utiliza con la GCI para el
seguimiento de la
localización de un móvil (se
guarda en HLR)
Cada LA tiene un
identificador único (LAI)
Grupo de LA manejadas por
un MSC/VLR
Área manejada por
un MNO por todos
sus MSC/VLR
H-PLMN

Términos claves
• Mobile Station Roaming Number (MSRN)
Número ISDN asignado temporalmente por el VLR para la terminación
de llamadas (el número de abonado efectivo). Tiene la misma
estructura que el MSISDN: CC+NDC+SN
• Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI)
Alias del IMSI generado por el VLR por razones de seguridad (evitar
clonación de IMSI por continuo envío) para uso local, cuando la MS se
enciende. También se actualiza cuando la MS cambia de área
geográfica.
• Location Area Identity (LAI)
LAI= MCC + MNC + LAC (Location Area Code)
• Global Cell Identity (GCI)
GCI= LAI + CI (Cell Identity)
MCC: Mobile Country Code
MNC: Mobile Network Code

Registro
 El usuario enciende la MS;
 MS selecciona la portadora de mejor intensidad;
 MS se sincroniza con BTS usando FCCH y SCH;
 MS obtiene de BCCH la identidad del Área de Localización (LAI);
 Si LAI es distinta de la anterior (en la SIM), inicia proceso de
actualización.
Estación
base
Estación
móvil
FCCH, SCH, BCCH
Sincronización Corrección
Frecuencia

Gestión de Localización: Registro a la red
Registro / Solicitud de Servicio

Autenticación

Actualización de Localización

Reasignación de TMSI

Procedimiento de
llamada
BSSAP
Paging
(TMSI)
#9
MAP PRN
(IMSI)
#3
ISUP IAM
(MSISDN)
#1
HLR VLR
MAP SRI
(MSRN)
#5
MAP SRI
(MSISDN)
#2
ISUP IAM
(MSRN)
#6
MAP/B SI
(IMSI)
#7
MAP/B CC
(LAC,TMSI)
#8
ISUP IAM
(MSISDN) #0
ISUP IAM
(MSISDN)
#1*
H-PLMN
MSC/GMSC
LE (SSP)
MSC
PSTN
MS A
MS B
TE (SSP)
MAP PRN
(MSRN)
#4
GMSC
V-PLMN
Call #B
(MSISDN)

Servicios
Tele-servicios
 Telefonía regular;
 Llamadas de emergencia;
 Mensajes de voz (buzón);
 Facsímil Grupo 3;
 Videotex, Teletex.
Servicios Portadores
 Datos (300 bps-9,6 Kbps);
 Mensajes de texto (160 car.);
(SMS, Short Message Service);
 Difusión en la celda
(mensajes de hasta 93 car.).
Servicios Suplementarios
• Aviso de tarificación;
• Prohibición de llamadas salientes, internacionales,
itinerantes;
• Desvío de llamadas;
• Presentación/restricción de número A;
• Identificación de llamadas maliciosas;
• Conferencia tripartita.
• …

Introducción
 Los usuarios desean transmitir algo más que voz (2G).
 Surgen diversas tecnologías para transmisión de datos en
redes móviles, que marcan el camino hacia 3G: redes 2.5 G

Introducción: Compromisos
 Envío y recepción de datos desde y hacia redes multiprotocolo;
 Empleo de la infraestructura celular existente;
 Movilidad;
 Mayor cobertura;
 No introducir interferencia en el servicio de voz.

Introducción: Generalidades
 Estándar ETSI (Instituto Europeo de Estándares en
Telecomunicaciones);
 Red superpuesta a las redes GSM e IS-136 (TDMA);
 Se actualizan algunos nodos de las redes GSM/TDMA para prestar el
servicio;
 La interfaz aérea es de paquetes de datos;
 El núcleo de la red es IP (ATM backbone).

Introducción: Velocidad
 La velocidad de un canal (intervalo TDMA) depende del esquema de
codificación (CS):
 CS-1: 8 Kbps, es el más robusto.
 CS-2: 12 Kbps
 CS-3: 14,4 Kbps
 CS-4: 20 Kbps, es el menos robusto
 Se pueden combinar hasta ocho canales para mejorar la velocidad:
160 Kbps

Introducción
Modos de operación:
 Clase A: El terminal recibe servicio GSM (voz o SMS) y GPRS
(datos) de manera simultánea.
 Clase B: El terminal puede estar registrado simultáneamente
en las redes GSM y GPRS, pero sólo puede tener activa una
conexión simultáneamente. El servicio GSM tiene prioridad
sobre GPRS.
 Clase C: El terminal sólo puede estar registrado a una de las
redes. Normalmente son módems GPRS.

Introducción: Actualización de la red GSM
Elemento de red GSM Modificación o actualización para GPRS
Terminal de usuario
Se requiere un terminal totalmente nuevo
para acceder a los servicios GPRS,
compatibles con GSM para llamadas de voz.
BTS Se requiere una actualización de software.
BSC
Se requiere una actualización de software,
así como también de un nuevo equipo
llamado PCU (Packet Control Unit) para
dirigir el tráfico de datos hacia la red GPRS.
Núcleo de la red
Se requiere la instalación de nuevos
elementos de núcleo de red llamados SGSN
(Serving GPRS Support Node) y GGSN
(Gateway GPRS Support Node)
Bases de datos
(VLR, HLR y otras)
Todas requerirán actualizaciones para
encargarse del nuevo modelo de llamadas y
funciones introducidas por GPRS.

Topología básica de Red GSM/GPRS

Arquitectura de Red: Nodos GPRS
SGSN (Serving GPRS Support Node):
 El SGSN mantiene un seguimiento de la localización de la MS al
tiempo que lleva adelante funciones de seguridad, control de acceso
y cobro en línea/facturación (normalmente establece una interfaz
CAMEL con un SCP).
 Se conecta a la red de acceso o GERAN a través de la interfaz Gb
(SGSN<->BSC).
 Resumiendo, envía y recibe los paquetes de datos de las estaciones
móviles y gestiona las siguientes funciones con el soporte de las
bases de datos de GSM (HLR, (G)MSC/VLR, EIR, AuC):
◦ Autenticación.
◦ Registro.
◦ Control de acceso.
◦ Movilidad.
◦ Recolección de información
para tasación del uso
de la interfaz de radio.

Arquitectura de Red: Nodos GPRS
GGSN (Gateway GPRS Support Node):
 Actúa como un enrutador proveyendo una interfaz con otras redes
de datos o PDN y está conectado con otros nodos de la Core Network
mediante un dominio basado en IP.
 Guarda información de enrutamiento de las estaciones móviles
registradas.
 Recoge información para tasación del uso de redes de datos externas
mediante interfaces vía protocolos AAA como RADIUS o Diameter.

Arquitectura de Red: Otros Nodos de GPRS
CG (Charging Gateway):
 Transfiere información de tasación desde SGSN y/o GGSN al sistema
de cobro en línea/facturación (Billing).
 Esta funcionalidad puede implementarse en un equipo centralizado
(una SCP CAMEL –CAP III GPRS- o un AAA –RADIUS o Diameter-) o en
forma distribuida en el SGSN y GGSN.
CG

Evolución GPRS: EDGE
Si bien GPRS acercó la movilidad del Protocolo de Internet (IP) e Internet
en sí al usuario de la telefonía móvil, no resultó ser la solución óptima
o final. Se implementa consecuentemente la tecnología EDGE
(Enhanced Data for GSM Evolution), cuyo objetivo fue mejorar la
velocidad de transferencia de datos por paquetes. La implementación
de EDGE introduce cambios en el BSS, a saber:
 Nuevos métodos de codificación de paquetes de los nuevos canales
de transmisión introducidos y cambio de esquema de modulación de
GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) a 8-PSK (8-Phase Shift
Keying), razones por las cuales la velocidad de transferencia en
teoría alcanza los 384 Kbps.
 El BSS adopta el nombre GERAN (GSM EDGE Radio Access Network).
Aun logrando el objetivo de mejorar la velocidad de transferencia de
datos respecto a GPRS, surge el inconveniente del aumento de costo
por la cantidad necesaria mayor de estaciones BTS para brindar la
calidad de servicio prometida

Funcionalidades GPRS/EDGE
Control:
GTP (GPRS Tunneling Protocol):
Es el protocolo basado en IP utilizado entre los nodos GPRS
(interfaz Gn o Gp).
Cuando la MS solicita el inicio de una sesión GPRS, el SGSN
establece un túnel denominado PDP Context o PDPc (Packet
Data Protocol Context) desde la red de acceso IP/ATM
(GERAN) hacia el GGSN.
Todo el tráfico de control y datos atraviesan este túnel.

Seguridad:
El usuario es autenticado en el SGSN de acuerdo a la información de
suscripción obtenida desde el HLR;
Movilidad:
El SGSN mantiene un seguimiento de locación de la MS en conjunto con
la red de acceso de radio.
Calidad de Servicio:
La calidad de servicio (QoS) es negociada durante el PDPc.

Cobro/Facturación:
El SGSN genera información de cobro por volumen (KB) y/o
tiempo de modo de intercambiarla con un sistema de cobro
en tiempo real denominada OCF (Online Charging Function)
o RTBS (Real Time Billing System), normalmente a través del
protocolo CAP de la pila de protocolos de SS7.
El GGSN también genera información contable, la cual
puede obtenerse en otro formato a través de la interfaz
establecida entre el GGSN y el CG o un sistema conocido
como AAA (Authorization, Authentication and Accounting),
primeramente vía el protocolo RADIUS, luego vía Diameter

Servicios GPRS/EDGE
GPS
GPRS GPRS
Seguimiento
GPS
Localización de vehículos/Control de flotas

Servicios GPRS/EDGE
Telemetría
Cajeros
Automáticos
Datafonos
inalámbricos

 Motivación histórica, aplicaciones y conceptos.
 3GPP – UMTS: WCDMA y características generales.
 Arquitectura de Radio (UTRAN) y de Red UMTS (CS CN).
 Servicios (MAP/CAP) del paradigma CAMEL post-3G.
 IMS: Arquitectura, protocolos, interfaces e internetworking con la CS-CN y UTRAN
de UMTS, GSM y GPRS.

Acciones iniciales
Desde 1985 se establecieron en la ITU grupos de trabajo para buscar
solucionar las limitaciones de las generaciones anteriores de telefonía
móvil celular. En otras palabras, alcanzar los siguientes objetivos:
 Alto grado de uniformidad de diseño a escala mundial;
 Itinerancia o roaming mundial;
 Capacidad para aplicaciones multimedia y una amplia gama de
servicios y terminales (e.g.: vídeo y teleconferencia, Internet de alta
velocidad, voz y datos de alta velocidad, datos hasta 2 Mbps).
Estos grupos de trabajo convergieron en el IMT-2000 (1998) del cual,
como fue mencionado anteriormente, surge el sistema UMTS de acuerdo
a las especificaciones 3GPP/3GPP2;
Los primeros sistemas UMTS basados en WCDMA son desplegados por
British Telecom y Telenor en diciembre de 2001.

Aplicaciones
Para el consumidor:
 Flujos de video, estaciones de TV;
 Video-llamadas, videoclips: noticias, música, deportes;
 Juegos mejorados, chat, servicios de localización.
Para los negocios:
 Teletrabajo a alta velocidad, acceso VPN;
 Automatización de la fuerza de ventas;
 Videoconferencia;
 Información financiera en tiempo real.
(Aziz et al., 2006)

Requisitos de transmisión de datos:
Velocidad de datos
ambiente móvil
144 Kbps
Velocidad de datos
caminando 384 Kbps
Velocidad de datos
ambiente interior
2 Mbps
Fuente: Adaptado de UWCC
Macrocelda:
muy alta velocidad
(<500 km/h), exteriores.
Macro/microcelda:
velocidad de peatón o
moderada
(<120 km/h), exteriores.
Pico celda:
Exteriores o interiores;
Corto alcance.

Prioridades iniciales del 3GPP
 Espectro global común: 1.920-1.980 MHz y 2.110-2.170 MHz
 Amplia gama de nuevos servicios;
 Centrado en los datos (como Internet) y orientado a multimedia;
 Velocidades de datos de hasta 2 Mbps;
 Roaming global transparente;
 Seguridad y rendimiento mejorados;
 Soporte a una variedad de terminales (de PDA a PC de escritorio);
 Uso intensivo de tecnologías de Red Inteligente (IN).

PCG: Project Co-ordination Group;
TSG: Technical Specification Group;

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