lunes, 15 de febrero de 2010

La telefonía móvil


La telefonía móvil 


se forma básicamente por dos elementos: la red de comunicaciones  y  las terminales. En su versión análoga, fue presentada por primera vez en los Estados  Unidos  en 1946. En ese año el servicio se brindaba en 25 grandes ciudades y  cada ciudad  tenía una estación base que consistía en un  transmisor de alta potencia y  un receptor  colocados  en lo alto de una  montaña  o torre. Este servicio tenía una cobertura de  aproximadamente  30 millas a la redonda. A este primer estándar de telefonía móvil se le  conoció como  MTS   (Mobile Telephone System), y funcionaba con una  comunicación de  tipo half-duplex. Tiempo  después, a principio de los 50 la FCC  duplicó el número  de  canales destinados a la telefonía móvil, reduciéndolos de 120kHz  a 60kHz, con lo que se
 logró una comunicación  full-duplex. Esto último fue la gran ventaja de IMTS  (Improved  Mobile Telephone System) en comparación con su antecesor.


     En  1960 AT&T  presentó la marcación directa. Es necesario mencionar  que antes una  operadora era la que enlazaba las llamadas y que esto representó un gran avance. Tiempo  después, la misma  compañía propuso el concepto celular a la FCC.  A  mediados de los 70  este concepto fue desarrollado en conjunto con minicircuitos integrados capaces de manejar  los complejos algoritmos necesarios para la conmutación  y el control de los canales de
 comunicación. El ancho de banda se redujo de nuevamente de 60kHz a 30kHz.

     En  1974 la FCC   destinó 40MHz   extras del espectro para la telefonía móvil. Un  año  después la FCC  otorgó a AT&T  la primera licencia para operar una telefonía celular en  desarrollo en la ciudad de Chicago. Al otro año, fue ARTS  (American  Radio Telephone Service) la que recibió autorización para operar en Baltimore.

     Sin  embargo,  fue  hasta 1983  cuando  la  telefonía celular comenzó   a  crecer  exponencialmente. Ese  año AMPS   (Advanced Mobile  Phone System) se convirtió en el  primer estándar de telefonía celular. Este estándar originalmente ocupaba 40MHz  de ancho  de banda en la banda de los 800MHz,  pero en 1989 se le otorgaron 166 canales half-duplex  adicionales. Fue en este año que la telefonía celular incursionó en México  por medio de dos  empresas: Iusacell y Telcel.

     En 1991  se comenzaron  a brindar los primeros servicios digitales en la mayor parte de  los Estados Unidos, logrando usar el espectro de una  manera más  eficiente. La  mayor  ventaja de los servicios digitales consistió en la comprensión de voz, lo que dejó espacio en  el ancho de banda asignado para nuevas aplicaciones.

     En  ese momento  de la historia de la telefonía móvil se formaron  dos caminos. La  diferencia entre éstos radicaba en la técnica de acceso múltiple empleada,  fuera TDMA  (Time Division Multiple Access) o CDMA   (Code Divison Multiple Access). En comparación  con  la técnica empleada  por AMPS   u otros estándares de primera  generación, FDMA  (Frequency  Division Multiple Access), las dos ofrecían grandes ventajas. Por ejemplo, la
 capacidad especificada en USDC   (U.S. Digital Cellular) o IS-54 equivale a tres veces la  capacidad de AMPS.

     En  esta segunda generación de telefonía móvil surgieron diferentes estándares, entre  los que destacan: IS-54, IS-95, GSM,  iDEN y PDC.  Con  el tiempo fue GSM  el que logró  mayor  aceptación a nivel mundial, a pesar de que  en sus inicios se concentró en  el  continente Europeo. La mayoría de estos estándares evolucionaron en un paso intermedio  conocido como  2.5G.

     2.5G es utilizado para denominar a los estándares que implementaron conmutación de  paquetes en  sus redes en  conjunto con la conmutación  de circuitos. Mientras que  los  términos 2G y 3G  son reconocidos oficialmente, 2.5G no lo es. Este término fue inventado  simplemente con fines publicitarios y de ventas.

     Un  ejemplo de lo que  es considerado un servicio de 2.5G es GPRS  (General Packet  Switching  Service) implementado   en las redes GSM.   GPRS  emplea  conmutación  de  paquetes para la comunicación de datos, y es por esto que se dice que 2.5G ofrece algunos  servicios de 3G. Otro caso particular de las redes GSM  como  ejemplo de proveedora de  servicios similares a los de 3G es EDGE  (Enhanced  Data Rates for GSM  Evolution), el cual es una tecnología que permite aumentar la tasa de transmisión de datos y su confiabilidad  hasta 236.8 kbit/s.

     En  los primeros  años de  esta década la telefonía móvil evolucionó  hacia otra  generación, 3G. Esta tercera generación ofrece servicios de videoconferencia e Internet de  alta velocidad. A diferencia de 2.5G, 3G  no consiste en mejoras a las redes 2G  y no opera  en el mismo espectro de frecuencia. Es por eso necesario construir nuevas redes y adquirir  nuevas concesiones de frecuencias. El primer país que ofreció 3G  fue Japón. En  2005, 40%  de los suscriptores emplean  solamente redes de tercera generación. Es así que  en 2006  la  transición entre generaciones se completó. Incluso ya se habla de mejoras bajo el nombre  de 3.5G. Estas mejoras incrementaran la máxima  velocidad de 2Mbit/s a 3Mbit/s.


 4.2 Concepto  Celular
     Cuando  la telefonía móvil dejó de tener una sola estación base por red para migrar a la  telefonía celular se corrigieron muchos  problemas. Las claves de este concepto fueron  develadas  en 1947  por investigadores de  los laboratorios Bell y  otras compañías  de  telecomunicaciones alrededor del mundo.  Se  determinó que  si se subdividía un  área  geográfica relativamente grande, llamada zona  de cobertura, en secciones más pequeñas,llamadas  células, el  concepto de  reuso de  frecuencias podrías ser empleado  para  incrementar considerablemente la capacidad del canal.


 4.2.1 Célula
     Una  célula es una zona geográfica de cobertura proporcionada por una estación base.Idealmente se representa por un hexágono  que se une con otros para formar un patrón tipo  enjambre. La  forma hexagonal fue elegida porque provee la transmisión más  efectiva al  aproximarla con una forma  circular y permite unirse a otras sin dejar huecos, lo cual no  hubiera sido posible al elegir un círculo. Una  célula se define por su tamaño físico, pero
 más  importantemente por la cantidad de tráfico y población que existe en ella. El número  de células por sistema no está especificado y depende del proveedor del servicio y de los  patrones de tráfico que observe en su red. El tamaño de la célula varía dependiendo de la  densidad de usuarios. Por ejemplo, en una zona rural se coloca una macrocélula. Este tipo  de célula tiene una cobertura de entre 1 y 15 millas a la redonda con una potencia que varía
 de 1 a 20 watts. Por el contrario, las microcélulas radian de 1 a varios cientos de pies con  potencias de 0.1 a 1 watt. Este tipo de células son frecuentemente usadas en ciudades.



En la Figura 4.1 se puede observar la forma ideal de las células y como están colocadas  adyacentemente. Sin embargo, la forma real de las células no tiene forma. Esto se debe a  los obstáculos que encuentra la señal en el camino,  lo que  depende de cada zona. Las  células ideales se emplean para planificar y dimensionar un sistema considerando un nivel de potencia idéntico para toda el área de cobertura. Esta planificación se vuelve más precisa
 al emplear herramientas de cómputo  que consideran la estructura de la ciudad con edificios,  parques, etc. Un concepto importante al hablar de células es el de hand-off o hand-over.  Este proceso ocurre cuando  el usuario cambia de una célula a otra y el móvil obtiene un  canal sin perder la comunicación. Para saber cuando  debe ocurrir el hand-off se define un umbral  de potencia que generalmente es de -95dBm.  Al momento  de registrar una señal a
 esta potencia el móvil busca otra señal con mejor  potencia en  la célula a la que está  entrando.

    Básicamente  el reuso de frecuencias permite que un gran número  de usuarios puedan  compartir un número limitado de canales disponibles en la región. Esto se logra asignando  el mismo  grupo de frecuencias a más  de una célula. La  condición para que esto se pueda  hacer es la distancia entre ellas, de no hacerlo la interferencia sería alta. A cada estación  base se le asigna un grupo de canales que son diferentes de los de las células vecinas, y las antenas de las estaciones base son elegidas para lograr un patrón de cobertura dentro de la célula por medio de la modificación de parámetros como ganancia y directividad.


     Cuando  se  diseña un sistema usando  células hexagonales, los transmisores de  la  estación base se colocan en el centro de la célula (center-excited cells) o en tres de los seis  vértices (corner-excited cells). Normalmente  se usan antenas omnidireccionales para el  primer caso y antenas sectorizadas para el segundo. Esta sectorización es una forma de  subdividir la célula y lograr mayor  capacidad. Comúnmente   esta división se hace en 3  sectores. Al hacer esto no todo son ventajas. Entre las principales desventajas destacan el  aumento  de equipo de propagación en la estación base, el cambio constante de canales en la  unidad  móvil y la disminución  en truncamiento por la división de canales dentro de la  célula. Aún  así es muy  común  sectorizar la célula, sobretodo en lugares donde la densidad  de población es alta.

 GSM  (Global System for Mobile Communications)
     El servicio de GSM  empezó  en 1991 y en 1993 operaba en 22 países. Actualmente se  tienen este tipo de redes en más de  80 países. GSM  es un  sistema de telefonía celular  perteneciente a la segunda  generación que se desarrolló para solucionar los problemas de  compatibilidad existentes en la primera generación, sobretodo en Europa donde se creó el  estándar. Fue el primer sistema completamente digital y con casi 50 millones de usuarios en
 el mundo se ha convertido en el estándar más popular.


Servicios y arquitectura
     Los  servicios de GSM   se clasifican en tres tipos: bearer services, teleservicios y  servicios suplementarios. Los  primeros  ofrecen la capacidad de transmitir señales entre  puntos de acceso, los segundos permiten comunicarse con otros suscriptores y los últimos  complementan  los teleservicios [15].


     La  arquitectura de una  red GSM   se muestra en Consiste de tres
 subsistemas conectados entre si y con los abonados. Estos sistemas son:
     ¾  BSS (Base Station Subsystem)
     ¾  NSS  (Network and Switching Subsystem)
     ¾  OSS  (Operational Support Subsystem)


Christian Argenis umaña Zambrano
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