Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas...

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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas

UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES

Capitulo 5a: GSM

VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ


Introducción

• Europa 80´s diferentes sistemas de telefonía móvil celular.

– NMT (Paises nórdicos).

– Radiocom (Francia).

– TACS (UK).

– C-450 (Alemania).

• Diferentes estándares incompatibles entre sí.

• Ámbito de servicio para cada país.

• Limitaciones en los tipos de servicios.

• Regímenes de monopolio.



Introducción (2)

• Importancia:

– Definición de una norma universal.

– Generación de economía de escala.

– Liberalización de las comunicaciones móviles. • Competitividad – dinamizadora del desarrollo.

– Desarrollo basado en las tendencias y

exigencias de los usuarios.

– Tecnologías con calidad. • Evolución.



Introducción (3)

• CE (1982) CEPT:

– GSM (Groupe Speciale Mobile).

– Definición norma paneuropea.

– Proyecciones de 10M de usuarios año 2000.

– Definición clara y especifica de interfaces.

• Múltiples fabricantes.

– Flexibilidad para ofrecer prestaciones

adicionales y evolución.



• Requisitos básicos definidos por el grupo GSM:

– Itinerancia (Roaming) internacional en países CE.

– Tecnología digital.

– Gran capacidad de tráfico.

– Uso eficiente espectro electromagnético.

– Uso de sistema de señalización digital.

– Servicios básicos de voz y datos.

– Posibilidad de conexión a la ISDN

– Seguridad y privacidad (encriptación).

– Uso de teléfonos portables.

– Calidad de cobertura y señal recibida.


Introducción (4)


Introducción (5)

• Primeros estudios y recomendaciones grupo

GSM:

– Banda de frecuencias común en los países.

– Técnica de acceso múltiple: FDMA/TDMA banda

estrecha.

– Basado en el modelo OSI. Definición de los tres

primeros niveles.

– Codec vocal (vocoder) de predicción (13Kbps

(FR), 6.5Kbps (HR)).


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Introducción (6)

• Fase I. Concluyo en 1990.

• Fase II. Concluyo en 1994.

• Fase II+. Concluyo en 1995.

• Importante

– MoU: Memorandos de entendimiento: acuerdos entre operadores

→itinerancia (roaming) internacional.

• Creación ETSI.

– Grupo RES (Radio Equipments and Systems).

• Sistema 2G.

• 1992. Implementación primeras redes. Liberación del

servicio de telefonía móvil.



Especificaciones sistema GSM

• Bandas de Frecuencia

– Transmisión MS. 890-915 MHz

– Transmisión BS. 935-960 MHz

• Separación Duplex

– 45 MHz

• Separación de canales.

– 200 KHz.

• Modulación

– GMSK.

– BbT=0.3.

– Velocidad de modulación=270.83 Kbps.

– η=1.35 bps/Hz.



Especificaciones sistema GSM (2)

• Relación de protección cocanal.

– Rp=C/I=9 dB.

• Retardo compensable máximo

– 223 μs.

• Dispersión Doppler.

– Compensable hasta velocidades del móvil de 200Km.

• PIREmax BS

– 500W por portadora.

• Dispersión temporal (Delay Spread) ecualizable

– Hasta 16 μs.

• Potencia nominal MS.

– 2, 5, 8 y 20W.




• Codificación de canal.

– Código bloque detector.

– Código convolucional corrector.

– Entrelazado de bits.

• Estructura celular y reutilización.

– 3/9 medio urbano.

– 4/12 medio urbano.

– Medio rural omnidireccional.

– Zona urbana ~ 1Km

– Zona rural ~ 35Km.

• Acceso múltiple

– TDMA. 8IT/trama.

– IT=0.577 ms.

– 8 canales físicos que transportan canales lógicos de tráfico y señalización asociada.

– Para señalización por canal común se han definido estructuras multitrama.



Especificaciones sistema GSM (4) • Canales de tráfico.

– Voz. 13 y 6.5 Kbps.

– Datos. 2.4, 4.8 y 9.6 Kbps. (transparente). • Diferentes procedimientos de adaptación de velocidad, codificación y entrelazado.

– Datos 12 Kbps. (no transparente).

• Canales de control.

– Difusión.

– Comunes.

– Dedicados.

• Protecciones radioeléctricas.

– FH (Frequency Hopping). • Efecto similar a diversidad en frecuencia.

– Transmisión discontinua (DTX).

• Selección de celda.

• Localización automática

– MSC.




• Conmutación en curso.

– Traspaso (handover).

– Aliviar congestión de tráfico.

– Entre canales de diferentes celdas.

– Entre canales de una misma celda.

– Mediciones realizadas por MS y BS. • También para control de potencia.

• Señalización

– BS-MSC. Procedimiento estructurado similar a ISDN.

– Entre MSCs Sistema de señalización número 7 del UIT-T.

• Numeración.

– Conforme recomendaciones serie E UIT-T.

• Seguridad.

– Técnica de cifrado para comunicaciones de voz.

– Autenticación para el acceso al sistema.


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Estructura Jerárquica Red GSM



Arquitectura Sistema GSM

• Arquitectura funcional: Unidades funcionales

e interfaces.




Arquitectura Sistema GSM (2)


Servicios en GSM

• Portadores

– Extremo a extremo.

– Capacidad de transporte independiente del contenido de

información.

• Teleservicios

– Capacidad completa de comunicación incluido terminal.

– Telefonía con voz digitalizada.

– SMS.

– Facsimil, teletext.

• Suplementarios

– Identificación de números.

– Tratamiento de llamadas entrantes.




Servicios en GSM (2)


• Basado en las definiciones RDSI (ISDN)


Servicios en GSM (3)

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Calidad de Servicio (QoS)

• Tiempo entre el encendido de MS y la disponibilidad de servicio.

– 4s red local.

– 10s red visitada.

• Tiempo de conexión/liberación con la red destinataria: 4/2s.

• Tiempo de aviso a la MS de una llamada entrante:

– 4s primer intento.

– 15s último intento.

• Retardo unidireccional máximo: 90ms

• Inteligibilidad de la voz: 90%

• Interrupción máxima en el traspaso.

– 100ms en la misma BTS.

– 150ms entre BTS distintas.



Canales Lógicos



• RACH (Random Access Channel): UL. Cursan solicitudes

de comunicaciones de las MS. (ALOHA ranurado, S-

ALOHA).

• BCH (Broadcasting Control Channel): DL. Permanente

activo. Información general de la red para las MS.

– BCCH (Broadcast Common Control Channel): información general

de la BS y otros canales de control.

– FCCH (Frequency Correction Channel): frecuencia piloto para

sincronización de frecuencia de recepción de MS.

– SCH (Synchronization Channel) transmite información de

sincronización e identificación de BS.

• PCH (Paging Channel): DL. Utilizado para aviso a las MS

(radiobusqueda) UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES

Canales Lógicos (2)


• SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel): bidireccional.

Intercambio de datos entre una MS concreta y la BS, en el

establecimiento de la llamada y antes de que se asigne un TCH.

• AGCH (Access Grant Channel): DL. Asignación de los TCH o los

SDCCH a las MS que previamente solicitaron recursos.

• Los canales de tráfico, se encuentran asociados a dos canales de

control para la señalización asociada a la llamada:

– SACCH (Slow Associated Control Channel): Bidireccional, señalización

asociada a la llamada.

– FACCH (Fast Associated Control Channel): Bidireccional. Ordenes de

ejecución inmediata (ajuste de potencia, traspaso).







Nivel Físico red GSM

• Sistema multiacceso FDMA/TDMA.

• Una portadora de RF una trama 8IT (0,…,7) (TN, Timeslot

Number).

• Trama (FN, Frame Number) (0 a 2715647).

• Recurrencia de intervalos en las tramas=canal físico. (par

de frecuencias – TN).

• Radiocanal (ARFCN, Absolute Radio frequency Channel

Number).

• Banda GSM primaria (P-GSM 900).

– Inferior (l) 890-915 MHz UL

– Superior (u) 935-960 MHz DL.


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Nivel Físico red GSM (2)

• Bandas de guarda en los extremos de cada subbanda.

– En subbanda inferior , la primera y ultima portadora asignable son:

890.2 MHz y 914.8 MHz. (100KHz banda de guarda).

• 124 radiocanales. Cada radiocanal comprende dos

frecuencias separadas 45 MHz.

• En donde se ha saturado la banda primaria, se ha

habilitado una banda adicional, banda de amplicación

(Extended band) (E-GSM 900).

– Inferior (l) 880-890 MHz UL

– Superior (u) 925-935 MHz DL.


890 0.21 124

45

Fl n nn

Fu n Fl n



• E-GSM 900.

• Todo canal físico viene definido por (n,TN).

– (92,5) → 908.4-953.4 e intervalo 5.

• BTS → N radiocanales → 8N canales.

– Dentro de los N Radiocanales hay uno especial, radiocanal 0 o

baliza (B, Beacon), TN0.

• Conexión y vinculación a la red de las MS.

• Las MS se registran y mantienen su vinculación.

• Para que las MS realicen medidas de potencia.

• Permanente y con potencia constante.


890 0.2 1024975 1023

45

Fl n nn

Fu n Fl n












• Duración de una trama es 4.615 ms.

• Duración de un intervalo 0.577 ms.

• Ráfaga (burst) la señal digital transmitida en un intervalo.

• Periodo de actividad de ráfaga es 0.546 ms. Diferencia

para ramping y pequeños desplazamientos de tiempo.

• Tb=48/13=3.69 μs.

• Velocidad en la interfaz física=1/3.69=270.833 Kbps.

• La estructura de canal físico es similar en UL y DL, pero

con la diferencia respecto a la MS:

– La portadora de recepción es 45 MHz superior a la de transmisión.

– En emisión y recepción el intervalo tiene el mismo número , pero

hay un desplazamiento temporal entre ellos igual a 3 IT.


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Nivel Físico red GSM (8) – Toda MS transmite y recibe ráfagas en momentos diferentes.

– Se evita el uso del duplexor en la MS.



• Se han definido 5 tipos de ráfagas:

– Ráfaga normal NB (Normal Burst).

– Ráfaga de corrección de frecuencia FB

(Frequency Correction Burst).

– Ráfaga de sincronización SB (Synchronization

Burst).

– Ráfaga de relleno DB (Dummy Burst).

– Ráfaga de acceso.

• Todas excepto la ultima constan de 148 bits.

• 114 de información el resto de tara (overhead bits)







• La velocidad de una ráfaga normal.

• Tb=3.692 μs.

• Vb=270.833 Kbps.

• B=200 KHz.

• Eficiencia espectral η=1.35 bits/Hz.



11424.7

4.615 /

bitsv Kbps

ms trama


• Estructura de tramas y multitramas.

– Número de trama: 0 a

Fnmáx=26*51*2048=2715648

– Dos tipos de multitrama.

• MF26 (120 ms)

• MF51 (235.4 ms)






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• Mediciones de señal en la MS.

– Aspecto importante e innovador del nivel físico.

– Medida de potencia de la señal, en la frecuencia

propia como en las frecuencias de celdas

vecinas.

– Mediciones útiles para traspasos (HO).

– Se utiliza la propiedad de separación temporal

TX/RX, para que la MS pueda medir otras

portadoras cuando no tiene que escuchar la

propia. UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES






• Sistema GSM

– A/D. PCM.

• 8000 muestras/s.

• Cuantización de las muestras (13 bits): 8192 niveles.

• Codificación de bits: 104 Kbps.

– Vocoder. Elimina la información redundante de la voz.

• Velocidad total (FR): 13 Kbps.

• Velocidad mitad (HR): 6.5 Kbps.

• Velocidad total mejorada (EFR): 15.1 Kbps.

– RPE-LTP

• Segmentación bloques de 20 ms.

• Factor de Compresión 8: 13 Kbps. En 20ms 260 bits.




• Codificación de canal.

– Concatenación de dos códigos.

• Código externo de tipo bloque (detector).

• Código interno de tipo convolucional (corrector), con

una redundancia que depende del tipo de canal.

– Perforación (puncturing)

– Diferente la codificación de voz, datos y

señalización.




• Codificación señal vocal

– RPE-LTP (regular Pulse Excited – Long Term Prediction).

– Bloques de 260 bits cada 20 ms (13 Kbps).

– Tres categorías. (1a,1b y 2).

• Clase 1a. 50 bits. Código bloque (53,50). 53 bits.

• Clase 1b. 132 bits.

– 4 bits de cola (TB, Tail bits).

– Subtotal=189 bits + codificador convolucional de tasa ½ y longitud de Restricción 5 =

378 bits.

• Clase 2. 78 bits.

• Total=456 bits – Porcentaje de bits protegidos=182/260=70%

– Vb=456/20ms=22.8 Kbps (velocidad neta del canal TCH/F)






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• Codificación para transmisión de datos.

– Se obtienen grupos de 240, 120 y 72 bits en 20ms.

– Códigos convolucionales de diferente tasa para obtener

456 o 228 bits.



Velocidad de datos Velocidad adaptada

9.6 Kbps 12 Kbps

4.8 Kbps 6 Kbps

2.4 Kbps 3.6 Kbps


• Codificación de los bits de señalización.

– Se agrupan en 23 octetos (184 bits), a los que se aplica

un código de Fire con 40 bits de redundancia. (224,184).

– Se añaden 4 bits de cola y se aplica a un codificador

convolucional de tasa ½ y longitud de restricción igual a

5.




• Entrelazado (interleaving)

– Primer nivel de entrelazado: 456 bits /20ms en 8 bloques

de 57 bits.

• Se escriben por filas y se leen por columnas.

– Segundo nivel de entrelazado: en una ráfaga se envía

un bloque en una trama y otro en la siguiente.

– Retardo=37.5 ms. (tiempo mínimo de transmisión entre

la primera y la ultima ráfaga).

– Retardo total= retardo+tiempo de codificación+ tiempo

de procesamiento.










• Modulación GMSK.

– Una vez conformada la ráfaga a 270.833 Kbps.

– Modulación digital de frecuencia con fase continua y

prefiltrado gaussiano.

– Envolvente de la onda modulada constante.

– Puede utilizarse amplificadores de potencia no lineales

(alto desempeño)

– Generación mediante modulación directa de frecuencia

o moduladores IQ.

– Posibilidad de diferentes métodos de detección:

coherente, no coherente, diferencial.



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• Especificación GSM BbT=0,3




• Alineación temporal adaptativa. – El acceso TDMA requiere una excelente sincronización.

– Las MS obtienen la sincronización de las señales

recibidas desde las BTS que son transmitidas

continuamente.

– Las MS envían sus ráfagas aisladas, una por trama.

– El tiempo de propagación depende de la separación MS-

BTS.

– Puede suceder que ráfagas adyacentes emitidas por dos

MS distantes entre sí, se superpongan parcialmente en

la BTS.




• Alineación temporal adaptativa (2).

– GSM. TA (time Alignment). La BTS ordena a las MS distantes que

inicien el envió de sus ráfagas con cierto adelanto respecto al

instante teórico. 6 bits. (0-63 periodos de bit). (0-233 μs). 35Km.

Máximo radio celular (Señalización ida y vuelta).

– Adelanto lo evalúa la BTS cuando el móvil accede al sistema por el

RACH.

– El espacio de guarda de la ráfaga de acceso (68.25 bits o 252 μs)

permite una distancia MS-BTS de hasta 37 Km sin traslape.

– Datos de corrección del TA (1 bit up/down) lo envía la BTS a través

del SACCH.




• Control de Potencia.

– Reducir al mínimo la interferencia de RF y prolongar

duración de baterías.

– Control en BTS y en MS.

– Valor mínimo necesario para asegurar nivel de RF y

señal adecuados.

– MS. Pasos de 2dB. Hasta lograr el valor máximo de

potencia permitido (categoría).

– El acceso inicial a través del RACH, la MS utilizará la

potencia menor entre la máxima definida para su

categoría y la máxima admitida en la celda (difundida

por el BCCH). UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES



• Control de Potencia (2). • Tras el acceso, la BTS calcula la potencia que debe usar

la MS y le ordena el ajuste de su potencia. 4 bits en el

SACCH en el DL. La MS lo confirma por el SACCH en el

UL.

• El control de potencia en la BTS. La MS realiza medidas

y las notifica.

• 13 tramas. Periodo para medición y corrección de

potencia. 60ms.



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• Transmisión/recepción discontinuas.

– Información en un sentido + pausas de conversación.

– Canal esta activo menos del 50% de la duración de la llamada.

– GSM. Transmisión discontinua. (DTX). Se transmiten ráfagas de voz

por el TCH cuando hay muestras de voz presente.

– Reducción de interferencia.

– Prolongación duración de las baterías.

– VAD (Voice Activity Detector). Distingue voz de silencio.

– La transmisión de RF cesa una vez transcurrido un periodo igual a

80ms (4 bloques de voz) desde que el VAD detecta un silencio.






• Transmisión/recepción discontinuas (2).

– Problemas en recepción por el silencio. (falta de ruido de

fondo).

– Las tramas en recepción se rellena con ruido de

conveniencia (confort noise).

– El transmisor envía cada 480 ms un SID (Silence

Descriptor) información para la generación de ruido por

conveniencia.

– La escucha del canal de control no es permanente. Las

MS escuchan el PCH cada cierto número de

multitramas. Recepción discontinua (DRX).





• Saltos de frecuencia.

– Desvanecimiento Rayleigh.

– Diversidad en frecuencia.

– 217 saltos/s. (frecuencia de la trama).

– SHF (Slow Hopping Frequency).

– Los nulos de señal causados por el desvanecimiento

varían de posición entre ráfagas por lo que los errores

quedan más repartidos.

– Reducción en termino medio de la interferencia cocanal.

– Secuencia de salto programable por el operador.







• Ecualización.

– Dispersión temporal genera ISI.

– Solución parcial con ecualización adaptativa.

– GSM. Ecualizador de Viterbi.

– Se utiliza la secuencia de entrenamiento

(trainining sequence) para estimar la respuesta

del canal.



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• Medidas de señal en la MS.




• Medidas de señal para el traspaso.

– Medida realizada por la BS (UL).

• La BS mide el nivel y la calidad de cada MS a la que da servicio.

– Medida realizada por la MS (DL).

• La MS mide el nivel y la calidad de la celda servidora y las celdas

vecinas.

– MAHO (Mobile Assisted handover).

– BSIC (Base Station Identification Code).

– Nivel de recepción (RXLEV). (0,1, 2,…,63). (-110 -48)dBm.

– Calidad (RXQUAL). (0,1,…,7).

– Periodo de medición 4 MF26, 104 tramas (480 ms), equivalente a

un ciclo completo de 4 tramas SACCH.




• Medidas de señal para el traspaso (2).



RXLEV Potencia (dBm)

0 <-110

1 -110 a -109

2 -109 a -108

-- --

61 -50 a -49

62 -49 a -48

63 > -48

RXQUAL BER (%)

0 <0.2

1 0.2-0.4

2 0.4-0.8

3 0.8-1.6

4 1.6-3.2

5 3.2-6.4

6 6.4-12.8

7 > 12.8


Planificación de redes celulares

• Planificación

– Análisis de aspectos

• Comerciales.

• Tecnológicos.

• Económicos.

• Operativos.

– Vida útil (5-8) años

– Alta tasa de depreciación de equipos.



• Planificación(2)

– Diseño de la red de acceso

• Donde instalar las BS.

• Definir distribución de antenas.

• Definición de potencias de transmisión.


Planificación de redes celulares (2)


• Planificación (3)

– Tres indicadores QoS

• Porcentaje de cobertura del área de servicio.

• Probabilidad de bloqueo o de perdida de llamada.

• Probabilidad de caída de llamada en un traspaso.

– Tareas

• Determinación de cobertura.

– Potencias MS y BS.

• Determinación de capacidad de tráfico.

– Número de interfaces radioeléctricas

• Determinación de la calidad de servicio.

– Traslape de áreas.



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– Planificación de cobertura

• Ubicación de BS.

• Potencias de transmisión.

• Tipos de antenas, ganancias, inclinación.

• Necesidad de mapas detallados.

• Definición de celdas – sectores.

• Definición del modelo de propagación a utilizar.

• Sensibilidad.

• Ruido radioeléctrico.

• Balance del enlace (Link Budget)





– Planificación de cobertura (2)

• Tipos de interferencia

– Interferencia co-canal.

– Interferencia de canal adyacente.

– Intermodulación (IM).

– Intersimbólica (ISI).





– Planificación de capacidad de tráfico

• Grado de servicio (GOS) (Probabilidad de

bloqueo).

– Hora de mayor utilización.

• Patrón de reutilización de frecuencias.

• Modelo de tráfico (ingeniería de teletráfico)

– Intensidad de tráfico

» Erlang B.





– Importante en la planificación los

siguientes datos.

• Densidad de usuarios (usuarios/km2).

• Tráfico telefónico por usuario promedio

(Erlang/usuario).

• Densidad de tráfico (Erlangs/km2).




• Ejemplo 1. – Suponiendo que 48 es el número máximo de

radiocanales en una celda omnidireccional para una

determinada tecnología celular, GOS=2%, 100

usuarios/Km2, y cada usuario origina 0.01 Erlangs en la

hora de mayor utilización.

• Densidad de tráfico=1 Erlangs/Km2.

• Trafico en la celda=38.4 Erlangs.

• Área de la celda=38.4 Km2.

• Radio de la celda=3.5 Km. (suponiendo área circular)





– Otros aspectos de calidad:

• BER.

• Latencia y velocidad de transmisión de datos.

– Planificación zonas de traspaso

• Área de traslape o solapamiento.

• Velocidad de MS.



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• Ejemplo 2.

– Una red AMPS con 7 BS omnidireccionales, 24

canales por sistema radiante (23 de voz y 1 de

control) y 20 km de radio de cobertura,

determinar:

• ¿Cuántos usuarios podrían ser atendidos con un

GOS=2%? Perfil de abonados=0.02 Erlang

– R/ 5516 usuarios.

• ¿Cuál es la densidad de tráfico? Asumiendo tráfico

uniformemente distribuido.

– R/ 15.2 mE/Km2.




• Ejemplo 2. (2) • ¿Ancho de banda requerido por el sistema?

– R/ ≈10 MHz.

• Crecimiento uniforme de tráfico del 60%

¿Qué acciones tomar?

• Si hay un crecimiento considerable en una

determinada área ¿Qué acciones tomar?




• Ejemplo 3

– En una determinada ciudad se implementará un

sistema GSM. El tráfico promedio por usuario en

la hora de mayor carga de 20mE, la distribución

de usuarios es igual a 100 usuarios/km2 ,el GOS

requerido es 2%, el espectro asignado es 4.8

MHz (UL) y 4.8 MHz (DL). Considere las celdas

omnidireccionales.




• Ejemplo 3 (2) • Densidad de tráfico = 2E/km2.

• 24 portadoras FDx.

• 48IT/celda. (47TCH y 1 canal de control).

• Tráfico=37.45E.

• Área de celda=18.725 km2.

• Radio de la celda = 2685 m.





– Radio de la celda

• Densidad de tráfico (E/km2).

• Número de canales por celda (reuso).

• Condiciones de propagación.

– Análisis de cobertura

• Modelos de propagación.

• Interferencia GSM<TDMA




• Ejemplo 4.

– Idem ejemplo 3 para un sistema TDMA

(IS-136).

• 160 portadoras FDx.

• ≈68 canales/celda. (67 TCH, 1 canal control) .

• Tráfico 56.28E.

• Área de celda=28.14 km2.

• Radio de la celda = 3291 m.



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– Para igual número de portadoras



GSM TDMA

N portadoras/cluster N portadoras/cluster

4 celdas/cluster 7 celdas/cluster

N/4 portadoras/celda N/7 portadoras/celda

8 IT/portadora 3 IT/portadora

2N IT/celda 3N/7 IT/celda



– La sectorización no es positiva desde el punto

de vista de la capacidad.

• BS omnidireccional 12 canales, GOS= 2%.

– Tráfico= 6.61E.

• Al sectorizar por 3.

– 4 canales/sector

– Tráfico 1.09 E/sector

– Tráfico 3.27 E/celda.

– Igual número de transceptores y más antenas.

– Reducción de la capacidad de tráfico.





– La sectorización

• Manejo de tráfico más controlado.

• Reducción de interferencia.

• Mejor relación C/I.

• Antenas directivas.

• Mayor ganancia.

• Se debe tener especial atención en los traspasos.




• Ejercicio.

– Existe una red IS-136 en banda de 850 MHz. El sistema

es 100% digital. Se está utilizando un plan 7/21, 3

sectores por BS y cada sector tiene 20 portadoras. Se

están utilizando dos canales de control por sector. Dada

la creciente importancia de los servicios de datos y la

necesidad de tener un camino claro de evolución hacia

3G, ha llegado el momento de migrar de tecnología a

GSM/GPRS en la banda de 1800 MHz, para sustituir la

actual red DAMPS, por lo que la empresa debe adquirir

espectro en la banda referida.




• Ejercicio (2)

– Por razones de tiempo y economía se decidió utilizar,

para las nuevas BTS, los mismos sitios existentes que

en DAMPS. El diseño de la red se hace al igual que en

la anterior para GOS= 2% y se supone que los radios de

cobertura son similares entre ambas redes, también se

ha decidido utilizar 2 canales de control por sector. La

idea es transferir todo el tráfico celular a la nueva red, la

que tendrá que tener entonces la capacidad inicial

necesaria para soportarlo.




• Ejercicio (3) – Suponiendo que no se utiliza FH, que el plan de frecuencias elegido

es un 4/12, y que se reserva para GPRS 4 Time Slots por sector.

¿Determinar la cantidad de canales necesarios por sector?

¿Determinar el ancho de banda que es necesario licenciar

en 1800 MHz?

¿Analizar qué problemas puede presentar implementación?



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• Potencia de transmisión.

– Estaciones móviles (MS)

• Referidos al conector de antena.

• Control de potencia: 19 escalones. (5-39)dBm



Clase de

estación

Potencia de

salida máxima

Tolerancia (dB)

1 --

±2

2 8W (39 dBm)

3 5W (37 dBm)

4 2W (33 dBm)

5 0.8W (29 dBm)


• Potencia de transmisión.

– Estaciones base (BS)



Clase de estación Potencia de salida

máxima (W)

Tolerancia (dB)

1 320-640

±2

2 160-320

3 80-160

4 40-80

5 20-40

6 10-20

7 5-10

8 2.5-5


Ingeniería Radio en GSM

• Influencia de ruido y control

– Fuentes de ruido en interfaz radio

• Ruido interno receptores y elementos de conexión.

• Ruido artificial externo.

– Receptores modernos

• Factor de ruido muy pequeño → ruido interno muy

reducido → se incrementa por elementos pasivos

conexión receptor antena.


32 41

1 1 2 1 2 3

11 1...

ff ff f

g g g g g g

i

o

S

Nf

S

N


Ingeniería Radio en GSM (2)

• Influencia de ruido y control (2)

– Desvanecimiento Rayleigh → mínimos de señal.

• Efecto captura (FM) → Señal por ruido e

interferencia.

• Ruido adquiere un carácter impulsivo (click noise).

• Click noise → correlacionado con el desvanecimiento

→ Ráfagas de ruido.





– Ruido artificial.

• Naturaleza impulsiva.

• Densidad espectral de potencia se reduce con la

frecuencia.

• En un medio urbano su acción puede ser notable en

receptores móviles (MS).

• Una BS distante capta una menor nivel de ruido

(despreciable).





– Potencia de ruido artificial en una antena ideal

sin perdidas.


0

na

Pf

KT b

174 10loga nF P dBm b Hz

21 18

0 4*10 4*10W mW

KTHz Hz

16




– Ejemplo. En un medio urbano en frecuencia de

850 MHz, se ha medido en ciertas condiciones,

un valor medio de ruido de ignición de -120 dBm

en un ancho de banda de 28 KHz.


3

174 10log

120 174 10log 28*10

9.5

a n

a

a

F P dBm b Hz

F

F dB




– Fa se encuentra entre 9 y 12 dB para

frecuencias del orden de los 900 MHz.

– Influencia del ruido artificial es mayor para voz

que para señalización (elevada protección con

códigos de control de errores).

• Factor de degradación.





– Siendo la sensibilidad s(mw) o S(dBm) medida

en laboratorio → solo afecta ruido térmico.

• Relación de referencia.

• fr → factor de ruido → caracteriza ruido térmico del

receptor.

• b → ancho de banda de premodulación.


0 0 r

c s

n kT bf




– Si pr potencia de salida en los terminales de la

antena.

• fsis → factor de ruido del sistema receptor.


0

r

sis

pc

n kT bf




– Siendo d, la degradación debida a la presencia

de elementos de conexión y ruido artificial.

• En condiciones reales se debe tener en cuenta el

ruido artificial captado por la antena más el ruido

generado en los elementos de conexión.


sis

r

fd

f0

r

r

pc

n kT bf d




– Receptor BS.

• AA. Alimentador de antena.

• PA. Preamplificador.

• MA. Multiacoplador de antena.

– Compartición de la antena por los diferentes receptores.

• Rx. Receptor.


17




– Receptor BS (2).


1 1arsis a pa ar r ma

pa

lf f f l f l

g

10 10 10

10 10

10 ; 10 ; 10

10 ; 10

pa paar

ma r

F GL

ar pa pa

L F

ma

l f g

l fr




– Receptor BS (3).

• Si la antena de recepción se encuentra muy elevada

→ la captación de ruido artificial es despreciable →

fa=1.


1arsis pa ar r ma

pa

lf f l f l

g

( ) 10log 1arsis r pa ar r ma r

pa

lD dB F F f l f l F

g




– Receptor MS.

• La antena se encuentra conectada directamente al

receptor. (Lar=Lma=Fpa=Gpa=0dB).


1sis a rf f f

1 11sis a r a

r r r

f f f fd

f f f

110log 10log 1sis a

r r

f fD

f f




– Receptor MS (2).

• Ejemplo. Supuesto un receptor con factor de ruido

Fr=6dB (fr=4) y situado en un entorno en el que

Fa=10dB (fa=10).


110log 10log 1

10 110log 1 5

4

sis a

r r

f fD

f f

D dB




– Para compensar los efectos de ruido se aplica

un margen igual a la degradación, por lo que la

potencia umbral de funcionamiento será:

• S(dBm) → Sensibilidad.

• D(dB) → Degradación.

• Pu → referida a la salida de la antena del receptor

(antes de elementos de conexión si existen).


uP S D



• Desvanecimiento lento

– El planificador elige un margen de funcionamiento

(margen Log-Normal).

– Margen → Una señal con un nivel de potencia por

encima del umbral en el L% de las ubicaciones más

desfavorables (en el borde de cobertura) de la celda.

• L → porcentaje de ubicaciones o porcentaje de cobertura

perimetral.

• K(L) → Función inversa de la Gaussiana Acumulativa.

• σL → Variación de la señal con las ubicaciones.


LM L K L

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• Desvanecimiento lento (2)

– Para estimar el porcentaje de cobertura de toda la zona

(porcentaje zonal Z%). (Formula de Jakes).

• Donde:

– n es el exponente de la ley de propagación.


Porcentaje L(%) K(L)

50 0

75 0.67

90 1.28

95 1.64

2

2 1 150exp

xyZ L erfc x

y y

2

k Lx 3.071

L

ny




– El valor de planificación para potencia de recepción en

bornes de la antena receptora será:


Pr dBm S dBm D dB M L dB




– En GSM para cobertura en medio urbano.

• σL=7dB.

– Supuesta una ley de propagación con exponente n=3.5.

• Cobertura perimetral L=75%.

– K(L)= 0.67.

• M(L)≈5dB.

• Cobertura zonal Z ≈90%.



Ingeniería Radio en GSM (20) • Potencia Umbral

– En GSM, el umbral de recepción se expresa en términos

de Eb/No (sistema digital).

• Rec. GSM 05.05

• Vb=270,833Kbps≈271Kbps.

• Eb/No=8dB (incluye margen de realización de 2 dB para calidad

mínima de servicio y sin interferencia).

• N0, Ruido interno del equipo.

– Umbral

• Función del canal lógico.

• Función de las condiciones de propagación.

– Dispersión temporal.

– Corrimiento Doppler.



Ingeniería Radio en GSM (21) • Potencia Umbral(2)

– Rec. GSM 05.05

• Nivel de sensibilidad de referencia.

– FR(dB). Factor de ruido del receptor.

– 10log(KT0)=-174dBm/Hz.

– Para equipos portátiles S=-102dBm. (FR=10dB).

– Para estaciones móviles y estaciones base S=-104dBm.

(FR=8dB).


00

10log 10log bb R

ES dBm KT v F

N

112 RS dBm F



• Interferencia

– En condiciones normales, el efecto de interferencia es

controlado por la elección de una adecuada C/I.

– Si la señal deseada sufre un desvanecimiento y la

interferente no, la (C/I) será inferior al umbral en esos

periodos y por efecto de captura aparecerá la

interferencia a la salida.

– Desvanecimiento es de corta duración →

desvanecimiento Rayleigh.

– Desvanecimiento lento → log-Normal. Se especifica el

porcentaje de ubicaciones (i.e 10%) en el cual se admite

que (C/I) este por debajo del nivel umbral.


19



• Interferencia (2)

– C/I (Rec. GSM 05.05).

• Los valores de la tabla son mínimos por lo tanto para la

reutilización de frecuencias debe utilizarse valores medianos.


Cocanal C/Ic 9 dB

Primer canal

adyacente

C/Ia1 -9 dB

Segundo canal

adyacente

C/Ia2 -41 dB

Tercer canal

adyacente.

C/Ia3 -49 dB



• Interferencia (3)

– C/I (Rec. GSM 05.05). (2)

• Para un medio urbano σL=7dB y L=75%.


9 2 LC K L

I

9 6.6 15.6CI



• Supresión de canales adyacentes

– ACS (Adjacent Channel Suppresion)

• De la tabla ACS=18 dB. El valor no es demasiado alto y se

puede cumplir si se utilizan canales adyacentes en la celda.

• GSM se planifica sin utilizar canales adyacentes en la misma

celda.

• Los canales adyacentes se pueden utilizar en celdas adyacentes

que no compartan la misma BTS.

• Para el segundo canal adyacente ACS=50dB.

• Posible la utilización en la misma celda de segundos canales

adyacentes.


1C a

C CACSI I



• Balance de enlaces.

– Cuadro típico basado en las siguientes hipótesis:

• Factor de ruido

– Antena BS Fa=8 dB.

– Antena MS Fa=10 dB.

– Receptor BS FR=8 dB.

– Receptor MS FR=10dB.

• Sensibilidad

– Receptor BS=-104 dBm.

– Receptor MS=-102 dBm.

• Margen log-normal.

– L=75% de cobertura perimetral.

– σL=7dB.




• Balance de enlaces. (2) • Frecuencias típicas (promedio de la banda)

– DL (869-894) MHz → 881 MHz.

– UL (824-849) MHz → 836 MHz.

• Ganancias de antenas. Sensibilidad

– BS. TX y RX. 10 dBd.

» BS. Por diversidad en recepción ganancia adicional de 3 dB.

– MS. TX y RX. -3 dBd.

• Pérdidas en terminales.

– BS.

» TX. 2.5 dB combinador. 1.5 dB en el cable de antena.

» RX. 3.5 dB multiacoplador de antena. 1.5 dB en el cable de antena.




• Balance de enlaces . (3) • Degradación por ruido (fpa=gpa=1) BS.


1 1arsis a pa ar r ma

pa

lf f f l f l

g

1sis a r ma arf f f l l

8 8 3.5 1.5

10 10 10 1010 1 10 10 10 25.26sisf

14sisF dB6sis RD F F dB

20



• Balance de enlaces . (4) • Degradación por ruido MS.


1sis a rf f f10 10

10 1010 1 10 19sisf

12.7875sisF

2.7875 3sis RD F F dB dB



• Balance de enlaces. (5) • Potencia de transmisión.

– BS. 6 W (≈38 dBm).

– MS. 2 W (33 dBm).

• Alturas de antenas

– BS. hb=30 m.

– MS. hm=1.5 m.

• Perdida por penetración en edificios Lp=15 dB.

• Se calculan dos alcances de cobertura (Hata). Perdida igual a la

atenuación compensable.

– MS en la calle.

– MS dentro de un edificio.




• Balance de enlaces (6)


Parámetro DL

(BS→MS)

UL

(MS→BS)

Relación

A. Potencia transmisor Pt(dBm) 38 33

B. Perdida en terminales del

transmisor Ltt (dB)

2.5 0

C. Pérdidas en el cable de

antena Lat(dB)

1.5 0

D. Ganancia de la antena de

transmisión (dBi)

12.2 -0.8 G(dBi)=G(dBd)+2.

2

E. PIRE transmisión (dBm) 46.2 32.2 E=A-B-C+D

F. Sensibilidad del receptor -102 -104



• Balance de enlaces (7)


Parámetro DL

(BS→MS)

UL

(MS→BS)

Relación

G. Degradación por ruido D(dB) 3 6

H. Margen Log Normal 5 5 H=K(L)σL

I. Potencia recibida Pr(dBm) -94 -93 J=F+G+H

J. Ganancia de la antena

recepción (dBi)

-0.8 15.2

K. Perdida en terminales del

receptor Lrr (dB)

0 3.5

L. Pérdidas en el cable de

antena Lar(dB)

0 1.5

M. Atenuación compensable

Lb(dB)

139.4 135.4 M=E-I+J-K-L



• Balance de enlaces . (8)


Parámetro DL

(BS→MS)

UL

(MS→BS)

Relación

Cobertura en la calle d(Km)

(ht=30 m) (hb=1.5 m)

2.3 1.9 Hata

Cobertura para funcionamiento

en interiores Lp=15 dB.

0.9 0,7

69.55 26.26log 13.82log 44.9 6.55log logb t m tL f h a h h d

1.1 log 0.7 1.56log 0.8m ma h f h f

0; 1.5m ma h h m


UNIVERSIDAD DEL CAUCA - VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ

Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas...

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