Principios Básicos de telefonía móvil

 

Se define como telefonía móvil todos aquellos  sistemas diseñados para comunicarse dos dispositivos que se pueden desplazar largas distancias. De este modo, un teléfono inalambrico de casa no está en este grupo, aunque sí existe una conexión inalámbrica ( por bluetooth ).

1º Sistemas de telefonía públicos

 

En la imagen de la izquierda vemos una típica antena de telefonía móvil que permite la comunicación entre un dispositivo ( teléfono, ordenador, tablet, etc ) con la red. Hay que destacar que la evolución que ha tenido ha sido espantosa, que ha provocado una evolución en las tecnología tanto en sistema de redes como en los dispositivos de usuarios. Así tenemos la sigla G, correspondiente a Generación, dando lugar a 1G, 2G, 3G, 4G y ahora la 5G

Cada generación a aportado un avance importante, destacando la 3G ( El teléfono se convierte en un ordenador )  y 5G ( comunicaciones mucha mas rápidas, mayor densidad y latencia muy baja).

Hacemos un breve resumen del desarrollo de cada Generación

1º Generación

1. Apareció en 1979, permitiendo la transferencia de célula (handover).
2. Todos los sistemas eran totalmente analógicos, limitado sólo a la transmisión
   de voz.
3. Utilizaba la técnica FDMA (Acceso múltiple por división de frecuencia) para el
   acceso a las celdas, limitando la cantidad de usuarios que el servicio podía
   ofrecer de forma simultánea.
4. La tecnología predominante en España fue la TACS (Total Access Communications System).
5.  Como Ventaja ofrecía Tiempos de conmutación de 500 milisegundos. A día de hoy, eso es un disparate
6. Como desventajas  tenemos enlaces de muy baja calidad y poca de seguridad.

2º  Generación

1. Se presentó a finales de los 90, basado en introducir protocolos de telefonía
2. Es tecnología digital.
3. Aparecen los  envíos de mensajes de texto SMS(Short Message Service).
4. De todos los estándares el que más triunfó fue el GSM, estableciéndose mundialmente.
5. GSM es totalmente digital y  soporta voz, mensajes de texto, datos (9.6Kbps) y roaming.
6. 1º Mejora , 2.5G GPRS con velocidades hasta  Hasta 114 Kbps.
7. 2º mejora , 2.75G E-GPRS con velocidades hasta 348 Kbps.
8. Permitían más enlaces simultáneos que la 1º generación.
9. Mayor capacidad de envío desde fax y módem.
10. Posibilidad de mas  servicios en la misma señal.

3ª  Generación

1. Surgieron en la década del 2000.
2. De las  3 tecnologías 3G,  en Europa se implantó  la UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)
3. Pasamos a tener transferencia de datos  hasta 2Mbps.
4. Mejoras posteriores del 3G han dado paso a las conocidas como HSPA.
5. HSDPA (3.5G): Velocidad entre 7.2Mbps hasta 14,4Mbps.
6. HSUPA (3.75G), se mejora la  velocidad de subida  hasta 7.2 Mbit/s.
7. HSUPA + (3.8G, 3.85G): Velocidades de hasta 42Mbps de bajada y 11,5Mbps de subida.
    

4ª  Generación

1. Se pasa a  tecnologías móviles a tecnologías totalmente en IP.
2. Surge a partir del año 2010, tratándose de una colección de tecnologías y protocolos que permitan el máximo rendimiento.
3. Para usar la red de comunicación móvil 4G, los terminales de los usuarios deben ser capaces de seleccionar el sistema inalámbrico de destino. Para proporcionar
4. Latencia de  20-30 ms.
5. Servicios y mas servicios. Juegos, TV móvil de alta definición, videoconferencia,  trabajos en la nube,  acceso a información dinámica ( dispositivos en movimiento ),  etc.

5ª  Generación

1. Esta generación comenzó en 2018 y continuara expandiéndose a todo el mundo. Mas allá de la mejora de velocidad, se espera el uso masivo en las aplicaciones IoT (internet de las cosas), donde se pueden satisfacer las necesidades de comunicación de millones de dispositivos conectados. Todo ello debido a la mejora de velocidad, latencia, densidad de dispositivos  y costo.
2. Velocidades en movilidad superiores a 100 Mbit/s y picos de 1 Gbit/s
3. Banda ancha 1000 veces mas rápida por unidad de área
4. 100 dispositivos conectados por área
5. Comunicaciones ultra fiables y de baja latencia, en torno a 1 milisegundo
6. Cobertura del 100% del la zona de trabajo
7. Reducción del 90%  en el consumo de la energía necesaria para la red
8. Aumento en la duración de las baterías de los dispositivos IOT debido a la baja potencia necesaria para su funcionamiento ( Puede llegar a los 10 años )
9. Banda ancha móvil de muy alta velocidad y capacidad, con velocidades en movilidad superiores a 100 Mbit/s y picos de 1 Gbit/s.
    

 

Actividad 2. Calcular el tiempo de descarga de un vídeo que ocupa 20 MB empleando una línea GPRS de 54 kb/s y el tiempo empleando una HSPA de 14,4 Mb/s. Tener en cuenta que las velocidades se suelen dar en bits y la capacidad de archivos y datos en byte y que un byte = 8 bits

 

1.2 Arquitectura de red de la telefonía móvil

Las sistemas han ido evolucionando y existen variantes entre ellos, pero siempre tienen en común los siguientes aspectos

1º Ya hemos visto que tener mas datos implica manejar frecuencias mayores, pero esto trae consigo menor alcance ( ecuación de friis ). Esto nos lleva a manejar células (  espacios hexagonales ). Nuestros teléfonos van a estar en algunas de las células en la que se ha dividido el terreno.

 Cada celda  con sus antenas, puede cubrir desde unas pocas manzanas de una ciudad hasta largas  distancias de 30 km2 ( esta distancia puede variar según cambie la tecnología ).

Generalmente son de forma hexagonal,  figura geométrica  que permite cubrir una área del terreno con el menor número de celdas posible, evitando  zonas  sin cobertura y con una distribución de las antenas homogénea por todo el territorio (misma distancia entre las antenas de las celdas), lo que evita la recepción de la señal.

 

En la imagen  tenemos la división que se hace del terreno en células, donde no se usa la misma frecuencia en celdas  vecinas. Las celda verdes no son vecinas  u por ello , sí pueden usar  la misma frecuencia. Para la mejor optimización del espectro, en las zonas  rurales, las antenas son omnidireccionales y se sitúan en el centro de cada celda, pero en entornos de lata densidad ( Urbano ),  las antenas se suelen colocar en tres vértice no consecutivos de cada hexágono.

En la ciudad, como la antenas se ponen en los vértices, tenemos tres antenas sectoriales de 120º ( lóbulos verde, amarillo y azul de la imagen ), como se muestra en la siguiente imagen.

 

2º Muchos usuarios significa muchas frecuencias, pero esto no es posible, porque el rango de frecuencias está limitado. la solución estará en usar un grupo de frecuencias que se irán repitiendo a lo largo de las células.

Vemos como las antenas mandan tres señales con frecuencias diferentes. Por ejemplo la antena 1 tiene la frecuencia numerada 7, 21 y 14, que vuelven a usarse en otra antena distante 2.

A parte de las antenas, se necesitan equipos ara establecer la comunicación entre dos dispositivos móviles ( que además pueden desplazarse en la comunicación, si por ejemplo uno de ellos va en coche ). Para que el proceso se efectúe con garantías, se necesitan los siguientes sistemas.
1º BS Es la estación base, también denominada BTS .Cuando un dispositivo móvil  está en la celda de una BS, esa BS es la que controla la comunicación.

En la figura adjunta , se representa un dispositivo BTS encargado de establecer la comunicación entre una antena y el usuario. También puede contener sistemas para cifrar y descifrar las comunicaciones, circuitos de filtrado del espectro (filtros de paso de banda), etc.
Las antenas también pueden ser consideradas como componentes de la BS, ya que facilitan el funcionamiento de la misma.

Normalmente, los BTS tienen varios transceptores (TRX) que sirven varias frecuencias a diferentes sectores de la célula (en el caso de las estaciones de base sectorizadas).

 El alcance va desde algunos cientos de metros hasta los 30 Km, dependiendo del entorno ( montaña, campo abierto, ciudad, etc).

Una BTS está controlada por un controlador de estación base principal a través de la BSC.
2º BSC. Este sistema controla varias BS de la zona de influencia y coordina las comunicaciones entre las estaciones.

Es responsable de otorgar la frecuencia, potencia y posición del móvil para determinar que BS es la idónea para su comunicación.

Puede ocurrir que un móvil esté físicamente mas cerca de una BS, pero tenga mas señal de otra. En ese caso, la BSC la cambia para que se utilice la menor energía posible y mayor calidad de comunicación

Cuando se unen los dos sistemas anteriores, estas células proporcionan una cobertura de radio en una amplia zona geográfica. Esto permite que numerosos transceptores portátiles (por ejemplo, teléfonos móviles, tabletas y computadoras portátiles equipadas con módems de banda ancha móvil, localizadores, etc.) se comuniquen entre sí y con transceptores y teléfonos fijos en cualquier lugar de la red, a través de estaciones de base, incluso si algunos de los transceptores se desplazan a través de más de una célula durante la transmisión.
3º MSC . Este sistema de nivel superior,  se encarga de establecer, mantener y finalizar la comunicación de un usuario a otro. Si uno cambia de celda, el BSC le transmite la nueva posición de celda al MSC para que éste lo transmita a las nuevas BS implicadas.
Existen otro sistemas como HLC y VLC ( servicios contratados ,  posición que tiene en ese momento,roaming.. )  que no entramos a detallar.

Podemos representar  los tres sistemas anteriores en la siguiente imagen

1.3 Características  de las redes móviles
 

Con todo lo anterior tenemos :

1. Más capacidad que un solo gran transmisor, ya que la misma frecuencia puede ser utilizada para múltiples enlaces siempre y cuando estén en diferentes células
2. Los dispositivos móviles usan menos energía que con un solo transmisor o satélite ya que las torres celulares están más cerca.
3. Área de cobertura más grande que un solo transmisor terrestre, ya que se pueden añadir torres de células adicionales indefinidamente y no están limitadas por el horizonte
    

1.4 Codificación de la señal celular

Cuando tenemos dos usuarios en la misma zona de la célula, es necesario  distinguir las señales de los mismos, y para ello se  desarrollaron el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA),  el acceso múltiple por división de tiempo (TDMA,) y el acceso múltiple por división de código (CDMA).

Con la FDMA, las frecuencias de transmisión y recepción utilizadas por los diferentes usuarios en cada célula son diferentes entre sí. A cada llamada celular se le asignó un par de frecuencias (una para base a móvil, la otra para móvil a base) para proporcionar un funcionamiento full-duplex.
 

1.5 Reutilización de la frecuencia

La característica clave de una red celular es la capacidad de reutilizar las frecuencias para aumentar tanto la cobertura como la capacidad. Como se ha descrito anteriormente, las células adyacentes deben utilizar frecuencias diferentes, sin embargo, no hay problema con que dos células suficientemente separadas funcionen en la misma frecuencia, siempre que los mástiles y el equipo de los usuarios de la red celular no transmitan con demasiada potencia.
 

1.6 Antenas direccionales

Las torres de telefonía móvil suelen utilizar una señal direccional para mejorar la recepción en las zonas de mayor tráfico. En los Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) limita las señales de las torres celulares omnidireccionales a 100 vatios de potencia. Si la torre tiene antenas direccionales, la FCC permite al operador de la célula emitir hasta 500 vatios de potencia radiada efectiva .

Aunque las torres de telefonía celular originales crearon una señal uniforme y omnidireccional, estaban en el centro de las células y eran omnidireccionales, se puede re-dibujar un mapa celular con las torres de telefonía celular situadas en las esquinas de los hexágonos donde convergen tres células. Cada torre tiene tres conjuntos de antenas direccionales dirigidas en tres direcciones diferentes con 120 grados para cada célula (en total 360 grados) y recibiendo/transmitiendo en tres células diferentes a diferentes frecuencias. Esto proporciona un mínimo de tres canales, y tres torres para cada célula y aumenta enormemente las posibilidades de recibir una señal utilizable desde al menos una dirección.

 

 Veremos un vídeo  resumen de la arquitectura de la  telefonía móvil

 

2º Sistema de telefonía privados

La necesidad de establecer comunicaciones con características especiales y de mayor exigencias de las comunicaciones  públicas,  provoca la necesidad del desarrollo de otros sistemas,  que son utilizados por  servicios de socorro,  cuerpos de seguridad, compañías privadas de diferentes ámbitos,  etc
Las ventajas que ofrece estos sistemas  son varias, a destacar:

1º Comunicaciones de usuario usuario y de usuario  a varios usuarios. De esta forma, un operario habla y varios escuchan.

2º Se puede hacer  grupos cerrados de usuarios.

3º Tecnología PTT ( push to talk ). Si pulsas hablas. Si dejas de pulsar, escuchas. Esto no ocurre con la telefonía tradicional, donde los dos interlocutores pueden hablar a la vez
Existen varios sistemas como el  PMR ,  el PAMR   o el TETRA , cada una con características específicas.  Vamos a entrar un poco mas en detalles en el sistema  TETRA, muy usado en cuerpos de seguridad , emergencia y transporte. Sus ventajas son:

1. Uso de modulación digital DQPSK ( Una variante de la QPSK )
2. Sistema muy estable frente a incidencias ( más robusto ).
3. Posibilidad de llamadas punto a punto, punto a multipunto y entre varios usuarios.
4. Puede trabajar en modo Terminal a Terminal, en caso de fallo en las comunicaciones generales.
5. Banda de 400 MHz, que permite mayor alcance respecto a otros que usan mayores frecuencias.
6. Amplia cobertura gracias al uso de los dispositivos como puerta de enlace. Si un operario está en la frontera de cobertura de la antena principal, su dispositivo hace de emisor para comunicarse con otros usuarios que estén fuera de la cobertura de la base
7. Si existe necesidad de llevar un sistema completo TETRA a un punto lejano a la base, por medio de sistemas móviles, el tiempo necesario para hacerlo operativo es pequeño comparado con otros sistemas