CONCEPTOS BÁSICOS

Un sistema de telecomunicación es el conjunto de elementos y dispositivos involucrados en la transmisión de información entre dos puntos remotos.

Al igual que en cualquier sistema de telecomunicación, en los sistemas móviles se transmite información de usuario o tráfico y otra adicional denominada señalización, que es necesaria para el establecimiento, liberación y supervisión de las llamadas y la protección de la información a transmitir. La superficie geográfica dentro de la cual los terminales pueden establecer comunicaciones se denomina zona de cobertura. Por lo tanto el diseño de los sistemas de comunicaciones ha de ser tal que permita la comunicación dentro de dicha zona de cobertura. Denominamos enlace descendente DL (Downlink)al sentido de la comunicación que corresponde de la estación hacia el terminal y ascendente UL (Uplink)al contrario. La distancia de cobertura entre estación y terminal se denomina rango o alcance.

elementos de un sistema de radiocomunicaciones

Un sistema de radiocomunicaciones móviles consta de los siguientes elementos básicos:
  • Estación fija (FS): Como su nombre indica, esta estación no se encuentra en movimiento. Pueden clasificarse en:
    Estación de base (BS): Su funcionamiento se controla directamente desde una unidad de control local o remoto y mediante líneas telefónicas o radioenlaces. Son fuentes y destino de tráfico y señalización.
    Estación de control (CS): Se utiliza para la conexión de una estación de base (BS) con la red de telecomunicaciones fija.
    Estación repetidora (RS): Retransmiten las señales recibidas. Conectan estaciones base con estaciones móviles y se suelen emplear para aumentar la cobertura radioeléctrica.
  • Estación móvil (MS): Suelen llamarse normalmente terminales. Este término incluye a la estación radioeléctrica cuyo uso se previene será en marcha. Este término abarca a los equipos portátiles (teléfono móvil, busca…) y equipos transportables (en automóviles, por ejemplo).
  • Equipos de control: Es el conjunto de dispositivos necesarios para la organización y gobierno de las estaciones, llamadas, señalización, O&M…
  • Clasificación de los sistemas de comunicaciones móviles

    Los sistemas de comunicaciones móviles pueden clasificarse en base a varios criterios:

    Por su modalidad de funcionamiento

  • Sistemas de radiotelefonía: Aquellos en los que las transmisiones se realizan en ambos sentidos. En terminología americana se denomina “Two-Way Radio Systems”.

  • Sistemas de radiobúsqueda o radiomensajería: Las transmisiones solo tienen lugar desde la estación fija a las estaciones móviles (Paging Systems).

  • Por el sector de aplicación

    Podemos clasificarlos en sistemas privados, públicos y de telefonía inalámbrica.
    Los sistemas de radiotelefonía privada son PMR (Private Mobile Radio) y PAMR (Public Access Mobile Radio). Estos sistemas se utilizan en ámbitos restringidos y de limitada área territorial. Suelen tener una asignación rígida de frecuencias y también se pueden usar en sistemas troncales (Trunking) mediante una asignación troncal de frecuencias. Las nuevas redes de telefonía móvil pública PLMN (Public Land Mobile Networks) son el fruto de la evolución en señalización y control con el sistema de red telefónica conmutada PSTN (Public Switched Telephone Network).
    Más recientemente podemos destacar las redes de área local inalámbricas (W-LAN) y los sistemas WIFI (Wireless Fidelity) surgido de la familia de normas de IEEE.802.

    Por la banda de frecuencias utilizada

  • Bandas VHF
  • Banda baja de 30 a 80 MHz: Usada en PMR/PAMR
    Banda alta de 140 a 170 MHz
    Banda “III” de 223 a 235 MHZ
  • Bandas UHF
  • Banda baja de 406 a 470 MHz: Usada en PMR/PAMR
    Banda alta de 862 a 960 MHz: Usada en PLMN
    Banda de 1800 a 1900 MHz: Usada en PLMN
    Banda de 2000 MHz: Usada en PLMN

    Caraterísticas VHF Baja VHF alta UHF baja UHF alta
    Utilización típica Rural Rural / Urbana Urbana Urbana
    Penetración Mínima Media Alta Alta
    Multitrayecto Escaso Apreciable Pronunciado Alto
    Ruido ambiente Alto Medio Bajo Bajo
    Tamaño antenas Grande Medio Pequeño Pequeño
    Alcance 30 km 20 km 10 km 4 km
    Las frecuencias de telefonía móvil utilizadas actualmente en España son las siguientes:
    2G/GSM: Bandas de 900 MHz y 1800 MHz
    3G/WCDMA: Bandas de 900 MHz y 2100 MHz
    4G/LTE: 800 MHz (desde abril de 2015), 1500 MHz (próximamente), 1800 MHz, 2600 MHz y 3,5 GHz para WiMAX

    Por su método de acceso al canal y a los recursos de la red

    FDMA (Frequency Division Multiple Access)Acceso múltiple por división en frecuencia. La transmisión desde diferentes redes o usuarios se separan en frecuencia usando distintas frecuencias portadoras a lo largo del ancho de banda disponible. La asignación de frecuencias es rígida y los receptores seleccionan un canal sintonizando manual o automáticamente una portadora dada. Es el propio de los sistemas analógicos.
    TDMA (Time Division Multiple Access):  Acceso múltiple por división en el tiempo. Las redes o usuarios comparten el canal a lo largo del tiempo mediante transmisión por ráfagas temporales. Requiere de una sincronización temporal estricta. Únicamente viable en sistemas digitales.
    CDMA (Code Division Multiple Access)Acceso múltiple por división de código. Las transmisiones son todas en la misma frecuencia pero cada receptor recupera la información que le pertenece mediante previa asociación de un código a la información transmitida.
    OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)Acceso múltiple por frecuencia ortogonal. Se emplean portadoras ortogonales compartidas en el tiempo.

    Por su modo de operación, en relación a los canales o frecuencias de uso.

    Simplex: Uso del mismo canal o frecuencia para cada sentido de la transmisión. Si todos los equipos usan la misma frecuencia la transmisión se comparte y cualquier equipo puede oír y hablar dentro de la zona de cobertura. Son los sistemas más simples. Para evitar el bloqueo entre transmisión y recepción es necesario el uso de una frecuencia distinta para transmisión y recepción (simplex a dos frecuencias).
    Semidúplex: Uso del mismo canal para ambos sentidos de la transmisión. Dentro de las radiocomunicaciones, para lograr que todos los terminales estén conectados mediante canales simplex a dos frecuencias las estaciones base se configuran mediante talk-through. En esta configuración la estación base retransmite las señales que recibe.
    Dúplex: transmisión y recepción simultánea e independiente para cada terminal. Es el utilizado en las redes PLMN, ya que el sistema telefónico es dúplex.

    Por el número de antenas utilizadas en la comunicación

    Refiriéndonos al número de antenas de transmisión y recepción implicadas en el intercambio de señales de comunicaciones podemos clasificar los sistemas de comunicaciones móviles de varias maneras:
    SISO (Single Input Single Output)Una entrada y una única salida. Este sistema se refiere al mecanismo clásico de transmisión inalámbrica. Una antena para emitir y una antena para recibir. Este mecanismo no tiene diversidad y no necesita de procesamiento adicional, por lo que es el más sencillo para la comunicación.

    SIMO (Single Input Multiple Output)El transmisor emplea una antena y el receptor varias antenas. De esta forma se logra diversidad en la recepción, por lo que tenemos la señal recibida de diferentes formas combatiendo así los efectos de desvanecimiento y las interferencias.

    MISO (Multiple Input Single Output)Varias antenas para transmitir y una antena para recibir. Conseguimos diversidad en la recepción y redundancia. Se reduce así el espacio de las antenas y el procesamiento, que pasa a ser responsabilidad del receptor.

    MIMO (Multiple Input Multiple Output)Múltiples entradas, múltiples salidas. Es decir, empleamos varias antenas para transmitir y recibimos igualmente con varios receptores simultáneamente. Aumenta la eficiencia espectral mediante la utilización del dominio espacial. Aprovecha fenómenos físicos, tales como el efecto multipath para incrementar la tasa de transmisión y reducir la tasa de error. Esta técnica de última generación beneficia en gran medida a las comunicaciones móviles, ya que estas están derivando en el empleo de diferentes canales en la transmisión de datos o la multiplexación espacial al tener las antenas físicamente separadas.

    Este tipo de técnicas son también referidas como técnicas de multiplexación espacial. En el campo de las comunicaciones móviles se pueden considerar SIMO y MISO como variantes de MIMO, por lo que la clasificación podría quedar reducida a si se emplea una antena o varias para la comunicación.

    medios de transmisión

    Un medio de transmisión es el soporte físico o canal sobre el que se desarrolla o puede desarrollarse una comunicación.
    Los canales o medio de transmisión presentan limitaciones o problemas que afectan al transporte de las señales, tales como atenuación, distorsión de retardo, ruido, eco…
    Los medios de transmisión pueden dividirse en guiados y no guiados, en el campo de las radiocomunicaciones nos pertenecen los medios no guiados. En estos medios básicamente la señal no se encuentra confinada en un cable, por lo que tenemos que añadir a los problemas anteriores otros nuevos como los efectos multitrayectoria.
    El medio de transmisión por excelencia dado en un sistema de comunicaciones móviles es, por supuesto, el aire. Se trata de un medio no guiado y sus características de transmisión dependerán de la banda de frecuencias empleada en la transmisión. Como ya se ha dicho anteriormente en el caso de las comunicaciones móviles nos moveremos en las bandas de VHF (Very High Frequency) y UHF (Ultra High Frequency) actualmente.

    la capa física

    En el diseño de una red de telecomunicaciones, al igual que en cualquier tipo de red comunicación, la solución más acertada para su diseño es mediante el uso de módulos o capas. A este tipo de diseño conjunto de capas se le denomina modelo de referencia. Para citar un ejemplo podemos citar el modelo OSI:
    Como ya se comentó en la introducción y se puede observar, sobre la capa física recae el resto de capas del modelo de comunicación. Es la encargada de llevar a cabo todo lo relacionado con la transmisión de la información: características eléctricas, mecánicas y funcionadas para la correcta transmisión sobre el canal. En este tutorial nos centraremos en esta capa para profundizar en todas sus características y especificaciones.


    Interfaz radio

    En los sistemas móviles de comunicación la red de acceso debe ser inalámbrica por lo que se emplean recursos radioeléctricos compartidos, específicamente a través de la interfaz aire o radio AI (Air Interface).
    Como ya mencionamos anteriormente, tenemos dos enlaces o sentidos de propagación, el ascendente y el descendente. En el canal ascendente existirán múltiples móviles a los que debe proveerse de acceso múltiple. En el enlace descendente la comunicación debe llegar al terminal móvil o a varios terminales simultáneamente, usando en este caso difusión selectiva, parcial o global.
    En general en la interfaz radio se utilizaran radiocanales con dos frecuencias portadoras diferentes, para el canal ascendente y el descendente, en bandas separadas. Como a frecuencias más bajas hay menor atenuación la banda inferior se suele usar para los enlaces ascendentes y preservar de esta forma la calidad necesaria.
    Un proceso de radiocomunicación puede representarse mediante un modelo tridimensional, ocupando un volumen definido por tres magnitudes: espacio o cobertura, ancho de banda y tiempo. En consecuencia, las comunicaciones deben separarse en frecuencia, tiempo y espacio, de forma que el espectro radioeléctrico implica la compartición de estas tres variables.

    Canalización

    Las frecuencias portadoras para las clases de emisión semidúplex y dúplex se habilitan en forma de una banda, constituida por dos sub-bandas, con una separación determinada.
    Se denomina canalización a la subdivisión de una banda en intervalos o canales de frecuencias susceptibles de ser asignadas a diferentes emisiones. El ancho de cada canal debe ser mayor que el ancho de banda de emisión para compensar las desviaciones de frecuencia y para poder separar con facilidad en frecuencia una emisión de otra. Los parámetros que definen una banda son:
  • Frecuencia inferior (f i, f s) y superior (f i', f s') de la sub-banda.
  • Ancho de la sub-banda BW.
  • Separación entre frecuencias homólogas o “canales”, B. Cada pareja de estas frecuencias homólogas, que corresponden a un canal de subida y otro de bajada, constituyen un radiocanal.
  • La diferencia entre dos frecuencias contiguas, Δf. El número de canales por banda será por tanto: N=BW/Δf. Se suele dejar un margen equivalente a un canal en los bordes de la banda para facilitar la compartición con otros servicios radioeléctricos que funcionan en bandas de frecuencias adyacentes.

  • Parámetros de la interfaz radio

    En la siguiente figura están representados las entidades que intervienen en la interfaz radio en comunicaciones móviles y los parámetros radioeléctricos asociados.

    Como entidades básicas tenemos el transmisor deseado y el receptor deseado, con una potencia de emisión y recepción PRAD y PSD. El receptor además tiene una potencia de señal de interferencia PSI.
    Las perturbaciones que producen efectos no deseados en canal radio son el ruido, los desvanecimientos y la interferencia. Es de exigencia para conseguir calidad en la comunicación que se adopten medidas para contrarrestar estos efectos. El ruido afecta a la recepción de la señal y puede provenir de fuentes externas o internas. Está cuantificado por el valor de potencia de ruido pnext y pnint. Los desvanecimientos se producen por la presencia de obstáculos y a la existencia de múltiples trayectos de propagación entre el transmisor y el receptor. La interferencia se debe a la actuación de otros transmisores que operan en la misma frecuencia que la del receptor o en frecuencias contiguas. Puede ser una interferencia simple, de una sola fuente, o múltiple. También puede tratarse de una interferencia causada por la misma fuente debido a una reflexión o a la dispersión de la señal.

    ruido en los sistemas móviles

    Podemos definir el ruido como la perturbación eléctrica que limita o disminuye la calidad en un sistema de comunicaciones radioeléctrico. Puede originarse a partir de fuentes naturales y artificiales y a su vez en externas e internas al sistema. Las fuentes externas se deben al medio y a la radiación producida por los elementos naturales (cuerpos negros). Las fuentes internas se deben a los elementos de la conexión de la antena y a la circuitería del propio receptor. El ruido proveniente de fuentes naturales tiene una densidad espectral de potencia plana, mientras que el ruido artificial disminuye al aumentar la frecuencia.

    técnicas de acceso al medio

    Es el conjunto de técnicas que permiten compartir el canal físico entre varias fuentes. Como a lo largo de este tutorial se irán explicando detalladamente las técnicas más comunes en la radiocomunicación aquí solamente enunciaremos algunas de las técnicas básicas:

    Multiplexación: Por división en frecuencias y en el tiempo

  • FDM (Frecuency-Division Multiplexing)En este tipo de modulación, a cada emisor se le asigna una frecuencia portadora a la cual trasladamos el espectro original de la señal emitida en base a un proceso de modulación, como AM, ASK, FM, PSK, PM… etc. Entre cada una de las frecuencias asignadas se suele dejar un rango de frecuencias libre de emisión que actúa como banda de guarda para evitar interferencias.
  • TDM (Time-Division Multiplexing):  Consiste en la trasmisión de cada fuente empleando turnos a lo largo del tiempo. Este tipo de conmutación entre fuentes puede ser bit a bit, byte a byte… Tanto emisor como receptor deben de estar sincronizados correctamente para evitar la toma errónea de canales adjuntos en el tiempo.
  • OFDM (Orthogonal Frecuency Division Multiplexing)Al igual que en FDM, se divide el espectro disponible en varios subcanales, pero en vez de dejar una banda de guarda entre canales o subportadoras, aquí están unidos y al ser cada subportadora de frecuencia ortogonal las bandas no se solapan entre sí. De esta forma obtenemos una mayor eficiencia del espectro disponible.


  • Técnicas de contención

    En estas técnicas las fuentes que deseen transmitir competirán por el canal. Pertenece a este tipo:
  • Aloha Puro y Ranurado: En el modo puro, la estación emite cuando tiene que emitir, sin importar nada más. Frente a este tenemos el modo ranurado, en el que solo se permite la transmisión en ciertos instantes de tiempo.
  • CSMA (Carrier Sense Multiple Access) y CSMA/CD: A diferencia de los anteriores métodos, en este caso la estación sondea el medio y no transmite si el canal se encuentra ocupado. La eficiencia obtenida en CSMA es superior que en Aloha. Para evitar que la información se siga enviando cuando se ha producido una colisión con otra estación emitiendo se le añade a las estaciones la capacidad de detectar colisiones: CSMA/CD. (CSMA with Collision Detection)

  • Protocolos libres de colisión

    Las fuentes acceden al canal compartido de forma ordenada, mediante métodos de acceso basados en reserva o consulta.
  • Protocolos basados en reserva: Haciendo uso de un intervalo de reserva las estaciones que deseen transmitir deberán de expresar esta intención y pasarían a hacerlo de forma ordenada.
  • Protocolos basados en consulta: Tiene lugar a través del uso de un testigo, que funciona como un permiso para acceso al medio. La estación que desee transmitir deberá obtener primero el testigo.

  • Técnicas de espectro expandido y multiacceso DS-CDMA (Direct-Sequence Code Division Multiple Access)

    Estas técnicas se caracterizan por transmitir la señal usando un mayor ancho de banda que el necesario. De esta forma mejoramos la privacidad y reducimos las interferencias. Encontramos dos mecanismos de transmisión por espectro expandido:
  • Espectro expandido de secuencia directa: A partir de una secuencia de bit pseudoaleatoria, conocida como chip en inglés, y la secuencia de datos se lleva a cabo la función XOR entre ellas de forma que la secuencia resultado es la transmitida a través del medio. A esta técnica se le conoce como multiplexación por división de código CDMA.
  • Espectro expandido por salto de frecuencias: En este esquema usamos la misma secuencia pseudoaleatoria para elegir qué frecuencia usamos para modelar la señal y poder enviarla a través del medio. Esta técnica es menos usada en la comunicación móvil debido al limitado rango de frecuencias de que disponemos.
  • A pesar de todas las técnicas de acceso descritas, no hay ninguna que sea mejor que otra. Siempre se deberá elegir la técnica que mejor se adapte a nuestras necesidades y capacidad del canal.

    modulaciones en comunicaciones móviles

    Entendemos por modulación como el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una señal portadora. En sistemas de comunicaciones móviles la modulación empleada dependerá de la técnica de acceso empleada. Por ejemplo en TDMA/CDMA la modulación será digital, mientras que en PMR/PAMR (Private Mobile Radio / Public Access Mobile Radio)se utilizará la modulación FM para separar los distintos canales.
    Además hay que añadir que la potencia empleada deberá ser pequeña para evitar en todo lo posible las interferencias entre transmisores dentro de la limitada banda de que se disponen.
    La modulación se puede clasificar en dos grandes tipos:
  • Modulación analógica: Se empleaba en sistemas analógicos, sobre todo para el transporte de voz. La modulación empleada era la angular. La portadora es representada como:

    Donde la fase varía proporcionalmente a la señal de información transportada:

    EL empleo de esta técnica se traducía en una pérdida de la calidad de recepción, sobre todo porque el ruido en el receptor afecta más a las altas frecuencias que a las bajas. Se utilizaba para solucionar esto los filtros de procesamiento de preénfasis y deénfasis. La anchura de banda necesaria para dar cabida a esta modulación se calcula mediante la Regla de Carson:

    Donde W es la máxima frecuencia de la moduladora y m=fd/W es el índice de modulación.
  • Modulación digital: Empleada en los modernos sistemas con acceso TDMA y CDMA. Algunas de sus características son:
    - Elevada eficiencia espectral
    - Escasa radiación entre canales
    - Fase continua, lo que evita la radiación excesiva fuera de banda
    - Envolvente de la señal modulada constante
    - Buena SNR (Signal to Noise Ratio)entre portadora/ruido y portadora/interferencia
  • Los sistemas de modulación más destacados son:
  • Por desplazamiento mínimo: MSK (Minimum Shift Keying), FSK y GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)
  • De frecuencia moderada: TFM (Tammed Frequency Modulation)y GTFM (Gaussian Tammed Frequency Modulation)
  • De amplitud y frecuencia: PAM/FM
  • De fase cuaternaria diferencial: π/4-DPSK (π/4 Differential Phase Shift Keying)
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