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4. El sistema de radiotelefonía celular |
En los sistemas de telefonía móvil celular la zona de cobertura deseada se divide en zonas más pequeñas llamadas células, a las que se asigna un cierto número de radiocanales. Hasta ahora, se han descrito una serie de sistemas que podrían englobarse dentro de este epígrafe. No obstante, sólo se considerarán aquí aquellos sistemas que cumplan los siguientes objetivos:
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4.1. Antecedentes |
La radiocomunicación pública requiere técnicas sofisticadas y, por tanto, su evolución ha estado siempre ligada al progreso de la electrónica. La idea de comunicación instantánea independientemente de la distancia es parte de los sueños más antiguos del hombre, y su sueño se hizo realidad tan pronto como se lo permitió la tecnología. La primera utilización de las ondas de radio para comunicarse se efectuó a finales del siglo diecinueve para radiotelegrafía (en 1880, Hertz realiza una demostración práctica de radiocomunicaciones; en 1897, Marconi realiza una transmisión de radio a más de 18 millas de distancia). Desde entonces, la radio se convirtió en una técnica ampliamente utilizada en comunicaciones militares. Las primeras aplicaciones públicas de la radio fueron de difusión (primero sonido, luego imágenes): esto es mucho más sencillo que la radiotelefonía, dado que el terminal móvil es sólo un receptor. El auge real de los sistemas públicos bidireccionales de radiocomunicaciones móviles tuvo lugar justo después de la segunda guerra mundial, cuando el uso de la modulación de frecuencia y de la tecnología electrónica, como la válvula de vacío, permitieron el desarrollo de un servicio de telefonía a escala real para vehículos. El primer servicio telefónico móvil real nació oficialmente en St. Louis (Missouri, EE.UU.) en 1946. Europa, que se estaba recuperando de la guerra, le siguió algunos años después. Las primeras redes móviles de telefonía se operaban manualmente; es decir, era necesaria la intervención de un operador para conectar cada llamada a la red fija. Además, los terminales eran muy voluminosos, pesados y caros. El área de servicio estaba limitada a la cobertura de un único emplazamiento de transmisión y recepción (sistemas unicelulares). Había muy poco espectro de radio disponible para este tipo de servicios, dado que éste se asignaba fundamentalmente a propósitos militares y a radiodifusión, en particular, televisión. En consecuencia, la capacidad de los primeros sistemas era pequeña y la saturación de los mismos fue muy rápida, a pesar del alto coste de los terminales. La calidad del servicio empeoró rápidamente debido a la congestión y la capacidad de procesar llamadas caía algunas veces hasta paralizar la red. Entre 1950 y 1980 los sistemas evolucionaron hasta automatizarse y los costes disminuyeron gracias a la introducción de los semiconductores. La capacidad se incrementó un poco, aunque aún era demasiado escasa para la demanda existente: la radiotelefonía pública seguía siendo un lujo para unos pocos. Durante los años ?70, la integración a gran escala de dispositivos electrónicos y el desarrollo de los microprocesadores abrió las puertas a la implementación de sistemas más complejos. Dado que el área de cobertura de una antena está fundamentalmente limitada por la potencia de transmisión de las estaciones móviles, los sistemas se plantearon con varias estaciones receptoras para una única estación transmisora. Se permitía así la cobertura de un área mayor a costa de una mayor complejidad en la infraestructura. Pero la verdadera revolución se produjo con los sistemas celulares, donde hay numerosos emplazamientos que tanto transmiten como reciben y sus respectivas áreas de cobertura se solapan parcialmente. En lugar de intentar incrementar la potencia de transmisión, los sistemas celulares se basan en el concepto de reutilización de frecuencias: la misma frecuencia se utiliza en diversos emplazamientos que están suficientemente alejados entre sí, lo que da como resultado una gran ganancia en capacidad. Por contra, el sistema es mucho más complejo, tanto en la parte de la red como en las estaciones móviles, que deben ser capaces de seleccionar una estación entre varias posibilidades. Además, el coste de infraestructura aumenta considerablemente debido a la multiplicidad de emplazamientos. El concepto celular se introdujo por los laboratorios Bell y se estudió en varios lugares durante los 70.
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4.2. Conceptos básicos |
A continuación se describen los conceptos o definiciones básicas, cuyo concepto debe estar bien claro a la hora de hablar de telefonía celular. En primer lugar, el nombre de telefonía celular proviene de que la zona de cobertura deseada se divide en zonas más pequeñas llamadas células o celdas. Aunque la mayoría de los conceptos que se relatarán a continuación podrían ser aplicables a otros sistemas de radiocomunicaciones, como podría ser la cobertura, por las características de la asignatura se ha preferido particularizar estos conceptos para el caso particular de una red celular.
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4.2.1. Célula o celda |
Célula es cada una de las unidades básicas de cobertura en que se divide un sistema celular. Cada célula contiene un transmisor - que puede estar en el centro de la célula, si las antenas utilizadas son o utilizan un modelo de radiación omnidireccional, o en un vértice de la misma, si las antenas tienen un diagrama directivo - y transmiten un subconjunto del total de canales disponibles para la red celular a instalar. Cada célula, además de varios canales de tráfico, tendrá uno o más canales de señalización o control para la gestión de los recursos radio y la movilidad de los móviles a ella conectados.
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4.2.2. "Cluster" o "Racimo" |
Lo forman un conjunto de células. Entre todas, agrupan la práctica totalidad de las frecuencias disponibles por la red celular. Sumando varios racimos es como se alcanza la cobertura final del sistema celular, reutilizándose de esta manera las mismas frecuencias en todos los racimos.
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4.2.3. Cobertura |
En sentido genérico, se entiende por cobertura la zona desde la cual un terminal móvil puede comunicarse con las estaciones de base y viceversa. Es en el primer parámetro en que se piensa al diseñar una red de comunicaciones móviles: ¿en qué zonas se va a dar servicio a los terminales móviles? En primer lugar, la cobertura o el alcance radio de una red es la composición del alcance radio de la suma de todas sus estaciones de base. A la hora de planificar una red, desde el punto de vista de la cobertura, el primer dato que se necesita saber es la zona que se desea cubrir, o zona de servicio. Si se parte de esta única hipótesis, dado un área a cubrir, sería necesario un número de células tal que la suma de las áreas cubiertas por dichas células, a una altura determinada h y transmitiendo a su máxima potencia, fuera igual al área a cubrir. Ahora bien, debemos tener en cuenta que no basta con realizar el cálculo de potencia en el sentido estación base a móvil; también es necesario que el móvil, en función de su capacidad de transmisión, pueda de llegar hasta la estación de base. Por ello, la cobertura de la red debe planificarse teniendo en cuenta las condiciones de transmisión en las que se encuentra el móvil: es a lo que se denomina realizar un balance de enlace. Actualmente, las redes se diseñan teniendo en cuenta varios tipos de móviles: la máxima cobertura se ofrece para terminales instalados en vehículos, con antena exterior, y también se realizan previsiones para equipos portátiles en el exterior y en interior de vehículos, sin antena externa. Debido a las características particulares del trayecto radioeléctrico, únicamente puede hablarse de cobertura en sentido estadístico. Esto implica que, las áreas que se representan teóricamente cubiertas, lo están en un determinado porcentaje de ubicaciones y de tiempo. Existen gráficas, obtenidas de medidas empíricas sobre propagación, que muestran las correcciones en atenuación que se deben realizar para calcular correctamente el área de cobertura de un transmisor radio, así como la probabilidad de cobertura asociada a dichas correcciones. Hasta aquí todo es aplicable a casi cualquier sistema que tenga la radio como medio de transmisión. Lo que diferencia a un sistema celular es que, en zonas de alta densidad de tráfico, es capaz de utilizar más eficientemente que otros sistemas el limitado espectro radioeléctrico que tiene asignado. Esto implica un diseño de red radio denominado "celular", que es lo que le da el nombre al sistema. El "truco" consiste en dividir el área a cubrir en un número de células suficientemente grande, que permita la reutilización de frecuencias. Estos conceptos serán explicados con más detalle más adelante. Desde el punto de vista de cobertura, lo que esta división en pequeñas células implica es que la cobertura de cada célula va a estar limitada por interferencia; es decir, el diseño se hará de forma tal que las células que utilizan los mismos canales de radio emitan a una potencia suficientemente baja para no interferirse entre si y, a su vez, no interferir a los móviles a los que están dando servicio. En definitiva, el máximo alcance de una célula sólo se podrá conseguir en lugares de poca densidad de tráfico, que no son los más adecuados para este tipo de sistemas.
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4.2.4. Capacidad |
Es la cantidad de tráfico que puede soportar este tipo de sistemas. El diseño de una red celular está pensado para soportar, gracias a la compartición de canales y a la división celular, una gran capacidad de tráfico. Al ser un sistema de concentración de canales, la capacidad por cada bloque de canales se calcula mediante la aplicación de la fórmula de Erlang B, es decir, como un sistema de llamadas perdidas (sin colas). La capacidad que aporta este tipo de sistemas es función del número de canales utilizado, o ancho de banda disponible, del tamaño de las células y de la configuración en racimos o "clusters". La capacidad será mayor cuanto mayor ancho de banda se disponga, cuanto menor sea la célula y cuantas menos células sean necesarias por "cluster". Este último parámetro estará fuertemente ligado a la relación de interferencia co-canal que el sistema sea capaz de soportar. Respecto al tamaño de la célula, este estará limitado por la capacidad del protocolo de gestión de la movilidad y por la velocidad a la que se desplacen los móviles en la zona de servicio. El diseño de la capacidad de los sistemas se realiza por zonas, tomando cada estación de base independientemente, suponiendo el caso de tráfico más desfavorable; es decir, el tráfico en la hora cargada.
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4.2.5. Reutilización de frecuencias |
Esta es la técnica que permite diferenciar a los sistemas de concentración de canales frente al resto. Se trata de tomar todo el grupo de frecuencias asignado a la red y, dividiendo el grupo en varios subgrupos - células - y ordenándolo según una estructura celular - racimo - se pueden construir grandes redes con las mismas frecuencias sin que estas interfieran entre sí.
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4.2.6. Señalización |
Por señalización se entiende toda comunicación dedicada a gestionar los recursos del sistema para permitir la comunicación. Al hablar de comunicaciones celulares, se va a tratar de forma diferente la señalización asociada a la transmisión de radio y la relativa a la propia estructura de red. Como se verá más adelante, ambos "tipos" de señalización sirven a los mismos propósitos, y sólo se diferencian por el tipo de entidades a las que ponen en comunicación. Funcionalmente, se podría distinguir entre:
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4.2.7. "Hand-over" o "Traspaso" |
Es como se denomina al proceso de pasar una comunicación de un mismo móvil de un canal a otro. Es lo que diferencia a un sistema celular de otro tipo de sistemas de radiocomunicaciones de concentración de enlaces. En función de la relación entre los canales origen y destino de la comunicación, los handover pueden clasificarse en:
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4.2.8. HLR |
Son las siglas de "Home Location Register" o base de datos donde se contiene toda la información del usuario pertinente para la provisión del servicio de telefonía móvil. Los sistemas de altas y bajas de los operadores actuarán contra esta base de datos para actualizar las características del servicio de cada cliente. También hay en el HLR información actualiada sobre la situación actual de sus móviles.
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4.2.9. VLR |
Corresponde a las siglas "Visitor Location Register" o base de datos donde se contiene toda la información del usuario necesaria para la provisión de los servicios durante la utilización de los mismos. El VLR tiene una copia de parte de los datos del HLR, referidos a aquellos clientes que se han registrado en la zona controlada por dicho VLR.
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4.2.10. Área de Localización |
Está formada por un conjunto de células, y determina el área donde se encuentra el móvil y las células a través de las cuales se emitirá un mensaje de búsqueda para este móvil, en caso de llamadas entrantes al mismo |
4.2.11. Registro |
Es el proceso mediante el cual un móvil comunica a la red que está disponible para realizar y recibir llamadas. La red, por su parte, llevará a cabo una serie de intercambios de información con sus bases de datos antes de permitir o "registrar" al móvil. Gracias a este registro, la red sabrá en cada momento dónde localizar dicho móvil en caso de llegarle una llamada entrante.
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4.2.12. "Roaming" o "Itinerancia" |
Es la capacidad que ofrece una red móvil para poder registrarse en cualquier VLR de la red. Actualmente, este concepto está comúnmente asociado al registro de un móvil en una red distinta de la propia.
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4.3. La red celular al completo |
Bajo este epígrafe se trata de describir, de manera genérica, los diferentes subsistemas de que consta cualquier red celular, teniendo en cuenta sus características básicas.
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4.3.1. Radio |
El subsistema de radio, o la radio, es el que realiza el enlace entre los terminales móviles y las redes terrenas. El diseño de esta red es tremendamente importante en la configuración de una red celular, y gran parte del éxito o fracaso de la calidad de una red pasa por la planificación adecuada de este subsistema |
4.3.2. Conmutación |
La conmutación o estructura de red es el subsistema encargado de llevar las comunicaciones por tierra desde la estación base a la que se conecta el móvil hasta su conexión con la red destino de la llamada (generalmente la red fija) o hacia otra estación base a la que se encuentra conectado otro móvil. Se incluyen dentro de los sistemas de red todas aquellas bases de datos que apoyan a las distintas funciones del sistema.
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4.3.3. Transmisión |
Es la estructura de enlaces que soporta las comunicaciones entre los diversos elementos de red. Es un elemento importante en la planificación, dado que implica grandes costes de explotación, y al que no se presta la debida importancia por ser poco "llamativo" cuando se explican las funcionalidades y capacidades de una red celular. Este subsistema es común a cualquier red de telecomunicación.
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4.3.4. Operación y Mantenimiento |
Otro de los subsistemas importantes en una red celular es el subsistema de operación y mantenimiento. Suele quedar fuera de todos los planes de estudio, dado que el funcionamiento teórico de la red no necesita de este subsistema. No obstante, no sería posible mantener en un correcto funcionamiento una red de telecomunicaciones sin un sistema de operación y mantenimiento que permita detectar y corregir o, al menos, ayudar a corregir los posibles fallos que se producen a diario en cualquier red.
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4.3.5. Explotación |
Al igual que el anterior, el subsistema de explotación no suele aparecer en los libros de texto. Es más, los fabricantes de equipos de red sólo dotan a estos de un interfaz hacia el subsistema de explotación, que debe ser comprado o, en el mejor de los casos, desarrollado a medida para el operador. El subsistema de explotación es el que permitirá al operador cobrar por el uso de su red, así como administrar la base de datos de sus clientes y configurar sus perfiles de usuario en función de las políticas comerciales desarrolladas.
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Por definición, el término "comunicaciones móviles" describe cualquier enlace de radiocomunicación entre dos terminales, de los cuales al menos uno está en movimiento, o parado, pero en localizaciones indeterminadas, pudiendo el otro ser un terminal fijo, tal como una estación base. Esta definición es de aplicación a todo tipo de enlace de comunicación, ya sea móvil a móvil o fijo a móvil. De hecho, el enlace móvil a móvil consiste muchas veces en un enlace móvil a fijo a móvil. El término móvil puede referirse a vehículos de todo tipo - automóviles, aviones, trenes... - o, sencillamente, a personas paseando por las calles. El Reglamento de Radiocomunicaciones define el servicio móvil como un servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrestres (fijas) o entre estaciones móviles únicamente. Además, en función de dónde se sitúa habitualmente el terminal móvil, el Reglamento diferencia tres tipos de servicio:
Es importante destacar que al hablar de comunicaciones móviles se está pensando, generalmente, en un sistema de comunicaciones punto a punto. Aunque también es posible en algunas circunstancias efectuar comunicaciones punto a multipunto, se trata de una configuración especial del servicio que sirve a aplicaciones particulares. A lo largo de esta asignatura, se va a utilizar la definición más amplia sobre comunicaciones móviles y, si bien es cierto que existen sistemas especialmente desarrollados para ofrecer comunicaciones en ciertos entornos, básicamente marítimos y aeronáuticos, en líneas generales no se van a diferenciar los sistemas por el entorno de utilización, sino por las características intrínsecas de los mismos. |
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2. Los actores en el mundo de las comunicaciones móviles |
En este capítulo se comentará brevemente quién es quién en el panorama global de las telecomunicaciones y cuál es el rol de cada cuál. |
2.1. Reguladores, nacionales e internacionales |
Son los encargados de establecer "las reglas del juego". Dado que las comunicaciones móviles utilizan un recurso escaso, como es el espectro radioeléctrico, y al tratarse de un bien público, se deben dictar unas normas mínimas que protejan no sólo a consumidores y usuarios, sino también que determinen las reglas que aseguren una competencia leal entre empresas. También se debe asegurar la buena utilización del recurso escaso puesto a disposición de los operadores. A nivel mundial, la WRC (World Radio Conference), uno de los brazos de la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones), determina cada dos años la utilización que se debe hacer del espectro radioeléctrico. Cada Administración nacional, basada en las recomendaciones de la WRC, determina su propio uso del espectro. En España, según la LOT, el espectro radioeléctrico está considerado de dominio público y su administración y control corresponde al Estado. Así, la Secretaría General de Telecomunicaciones, en dependencia del Ministerio de Fomento, publica en el BOE el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias, al que debe someterse todo operador que utilice el espectro de radio en España. En lo que se refiere a los derechos de la competencia y la defensa de los consumidores, cada país depende también de su Administración, aunque en el caso de los países pertenecientes a la Unión Europea, la Comisión de las Comunidades Europeas determina una serie de principios y publica una serie de directivas y recomendaciones hacia las cuales las Administraciones de cada país de la Unión debe tender. |
2.2. Fabricantes |
Son los encargados de materializar los productos y sistemas que permitirán que un operador disponga de una red y que los usuarios dispongan de equipos para conectarse a dicha red. Juegan un papel muy importante en la definición de los sistemas y en el desarrollo de los mismos. |
2.3. Operadores |
Se trata de aquellas empresas que han conseguido licencia o autorización de su Administración nacional y, por tanto, han podido instalar y operar una red de telecomunicaciones. Su misión consiste en mantener lista la infraestructura que permita el tránsito de tráfico. Los operadores "fabrican" minutos de servicios de telecomunicación que venden a los proveedores de servicio |
2.4. Proveedores de Servicio |
Son aquellas empresas que funcionan como intermediario entre los operadores de red y los clientes. Los proveedores de servicio adquieren minutos de tráfico a uno o varios operadores de red y configuran paquetes de servicios de telecomunicación, con diferentes características y precios, que venden a los clientes finales. Los proveedores de servicio deben soportar los sistemas de facturación y de atención al cliente. |
2.5. Clientes y usuarios |
Los clientes y usuarios son el último, o primer, eslabón en la cadena. Adquiren servicios de telecomunicación a los proveedores de servicio según sus necesidades. La diferencia entre cliente y usuario es que el primero es el que adquiere los servicios, siendo el segundo el que los utiliza. Los clientes y usuarios son los que definen los requisitos finales de servicios de telecomunicación que debe configurar su proveedor de servicio. |
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3. Tipos de comunicaciones móviles |
3. Tipos de comunicaciones móviles |
Existen muchas formas de clasificar los sistemas de comunicaciones móviles. Una de ellas, tal como hace el Reglamento de Radiocomunicaciones, es en función del entorno en el que se utilizan - terrestre, marítimo o aeronáutico. Otra posibilidad es clasificarlos según su capacidad de comunicación, en uno o ambos sentidos. Con este criterio, los sistemas móviles se clasificarían en:
Si bien esta clasificación es útil a la hora de comprender las particularidades de cada sistema de comunicaciones móviles, para el desarrollo de esta asignatura se cree más conveniente considerar la clasificación de sistemas según un conjunto de características que les confieren cierta operatividad. Además de las particularidades de la comunicación - símplex, semi-dúplex o dúplex - dentro de este conjunto de características se consideran otras como el tipo de gestión de la comunicación, la canalización..., en definitiva, se trata de agrupar los sistemas en relación con las facilidades de comunicación que permiten. |
3.1. Radiotelefonía de Corto Alcance (RTCA) |
También denominados radiotelefonía convencional o "Walkie-Talkies", son sistemas de comunicación símplex, a una o dos frecuencias, o semi-dúplex, a los que se les asigna una serie de frecuencias para que cualquiera pueda utilizar siempre que estén libres. Este sistema, en principio, no permite ninguna privacidad al usuario. Hoy en día hay miles de sistemas de radio convencional funcionando en todo el mundo. Estos sistemas, por su simplicidad, son la manera más popular de comunicaciones bidireccionales vía radio que existe. En un principio, el protocolo de gestión de las comunicaciones y de la utilización del canal o canales asignados es muy sencilla: se basa en la utilización del botón PTT ("Push To Talk"" o Pulsar Para Hablar) que existe en los equipos terminales y que sirve para conmutar entre receptor y transmisor. Los sistemas convencionales actuales ofrecen muchas posibilidades además de los básicos "hablar y escuchar". Los sistemas de radio convencional varían en tamaño y complejidad. En función del tamaño, los sistemas se dividen en mono-emplazamiento y multi-emplazamiento. Los sistemas mono-emplazamiento contienen una única estación base o repetidor y operan según la distancia que cubre dicha base. Los sistemas multi-emplazamiento contienen múltiples emisores y transmisores que extienden el área de cobertura más allá de un sistema mono-emplazamiento convencional. Para ello, se utilizan diversas técnicas:
En estos sistemas RTCA, existen bastantes probabilidades de ser interferido o de captar la señal de un transmisor cercano. La figura siguiente muestra gráficamente este hecho. Por tanto, la aparente simplicidad de este tipo de sistemas trae aparejados otra serie de problemas, como son la seguridad en las comunicaciones, el control de las mismas y la utilización eficiente del espectro radioeléctrico.
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La simplicidad de este tipo de sistemas hace que existan tantos equipos o "normas" como fabricantes. No obstante, dentro del seno del ETSI ("European Telecommunications Standards Institute") se intenta la normalización de este tipo de servicio. El objetivo final de esta normalización es que todos los fabricantes cumplan con un mismo estándar y, de esta manera, que todos los equipos sean compatibles o "interconectables" entre sí. |
3.1.1. Digital Short Range Radio (DSRR) |
Esta norma, denominada "Digital Short Range Radio (DSRR)", define un transceptor de radio de baja potencia del servicio de radio móvil privada, diseñado para ofrecer comunicaciones, tanto de voz como de datos, vía radio en distancias cortas y capaz de trabajar en modo símplex a una frecuencia, para lo que se le asigna la banda de 933-935 MHz, y/o en modo semi-dúplex con dos frecuencias en la banda 933-935 MHz emparejada con 888-890 MHz. El sistema DSRR consiste de 2 canales de control y 76 canales de tráfico, con una separación de 25 kHz en cualquier banda de frecuencias. Para la operación a dos frecuencias, cada canal en la banda de frecuencias inferior está asociado a un canal de la banda superior, separado del primero 45 MHz. Se utiliza una modulación directa de la portadora para enviar el "Selective Signalling Code" - SSC o código de señalización selectivo - y los mensajes de voz y/o datos. El sistema DSRR utiliza diferentes velocidades de transmisión y tipos de modulación para los mensajes de señalización y para las comunicaciones de voz y datos. El sistema DSRR utiliza una técnica de acceso multi-canal automático que funciona sin la ayuda de un controlador central en operación símplex a una frecuencia. En la operación a dos frecuencias, los repetidores y las unidades maestras toman control de la asignación de canales para los equipos que necesiten comunicar. En el modo de operación a una frecuencia, el equipo que inicia la llamada es responsable de asignar el canal de tráfico para la comunicación. Como puede observarse, este sistema añade ciertos elementos de control que permiten no sólo la compartición de fabricantes sobre un mismo sistema, sino la gestión más eficiente del espectro radioeléctrico mediante el diseño de un protocolo de señalización algo más completo.
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3.2. Radiotelefonía de Grupo Cerrado (RTGC) |
También denominados sistemas "trunking". Son sistemas en los que un conjunto de canales de radio soporta a todo un colectivo de usuarios móviles, gracias a un sistema dinámico de asignación de frecuencias. El concepto es que muchos usuarios utilicen un mismo conjunto de radiocanales. Estos canales se asignan a los usuarios, según demanda, para el establecimiento de una llamada y, a medida que las llamadas se completan, se devuelven los canales al "almacén" para que puedan ser asignados a otros usuarios. Para que este sistema tenga sentido, el número de usuarios debe ser muchas veces el número de enlaces o canales disponibles. Las características diferenciadoras de este tipo de sistemas podrían resumirse en dos:
Existen varias soluciones de sistemas trunking en funcionamiento. Actualmente, en Europa, la norma más extendida es la denominada MPT1327 y sus derivadas. Además, el ETSI ha estandarizado un sistema de comunicaciones trunking digital, al que denomina TETRA.
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3.2.1. MPT1327 |
Esta norma es un estándar de señalización para los sistemas de radio privada terrestre tipo "trunking". Este estándar fue desarrollado por el Departamento de Comercio e Industria del Reino Unido (DTI - Department of Trade and Industry). El estándar puede utilizarse para implementar una gran variedad de sistemas. El protocolo ofrece un gran abanico de opciones y facilidades para el usuario. No obstante, no es necesario implementar todas las funciones de que dispone este estándar, bastando sólo un subconjunto que configure los requisitos mínimos del cliente. El estándar sólo define la señalización sobre el interfaz aire, e impone unas restricciones mínimas sobre el diseño final del sistema. Este protocolo permite realizar las siguientes funciones:
El protocolo utiliza señalización a 1200 bps, con modulación de subportadora en FFSK (Fast Frequency Shift Keying). Está diseñado para trabajar con unidades de radio a dos frecuencias semi-dúplex y un centro de control que trabaja en dúplex. La señalización para establecer llamadas se transmite sobre un canal de control . Un centro de control puede configurarse para trabajar según dos estrategias diferenciadas: canal de control dedicado, en cuyo caso el canal de control está permanentemente dedicado a la señalización con los móviles; y, canal de control no-dedicado, donde el sistema puede asignar el canal de control para cursar tráfico. Uno de los problemas de la señalización vía radio es el colapso de mensajes provenientes de varias unidades radio que transmiten a la vez. Estos problemas de colapso se controlan mediante un protocolo de acceso que ofrece alta eficiencia, estabilidad y flexibilidad: un Protocolo de Acceso Aleatorio basado en el Aloha ranurado. El protocolo está diseñado para ser utilizado por sistemas que ponen en cola aquellas llamadas que no puedan establecerse de forma inmediata. El protocolo tiene también una facilidad de registro para ayudar a la implementación de sistemas y redes multiemplazamiento: una unidad puede informar a la unidad de control de su posición cuando transita entre diferentes emplazamientos o sistemas.
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3.2.2. TETRA (Trans-European Trunked RAdio system) |
El ETSI ha definido un sistema de trunking, al que se ha denominado TETRA, que soporta voz y datos. Para ello, ha especificado el interfaz aire, la interconexión entre redes TETRA y otras redes mediante nodos intermedios ("gateways"), el interfaz de equipo terminal en la estación móvil, los aspectos de seguridad en la red, los objetivos de calidad de la misma y los servicios suplementarios que se proporcionan adicionalmente a los servicios de voz y datos. Una red TETRA podrá estar conectada a otra red que puede también seguir el estándar TETRA o no; esta segunda red podría incluso ser una RDSI. La red TETRA puede ofrecer varios servicios de telecomunicación, en diferentes puntos de acceso.
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Uno de los aspectos diferenciales en la especificación del sistema TETRA es la definición del estándar radio. El subsistema radio proporciona una serie de canales lógicos , que representan el interfaz entre el protocolo y la radio. En la figura siguiente se muestra una configuración de referencia de las funciones radio. |
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Como se verá más adelante, este esquema es muy similar al especificado en el sistema GSM. El recurso radio básico es un "timeslot", que dura 14,167 ms (85/6 ms), que transmite información a una velocidad de 36 kbps. Esto significa que la duración del timeslot, incluyendo tiempos de guarda y rampa, es de 510 bits (255 símbolos). Al igual que ocurre en el GSM, el acceso radio define una estructura de hipertrama, multitrama, trama, timeslot y ráfaga. Igualmente existe un emparejamiento entre canales lógicos y físicos. Aunque esto se explicará con mayor detalle cuando se hable sobre GSM, en la figura siguiente se muestra la estructura del acceso radio. El recurso físico disponible al subsistema de radio es una asignación de parte del espectro radioeléctrico (223 a 235 MHz). Este recurso se divide en frecuencia y en tiempo. La frecuencia se divide según radiocanales mientras que el tiempo se divide en timeslots y tramas TDMA, tal y como muestra la figura. Se definen aquí dos tipos de canales físicos: el canal de tráfico (TP), que transporta principalmente canales de tráfico, y el Canal de Control (CP) que lleva exclusivamente la señalización de la comunicación.
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El canal de control lleva mensajes de señalización y datos en modo paquete. Se definen cinco categorías de canal de control:
Como puede observarse, la especificación de este sistema es suficientemente compleja, siendo esto lo que permite, por otra parte, mayor flexibilidad a la hora de operar el sistema, así como mayor efectividad en la utilización de los recursos disponibles.
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3.3. Radiomensajería (Paging) |
La radiomensajería es una forma barata y popular de comunicaciones móviles. Por definición, radiomensajería es la transmisión unidireccional de un mensaje desde el originador hasta el terminal destino. Hay varios tipos de mensajes que pueden originarse: desde un únio tono o señal, donde el receptor sólo "pita" al recibir un mensaje, pasando por la radiomensajería numérica, donde el terminal recibe un código en forma de dígitos (generalmente, con un máximo de 20 dígitos por mensaje) y, por último, la radiomensajería alfanumérica, donde se pueden enviar al receptor mensajes de hasta 1000 caracteres (dependiendo del sistema elegido y de la configuración que el operador haya hecho de su red). La arquitectura general de una red de radiomensajería, para cualquiera de estos sistemas, se basa en:
En la figura siguente se muestra un ejemplo de arquitectura de una red de radiomensajería. |
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Por la naturaleza de la radio, hay problemas en la recepción de señal si dicha señal se recibe a través de dos o más transmisores de manera simultanea fuera de fase. Los lugares donde se da esta posibilidad se denominan áreas de solape. La segunda posibilidad es transmitir en turnos. En este método, hay varios grupos de transmisores situados de tal forma que cuando un grupo transmite, sus transmisores no se interfieren el uno al otro. En la segunda fase, transmite un segundo grupo y así sucesivamente. Ambas propuestas presentadas tienen como objetivo final evitar que existan áreas de solapamiento. La última de las soluciones se basa en la sincronización de los transmisores y la emisión simultánea, o "simulcast". Esta es la técnica más utilizada actualmente por los sistemas de radiomensajería. El "simulcast" ofrece dos ventajas: en primer lugar, el radiocanal tendrá una capacidad entre 4 y 8 veces superior a la transmisión "por turnos"; en segundo lugar, la suma de las señales mejorará la recepción en las áreas de solape. Los antiguos conceptos sobre radiomensajería están desapareciendo poco a poco. Hoy en día se puede hablar de tres sistemas de radiomensajería básicos: el POCSAG, el ERMES y el FLEX. Los tres utilizan la técnica de "simulcast". A continuación se esbozan las diferencias entre ellos.
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3.3.1. POCSAG |
El código de radiomensajería denominado POCSAG (Post Office Code Standard Advisory Group) es actualmente un estándar mundial "de facto". También se le conoce como el sistema de radiomensajería Nº1 de la UIT-R (antiguo CCIR). El POCSAG permite la difusión simultanea - simulcast - con velocidades de datos de 512 y 1200 bps. Este es el sistema más extendido en la actualidad.
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3.3.2. ERMES |
El ETSI ha desarrollado las especificaciones de un completo sistema de radiomensajería al que denomina ERMES - "European Radio MEssage System". Este sistema se presenta como la nueva generación de sistemas de radiomensajería en Europa. Este sistema, al igual que el POCSAG, también está basado en la técnica de "simulcasting", aunque utiliza una mayor velocidad para la transmisión de los datos (6,25 kbps). Además de las funciones básicas de envío y recepción de mensajes de aviso (tono), numéricos o alfanuméricos, en el sistema ERMES se definen una serie de servicios adicionales. Entre los principales objetivos a cubrir por el sistema destacan:
Entre la lista de servicios suplementarios que ofrece el ERMES se encuentran los siguientes:
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3.3.3. FLEX |
Mientras en Europa se desarrollaba el estándar común ERMES, en los Estados Unidos se trabajaba en otro protocolo diferente para soportar el servicio de radiomensajería. Este protocolo está basado fundamentalmente en una evolución del actual POCSAG. El protocolo FLEX es capaz de utilizar la infraestructura de los sistemas existentes, básicamente POCSAG, integrándose con los actuales componentes. Este protocolo funciona con tres velocidades diferentes de transmisión: 1600, 3200 y 6400 bps, sobre anchos de banda de 25 o 50 kHz. Mediante este protocolo, se pretende asegurar mayor eficiencia y fiabilidad que su antecesor POCSAG, además de una mayor capacidad. Sobre el protocolo FLEX se ha construido el denominado ReFLEX, protocolo más avanzado que permite diseñar un sistema de radiomensajería bidireccional. El ReFLEX añade un canal de respuesta a 12,5 kHz al sistema de radiomensajería convencional, pudiéndose transmitir a 800, 1600, 6400 o 9600 bps. No sólo se permite confirmación de recepción del mensaje, como ocurre con el ERMES, sino que es posible enviar un texto corto de vuelta.
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3.4. Telecomunicación sin hilos |
La telecomunicación sin hilos está diseñada para usuarios cuyos movimientos están delimitados a un área bien definida. El usuario de la telecomunicación sin hilos hace llamadas desde un terminal portatil que se comunica por señales de radio a una estación de base fija. La estación de base está conectada directa o indirectamente a la red telefónica conmutada (RTC). El área restringida cubierta por un sistema de telecomunicación sin hilos puede ser desde una casa o apartamento privados hasta un distrito urbano o un bloque de oficinas. Cada aplicación tiene sus necesidades específicas.
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3.4.1. CT0, CT1 y CT2 |
Las denominaciones CT se corresponden con "Cordless Telecommunications". Las denominaciones CT0 y CT1 corresponden a los estándares de primera generación de este tipo de sistemas. Partiendo de una estación de base, cargador y terminal, y enfocados principalmente al uso doméstico, estos sistemas estuvieron disponibles a primeros de los 80. Con un radio de cobertura de 100 a 200 metros, utilizan técnicas analógicas de transmisión radio sobre dos canales independientes: uno para transmitir y otro para recibir voz. El inconveniente es que el número limitado de frecuencias disponibles para estos sistemas puede provocar interferencias entre terminales, a pesar de la baja densidad relativa de usuarios. También pensado para el usuario residencial, se desarrolla el CT2, que es una versión mejorada del CT0 y CT1. Utilizando FDMA (Frequency Division Multiple Access) como técnica de acceso, el sistema CT2 genera capacidad dividiendo el ancho de banda en varios radiocanales en el dominio de la frecuencia. Al establecer una llamada, el terminal buscará los canales disponibles y se sintonizará en uno desocupado para esta llamada. Basado en la técnica de TDD (Time Division Duplexing), la llamada se dividirá en bloques que se alternarán entre transmisión y recepción.
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3.4.2. DECT |
El DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) se está desarrollando en el ETSI casi desde el principio de la existencia de esta institución. El DECT es esencialmente una tecnología genérica de acceso radio para comunicaciones sin hilos en distancias cortas. Al ser una tecnología de acceso radio, el DECT define un interfaz aire diseñado para utilizarse como medio de acceso a muchos tipos de redes distintas - RTC, RDSI, GSM, redes privadas y centralitas, entre otras. El DECT no define una arquitectura de red soporte ("backbone"), al contrario que, por ejemplo, el GSM. Por ello, para poder conectarse a cualquier tipo de red, el DECT viene provisto de una completa serie de protocolos en su estándar básico. El DECT es un sistema diseñado para soportar altas densidades de tráfico, a distancias reducidas - típicamente 300 metros, aunque podría ampliarse considerablemente para aplicaciones específicas. El DECT se aplica a cualquier tipo de comunicaciones sin hilos, no sólo a telefonía convencional. Actualmente, el DECT permite el envío de mensajes de texto, acceso RDSI básico 2B+D o, utilizando los perfiles de datos de DECT, velocidades de transmisión de hasta 522 kbps para aplicaciones multimedia. El DECT se diseñó para ser fácil de construir, fácil de instalar, pero, a la vez, ofreciendo alta capacidad y calidad de voz, equivalente a la delas redes fijas. Algunas de las características de este sistema son las siguientes:
Uno de los bloques funcionales básicos del DECT es el denominado GAP (Generic Access Profile). Éste define un conjunto mínimo de requisitos para soportar telefonía vocal. También define los componentes básicos del protocolo DECT que son necesarios para permitir que cualquier terminal DECT pueda conectarse a cualquier parte fija DECT que soporten este protocolo. Este perfil permite movilidad dentro del sistema DECT, además de encriptación de la señal. ETSI está desarrollando en estos momentos otro proyecto basado en DECT al que denomina CTM (Cordless Telecommunications Mobility), cuyo objetiv o es proporcionar movilidad a las redes fijas existentes. Gracias a este nuevo desarrollo, serán posibles las funcionalidades de roaming y handover entre distintos sistemas y redes DECT. El GAP cubre las funcionalidades exigidas en la primera fase del CTM. Para la fase 2, se está desarrollando un nuevo perfil denominado CAP (CTM Access Profile), donde ya se contienen las facilidades de roaming y handover entre distintas redes DECT.
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3.4.3. PHS |
Mientras en Europa se trabaja sobre el sistema DECT y su evolución, en Japón ya se está comercializando con bastante éxito un sistema de telecomunicaciones sin hilos al que denominan PHS (Personal Handy-phone System). Como puede identificarse en la figura siguiente, el sistema PHS define algo más que el acceso radio, al contrario de lo que hace el DECT. Este sistema identifica también elementos de red, tales como el Servidor PHS, el HLR (Home Location Register) o registro de posición de base, el CDR (Call Detail Recorder) o base de registros de llamada, el NMS (Network Management System) o sistema de gestión de red y la BC/SDM (Billing Centre/Subscriber Data Management) o centro de explotación. |
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Este sistema se ha construido sobre la base de tecnologías de acceso radio digital y una arquitectura de red microcelular. El PHS utiliza una técnica de asignación dinámica de canales, que unido a técnicas descentralizadas de control de los radiocanales permiten al operador utilizar las frecuencias de forma flexible y eficiente. Algunas de las características básicas de este sistema son las siguientes:
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3.5. Sistemas de comunicaciones móviles por satélite |
En la actualidad están teniendo gran auge los sistemas de comunicaciones móviles vía satélite, gracias al gran desarrollo de la tecnología y al gran mercado potencial que estos sistemas parecen tener. Se pueden diferenciar tres tipos de sistemas, en función de cual es la órbita en que han situado, o van a situar, sus satélites. Así hay:
Todos los sistemas de comunicaciones por satélite basan su funcionamiento en la sustitución de la estación de base terrestre por una "estación base" situada a varios kilómetros sobre la Tierra. Por ello, aunque estos sistemas ofrecen una gran superficie de cobertura, son muy susceptibles a desvanecimientos y a sombras de cobertura debido a obstáculos del terreno, bien naturales o artificiales. |
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3.5.1. Sistemas de órbitas geostacionarias |
Hasta la fecha, si se omiten los sistemas denominados regionales, que sólo dan cobertura a un país o grupo de países determinados, sólo existe un consorcio que pueda ofrecer sistemas de comunicaciones móviles comercialmente a nivel global: Inmarsat. A través de sus distintos productos, denominados Standard A, B, C, D, E M y mini-M, Inmarsat ofrece distintos servicios de comunicaciones, dirigidos básicamente a instalaciones en vehículos. Los sistemas Inmarsat están basados en su constelación de 4 satélites geostacionarios, que ofrecen cobertura en todo el planeta, entre los 70º de latitud norte y sur. El sistema Inmarsat nació con la necesidad de dotar de comunicaciones a los grandes barcos transatlánticos y de aumentar la seguridad en casos de desastre marítimo. Es por ello que la mayoría de los usuarios de estos equipos son grandes embarcaciones. Cada uno de los equipos Inmarsat ofrece unas características y capacidad de comunicación diferentes. Así tenemos:
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3.5.2. Sistemas de órbitas medias (MEOs) y bajas (LEOs) |
En este grupo se encuentran todas las nuevas generaciones de satélites, que tienen previsto su lanzamiento comercial entre 1998 y el 2001. La principal diferencia entre MEOs y LEOs es la altura de la órbita y, por ello, la planificación en cuanto a número de satélites necesarios para ofrecer cobertura global y la manera de gestionar dicha red. Al estar los satélites más próximos a la tierra, esto facilita el diseñar equipos terminales más pequeños y con menor consumo (menor distancia implica antenas de menor ganancia, menor potencia radiada y, por tanto, menor consumo y menor tamaño de batería requerido). Además, al no ser necesario aumentar la ganancia en el equipo mediante antenas directivas, se pueden utilizar antenas omnidireccionales en los terminales, lo que les confiere verdadera movilidad personal frente a los más complejos terminales de sistemas geostacionarios. A continuación se muestan los cuatro proyectos de sistemas globales que más posibilidades tienen de convertirse en sistemas comerciales. |
3.5.2.1. Iridium |
Sistema basado en una constelación de 66 satélites en órbitas bajas (740 km), situados en 11 planos polares, que pretende dar cobertura global. El sistema Iridium está controlado por una serie de estaciones de telemetría y control y se comunica con las redes terrestres a través de una serie de centrales de conmutación, que cumplen básicamente con el estándar GSM. Los satélites se comunican con los móviles en la banda de 1,6 GHz (banda L), y utilizan como técnica de acceso el TDMA. El sistema Iridium es el único capaz de conmutar llamadas entre sus propios satélites, es decir, una llamada entre dos terminales Iridium no tiene porqué pasar a través de una red conmutada terrestre. Se prevé que este sistema esté comercialmente operativo a finales de 1998.
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3.5.2.2. Globalstar |
Al igual que Iridium, se trata de un sistema de órbita baja (LEO). Su constelación la componen 48 satélites a 1.410 km de altitud y situados en 8 planos orbitales inclinados 52º respecto al ecuador. En este caso, los satélites actúan como meros espejos, haciendo que la señal se transporte entre el terminal y la estación terrena sin ningún proceso intermedio. En la estación terrena existe una central de conmutación tipo GSM que manejará el tránsito de las llamadas en ambos sentidos. La comunicación entre satélites y terminales se realiza en la banda de 1,6 GHz (banda L), mediante la técnica de acceso CDMA; cada terminal utiliza la señal de dos satélites simultáneamente, lo que mejora considerablemente la calidad de la comunicación. Este sistema tiene prevista su entrada comercial a principios de 1999.
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3.5.2.3. ICO |
Este proyecto es el que antiguamente se denominaba Inmarsat P-21 y que, con el cambio estructural de su accionariado y, por ende, de empresa operadora, cambió también el nombre del sistema. El proyecto ICO está basado en una constelación de satélites en órbitas medias (MEOs). Necesita de 10 satélites (más dos de reserva) situados en dos órbitas a 10.355 km sobre la tierra e inclinadas 45º respecto al ecuador. Al estar situados en órbitas más elevadas que los MEOs, necesitan de menor número de satélites para ofrecer cobertura global. La comunicación entre móvil y satélite se realiza en la banda de 1,6 GHz (banda L) utilizando como técnica de acceso el TDMA. Se prevé que este proyecto entre en fase comercial en el año 2000. |
3.5.2.4. Odyssey |
Es un proyecto muy similar al ICO. También se basa el sistema en una constelación en órbitas medias (MEO), a 10.354 km de altitud. Consiste dicha constelación en 12 satélites situados en tres planos orbitales con una inclinación de 50º respecto al ecuador. La comunicación entre móvil y satélite se realiza en la banda de 1,6 GHz (banda L) utilizando como técnica de acceso el CDMA. Se prevé que este proyecto entre en fase comercial en el año 2001. |
4. El sistema de radiotelefonía celular |
4. El sistema de radiotelefonía celular |
En los sistemas de telefonía móvil celular la zona de cobertura deseada se divide en zonas más pequeñas llamadas células, a las que se asigna un cierto número de radiocanales. Hasta ahora, se han descrito una serie de sistemas que podrían englobarse dentro de este epígrafe. No obstante, sólo se considerarán aquí aquellos sistemas que cumplan los siguientes objetivos:
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4.1. Antecedentes |
La radiocomunicación pública requiere técnicas sofisticadas y, por tanto, su evolución ha estado siempre ligada al progreso de la electrónica. La idea de comunicación instantánea independientemente de la distancia es parte de los sueños más antiguos del hombre, y su sueño se hizo realidad tan pronto como se lo permitió la tecnología. La primera utilización de las ondas de radio para comunicarse se efectuó a finales del siglo diecinueve para radiotelegrafía (en 1880, Hertz realiza una demostración práctica de radiocomunicaciones; en 1897, Marconi realiza una transmisión de radio a más de 18 millas de distancia). Desde entonces, la radio se convirtió en una técnica ampliamente utilizada en comunicaciones militares. Las primeras aplicaciones públicas de la radio fueron de difusión (primero sonido, luego imágenes): esto es mucho más sencillo que la radiotelefonía, dado que el terminal móvil es sólo un receptor. El auge real de los sistemas públicos bidireccionales de radiocomunicaciones móviles tuvo lugar justo después de la segunda guerra mundial, cuando el uso de la modulación de frecuencia y de la tecnología electrónica, como la válvula de vacío, permitieron el desarrollo de un servicio de telefonía a escala real para vehículos. El primer servicio telefónico móvil real nació oficialmente en St. Louis (Missouri, EE.UU.) en 1946. Europa, que se estaba recuperando de la guerra, le siguió algunos años después. Las primeras redes móviles de telefonía se operaban manualmente; es decir, era necesaria la intervención de un operador para conectar cada llamada a la red fija. Además, los terminales eran muy voluminosos, pesados y caros. El área de servicio estaba limitada a la cobertura de un único emplazamiento de transmisión y recepción (sistemas unicelulares). Había muy poco espectro de radio disponible para este tipo de servicios, dado que éste se asignaba fundamentalmente a propósitos militares y a radiodifusión, en particular, televisión. En consecuencia, la capacidad de los primeros sistemas era pequeña y la saturación de los mismos fue muy rápida, a pesar del alto coste de los terminales. La calidad del servicio empeoró rápidamente debido a la congestión y la capacidad de procesar llamadas caía algunas veces hasta paralizar la red. Entre 1950 y 1980 los sistemas evolucionaron hasta automatizarse y los costes disminuyeron gracias a la introducción de los semiconductores. La capacidad se incrementó un poco, aunque aún era demasiado escasa para la demanda existente: la radiotelefonía pública seguía siendo un lujo para unos pocos. Durante los años ?70, la integración a gran escala de dispositivos electrónicos y el desarrollo de los microprocesadores abrió las puertas a la implementación de sistemas más complejos. Dado que el área de cobertura de una antena está fundamentalmente limitada por la potencia de transmisión de las estaciones móviles, los sistemas se plantearon con varias estaciones receptoras para una única estación transmisora. Se permitía así la cobertura de un área mayor a costa de una mayor complejidad en la infraestructura. Pero la verdadera revolución se produjo con los sistemas celulares, donde hay numerosos emplazamientos que tanto transmiten como reciben y sus respectivas áreas de cobertura se solapan parcialmente. En lugar de intentar incrementar la potencia de transmisión, los sistemas celulares se basan en el concepto de reutilización de frecuencias: la misma frecuencia se utiliza en diversos emplazamientos que están suficientemente alejados entre sí, lo que da como resultado una gran ganancia en capacidad. Por contra, el sistema es mucho más complejo, tanto en la parte de la red como en las estaciones móviles, que deben ser capaces de seleccionar una estación entre varias posibilidades. Además, el coste de infraestructura aumenta considerablemente debido a la multiplicidad de emplazamientos. El concepto celular se introdujo por los laboratorios Bell y se estudió en varios lugares durante los 70.
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4.2. Conceptos básicos |
A continuación se describen los conceptos o definiciones básicas, cuyo concepto debe estar bien claro a la hora de hablar de telefonía celular. En primer lugar, el nombre de telefonía celular proviene de que la zona de cobertura deseada se divide en zonas más pequeñas llamadas células o celdas. Aunque la mayoría de los conceptos que se relatarán a continuación podrían ser aplicables a otros sistemas de radiocomunicaciones, como podría ser la cobertura, por las características de la asignatura se ha preferido particularizar estos conceptos para el caso particular de una red celular.
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4.2.1. Célula o celda |
Célula es cada una de las unidades básicas de cobertura en que se divide un sistema celular. Cada célula contiene un transmisor - que puede estar en el centro de la célula, si las antenas utilizadas son o utilizan un modelo de radiación omnidireccional, o en un vértice de la misma, si las antenas tienen un diagrama directivo - y transmiten un subconjunto del total de canales disponibles para la red celular a instalar. Cada célula, además de varios canales de tráfico, tendrá uno o más canales de señalización o control para la gestión de los recursos radio y la movilidad de los móviles a ella conectados.
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4.2.2. "Cluster" o "Racimo" |
Lo forman un conjunto de células. Entre todas, agrupan la práctica totalidad de las frecuencias disponibles por la red celular. Sumando varios racimos es como se alcanza la cobertura final del sistema celular, reutilizándose de esta manera las mismas frecuencias en todos los racimos.
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4.2.3. Cobertura |
En sentido genérico, se entiende por cobertura la zona desde la cual un terminal móvil puede comunicarse con las estaciones de base y viceversa. Es en el primer parámetro en que se piensa al diseñar una red de comunicaciones móviles: ¿en qué zonas se va a dar servicio a los terminales móviles? En primer lugar, la cobertura o el alcance radio de una red es la composición del alcance radio de la suma de todas sus estaciones de base. A la hora de planificar una red, desde el punto de vista de la cobertura, el primer dato que se necesita saber es la zona que se desea cubrir, o zona de servicio. Si se parte de esta única hipótesis, dado un área a cubrir, sería necesario un número de células tal que la suma de las áreas cubiertas por dichas células, a una altura determinada h y transmitiendo a su máxima potencia, fuera igual al área a cubrir. Ahora bien, debemos tener en cuenta que no basta con realizar el cálculo de potencia en el sentido estación base a móvil; también es necesario que el móvil, en función de su capacidad de transmisión, pueda de llegar hasta la estación de base. Por ello, la cobertura de la red debe planificarse teniendo en cuenta las condiciones de transmisión en las que se encuentra el móvil: es a lo que se denomina realizar un balance de enlace. Actualmente, las redes se diseñan teniendo en cuenta varios tipos de móviles: la máxima cobertura se ofrece para terminales instalados en vehículos, con antena exterior, y también se realizan previsiones para equipos portátiles en el exterior y en interior de vehículos, sin antena externa. Debido a las características particulares del trayecto radioeléctrico, únicamente puede hablarse de cobertura en sentido estadístico. Esto implica que, las áreas que se representan teóricamente cubiertas, lo están en un determinado porcentaje de ubicaciones y de tiempo. Existen gráficas, obtenidas de medidas empíricas sobre propagación, que muestran las correcciones en atenuación que se deben realizar para calcular correctamente el área de cobertura de un transmisor radio, así como la probabilidad de cobertura asociada a dichas correcciones. Hasta aquí todo es aplicable a casi cualquier sistema que tenga la radio como medio de transmisión. Lo que diferencia a un sistema celular es que, en zonas de alta densidad de tráfico, es capaz de utilizar más eficientemente que otros sistemas el limitado espectro radioeléctrico que tiene asignado. Esto implica un diseño de red radio denominado "celular", que es lo que le da el nombre al sistema. El "truco" consiste en dividir el área a cubrir en un número de células suficientemente grande, que permita la reutilización de frecuencias. Estos conceptos serán explicados con más detalle más adelante. Desde el punto de vista de cobertura, lo que esta división en pequeñas células implica es que la cobertura de cada célula va a estar limitada por interferencia; es decir, el diseño se hará de forma tal que las células que utilizan los mismos canales de radio emitan a una potencia suficientemente baja para no interferirse entre si y, a su vez, no interferir a los móviles a los que están dando servicio. En definitiva, el máximo alcance de una célula sólo se podrá conseguir en lugares de poca densidad de tráfico, que no son los más adecuados para este tipo de sistemas.
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4.2.4. Capacidad |
Es la cantidad de tráfico que puede soportar este tipo de sistemas. El diseño de una red celular está pensado para soportar, gracias a la compartición de canales y a la división celular, una gran capacidad de tráfico. Al ser un sistema de concentración de canales, la capacidad por cada bloque de canales se calcula mediante la aplicación de la fórmula de Erlang B, es decir, como un sistema de llamadas perdidas (sin colas). La capacidad que aporta este tipo de sistemas es función del número de canales utilizado, o ancho de banda disponible, del tamaño de las células y de la configuración en racimos o "clusters". La capacidad será mayor cuanto mayor ancho de banda se disponga, cuanto menor sea la célula y cuantas menos células sean necesarias por "cluster". Este último parámetro estará fuertemente ligado a la relación de interferencia co-canal que el sistema sea capaz de soportar. Respecto al tamaño de la célula, este estará limitado por la capacidad del protocolo de gestión de la movilidad y por la velocidad a la que se desplacen los móviles en la zona de servicio. El diseño de la capacidad de los sistemas se realiza por zonas, tomando cada estación de base independientemente, suponiendo el caso de tráfico más desfavorable; es decir, el tráfico en la hora cargada.
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4.2.5. Reutilización de frecuencias |
Esta es la técnica que permite diferenciar a los sistemas de concentración de canales frente al resto. Se trata de tomar todo el grupo de frecuencias asignado a la red y, dividiendo el grupo en varios subgrupos - células - y ordenándolo según una estructura celular - racimo - se pueden construir grandes redes con las mismas frecuencias sin que estas interfieran entre sí.
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4.2.6. Señalización |
Por señalización se entiende toda comunicación dedicada a gestionar los recursos del sistema para permitir la comunicación. Al hablar de comunicaciones celulares, se va a tratar de forma diferente la señalización asociada a la transmisión de radio y la relativa a la propia estructura de red. Como se verá más adelante, ambos "tipos" de señalización sirven a los mismos propósitos, y sólo se diferencian por el tipo de entidades a las que ponen en comunicación. Funcionalmente, se podría distinguir entre:
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4.2.7. "Hand-over" o "Traspaso" |
Es como se denomina al proceso de pasar una comunicación de un mismo móvil de un canal a otro. Es lo que diferencia a un sistema celular de otro tipo de sistemas de radiocomunicaciones de concentración de enlaces. En función de la relación entre los canales origen y destino de la comunicación, los handover pueden clasificarse en:
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4.2.8. HLR |
Son las siglas de "Home Location Register" o base de datos donde se contiene toda la información del usuario pertinente para la provisión del servicio de telefonía móvil. Los sistemas de altas y bajas de los operadores actuarán contra esta base de datos para actualizar las características del servicio de cada cliente. También hay en el HLR información actualiada sobre la situación actual de sus móviles.
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4.2.9. VLR |
Corresponde a las siglas "Visitor Location Register" o base de datos donde se contiene toda la información del usuario necesaria para la provisión de los servicios durante la utilización de los mismos. El VLR tiene una copia de parte de los datos del HLR, referidos a aquellos clientes que se han registrado en la zona controlada por dicho VLR.
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4.2.10. Área de Localización |
Está formada por un conjunto de células, y determina el área donde se encuentra el móvil y las células a través de las cuales se emitirá un mensaje de búsqueda para este móvil, en caso de llamadas entrantes al mismo |
4.2.11. Registro |
Es el proceso mediante el cual un móvil comunica a la red que está disponible para realizar y recibir llamadas. La red, por su parte, llevará a cabo una serie de intercambios de información con sus bases de datos antes de permitir o "registrar" al móvil. Gracias a este registro, la red sabrá en cada momento dónde localizar dicho móvil en caso de llegarle una llamada entrante.
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4.2.12. "Roaming" o "Itinerancia" |
Es la capacidad que ofrece una red móvil para poder registrarse en cualquier VLR de la red. Actualmente, este concepto está comúnmente asociado al registro de un móvil en una red distinta de la propia.
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4.3. La red celular al completo |
Bajo este epígrafe se trata de describir, de manera genérica, los diferentes subsistemas de que consta cualquier red celular, teniendo en cuenta sus características básicas.
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4.3.1. Radio |
El subsistema de radio, o la radio, es el que realiza el enlace entre los terminales móviles y las redes terrenas. El diseño de esta red es tremendamente importante en la configuración de una red celular, y gran parte del éxito o fracaso de la calidad de una red pasa por la planificación adecuada de este subsistema |
4.3.2. Conmutación |
La conmutación o estructura de red es el subsistema encargado de llevar las comunicaciones por tierra desde la estación base a la que se conecta el móvil hasta su conexión con la red destino de la llamada (generalmente la red fija) o hacia otra estación base a la que se encuentra conectado otro móvil. Se incluyen dentro de los sistemas de red todas aquellas bases de datos que apoyan a las distintas funciones del sistema.
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4.3.3. Transmisión |
Es la estructura de enlaces que soporta las comunicaciones entre los diversos elementos de red. Es un elemento importante en la planificación, dado que implica grandes costes de explotación, y al que no se presta la debida importancia por ser poco "llamativo" cuando se explican las funcionalidades y capacidades de una red celular. Este subsistema es común a cualquier red de telecomunicación.
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4.3.4. Operación y Mantenimiento |
Otro de los subsistemas importantes en una red celular es el subsistema de operación y mantenimiento. Suele quedar fuera de todos los planes de estudio, dado que el funcionamiento teórico de la red no necesita de este subsistema. No obstante, no sería posible mantener en un correcto funcionamiento una red de telecomunicaciones sin un sistema de operación y mantenimiento que permita detectar y corregir o, al menos, ayudar a corregir los posibles fallos que se producen a diario en cualquier red.
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4.3.5. Explotación |
Al igual que el anterior, el subsistema de explotación no suele aparecer en los libros de texto. Es más, los fabricantes de equipos de red sólo dotan a estos de un interfaz hacia el subsistema de explotación, que debe ser comprado o, en el mejor de los casos, desarrollado a medida para el operador. El subsistema de explotación es el que permitirá al operador cobrar por el uso de su red, así como administrar la base de datos de sus clientes y configurar sus perfiles de usuario en función de las políticas comerciales desarrolladas. |
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5. Telefonía Móvil Analógica: la red TACS |
5.1. Antecedentes |
El Sistema de Comunicaciones de Acceso Total (TACS, Total Access Communications System) es un sistema de comunicaciones para telefonía móvil celular dúplex en la banda de 900 MHz. El precursor del sistema TACS es el sistema AMPS (American Mobile Phone System), desarrollado en los EE.UU. por los laboratorios Bell en la década de los 70, y puesto en servicio en la primera mitad de la década de los 80. El sistema TACS fue desarrollado por el Reino Unido, adaptando el sistema AMPS a los requisitos europeos (especialmente en los aspectos de banda de frecuencia y canalización), y puesto en servicio en 1985. En el Reino Unido se concedieron dos licencias para operar cada una con su red propia. Para ello, la banda original (890-915 MHz y 935-960 MHz) de 1000 canales se dividió en dos segmentos de 300 canales cada uno, dejando la subbanda 905-915 MHz y 950-960 MHz para la introducción posterior del sistema GSM. Posteriormente, se amplió la banda añadiendo los rangos 872-890 MHz y 917-935 MHz para otorgar la capacidad requerida. Esta nueva banda toma la denominación de E-TACS (Extended TACS). A principio de esta década de los 90, otros países como Austria, Italia y España adoptaron también este sistema. En Telefónica Móviles, este sistema se denomina comercialmente "MoviLine". Algo importante que se debe tener en cuenta es que el estándar TACS define tan sólo el protocolo de acceso radio entre una estación móvil y su correspondiente estación base. La gestión de la movilidad o lo que es igual, las facilidades de "handover" y "roaming" soportadas por el sistema, así como la estructura y comunicaciones entre los distintos elementos de la red quedan a criterio del fabricante.
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5.2. Arquitectura |
La arquitectura de una red TACS se basa en una serie de estaciones de base, cada una de las cuales se compone de equipos de radio (transmisor y receptor) y un controlador de estación base (BSC) encargado del interfaz entre el equipo de radiofrecuencia y la central de conmutación móvil o EMX (Electronic Mobile Exchange). Esta última debe proporcionar la capacidad de conmutar llamadas entre las distintas estaciones base y hacer de tránsito entre la red móvil y otras redes a las que esta última se conecte.
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Cada BSC controla una sola célula. Una EMX se conecta, a través de líneas de voz y de datos a varias estaciones de base o células. |
5.3. Subsistema de radio |
La arquitectura de una red TACS se basa en una serie de estaciones de base, cada una de las cuales se compone de equipos de radio (transmisor y receptor) y un controlador de estación base (BSC) encargado del interfaz entre el equipo de radiofrecuencia y la central de conmutación móvil o EMX (Electronic Mobile Exchange). Esta última debe proporcionar la capacidad de conmutar llamadas entre las distintas estaciones base y hacer de tránsito entre la red móvil y otras redes a las que esta última se conecte.
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La separación entre canales es de 25 kHz. En España, se utiliza la denominada banda B, lo que permite hasta 640 canales de voz (320 en la banda TACS y otros 320 en la banda E-TACS). |
5.4. Subsistema de conmutación |
El sistema de conmutación está compuesto por una o varias centrales de conmutación, denominadas EMX (Electronic Mobile Exchange), cuyas funciones principales son las siguientes:
Cada EMX tiene la capacidad de interconectarse con la RTC, para lo que utiliza enlaces dedicados a 2 Mbps. El sistema de señalización utilizado dependerá de la capacidad de las centrales a las que se conecta la EMX, pudiendo así manejarse UIT-T nº7, R2, DTMF, etc... Esta señalización debe ser suficiente para soportar el control de la llamada. Además, cada EMX se conecta directamente a otras EMX, formando lo que se denomina una "red celular cooperante" o DMX (Distributed Mobile Exchange). La conexión entre centrales puede obedecer a un protocolo de señalización propietario. Si se requiere introducir centrales de otros fabricantes, o si se necesita que los clientes propios puedan hacer uso de otra red, es necesario implementar el protocolo estandarizado de señalización IS-41 entre las centrales. Las funciones de HLR y VLR están integradas en cada una de las EMX, aunque en los últimos años se ha desarrollado la posibilidad de implementar un HLR independiente.
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5.5. La estación móvil |
Es el elemento final del sistema. Existe una gran variedad de diseños posibles, pero en general, se distinguen cuatro categorías:
En todos los casos, en la estación móvil es necesario programar los datos específicos del cliente, entre los que se encuentra el número de abonado.
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5.6. Procesos básicos |
5.6.1. Registro |
Cada teléfono móvil posee su propia identidad, y está asignado a un área de localización. Esto permite que los mensajes de control sean enviados a un solo móvil a través de los canales de control del área de localización. Cada teléfono móvil está asignado a una central EMX (en el HLR) que guarda, además de los datos relativos a la suscripción, la información de la localización (dirección de la EMX/VLR) de sus móviles activos. Cada vez que el teléfono móvil se mueve entre áreas de localización, éste envía automáticamente un mensaje para actualizar el área de localización en la que se encuentra. Esto permite un uso eficiente de los canales de control y mejora la capacidad de tratamiento de las llamadas. Cuando se enciende el teléfono móvil, éste explora los canales de control del sistema y sintoniza aquél cuya señal es más fuerte, permaneciendo sintonizado a dicho canal hasta que la señal baja de un cierto umbral. El sistema utiliza los canales de control para dos tipos de mensajes:
La información general del sistema contiene la identificación de la red, detalles de los canales disponibles en este área, servicios y requisitos especiales y el código de área. Comparando el código de área recibido con el memorizado, el móvil determina cuando es necesario realizar un nuevo registro. La información de control dedicada incluye mensajes de búsqueda para notificar a un móvil particular de la entrada de una llamada y mensajes de asignación de canal durante el establecimiento de la comunicación.
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5.6.2. Roaming |
Es el proceso de cambiar desde el área de localización de la central propia al área de localización de otra central. El móvil visitante se registra en la EMX/VLR visitada, para lo cual dicha EMX/VLR debe solicitar los datos de la suscripción de dicho cliente a su EMX/HLR. Si todo es correcto, la EMX/VLR permitirá el servicio al cliente visitante, mientras que la EMX/HLR registrará la nueva dirección de su cliente.
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5.6.3. Establecimiento de llamada |
El usuario marca el número de teléfono en la unidad móvil y activa la función de envío (tecla de SEND). El móvil espera a que el canal de control le dé la indicación de libre. Cuando el móvil detecta esta condición de disponibilidad, transmite su identificación y el número de teléfono marcado en el canal de control. En la recepción de la petición de llamada, la EMX comprueba el estado del móvil y comienza el proceso de dicha llamada. Se envía un mensaje al móvil, asignándole un canal de voz, y el móvil se resintoniza a éste. La EMX conecta el canal de voz por la ruta disponible y comienza la conversación. Cuando finaliza la llamada, se desactivan las conexiones y el móvil retorna a su estado de reposo.
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5.6.4. Hand-over |
Durante la conversación, la estación de base comprueba el nivel de señal recibida y se envían mensajes al móvil para ajustar la potencia de transmisión. Si el nivel recibido llega a ser muy bajo, la EMX muestrea las estaciones de base próximas para determinar cuál puede dar un mejor servicio. Se avisa al móvil sobre el nuevo canal que va a ser usado y la EMX realiza la conmutación a la nueva estación. La conmutación se realiza automáticamente y sin que la conversación se interrumpa. Este proceso se puede repetir tantas veces como sea necesario durante la llamada.
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5.6.5. Recepción de llamada |
Cuando la EMX recibe una petición de llamada para un determinado teléfono móvil, da orden a las estaciones de base del área de localización donde se encuentra para que envíen un mensaje de búsqueda. Cuando la estación móvil recibe el mensaje, ésta informa al sistema de que ha recibido el mensaje a través de un determinado canal de control y espera la asignación de un canal vocal. Con la respuesta del móvil, la EMX determina qué estación de base está más cerca del móvil y conecta la llamada de entrada a un canal vocal de ésta. Se indica al móvil que sintonice el canal vocal asignado y active su dispositivo de aviso (timbre). Cuando el usuario contesta, se conectan las dos partes y comienza la conversación. Cuando la llamada termina, la EMX desactiva las conexiones y el móvil retorna a su estado de reposo.
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5.7. Servicios básicos que soporta el sistema |
Este capítulo será variable en función del fabricante del equipo. Dado que el TACS sólo especifica los accesos radio, todos los servicios que pueda soportar el sistema se basan en la capacidad de diseño e implementación del propio fabricante así como la utilización de los métodos de transmisión de señalización disponibles en el estándar entre el móvil y la red. Servicios generalmente implementados son:
Para activar estas funciones, el usuario debe enviar a la red a través de un proceso de establecimiento de llamada, un código especial, que generalmente está compuesto de dígitos y precedido de un carácter especial, tales como *71 o *72.
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5.8. Operación y Mantenimiento |
Análogamente a l comentado hasta ahora, el sistema de Operación y Mantenimiento es propietario del fabricante que haya suministrado el equipo. En el mejor de los casos, el fabricante podrá poner a disposición del operador herramientas o la interfaz que permitiría a este desarrollar su propio sistema de operación y mantenimiento, aunque no suele ser recomendable.
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5.9. Explotación |
Igual que ocurre con el sistema de Operación y Mantenimiento, es el fabricante del sistema el que determina las variables que pueden extraerse del sistema para su explotación, así como los métodos de obtener dichos datos. No obstante, los fabricantes de sistemas de conmutación no suelen fabricar además sistemas de explotación, por lo que el fabricante de conmutación proporciona la interfaz de explotación con el sistema. |
6. Telefonía Móvil Digital: la red GSM |
6. Telefonía Móvil Digital: la red GSM |
6.1. Antecedentes |
Desde principios de los ?80, después de que el NMT comenzase su operación comercial, se hizo evidente para algunos países europeos que los sistemas analógicos existentes tenían limitaciones. En primer lugar, la demanda potencial para los servicios móviles, aunque estaba siendo sistemáticamente subestimada, era mayor que la capacidad de las redes analógicas existentes. En segundo lugar, los diferentes sistemas existentes no ofrecían compatibilidad para sus usuarios: un terminal TACS no puede acceder a una red NMT ni viceversa. Lo que es más, el diseño de un sistema celular nuevo requiere tal inversión que ningún país europeo puede acometer tal inversión de forma independiente si el único retorno esperado está sólo en su propio mercado nacional. Todas estas circunstancias apuntaban hacia el diseño de un sistema nuevo, desarrollado en común entre varios países. El mayor requisito para un sistema de radio común es un ancho de banda común. Esta condición se cumplía unos años antes, en 1978, cuando se decidió reservar una banda de frecuencia de dos veces 25 MHz en torno a los 900 MHz para comunicaciones móviles en Europa. La necesidad estaba clara y el mayor obstáculo había sido eliminado. Sólo quedaba organizar el trabajo. El mundo de las telecomunicaciones en Europa siempre estuvo dominado por la estandarización. La CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunications) es un foro de estandarización que, en los primeros ?80, incluía a las Administraciones europeas de Correos y Telecomunicaciones de más de 20 países. Todas estas circunstancias llevaron a la creación en 1982 de un nuevo organismo de estandarización en la CEPT, cuya labor consistía en especificar un sistema único de telecomunicaciones para Europa, en 900 MHz. El recién creado ?Groupe Spécial Mobile? (GSM) tuvo su primera reunión en diciembre de 1982, en Estocolmo. En 1990, bajo petición del Reino Unido, se añadió a los objetivos del grupo de estandarización la especificación de una versión de GSM adaptada a la banda de frecuencias de 1800 MHz, con una asignación de 2 veces 75 MHz. Esta variante que se conoció con el nombre de DCS1800 Digital Cellular System 1800) tiene como objetivo proporcionar mayor capacidad en áreas urbanas. La elaboración del estándar GSM llevó casi una década. En la siguiente tabla se muestran los principales hitos del proceso.
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Tabla: Hitos en la elaboración del estándar GS |
6.2. Arquitectura |
La arquitectura del sistema GSM descrita en las especificaciones técnicas no describe los nodos y elementos que se pueden encontrar en el sistema, primero porque se ha dejado cierto grado de libertad a los fabricantes para el desarrollo de estos y, segundo, porque dichas especificaciones sólo cubren una pequeña parte de la especificación de una máquina real. La arquitectura puede verse como la descripción de un modelo de red que sirve como plantilla para su implementación. Lo que sí de describe con total detalle en las especificaciones son las interfaces entre dos "modelos" de máquina. La arquitectura GSM distingue claramente dos partes: el BSS (Base Station Subsystem o Subsistema de Estación de Base) y el NSS (Network and Switching Subsystem o Subsistema de Red y Conmutación). El BSS está encargado de proporcionar y gestionar el interfaz radio entre las estaciones móviles y el resto del GSM. El NSS debe gestionar las comunicaciones y conectar las estaciones móviles a las redes adecuadas o a otras estaciones móviles. El NSS no está en contacto directo con las estaciones móviles y el BSS tampoco está en contacto directo con otras redes externas. El interfaz entre el BSS y la estación móvil es el denominado interfaz radio (Um) mientras que el interfaz entre el BSS y el NSS se ha denominado interfaz A en las especificaciones |
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6.3. Subsistema de radio |
En términos generales, el Subsistema de radio, Subsistema de Estaciones de Base o BSS agrupa las máquinas específicas a los aspectos de radio y celulares del GSM. El BSS está en contacto directo con las estaciones móviles a través del interfaz radio. Como tal, incluye los elementos a cargo de la transmisión y recepción del trayecto radio y la gestión del mismo. Por otro lado, el BSS está en contacto con las centrales de conmutación del NSS. La función del BSS se puede resumir como la conexión entre estaciones móviles y el NSS y, por tanto, la conexión entre un usuario móvil con otro usuario de telecomunicaciones. El BSS incluye dos tipos de elementos: la Estación de Base (BTS, Base Transceiver Station), en contacto con las estaciones móviles a través del interfaz radio, y el Controlador de Estaciones de Base (BSC, Base Station Controller), este último en contacto con las centrales de conmutación del NSS. La división funcional es básicamente entre un equipo de transmisión, la BTS, y un equipo de gestión, el BSC. Una BTS contiene dispositivos de transmisión y recepción, incluyendo las antenas, y también el procesado de señal necesario para el interfaz de radio. La BTS pueden considerarse como módems de radio complejos, teniendo pocas funciones adicionales. El interfaz radio del GSM utiliza una combinación de Acceso Múltiple por División en Frecuencia (FDMA) y Acceso Múltiple por División en el Tiempo (TDMA), con una pizca de Salto en Frecuencia (FH, Frequency Hopping). El concepto básico es que la unidad de transmisión es una serie de bits modulados y se denomina ráfaga. Las ráfagas se envían en ventanas de frecuencia y tiempo que denominamos ranuras o slots. Las frecuencias centrales de los slots se sitúan cada 200 kHz en la banda de frecuencias del sistema (aspecto FDMA), y ocurren durante 0.577ms, o más exactamente 15/26 ms (aspecto TDMA).
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Con esta unidad básica, asumiendo una sola ventana de frecuencias, el aspecto TDMA del sistema de transmisión se agrupa en tramas, multitramas e hipertramas, organizándose así el envío de información por el aire. La distribución de estos slots es como muestra la figura siguiente. |
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Dentro de esta organización, se agrupan los distintos canales lógicos soportados en el sistema GSM para el transporte de información entre usuarios, o sencillamente información de control del propio sistema.
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6.3.1. Canales de Control Comunes |
Según sus funciones, existen cuatro tipos de canales de control.
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6.3.2. Canales de Control Dedicados |
Los canales de control dedicados se asignan a una única estación móvil para comunicación punto a punto con la red. Pueden ser canales de control autónomos (stand-alone control channels) o asociados a otro canal dedicado. Los canales definidos son:
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6.3.3. Organización de los canales |
La organizacion de los canales de tráfico en las tramas es como sigue |
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Por otra parte, los canales de control se organizan de la siguiente manera: |
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6.4. Subsistema de conmutación |
El subsistema de red y conmutación (NSS) incluye las funciones básicas de conmutación del GSM, así como las bases de datos necesarias para los datos de usuario y la gestión de la movilidad. La función principal del NSS es gestionar las comunicaciones entre los usuarios GSM y los usuarios de otras redes de telecomunicación. Dentro del NSS, la función básica de conmutación se realiza en la MSC (Mobile services Switching Centre), cuya misión principal es coordinar el establecimiento de llamadas desde y hacia usuarios GSM. La MSC tiene interfaces con la BSS de un lado (a través de la cuál está en contacto con los usuarios GSM), y con las redes exteriores por otro. La interfaz con redes externas para comunicarse con usuarios fuera del GSM puede requerir un elemento de adaptación (IWF, Interworking Functions), cuya labor puede ser más o menos importante en función del tipo de información de usuario y de la red con la que se interconecte. Generalmente se utiliza para conectar la red GSM a las redes de datos. El NSS también necesita conectarse con redes externas para hacer uso de su capacidad de transportar datos de usuario o señalización entre entidades GSM. En particular, el NSS hace uso de una red soporte de señalización, al menos en parte externa al GSM, siguiendo los protocolos del Sistema de Señalización por Canal Común UIT-T nº 7 (generalmente referida como la red SS7); esta red de señalización permite interoperatividad entre entidades del NSS dentro de una o varias redes GSM. Las interfaces externas del NSS quedan representadas en la figura siguiente.
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6.5. La estación móvil |
La estación móvil suele representar el único elemento del sistema que el usuario llega a ver. Además de las funciones básicas de radio y de proceso necesarias para acceder a la red a través de la interfaz radio, una estación móvil debe ofrecer un interfaz al usuario (tal como micrófono, altavoz, pantalla y teclado), o un interfaz hacia otros equipos terminales (tal como un interfaz hacia un PC o una máquina de fax). Un aspecto fundamental de la estación móvil GSM, que la diferencia de las estaciones móviles del resto de sistemas, es el concepto de "módulo de usuario" o SIM (Subscriber Identity Module). La SIM es básicamente una tarjeta inteligente, que sigue los estándares ISO, que contiene toda la información referente al usuario almacenada en la parte de usuario de la interfaz radio. Sus funcionalidades, además de esta capacidad de almacenar información, se refieren también al tema de confidencialidad. El resto de la estación móvil contiene todas las capacidades básicas de transmisión y señalización para acceder a la red. El interfaz entre la SIM y el resto del equipo está totalmente especificado y se denomina sencillamente interfaz SIM-ME, donde ME significa terminal móvil (Mobile Equipment). El concepto de un dispositivo extraible con los datos del usuario tiene en sí mismo grandes consecuencias. En otros sistemas celulares, la personalización de cada estación móvil requería una intervención nada trivial, que sólo se realizaba a través de especialistas técnicos. Esto implicaba que una estación móvil sólo podía venderse a través de distribuidores especializados. Además, si alguna estación móvil fallaba, era difícil dotar al usuario de otra que la remplazase durante el periodo de reparación, y casi imposible permitir que el usuario mantuviese su mismo número de teléfono durante este periodo. La tarjeta SIM simplifica estos asuntos y también ofrece otras ventajas. Un usuario potencial puede comprar un equipo móvil, pero también lo puede alquilar o pedir prestado por un periodo de tiempo determinado, y cambiarlo cuando desee sin necesidad de procesos administrativos. Todo lo que necesita es su propia SIM, obtenida a través de un distribuidor o de un proveedor de servicio, independientemente del equipo que desee adquirir. Los últimos pasos de la personalización de la SIM pueden realizarse fácilmente a través de un pequeño ordenador y un sencillo adaptador. |
6.6. Procesos básicos |
6.6.1. Registro |
Si una estación móvil desea obtener servicio desde una célula y, en particular, recibir llamadas en ésta, debe cerciorarse de que su usuario (representado por la SIM) se registra en el área de localización de dicha célula. El estado de registro del usuario, excepto en casos de fallos en la red o tras un largo tiempo de inactividad, sólo puede modificarse a iniciativa de la estación móvil. El resultado del último intento de registro se almacena en la SIM, así como la identidad del área de localización. Cuando el móvil se desplaza a un lugar mejor cubierto por una célula perteneciente a otro área de localización, o cuando el móvil intenta obtener servicio en otra red, la estación móvil debe intentar registrar al usuario en esta nueva zona. La información de registro se almacena en dos lugares diferentes de la infraestructura GSM: en el HLR y en la MSC/VLR visitados. De hecho, la misma información está disponible en tres lugares diferentes del sistema, siendo la SIM el tercer lugar. Esta información puede cambiar y se necesitan una serie de procedimientos para guardar coherencia entre las tres entidades. La razón fundamental para cambiar es cuando la estación móvil decide que el área de localización que mejor le sirve debe cambiar. Entonces, la estación móvil notifica a la MSC/VLR a la que pertenece la nueva célula. Esta MSC/VLR puede ser la misma que la de antes, si controla ambas áreas de localización, o una nueva. En el último caso, cambio de MSC/VLR, la nueva MSC/VLR notifica al HLR el cual, a su vez, notifica a la MSC/VLR anteriores. Además de los registros debidos a cambios de área de localización, se define un registro periódico de manera que la estación móvil pueda notificar su presencia en la red a intervalos de tiempo determinados. Este registro periódico es un parámetro que determina el operador, pudiendo incluso eliminarlo, si es su deseo.
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6.6.2. Roaming |
La facilidad de roaming entre diversas redes sólo puede ofrecerse si se cumplen ciertos condicionantes técnicos y administrativos que lo permiten. Desde el punto de vista administrativo, deben resolverse asuntos como la tarificación, cobros, acuerdos de suscripción, etc. entre operadores. La libre circulación de estaciones móviles también requiere que los cuerpos reguladores acuerden el reconocimiento mutuo de homologaciones. Desde el punto de vista técnico, algunos temas son consecuencia de los asuntos administrativos, tal como la transferencia de cargos por llamadas o la información de suscripción entre redes. Otros temas se necesitan simplemente para que el roaming sea posible, tal como la transferencia de datos de localización entre redes o la existencia de un único interfaz de acceso. Este último punto es muy importante. Requiere que un usuario tenga un único equipo que le permita acceder a diferentes redes. Además, existen otros sistemas basados en la tecnología GSM, como son el DCS1800 y el PCS1900 (actualmente denominados GSM1800 y GSM1900). Hasta la reciente aparición de equipos duales GSM900 - GSM1800 y GSM900 - GSM1900, no era posible hacer roaming entre redes GSM900, GSM1800 y GSM1900 con el mismo equipo terminal. En cualquier caso, gracias a la tarjeta SIM, es posible obtener un equipo que funcione en la banda deseada e introduciendo la tarjeta SIM en el mismo, poder utilizar la misma suscripción y número de teléfono sobre la nueva red. |
6.6.3. Establecimiento de llamada |
En primer lugar, el usuario introduce el número destino y el tipo de servicio que desea (voz, fax...) y pulsa la tecla de envío (SEND). La estación móvil pasará esta información a la MSC. Cuando la MSC recibe el mensaje de establecimiento, analiza la petición y comprueba si puede aceptarla. La aceptación de la misma depende de la capacidad de la MSC/VLR para proveer este servicio (de forma compatible con la estación móvil que lo solicita), en las características de suscripción del cliente (determinado de forma local gracias a la información del cliente que el HLR envió a la MSC/VLR en el proceso de registro) y en la disponibilidad de recursos. Si alguno de estos requisitos falla, se aborta la llamada. Si todo está bien, la MSC comienza el establecimiento a través de la red y notifica a la estación móvil de este evento. Transcurrido un tiempo, la MSC recibirá de la red exterior información sobre la petición de llamada realizada, tal y como lo ve la central a cargo de la persona llamada. Tal información puede indicar que el terminal de la persona llamada está siendo alertado, o que la llamada ha sido abortada por cualquier motivo (congestión, ocupado, no localizable, ...). Esta información es transferida directamente al usuario móvil y, en su caso, la MSC abortará la llamada. Cuando el cliente destino responde a la llamada, la MSC recibe un mensaje indicándolo. Cuando esto ocurre, se establece un camino de voz entre los dos usuarios (hasta ahora todo había sido señalización). Entonces, la estación móvil interrumpe la indicación de llamada, responde a la red y establece el circuito a través de la interfaz radio. |
6.6.4. Hand-over |
Existen tres motivos por los que se puede producir un handover:
En cualquiera de los casos que se requiera un handover, la decisión de realizar dicho handover corresponde a la BSC que controla en estos momentos la llamada. En función de la célula destino, el handover puede ser:
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6.6.5. Recepción de llamada |
Una llamada terminada llega a la MSC a través de los interfaces de ésta con las redes externas. Realmente, dicha llamada habrá sido enrutada desde la GMSC (Gateway MSC, o central que actúa de puente entre la red GSM y redes externas) hacia la MSC/VLR que está sirviendo en estos momentos al móvil, mediante consulta al HLR acerca de los datos de localización del móvil considerado. Si el móvil no está ocupado en una llamada, el siguiente paso consiste en "buscar" a la estación móvil, es decir, ver si la estación móvil está en cobertura y, en este caso, solicitarle que establezca un enlace de señalización con la MSC. Cuando esta y otras tareas auxiliares se han realizado, se envía un mensaje a la estación móvil indicándole muchos detalles de la llamada, que incluyen el tipo de servicio solicitado y, en su caso, el número de teléfono del usuario llamante. La estación móvil comprueba si puede soportar el tipo de servicio solicitado y, si no, abortará la llamada. Si la estación móvil puede aceptar el servicio, alertará al usuario con un timbre o señal de llamada. Cuando esta señal ha comenzado, la estación móvil informa a la MSC la cual refleja este estado del móvil a la red externa. El siguiente paso es la aceptación de la llamada por parte del usuario móvil, que ocurre cuando éste pulsa la tecla de envío (SEND). En este punto, se establece la comunicación vocal entre los usuarios.
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6.6.6. Gestión de la Seguridad |
La transmisión vía radio es, por naturaleza, más susceptible de ser vulnerada que la transmisión por línea. El GSM ha incorporado serias mejoras a la seguridad de la interfaz radio. Las funciones de seguridad implementadas en el sistema GSM cumplen dos objetivos fundamentales: evitar el acceso no autorizado a la red y proteger el carácter privado de las comunicaciones. Las funcionalidades del sistema que permiten conseguir estos objetivos son las siguientes.
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6.6.6.1. Autenticación |
El primer método de autenticación que se implementa en GSM es el código PIN necesario para tener acceso a la tarjeta SIM. No obstante, el nivel de protección ofrecido por este sistema no es lo suficientemente seguro. Pero, además, el GSM utiliza un método mucho más sofisiticado de autenticación en la red, basado en señalización que se produce entre esta última y la tarjeta SIM del cliente. El método se basa en una secuencia aleatoria de números, denominada RAND en las especificaciones; una clave de seguridad ki que está grabada en la tarjeta SIM del cliente y en el centro de autenticación de la red, de forma que nadie tiene, en principio, acceso a esta clave - única para cada cliente; y, en un algoritmo, denominado A3 en las especificaciones, y que calcula una supuesta respuesta a partir de RAND y ki.
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La red envía el RAND por el interfaz aire hacia el móvil. Tanto red como estación móvil calculan, basados en el RAND y el los mismos algoritmo A3 y clave Ki una secuencia de respuesta SRES que el móvil devuelve a la red. Si lo que recibe la red desde el móvil coincide con lo que la propia red ha calculado, se permite el acceso del cliente a la red. |
6.6.6.2. Encriptado |
El proceso de encriptado se utiliza para evitar que las comunicaciones puedan ser interceptadas en el trayecto radio. Para ello, antes de radiar la información, el sistema somete dichos datos a un proceso de encriptación mediante un algoritmo, denominado A5, y otra clave distinta de Ki a la que se denomina Kc. La obtención de la clave Kc está ligado a la clave Ki y a un tercer algoritmo de calculo denominado A8. El proceso de cálculo de Kc se muestra en la figura siguiente |
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Tanto la red como el móvil llegarán a la misma Kc para el cifrado y descifrado de las comunicaciones entre ellos. |
6.6.6.3. Protección de la Identidad del Usuario |
Para evitar que la identidad del usuario, que es lo que va a permitir el acceso a la red, viaje por el aire, siendo susceptible de ser capturado, la red GSM ha implementado un método de asignación de identidades de usuario temporales, (TMSI, Temporary Mobile Subscriber Identity), ligadas no sólo al usuario sino también al área de localización de éste. |
6.7. Servicios básicos que soporta el sistema |
A diferencia del estándar TACS, el GSM define un sistema completo, incluyendo no sólo la interfaz radio, sino también una arquitectura completa de red. Esto ha permitido que sobre el estándar GSM se hayan desarrollado y se sigan desarrollando multitud de nuevos servicios que ofrecen grandes posibilidades a la hora de utilizar el servicio. Además, los servicios están especificados de forma tal que, aunque los fabricantes tienen libertad en la manera de implementarlos, siempre deben cumplir unas normas muy estrictas en lo que se refiere al funcionamiento y operación de dichos servicios. Para ver con detalle la descripción funcional de todos y cada uno de los servicios, es preferible referirse al documento PRD GSM MoU SERG 18, con más de 100 páginas de contenido. Por último, gracias al alto grado de definición de la red GSM, es relativamente sencillo desarrollar servicios a medida del cliente, bien utilizando variaciones sobre las posibilidades que permite el propio estándar, bien añadiendo nuevos módulos y máquinas que pueden interconectarse a los diferentes elementos de red y entablar diálogo con ellos para la provisión de dichos servicios. El único inconveniente de esta última opción es que dichos servicios, al estar fuera de estándar, no serán soportados fuera de la red donde hayan sido implementados o, de otra manera, no funcionarán en roaming.
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6.8. Operación y Mantenimiento |
El asunto de la Operación y el Mantenimiento va mucho más allá del ámbito del GSM y de cualquier sistema celular. La mayoría del trabajo realizado en este área dentro de la comunidad de las telecomunicaciones presenta un punto de vista mucho más extenso y tiene como objetivo todos los sistemas de telecomunicación. El centro de este área es lo que se denomina Red de Gestión de Telecomunicaciones, que diseña métodos de interconectar toda la infraestructura de la red a una red de gestión y, por último, a emplazamientos centralizados donde estaciones de trabajo permiten a poco personal controlar todo el sistema. Aunque el GSM está dentro de este concepto, sus especificaciones no incluyen toda esta red de gestión. No obstante, la serie 12 de las especificaciones se dedica exclusivamente a aplicar el concepto anteriormente expuesto a cada detalle particular de la red GSM.
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6.9. Explotación |
En este apartado es aplicable lo comentado en el párrafo anterior y lo que se explicaba en el capítulo homólogo dedicado a la red TACS. No obstante, debido a la importancia del roaming internacional como característica diferenciadora del sistema GSM, la Asociación GSM MoU ha especificado una interfaz que permite la transferencia de datos de facturación de forma automática entre operadores. |
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7. Sistemas de tercera generación |
7. Sistemas de tercera generación |
En la UIT se está llevando a cabo varios estudios que deben concluir con la estandarización de la futura familia de sistemas de comunicaciones móviles denominada IMT2000. En Europa, varios organismos están trabajando en la definición de su propio estándar tecnológico, que deberá formar parte y, a ser posible, liderar la citada carrera hacia el IMT2000. El nombre que se ha venido a dar a este nuevo sistema es UMTS, Universal Mobile Telecommunications System.
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7.1. Por qué un UMTS |
El UMTS será el sistema que lleve a las comunicaciones móviles hacia la nueva sociedad de la información. Proporcionará información, imágenes y gráficos directamente a los usuarios y además les proporcionará acceso a la próxima generación de servicios basados en la información. El UMTS es un sistema multimedia de banda ancha que soportará todo lo que actualmente puede ofrecer la tecnología, con o sin hilos. Gracias a la política de liberalización de las telecomunicaciones en todo el mundo y, en particular, en la Unión Europea, se permitirá a un mismo operador ofrecer servicios móviles y fijos de telecomunicaciones. Estos cambios en el entorno regulatorio probablemente impondrá nuevos requisitos sobre la utilización del espectro. La dimensión social del UMTS está bien establecida en términos de un incremento del poder adquisitivo, más facilidad para viajar, la migración rural, planes y horarios de trabajo flexibles y preocupación por la seguridad personal y de la familia. El cliente del siglo 21 requerirá principios y procedimientos de provisión de servicios independientemente de la tecnología empleada para ello. Los operadores ya se están preparando para la convergencia de las redes móvil y fija. De esta manera, se beneficiarán de una infraestructura, inteligencia de red, creación de servicios y facturación comunes, así como de la posibilidad de ofrecer numeración personal. En este sistema no sólo se produce la importante convergencia entre servicios de red fija o móvil: se incorpora como base fundamental del diseño la convergencia entre servicios de telecomunicación y las tecnologías de la información.
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7.2. Factores para el éxito del UMTS |
El éxito en una empresa de telecomunicaciones moderna depende del mercado disponible y de el entorno inversor, en el que se asumen riesgos razonables en función de las oportunidades y proyectos analizados por los financieros. Se esperan ocho millones de terminales en los primeros tres años de operación comercial, creciendo hasta 60 millones en 10 años. Habrá seguramente políticas de migración que asegurarán que los clientes de alto consumo cambien, sin excesivos costes a su cargo, el anterior sistema por el nuevo, lo que permitirá que los operadores lleguen a invertir con cierta seguridad. Se pretende establecer un calendario para la adopción de una estrategia que facilite la consecución del espectro necesario y que no penalice en exceso la adquisición de licencias. Esto es necesario para motivar a operadores y fabricantes a invertir en nuevas tecnologías. Se promueve la creación de un conjunto unificado de estándares, con interfaces abiertas que permitan cualquier tipo de interconexión externa. Este conjunto de estándares tendrá una estructura modular que permita la evolución de servicios y sistemas a largo plazo.
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7.3. Conceptos básicos para soportar el UMTS |
Hay una serie de conceptos que marcan la diferencia entre los actuales sistemas de segunda generación, GSM, y el UMTS. Se recogen a continuación los más relevantes, que configuran en parte los requisitos de partida para el proceso de estandarización.
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7.3.1. VHE, Virtual Home Environment |
El VHE es un concepto de sistema que permite la portabilidad de servicios en el UMTS a través de las diferentes fronteras entre redes. Según este concepto, la red visitada emula para cada usuario particular las condiciones de su entorno de origen. El concepto de VHE está propuesto como la base técnica para simplificar el manejo de los servicios por parte del usuario. Si se utilizan los terminales multimodo adecuados, los usuarios podrán conectarse a redes de segunda y de tercera generación de forma directa.
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7.3.2. Interfaz radio flexible |
La utilización de terminales con interfaz aire programable, que cubra un amplio margen de variación en las redes IMT2000, facilitará la provisión de servicios cuando se esté en roaming, fuera del entorno local.
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7.3.3. Relación entre redes fijas y móviles |
Hoy es ya evidente que los operadores de red futuros y los proveedores de servicio deberán ofrecer acceso a servicios de comunicación a través de redes fijas y móviles.
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7.3.4. Alta velocidad de transmisión |
Entroncando con la integracion de los sistemas de telecomunicación en el mundo de las tecnologías de la información, será necesario que los sistemas soporten la capacidad de transmitir información a altas velocidades, en forma simétrica o asimétrica, según sea la necesidad, procurando con ello una mejor utilización del espectro radioeléctrico.
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Fuente del documento: http://www.profesaulosuna.com/data/files/TELECOMUNICACIONES/TELEFONIA%20CELULAR/celular.doc
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