SISTEMAS DE COMUNICACION INALAMBRICA. TRANSMISION DE VOZ

M. Malave

Fuerza Aérea Venezolana

 

Resumen

 

El rol de la tecnología microonda es obtener futuros sistemas de comunicación personales inalámbricas (FWPC). Con el creciente desarrollo actual de la tecnología, enfáticamente ahora se puede decir que el objetivo de la ingeniería de la comunicación de hoy, es alcanzar futuros sistemas de comunicación personales (FWPC), el cual fue un mito ayer (antes de 1970) y será una realidad mañana (más allá del año 2000).

El factor más grande en el aumento de la eficiencia espectral de una red, no es la compleja técnica de acceso múltiple, habla eficiente y código de canal, modulación, protocolos poderosos, etc..., sino es por la masificación desplegada de microceldas. Por esta simple técnica podemos repetidamente y eficientemente optimizar el uso del espectro.

En este artículo ante todo nos concierne los aspectos asociados de radio celular. Se enfocará una importante crítica de la situación de las Estaciones Bases (BS). Comenzando con la existencia de grandes celdas, deliberando sobre los problemas que puedan presentarse en la localización de las Bss. en microceldas de tres dimensiones, y en este orden para considerar el método de acceso múltiple más conveniente para el ambiente futuro celular.

Palabras Claves: Comunicaciones Inalámbricas Personales Futuras (FWPC), Celdas, Microceldas, Celular, Radio, Estaciones Bases (Bss)

 

Abstract

 

The role of microwave technology is discussed in achieving the future wireless personal communications (FWPC) system. With the current rapid growth of technology, it can now emphatically be said that the objetive of today´s communication engineers to archieve a future wireless personal communication (FWPC) system, which was yesterday´s myth (before 1970), will be tomorrow´s reality (beyond 2000).

The greatest single factor in enhancing spectral efficiency of a network is not complex multiple access techniques, efficient speech and channel coding, modulation, powerful protocols, etc..., but the mass deployment of microcells. By this simple technique we can repeatedly and efficiently reuse the spectrum.

In this article we are primarily concerned with de system aspects of cellular radio. We will focus on the critical importance of BS siting. Starting with existing large cells, we will deliberate on the problems that might arise in siting Bss in three dimensional microcells, in order to consider suitable multiple access methods for future cellular environments.

Code Word: Future Wireless Personal Communication (FWPC), Cells, Microcells, Cellular, Radio, Base Station (BS).

 

INTRODUCCION

Actualmente las transmisiones inalámbricas constituyen una eficaz y poderosa herramienta que permite la transferencia de voz, datos y video, sin la necesidad de utilizar cables para establecer la conexión.

Esta transferencia de información es lograda a través de la emisión de ondas de radio, permitiendo así tener dos grandes ventajas las cuales son la movilidad y flexibilidad del sistema en general.

Este artículo se destaca como ha sido la evolución de los sistemas inalámbricos desde sus comienzos, sus precusores, y muestra además cual es la tendencia actual y los desarrollos llevados a cabo hasta el momento. Por otra parte se menciona los aspectos principales del sistema radio celular y como están conformados.

 

RESEÑA HISTORICA DE LAS COMUNICACIONES PERSONALES INALAMBRICAS

Si nos remontamos en la historia, encontramos que las Comunicaciones inalámbricas comenzaron con:

Durante 1890 eminentes científicos como Jagdish Chandra Bose de India, Oliver Lodge en Inglaterra y Augusto Righi de la Universidad de Bologna, se encargaron del estudio de los fundamentos naturales de las ondas electromagnéticas.

La noción de la transmisión de información sin el uso de cables fue visto por nuestros ancestros como algo mágico.

En 1896 la primera patente de Comunicaciones inalámbricas fue concedida a Guglielmo Marconi en el Reino Unido. Desde aquel momento, entonces el número de desarrollos en el campo de las Comunicaciones inalámbricas tomaron ese sitio. Como se puede ver en la tabla 1. Esta tabla solo contiene Comunicaciones inalámbricas en términos de tecnologías de radio.

En 1980 comienza la era celular. Diferentes desarrollos y nuevas tecnologías tomaron lugar durante los años de 1990 al 2000.

 

ERA PIONERA

 

1860

-Postulación de las ondas EM por James Maxwell

1880

-Demostración de la existencia de las ondas por Henry Rudolf Hertz.

1890

-Primera patente de los sistemas inalámbricos por Guglielmo Marconi.

1905

-Primera transmisión de voz y música vía enlace inalámbrico por Reginald Fessenden

1912

-Hundimiento del Titanic destacando la importancia de la comunicación inalámbricas sobre las vías maritimas, en los años siguientes la marina comenzó a establecer los radios de telegrafía.

ERA PRECELULAR

 

1921

-El Dpto. de la Policía de Detroit dirige maniobras militares con radios móviles.

1933

-En EEUU, existen 4 canales en los 30-40 Mhz.

1938

-En EEUU, se reglamenta el servicio regular.

1946

-Primer comercio de los sistemas de teléfonos móviles operados por el sistema Bell, en EEUU.

1948

-Primer comercio plena- mente automático de telé- fonos móviles en EEUU.

1950

-Los teléfonos y los enlaces de microondas son desarrollados.

1960

-Introducción de líneas interurbanas a los sistemas de radio con canales automáticos en EEUU.

1970

-Los sistemas de teléfonos móviles operan en muchas ciudades. Lo utilizaban 100 millones de vehículos.

ERA CELULAR

 

1980

-Distribución de los sistemas celulares analógicos por el mundo

1990

-Distribución de los celulares digitales y modo de operación dual de los sistemas digitales.

2000

-Distribución de los servicios multimedia a través de FPLMTS, IMT-2000, UMTS

2010

-Ancho de banda para Comunicación inalámbrica

 

que soporten redes

B-ISDN y ATM

2010+

-Radio sobre fibra (así como microceldas sobre fibra óptica)

¦ Tabla 1. La Era Inalámbrica

 

EVOLUCION DEL FWPC

Un FWPC define la existencia de un objetivo fundamental de la ingeniería de la comunicación, proveerá servicios de comunicación personas a personas, en algún lugar o tiempo, sin ninguna demora al usar una unidad pocket-sized a un mínimo costo con una calidad y seguridad aceptable, a través del uso de un personal de teleComunicaciones.

Las tres generaciones del sistema FWPC está mostrado en la figura 1. El objetivo de la investigación y desarrollo del sistema FWPC son enfocados entres plataformas tecnológicas: Sistema Universal de TeleComunicaciones Móviles (UMTS), Sistema de Ancho de Banda Móviles (MBS) y Redes Locales de Clientes Inalámbricos (WCPN). La UMTS es un sistema digital multifunción, multiservicio y multiaplicación, desarrollandose actualmente en operaciones de los sistemas de segunda generación y algunos otros van sobre los sistemas superiores a la segunda generación.

La primera generación fue introducida en 1980 en forma análoga para proveedores de servicios móviles de habla local y fue entonces extendida por toda la nación. Varios sistemas estándares fueron desarrollados por todo el mundo: AMPS (Servicio Avanzado de Teléfonos Móviles) en EEUU, NTT (Teléfonos y Telégrafos Nippon) en Japón, TACS (Sistema de Acceso Total de Comunicaciones) en el Reino Unido, NMT (Telégrafos Móviles Nórdicos) en las ciudades europeas, y así sucesivamente.

Se observó un desarrollo rápido de los usuarios alcanzando un 10% de las llamadas en Norteamérica, Europa y Japón. La técnica de acceso usada fue el Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA). La capacidad y calidad fue el mayor problema en los sistemas de primera generación, así como también, la incompatibilidad de los sistemas.

El avance en la tecnología digital nació en Pan-European Celulares Móviles Digitales (PCM).

GSM (Formalmente Grupos Móviles Especiales, ahora Sistemas Globales para las Comunicaciones Móviles) sistema en Europa, PDC (Celulares Digitales Personales) sistema en Japón y en Norteamérica se tiene los sistema IS-54/136 y IS-95, los cuales son sistemas de segunda generación. El Acceso Múltiple por División en el Tiempo (TDMA) es usada como una técnica de acceso, excepto para IS-95, el cual está basado sobre CDMA (Acceso Múltiple por División de Código).

 

¦ Figura 1 Evolución de los Sistemas de Comunicación Inalámbricas

Los sistemas de segunda generación proveen habla digital y servicios de mensajes cortos. Estos servicios contaron con un alcance de más del 20% de las llamadas de la población. GSM ha comenzado ha radicarse profundamente en Europa y en otras ciudades diferentes del mundo.

El crecimiento de nuevas tecnologías inalámbricas digitales nacieron como suplemento a los sistemas de segunda generación, nombrados, PHS (Sistema Personal de Teléfono a mano, formalmente PHP) en Japón, DECT (Teléfonos Digitales Avanzado sin Cable) en Europa y PACS (Servicios de Comunicación de Acceso Personal) en Norteamérica. Estos incrementaron la penetración de llamadas por encima del 30% y se introdujeron muchos nuevos servicios.

La tercera generación será desarrollada para el año 2000 por los sistemas de comunicación personal universal (UPCS), el cual proveerá servicios de habla universal y servicios locales de multimedia. Se espera que los sistemas de tercera generación penetren en un 50% en los servicios populares de teleComunicaciones. La tercera generación están en proceso de desarrollo por todo el mundo a través de ITU (Unión Internacional de TeleComunicaciones) dentro de la estructura FPLMTS (Sistemas de TeleComunicaciones Públicas Terrestre del Futuro), IMT-2000 (Sistemas de TeleComunicaciones Móviles Internacionales 2000).

En Europa esto está apoyada por la UMTS dentro de los programas de la comunidad Europea. Ambos el FPLMTS y UMTS son programas que están estrechamente relacionados y esperan ser dirigidos a sistemas compatibles y consistentes. La figura 2 muestra las posibles configuraciones para el UMTS subred y redes fijas.

 

¦ Figura 2 Posibles Configuraciones de los Servicios UMTS

 

ASPECTO DEL SISTEMA RADIO CELULAR

El sistema de radio celular público tiene menos de dos décadas de existencia. Los conceptos de radio celular son más viejos, se iniciaron en los años 40, cuando la tecnología estaba lejana y además inmadura para soportar aquellos sistemas complejos.

Hay dos componentes principales en los sistemas móviles de radio. La interface de radio, el cual permite que los usuarios establezcan Comunicaciones vía radio desde una estación móvil (MS) a otro componente, y una red fija que se interconecta con una red pública de teléfonos swicheada (PSTN) o una red de servicios integrados (ISDN). Los sistemas de Comunicaciones de radios móviles privados han estado presente durante todo este siglo, ha sido ejemplificado por la marina, la policía y los servicios militares. Lo que hace complejo a los radios celulares públicos, es la estructura de control que facilita la red para conocer donde está localizada una MS y para el rastreo en el caso que la MS esté haciendo una llamada, con la condición que el equipo móvil este encendido.

Los mecanismos de control hacen posible que a través de los protocolos se facilite el registro de las estaciones móviles en la red, facilitando las llamadas set-up y clear-down entre los switches de las MS y las estaciones base (BS) así estén viajando, controlando el nivel de energía irradiada, proporcionando seguridad (en algunos sistemas), y ejecutando un gran número de otras funciones vitales.

Sin embargo, el número de usuarios que la red puede soportar, depende fundamentalmente de una Interface de Area Común (CAI) sobre el cual se comunican los usuarios. La capacidad de los usuarios depende de muchos factores, pero el punto principal es la cantidad del espectro asignado por los reguladores, el tamaño del área de cobertura del radio desde una BS, y la cantidad de interferencia que el enlace de un radio particular pueda tolerar.

 

AGRUPACION DE CELDAS

Un operador de red que venda equipos para un sistema en particular tiene que ver principalmente con el cómo y donde está situada la BS, como para manejar el escaso espectro de radio y como optimizar el teletráfico para los equipos desplegados.

Planificar los sistemas depende de muchos factores, y vamos a comenzar considerando una red celular que usa múltiple divisiones de acceso de frecuencia (FDMA) ó una combinación de múltiples accesos de tiempo (TDMA) y (FDMA).

Cada BS transmite a un número de móviles residentes en el espacio del área de cobertura de radio. Esta área es referida como una celda. Las BS son desplegadas de manera que parcialmente la celda se solapan con otras celdas en el límite de su región como se muestra en la figura 3. Supongamos que comienza una llamada móvil en la posición S de la celda C, sigue la ruta marcada por los puntos, y termina en la posición F de la celda B. En algunos puntos dentro del solapamiento (mostrado en la región sombreada) el nivel de la señal recibida en el móvil debe estar por debajo del umbral del sistema y más bajo que la señal recibida desde la BS b.

 

¦ Figura 3 Solapamiento de celdas en el trayecto móvil desde S a F

 

Las celdas están acomodadas en grupos y frecuentemente cada grupo usa enteramente el espectro asignado. Los grupos son teselados de manera tal que el espectro limitado es repetidamente rehusado a lo largo de grandes áreas geográficas con el cual cada grupo soporta el mismo número de usuarios. La Figura 4 muestra dos grupos de 4 celdas donde las celdas A0, B0, C0, D0 forman el grupo 0 y las celdas A1, B1, C1, D1 constituyen el grupo 1. Los grupos 0 y 1 son asignados al mismo canal. Dícele ¼ de todos los canales disponibles. Comentarios similares aplican a B0 y B1, C0 y C1. Observe que los móviles en las celdas A0 y A1 usan el mismo canal, y consecuentemente deben interferir con cada una de las otras.

¦ Figura 4 Dos grupos de celdas con cuatro celdas por grupo

Esta interferencia del sobacal incluye los límites aceptables por la distancia entre las celdas. Como el viaje de un móvil de una celda a otra, las cuales pueden estar en diferentes grupos, son asignadas a diferentes canales, esto además significa una diferente portadora de frecuencia. Es importante observar que como cada grupo usa todos los canales disponibles, entonces si el tamaño de la celda es disminuido, causa una correspondiente reducción del tamaño del grupo, el número de canales por unidad de área se incrementa. El más efectivo camino para incrementar la capacidad de la red es disminuir el tamaño de la celda, además la complejidad de la infraestructura de la red incrementa.

La capacidad de la red también depende del número de celdas por grupo y al existir pocas celdas por grupo se obtiene una mayor capacidad. Esto es debido porque con pocas celdas se tiene más ancho de banda disponible para cada BS, y por consiguiente más canales pueden ser distribuidor en cada BS.

 

DESARROLLO DE ESCENARIOS

En el inicio de la fase de la red celular, la capacidad no era el problema esencial debido a que existían pocos usuarios.

Las estaciones bases están situadas dependiendo del máximo rango en que puedan ser acomodadas. Este rango depende de las características físicas del ambiente; las frecuencias de programación y el beneficio de la antena; y las características específicas del equipo para ser desplegado. Como la capacidad no es importante, en este escenario son utilizados grandes grupos, que proporcionan una insignificante interferencia. Esta interferencia proviene de grupos vecinos de móviles que usan el mismo canal.

Mientras la red madura, la capacidad comenzará a dar un importante incremento. El tamaño del grupo es disminuido mientras se mantengan los Ratios de Interferencia de la Señal (SIR), en un rango que garantice que la calidad de enlace sea aceptable. En los sistemas de la primera y segunda generación, en el caso americano (sistemas analógicos) se utilizaba el AMPS y en el caso europeo (sistemas digital) se utilizaba el GSM. Ambos utilizaban grandes celdas.

Estas celdas tienen antenas ubicadas en el tope de los edificios altos, donde la carga de rentas era alta, para evitar estas rentas adicionales de los sitios para las BS y acondicionar además el terreno de las variaciones del edificio, las antenas unidireccionales fueron reemplazadas por unas direccionales, la cual partición la celda en sectores. La escorificación generalmente origina el incremento en el SIR, el cual mejora la calidad de la transmisión de radio. Si la escorificación no se hace cambiando el tamaño del grupo, entonces cada sitio de BS tiene el mismo número de canales. Supongamos que cada celda está dividida en tres sectores, y de aquí los canales en cada sector es un tercio del total de los sitios de los canales. Para el mismo bloque aceptado, probablemente, el tráfico llevado por el sitio es tres veces el tráfico llevado en cada sector, y este es menor que el tráfico llevado por la celda original antes de la sectorización.

El mínimo aceptable de SIR (denotado por SIRmin) es un sistema específico. Por ejemplo, en una red simple FDMA, el promedio SIR requerido debe ser aproximadamente 18 db. Usando Transmisiones Discontínuas (DTX) significa que la transmisión se detiene, ya sea mientras un usuario no está hablando, cuando ocurre un salto de frecuencia de las portadoras o cuando el control de poder del transmisor está limitado a proveer solamente el suficiente poder recibido para garantizar la calidad del enlace, con lo cual los sistemas pueden permitir un bajo SIRmin de 9 db. Los SIRmin bajos permiten pocas celdas por grupo ha ser usadas y los GSM tienen de dos a tres veces la capacidad de un UK analógico de un TACS.

 

MICROCELDAS

Los Sistemas de Comunicación Personal (PCS) son frecuentemente diferenciados de la telefonía celular, porque proporcionan servicios a cada uno, donde quiera, además proporcionan gran capacidad de la red, cobertura omnipresente, pocos equipos, bajos costos de infraestructura y facilidades de desarrollo de las BS. Las microceldas son usadas en los sistemas celulares, de tal manera que el tamaño y el costo son reducidos. Las BS son pequeñas y no tan costosas para los sistemas sin cable como es el caso de los sistemas de teleComunicaciones sin cables europeos (CT-2) y los sistemas de teleComunicaciones digital sin cable (DECT), pero estos no son diseñados para redes celulares ni para aquellos que suministran alta capacidad de requerimiento para los PCS.

Las macroceldas convencionales son interconecta-das a centros móviles típicamente configurados inicialmente con las facilidades de una vía de transmisión estándar, como lo es de 1.5 Mbits/seg (estándar norteamericano, T1 ) o 2 Mbits/seg (estándar europeo, E1) de enlace.

La interconexión de microceldas es y será completamente diferente. Algunas microceldas son esencialmente "Sitios de Radiación Remota", donde los RF o IF de señales de radio móviles son transmitidos a través de un enlace óptico, o un enlace de radio punto a punto, para una distribución puntual de microondas que actúa como el centro físico de una microcelda.

Situando una BS en los sistemas de primera y segunda generación, involucra el uso relativo de herramientas de planeación, para predecir la cobertura de radio de la posición de una BS con errores de pérdida de ruta que a menudo exceden 20 db y usualmente requieren soportar la propagación de las medidas y encontrar dueños que permitan rentar sus propiedades para el despliegue de la BS. Las herramientas de predicción para el piso de las microceldas son más exactas, por la condición de que la antena de las BS deben estar montadas por debajo del horizonte de la ciudad. La propagación de la microonda en la microcelda es esencialmente determinada por la topología de las calles y edificios y además las microceldas son irregulares si las calles son irregulares.

 

CELDAS MIXTAS

Hay muchos tipos de celdas cuyo tamaño y forma están determinada por los niveles de poder de radiación, la ubicación de la antena y el desarrollo físico de la región. Se ha descrito como determinar los pisos de las microceldas por las inmediaciones de la topología de las calles y los edificios.

Ubicando las BS en el tope de los edificios más altos, se produce una macrocelda. Los nodos de la celda suministran una gran capacidad de radio en el nodo de la red, un tipo de celda telepunto. Podemos arreglar picoceldas de pocos metros de diámetros en un cuarto de un edificio, celdas en un área grande rural, a megaceldas, a lo largo de celdas satelitales (>500 Kms). Podemos anticipar que pueden existir geográficamente celdas mixtas.

Teniendo sistemas celulares multidimensionales, multiniveles y celdas multitamaño profundamente compuesta por planes complejos de frecuencias. Un ancho de banda particionado puede ser adoptado. Por ejemplo las microceldas pueden dar el mayor ancho de banda, si ellas son capaces de operar con una alta capacidad y soportar grandes variedades de servicios.

Las macroceldas pueden usarse en diferentes bandas de frecuencias desde las calles de microceldas. Las oficinas de microceldas pueden tener una única banda para prevenir que interfieran con móviles en las calles de microceldas, pero hay dificultades para suministrar buenos planes de frecuencias para las microceldas de oficinas en los edificios adyacentes, y dentro del edificio.

 

CONCLUSIONES

Los sistemas de comunicación inalámbricos están basado generalmente en la programación de ondas de radio emitidas por una antena omnidireccional (estación base o punto de acceso) en un área determinada dentro de las cuales se encuentran las estaciones móviles.

El área geográfica en las que esta comunicación tiene lugar se denomina Celda. Esta considerada como un espacio circular con la estación base en su centro y las estaciones móviles a su alrededor.

Actualmente la tecnología de la telefonía celular ofrece una serie de beneficios tales como gran capacidad de red, cobertura omnipresente, pocos equipos, bajos costos de infraestructura y facilidades de desarrollo de las estaciones bases. Este sistema de telefonía celular se basa en el uso de Microcelda la cual optimiza el uso de las celdas y macroceldas, permitiendo así el aprovechamiento y el mejor uso del espectro.

 

REFERENCIAS

 

AUTOR

MALAVE MALAVE MAURIEM MARIAM

Nacida en Caracas el 31 de Julio de 1971

Ingeniero de Sistema. Universidad Bicentenaria de Aragua.

Oficial Asimilado en la Fuerza Aérea Venezolana en el grado de Subteniente.