Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

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EL ACCESO RADIO CELULAR LAS COMUNICACIONES MÓVILES Módulo 1: Comunicaciones móviles, GSM, GPRS y EDGE Universidad del AZUAY Maestría en Telemática Cuenca, Ecuador 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
SERVICIO CELULAR COBERTURA TOTAL Y SIN FRONTERAS GRAN NUMERO DE USUARIOS PROBLEMAS FUNDAMENTALES LOGRAR COBERTURA DE RADIO NUMERO DE CANALES LIMITADO 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

PROBLEMAS DE LAS REDES MOVILES Interferencia debido a la estructura celular Limitación/escasez del espectro Calidad fluctuante de los enlaces de radio Punto de acceso desconocido y variable en el tiempo Manejo de la movilidad, aún durante una comunicación 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

ATRIBUTOS NECESARIOS “Agilidad” de frecuencia en el terminal Distribución continua de radiobases de manera que la unidad móvil siempre opere con niveles aceptables de señal de radio. Servicio de “roaming” para tener servicio continuo cuando el móvil se mueve por diferentes áreas de servicio. Red fija celular integrada que maneja todas estas operaciones. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Arquitectura básica 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Celda de radio área de cobertura CELDA DE RADIO TRAYECTO DIRECTO CANALES DE VOZ O DE CONTROL TRAYECTO INVERSO ESTACION MOVIL RADIOBASE DISTANCIA DE OPERACION LINEAS AL MSC RADIO PLANEADO DE CELDA RANGO DE LA CELDA - Rmax 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Cobertura de la celda COBERTURA IRREGULAR COBERTURA IDEAL COBERTURA REAL RBS 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

REGION DE OVERLAP RADIOBASE 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Los hexágonos pueden ser alineados lado a lado, dando cobertura continua. Aparece el concepto de sectorización, ver los ángulos de 60º o 120º, con seis y tres sectores, respectivamente. Una antena direccional, va a producir esta sectorización. Los hexágonos pueden ser dispuestos en clusters o grupos de celdas. radio R 60 º 120º 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Cluster de 3 celdas Cluster de 4 celdas Cluster de 7 celdas Los puntos negros son radiobases Cobertura irregular real 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Temas del agrupamiento de celdas Se necesitan otras frecuencias en las celdas adyacentes Manejo de la región de overlap entre celdas Reuso de la misma frecuencia en el patrón de celdas. Tamaño de celdas necesita ser modificado para cubrir demanda de usuarios. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

B C D E F G R 1- Grupos de frecuencias A, B, C,...,G Si hay un total de 210 canales, se asignan sólo 30 canales por celda. 2- Distancia media de reuso: D/R= (3N)^1/2 Distancia de reuso D 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CONCEPTOS BASICOS COMUNES A TODO SISTEMA DE RADIO Plan de frecuencias Control de la interferencia cocanal CONCEPTO DIFERENTE Las radiobases están interconectadas para formar sistema con cobertura continua. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

PROPIEDADES DEL SISTEMA CELULAR Ubicación del móvil El móvil se registra periódicamente en la radiobase más cercana (con señal más fuerte). La red mantiene registro de la ubicación del móvil Handoff durante la llamada Cuando el móvil se mueve fuera de la cobertura de una celda, el sistema define a que otra celda debe pasar para continuar la conversación. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

RED FIJA CELULAR Conecta todas las radiobases para señales de comunicación y mensajes a y de los usuarios. Provee centros de conmutación para dirigir el tráfico en la red. (MSC) Provee registros de datos de los usuarios. (HLR, VLR) Provee conexión con la red telefónica fija. (PSTN) Provee soporte de operaciones y mantenimiento. (OMC) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

RED CELULAR FIJA PSTN AuC VLR HLR EIR MSC MSC OMC BSC1 BSCn BS1 BS2 BSk 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

PROPAGACION CELULAR Nivel de señal medio Espacio libre L = log f + 20 log d En medio celular L = 40 log d - 20 log hT hR (tierra plana MHz) para d y h en metros Propagación real Irregularidades de la superficie Obstáculos en la línea de vista, edificios y árboles, áreas montañosas. L = 40 log d - 20 log hT hR + beta 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

PROPAGACION CELULAR Fórmula empírica de Okumura-Hata Hay variantes para zonas urbanas, suburbanas y rurales Lu (dB) = 69, ,16log10f - 13,82log10hb - - A(hm) + (44,9 - 6,55log10hb)log10d El factor de corrección A(hm) depende también del tamaño de ciudad: p.ej. para ciudades de gran tamaño: A(hm) = 3,2[log10(11,75hm)]2 - 4, si f > 200 MHz Corrección en el valor de A(hm) el log hm debe estar elevado al cuadrado 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Propagación 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

PROPAGACION CELULAR EN EL INTERIOR DE EDIFICIOS Fórmula empírica de Motley Se basa en una pérdida “en el punto de referencia” a la que se le suman un factor proporcional a la distancia y parámetros de pérdida por atravesar muros, pisos y techos Otro método empírico Directamente, se mide la señal en el exterior y en el interior Método “Exacto” Requieren una base de datos geográfica “exacta” Resolución de las ecuaciones de Maxwell o Trazado de rayos (ray tracing) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

PROPAGACION CELULAR Multitrayectos (dispersión y reflexión en obstáculos) Banda angosta (no es selectiva en frecuencia) Banda ancha (selectiva en frecuencia) Efecto Doppler fD = v/lambda a 60 km/h y 900 MHz, fD = 53 Hz 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

PROPAGACION CELULAR Los fenómenos de propagación móvil son muy difíciles de analizar, sobre todo en ambientes urbanos y en el interior de edificios. Los modelos de predicción son de tipo estadístico o de tipo “exacto” (estos últimos muy difíciles de aplicar) Finalmente, los modelos se ajustan por mediciones sobre el terreno 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

SISTEMAS CELULARES METODOS DE ACCESO 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Definiciones En un sistema móvil, el acceso de los terminales a los recursos (canales radio) debe ser necesariamente compartido. Imposible reservar un canal a cada usuario, sobre cada sitio del sistema Definición de: el método de repartición de la banda de frecuencia en canales y los protocolos para acceder a los canales 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Asignación de canales Tres etapas: Se reparte el espectro disponible en varios canales, según un método de acceso múltiple (fijo en el tiempo). Se asignan los canales a las estaciones base (esto puede ir variando en el mediano plazo). A cada móvil, se asigna un canal para una comunicación (esto varía en el muy corto plazo). 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Etapas en la asignación de recursos
Definición método acceso (diseñador) Espectro de frecuencias Frecuencias asignadas al sistema Canales Regulación Planificación (Operador) Acceso Aleatorio Canales a las estaciones Canales a Móviles 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Métodos de Acceso Se conocen dos tipos: Con control centralizado del sistema Se los denomina Métodos de Acceso Múltiple XDMA Sin control centralizado del sistema Denominados Protocolos de Acceso Aleatorio 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Métodos de Acceso Múltiple
Se conocen tres: Repartición o División en frecuencia (FDMA) Repartición o División en tiempo (TDMA) Repartición por código (CDMA) A menudo se combinan entre ellos. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Potencia Potencia Tiempo Frecuencia Potencia Tiempo Tiempo Frecuencia Frecuencia FDMA TDMA CDMA 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Se discute todavía la eficiencia de cada método respecto a capacidad. Límite teórico está dado por teorema de Shanon: C = B x Log2 (1+S/R) Para un canal GSM de 200 kHz con S/R=15dB C = x log2(1+31,62) = 1006 kbps 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Métodos de Duplexado En sistemas bidireccionales (full-duplex): FDD (Frequency Division Duplex) Se utilizan frecuencias de transmisión diferentes en cada sentido. Util para celdas grandes. Consume frecuencias. TDD (Time Division Duplex) Se utiliza la misma frecuencia, pero cada extremidad transmite en momentos diferentes. Util para celdas pequeñas. Permite ahorrar ancho de banda. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Métodos de Duplexado FDD F1 Móvil/Base Tiempo F2 Base/Móvil Tiempo TDD M/B B/M M/B B/M M/B B/M M/B B/M Tiempo F1 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Canales de tráfico y señalización
Canales de comunicación: Canales de Tráfico Utilizados para transportar la información del usuario Canales de Señalización o de Control Transportan las informaciones del sistema: a) informaciones generales que emite la red hacia los móviles b) comandos intercambiados entre red y móviles Son canales lógicos diferentes que pueden compartir canales físicos idénticos 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Ancho de Banda FDMA Normalmente es de banda estrecha CDMA Normalmente es de banda ancha (utiliza toda la banda asignada) TDMA Puede ser banda estrecha o banda ancha 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

FDMA Método de acceso múltiple más antiguo Utilizado principalmente en sistemas analógicos Puede funcionar combinado con TDMA en sistemas digitales Cada canal o portadora transporta una llamada 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Características FDMA Un circuito único por portadora Transmisión continua Pequeño ancho de banda Baja complejidad del terminal móvil Bajo encabezamiento de transmisión Costo alto de equipos fijos (muchos canales radio) Necesita utilizar duplexor Complejidad del handoff (transmisión continua) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Canales en FDMA Frecuencias Ancho de banda de canal de algunas decenas de kHz 1 2 3 4 n Circuito de Control Circuito de Voz Circuito de Voz Circuito de Voz Circuito de Voz Tiempo 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

TDMA Primera alternativa a FDMA En sistemas digitales compite con CDMA Mayor capacidad y velocidad de transmisión que FDMA La portadora se divide en N intervalos de tiempo (TS) y puede ser utilizada de manera compartida por N terminales 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Características TDMA Varios circuitos por portadora Transmisión por bursts (no continua) Banda ancha (GSM) o banda estrecha (DAMPS) Alta complejidad del terminal móvil Costo bajo de equipos fijos (menos canales radio) No requiere duplexor (se transmite y recibe en TS diferentes) Menor complejidad del Handoff (intervalos inactivos entre TS) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Canales en TDMA Frecuencias Ancho de banda de canal de algunas decenas hasta centenas de kHz 1 2 3 4 n Control Voz Voz Voz Control Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Voz Tiempo IT1 IT2 IT3 IT4 IT1 IT2 IT3 IT4 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Jerarquía temporal típica
Super Trama Trama M Trama 1 TS1 TS2 TSi TSN TS1 TSN Preámbulo Mensaje Postámbulo 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Tramas en sistema GSM Hipertrama = 2048 supertramas (3hr 28 m 53 s 760 mseg) Supertrama = 26 multitramas de 51 tramas o 51 de 26 (6,12 seg) 1 2 i 48 49 50 1 2 i 25 MultiTrama de 26 (120 mseg) MultiTrama de 51 (235 mseg) 1 2 24 25 1 2 49 50 Trama TDMA (6,15 mseg) 1 2 3 4 5 6 7 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Avance de Tiempo y Tiempo de Guarda en TDMA
Uso de TDMA supone que las transmisiones de los móviles están sincronizadas, para evitar superposición de mensajes. Necesidad de tiempo universal. La estación base ajusta el tiempo de emisión de cada móvil. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Interferencia Estación Base Móvil A dA/c Móvil B dB/c Transmisión sin avance de tiempo 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

SIN Interferencia Estación Base Móvil A dA/c Delta A Móvil B dB/c Delta B Transmisión con avance de tiempo 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

La estación base determina el avance de tiempo para cada móvil, en función de su distancia (DeltaA = 2dA/c) Para prever variaciones de Delta-i debido a desplazamiento de móviles, se introduce un tiempo de guarda, al principio y al final del IT. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sincronismo del móvil en TDMA
delta Estación Base t Mensaje de asignación de canal (Delta, etc) Mensaje de tráfico Mensaje de acceso Móvil a=d/c El móvil recibe el valor de delta delta t 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CDMA Basada sobre técnica de Spread Spectrum Espectro expandido: transmisión donde los datos ocupan un ancho de banda mayor que el necesario, por ejemplo, en FDMA o TDMA. Para expandir el espectro, se inserta en transmisión un código independiente de la secuencia de datos. El mismo código se usa en recepción para desexpandir el espectro. Por lo tanto, se puede ubicar muchos usuarios simultáneamente sobre la misma banda de frecuencia 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CDMA Analogía Sala donde varias personas hablan de a dos Cada par de personas habla una lengua diferente (un código en CDMA) Cuanto más diferentes son las lenguas, menos interferencia. Se deben elegir los códigos de manera de tener correlación mínima. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Técnicas CDMA Secuencia Directa - DS DS-CDMA (Direct Sequence CDMA) A cada estación se atribuye una secuencia pseudoaleatoria, que debe estar bien descorrelada de las otras secuencias. Este método parece tener mejor eficiencia espectral Salto de Frecuencia Rápida - FFH FFH-CDMA (Fast Frequency Hopping CDMA) El código se usa para generar una secuencia única de salto de frecuencia para cada estación 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Características DS-CDMA
Gran número de circuitos por portadora Anchos de banda importantes (1 a 10 MHz) Densidad de potencia irradiada muy baja Muy alta complejidad del terminal móvil Baja probabilidad de intercepción por 3ros Confidencialidad asegurada. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Necesidad del control de potencia Para maximizar el número de usuarios que se comunican al mismo tiempo. (IS-95: 800 veces por segundo en pasos de 1 dB) Handoff mejorado Permite handoff sin corte o Soft-Handoff, minimizando la probabilidad de pérdida También cada móvil se puede comunicar con varias estaciones al mismo tiempo 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Ensanchamiento de espectro en Secuencia Directa Modulador Codificador/Ensanche Filtro Decodificador Demodulador Canal Datos Datos Velocidad R Ancho Banda W Ancho Banda R Secuencia PN Velocidad W (Chip) W>>R PN: Pseudo Noise Secuencia PN Portadora 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CDMA Sistema IS-95 Principio de base Ganancia de expansión: Si se transmite una modulación a 1/T = R, donde T es la duración del símbolo. Si se utiliza técnica de espectro ensanchado, se transmite con una modulación W.R donde W vale varios cientos o miles. La ganancia de expansión en dB: 10.log10(W/R) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CDMA Sistema IS-95 Secuencia PN (Pseudo Noise) Secuencia codificada de 1 y 0 con ciertas propiedades de autocorrelación. Son secuencias periódicas. Se eligen en función de la seguridad (encriptado) y de las propiedades de autocorrelación. c(t) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CDMA Sistema IS-95 La secuencia de datos b(t) se utiliza para modular la secuencia c(t) de banda ancha PN. Se aplican las dos secuencias a un modulador de producto. La secuencia PN es un código de expansión. Al multiplicar b(t) de banda estrecha por el código de expansión c(t), cada bit de información es “recortado” en varios huecos temporales llamados “chips” 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CDMA Sistema IS-95 En Banda de Base, el producto m(t) = c(t).b(t) es la señal transmitida En Recepción se recibe m(t) y una interferencia aditiva i(t) r(t) = m(t) + i(t) Para recuperar b(t), se inyecta la misma señal PN en un modulador de producto z(t) = c(t).r(t) = c2(t).b(t) + c(t).i(t) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CDMA Sistema IS-95 Como c(t) es una serie de 1 y -1, c2(t) = 1 Por lo tanto, queda z(t) = b(t) + c(t).i(t) Pero b(t) es de banda estrecha y c(t).i(t) es de banda ancha Se aplica un filtro pasabajos a la salida y se separa b(t) solamente. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Principio de recepción con dos códigos 1 1 TRANSMISOR 1 TRANSMISOR 2 S1 S2 X X +1 +1 S1 S2 11 chips/bit -1 -1 CANAL RADIO RECEPTOR 1 RECEPTOR 2 S1 S2 X X +1 +1 S1XS1 S1XS2 Salida = 1 -1 Salida = NADA 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Principio de recepción con dos códigos +1 +1 S1 S2 11 chips/bit -1 -1 Transmitiendo un 1 y recibiendo con S1 Transmitiendo un 0 (-1) y recibiendo con S1 Transmitiendo un 1 y recibiendo con S2 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Características FH-CDMA
Espectro expandido a Salto de Frecuencia Utilizada durante mucho tiempo en sistemas militares para evitar las interferencias SFH (Slow Frequency Hopping) Salto de Frecuencia Lento La velocidad de datos Rd es un múltiplo entero de la frecuencia de salto Rs. En cada salto de frecuencia se transmiten muchos símbolos. FFH (Fast Frequency Hopping) Salto de Frecuencia Rápido La frecuencia de salto es un múltiplo entero de la velocidad de datos. Durante la emisión de un símbolo, se producen varios saltos de frecuencia 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Información útil Transposición Fmin...Fmax Paquetes de K bits Modulador Secuenciador Generador de PN Sintetizador de Frecuencia Sigue ejemplo con modulador 4FSK y salto de frecuencia de 8 niveles 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Frecuencias 111 110 101 100 011 010 001 000 t Datos 01 00 11 01 10 01 11 00 Secuencia PN Frec 4FSK 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Protocolos de Acceso Aleatorio
Los móviles “compiten” por el acceso al canal. Pueden ocurrir “colisiones” entre los mensajes emitidos por los diferentes móviles. Efecto de enmascaramiento de estaciones móviles por obstáculos Efecto de captura o cerca/lejos. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Protocolo no ranurado y sin escucha previa de los canales El más simple es el ALOHA, desarrollado para comunicaciones entre varias islas de Hawai. Cuando una estación tiene un mensaje a enviar, lo emite sin ninguna precaución. Como las estaciones emiten de manera arbitraria, se pueden producir colisiones entre paquetes El mayor problema es su bajo rendimiento para alta carga 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

El mensaje 1 es emitido sin problemas, mientras que el fin del mensaje 2 está interferido por la emisión del mensaje 3. Se pierden los dos mensajes. En tiempo t1, ausencia de ACK del mensaje 3. El emisor 3, luego de un valor  de tiempo de espera aleatorio, retransmite su mensaje. Llegada de mensajes  1 2 3 4 t1 Tiempo Colisión Retransmisión 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Protocolos con escucha previa del canal Acceso Múltiple por Sensado de Portadora - CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Se reduce problema de colisión, pero se pierde una porción de la capacidad, debido al período de escucha antes de emitir. CSMA 1-persistent La estación transmite con probabilidad “1” a la liberación del canal A emite B escucha B emite C y D escuchan C y D emiten A B C D Colisión Tiempo 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CSMA 1-persistent La distancia entre estaciones induce un retardo de propagación, llamado período de vulnerabilidad. La liberación del canal no ocurre en el mismo momento para cada estación. Esto puede producir colisiones porque dos estaciones pueden querer emitir cuando cada una de ellas ve el canal libre. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CSMA 1-persistent Estación C Estación A Estación B Emisión de C T1 T2 T3 T4 T5 Emisión de A Emisión de B Colisión Colisión NO Colisión Distancia AC < Distancia BC < Distancia AB T1: Fin transmisión de C (liberación del canal a nivel de estación C) T2: Fin transmisión de C en A (liberación del canal a nivel de estación A) y comienzo transmisión de A T3: Fin transmisión de C en B (liberación del canal a nivel de estación B) y comienzo transmisión de B T4: Inicio recepción del mensaje de A en C T5: Inicio recepción del mensaje de B en C. Colisión con el mensaje de A 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CSMA non-persistent Una estación que detecta el canal ocupado, retarda su tentativa de emisión un tiempo aleatorio . Esto permite eliminar una gran parte de las colisiones y tiene mejor rendimiento para alta carga. Para baja carga, el tiempo  alarga los retardos de transmisión e introduce una degradación con relación al CSMA- 1 persistent. B escucha e introduce  aleatorio A emite  B escucha y emite su mensaje A B 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CSMA con detección de colisión CSMA-CD: Detiene la transmisión en caso de colisión, lo que disminuye la duración de la interferencia. Utiliza técnica “listen-while-talk”. Se transmite una secuencia de interferencia (jamming packet) para forzar a las otras estaciones en colisión a detener la transmisión. C transmite su mensaje A emite B escucha B emite su mensaje C y D escuchan el canal D transmite su mensaje Detención de emisiones de C y D A B Detección de colisión en B. Transmisión de un “jamming packet” por B. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CSMA en ambiente radio móvil: DSMA DSMA (Data Sense Multiple Access). Se utiliza en CDPD, ARDIS o TETRA. Utilizado en contexto centralizado: la BS incluye en cada mensaje del canal descendente una bandera de indicación de ocupación/no ocupación del canal ascendente. Las estaciones móviles escuchan la bandera antes de una emisión. Si la bandera indica canal libre, se intenta la emisión sobre el intervalo siguiente. Cuando se detecta emisión, la BS posiciona la bandera en Ocupación. Diseñado para resolver el caso de estaciones ocultas por obstáculos. A Obstáculo B C 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

DSMA/CD Ejemplo de uso en el sistema CDPD (Cellular Digital Packet Data). El canal descendente transporta dos indicaciones utilizadas para el acceso al canal ascendente: Estado del canal: Idle o Busy Estado de la decodificación: indica si el mensaje enviado ha sido correctamente recibido en la BS. En caso de colisión, se utiliza este indicador para informar a las estaciones emisoras. MS 2 BS MS 1 Indicador Iddle Recibe I y transmite burst Indicador Busy, OK Indicador Iddle Indicador Busy Indicador Busy, No OK Canal Ascendente Colisión Canal Descendente 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Protocolos ranurados sin escucha del canal S-ALOHA: consiste a autorizar la transmisión solamente en instantes particulares. El canal esta recortado en intervalos de tiempo (slots) idénticos a los del método TDMA. Los mensajes deben tener todos la duración de un intervalo y las estaciones debe estar sincronizadas. S-ALOHA mejora al ALOHA simple, cuando hay una colisión, el canal queda inutilizado solamente durante un slot (y no dos como ocurriría en ALOHA puro). t A B C D Colisión 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Combinación de métodos
FDMA f TDMA t Grupo N1 Grupo N2 Grupo N3 Grupo 2N Grupo N1 Grupo N2 Grupo N3 Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Grupo N Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 Usuario 1 Usuario 2 Usuario N Mensaje Mensaje Mensaje CDMA Código Mensaje 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

SISTEMAS CELULARES CANAL RADIOELECTRICO 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Canal radioeléctrico 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

PROBLEMAS DE TRANSMISION
La señal sufre deterioro que implica degradación de la calidad de la comunicación percibida por los usuarios. Para la cuantificación se usa el BER (Bit Error Ratio): Sistemas fijos: 10-6 a 10-12 Sistemas móviles: a 10-4 (las transmisiones móviles son “mucho peores” que las fijas) Los sistemas móviles están diseñados para poder funcionar en ambientes más hostiles. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Se incorporan dispositivos para evitar, detectar o corregir los errores: A nivel de la cadena de transmisión propiamente dicha: Codificación, ecualización, entrelazado.... Mecanismos a nivel superior:: Diversidad, margen de fading, salto de frecuencia, control de potencia, antenas adaptativas.... Fte Analóg. Codec Fuente Codec Canal Entrelazado Multiplex Encriptado Modulación Fte Digital Codec Adapt Canal Demodulad Ecualizador Desencriptado Demultiplexado Desentrelazado Decodif canal Codec/Adapt Receptor 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Control de errores: codificación, ARQ y FEC Codificación Fuente Para reducir al máximo el tamaño y número de bits del mensaje inicial, producido por el usuario. Debe retirar el máximo de redundancia del mensaje. Codificación Canal Para permitir recuperar el mensaje en las mejores condiciones. Se reintroduce la redundancia. Se lo llama codificación corrector de errores. Se usa Detección de Errores, FEC (Fordward Error Correction) y ARQ (Automatic Repeat ReQuest) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Codificación Fuente Los algoritmos de codificación reducen el flujo binario hasta 16 kbps o hasta 4 kbps. Se aprovecha las redundancias de la palabra y las limitaciones del oído. Existen Codificadores Temporales y Vocoders Fuente Analógica Convertidor A/D Codificador de fuente 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Codificación Temporal PCM/MIC: llegan desde 64 kbps hasta 16 kbps Codificación de Voz: VOCODER Usan modelización del proceso de generación de la palabra, con una secuencia de excitación y un filtro. Generan menores velocidades que los temporales y a veces con mejor calidad Codficación híbrida: Usan codificación predictiva y por transformada. Son muy interesantes con velocidades debajo de 16 kbps. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Principales Codificadores Fuente 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Codificación de canal Luego de codificación fuente, se insertan bits de redundancia según ley conocida. Se debe aumentar la velocidad de transmisión. El decodificador de canal, conoce la ley utilizada en transmisión y verifica si se sigue respetando en recepción. Si no se cumple, se deduce la presencia de errores de transmisión que en ciertas condiciones se pueden corregir. Se puede detectar y/o corregir errores. Hay códigos en bloque (mensaje se transmite en bloques) y códigos convolutivos (mensaje continuo) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Codificación de canal en bloque El mensaje se corta en bloques. Cada bloque se trata en forma independiente por un algoritmo que le agrega redundancia y produce un bloque más largo. CRC (Cyclic Redundancy Check) - Detección de Errores Golay - Corrige tres o menos errores en un bloque de 23 bits BCH - uno de los más potentes Reed-Solomon 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Codificación de canal convolutiva Trabajan en forma continua y en serie, generando n bits por cada k bits de información a la entrada. Los n bits dependen de los k bits de entrada y también de m bloques precedentes. Los códigos convolutivos tienen memoria de orden m. Se pueden utilizar en combinación con una modulación, como la Modulación Codificada de Trellis (TCM). 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Control y Corrección de Errores Se pueden usar, en forma separada o combinada, los métodos ARQ y FEC. Se agrega redundancia. ARQ FEC Sin error Error Pedido retransm 1 1 1 1 Sin error Error detectado y corregido 2 2 2 2 3 3 3 3 R(3) R(3) 4 4 3 3 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Control y Corrección de Errores FEC ARQ/FEC ARQ Tipo II: ARQ con FEC. Tipo I: FEC con ARQ Selective repeat Cod en bloque Go back N Cod convoluc Stop and wait 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Control y Corrección de Errores FEC: útil para los móviles con desplazamiento rápido, porque los burst de errores duran poco. Introduce retardos debido al tiempo de procesamiento. ARQ: útil para los burst de larga duración, pero introduce retardos importantes debido al ida/vuelta de la información. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Ecualización Los trayectos múltiples deforman la señal en amplitud y fase, provocando Interferencia Intersímbolo. Se debe ecualizar la señal para eliminar o reducir la distorsión Ecualizador lineal, transversal, recursivo. Ejemplo de un ecualizador transversal m+1 coeficientes Z-1 Z-1 Z-1 0 1 m 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Entrelazado En ambiente móvil, los errores llegan en ráfagas debido a los desvanecimientos profundos. La codificación de canal sirve solo para corregir errores aislados. El entrelazado sirve para dispersar los bits afectados por los errores. Se puede entrelazar a nivel bit y a nivel trama. El método más simple es el de una matriz de L líneas y n columnas. Los bits se introducen línea por línea y son leídos columna por columna. Inconveniente = retardo introducido 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Diversidad Para luchar contra los efectos de los trayectos múltiples. Microdiversidad Antenas múltiples, frecuencias diferentes, tiempos diferentes Macrodiversidad Un móvil se conecta a varias estaciones base al mismo tiempo 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

SISTEMAS CELULARES SEGURIDAD 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Se considera un sistema seguro cuando sólo pueden acceder al mismo los usuarios autorizados. Se debe impedir: Leer o modificar los datos almacenados o transmitidos Acceder a los recursos o servicios del sistema Funciones: Autenticación, Confidencialidad, Integridad, No-Rechazo. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Ataques a la seguridad: Fraude económico Reprogramación/Cloneo Se cambia el par MIN/ESN en un terminal Abono fantasma Se falsea identidad y domicilio Robo del aparato Se roban también comunicaciones Dispositivo señuelo Simula un punto de entrada a la red (estación base) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Ataques a la seguridad: Espionaje o sabotaje Ataque pasivo Las informaciones intercambiadas se interceptan para escucha indiscreta. No se altera el estado del sistema ni las informaciones Ataque activo Consiste en modificar las informaciones de gestión de red (autorización de acceso ilimitado, p ej.) o de un abonado, usurpación de identidad, interferencia de canales de transmisión, grabación de mensajes para difusión posterior 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Servicios y funciones de seguridad: Funciones Servicios 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Niveles de Confidencialidad Nivel 0: no hay ningún tipo de confidencialidad (redes analógicas) Nivel 1: idéntica a las de las redes fijas Nivel 2: transacciones profesionales Nivel 3: tipo militar o estratégico Datos a proteger Datos de usuario: los que los utilizadores envían a la red para ser transportados Datos de señalización: utilizados por el sistema para la gestión de las llamadas (localización de los abonados, derechos de abono, etc) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Métodos de Protección Autenticación
Es el mecanismo con el que una parte prueba su identidad a una segunda parte Encriptado El mensaje sufre una transformación a través de una función parametrizada por una llave o clave. Ataque pasivo Escucha Ataque activo Alteración Texto en claro Encriptado Des-Encriptado Texto en claro Texto codificado Llave de encriptado, K Llave de des-encriptado 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Encriptado Es importante el tamaño de la llave o clave.
3 cifras ofrecen 1000 combinaciones posibles. Clave compartida, simétrica o secreta K = K’. Las claves se intercambian por canal confidencial. Clave asimétrica o clave pública K  K’. La posesión de una clave no permite conocer la otra. K’ no puede ser determinada a partir de K. Por lo tanto, K puede ser publicada. D(E(M)) = M Canal de transmisión no protegido M = DK’() T E D R M en claro M en claro des-encriptado. Criptograma  = Ek(M) Clave de encriptado K Clave de des-encriptado K’ 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Encriptado por Clave Secreta o Compartida Substitución, transposición, etc. Substitución: Letras iniciales: a b c d e f Letras codificadas: w q a x s z Mensaje en claro: “deba” Mensaje codificado: “xsqw” Encriptado por Clave Pública Los algoritmos de codificación E y decodificación D, deben cumplir con: D(E(M)) = M Es muy difícil deducir D a partir de E E no puede ser quebrado aún si se conoce el texto inicial. Cada utilizador U dispone de dos claves, una Clave Pública K, accesible por todo el mundo y utilizada para el encriptado de los mensajes a enviar y una Clave Secreta K’, utilizada por U para descifrar los mensajes arribados. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Encriptado por Clave Pública
Se pueden usar para encriptado o para firma Encriptado C = EB (M) Codificación por EB Decodificación con DB Firma: prueba la identidad del emisor y la autenticidad del mensaje Recibe S y controla que EA(S) = M S = DA (M) Codificación por DA Utiliza EA 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Seguridad Encriptado por Clave Pública o Secreta Clave pública: muy eficiente pero requiere mucha potencia de cálculo. Clave secreta: más peligroso porque requiere gestionar una base de datos y compartir la clave por lo que hay que encontrar un medio seguro para distribución. GSM, DECT, IS-136, IS-95 utilizan algoritmos con Clave Secreta por un problema de rapidez de cálculo. La gestión de las claves es FUNDAMENTAL, porque el sistema puede ser muy potente, pero quedar reducido a NADA si se conocen las claves por terceros. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

SISTEMAS CELULARES GESTIÓN DE RECURSOS 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Gestión de recursos Concepto celular Reutilización de frecuencias Patrón de reutilización Capacidades del sistema 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Gestión de recursos Reutilización de frecuencias Permite resolver el problema de servir una zona o región extensa, con un ancho de banda limitado y con una densidad de usuarios importante Usa la propiedad de atenuación de las ondas de radio, que permite reutilizar la misma frecuencia en otra zona suficientemente alejada de la primera. Cada zona constituye una célula. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Gestión de recursos Reutilización de frecuencias Las células con la misma frecuencia (cocanal) deben estar suficientemente alejadas para que el nivel de interferencia cocanal sea suficientemente bajo. Para reutilizar las frecuencias, la banda total asignada se divide en sub-bandas. Cada sub-banda se asigna a una estación base ubicada en una célula y será reutilizada en otras células. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Gestión de recursos Ejemplo de reutilización de frecuencia Cluster
Caso A: todas las frecuencias en el área. Ftot = 140 frecuencias (p ej) Caso B: las frecuencias se reutilizan. Ftot = f1+f2+f3+f4+f5+f6+f7 =140 f1=f2=.... = 20 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Gestión de recursos Reutilización de frecuencia Cluster: grupo de células o celdas que utiliza el conjunto de canales de la banda de frecuencias. Muchos clusters yuxtapuestos permiten cubrir toda el área. Asignación fija: las frecuencias asignadas no cambian. Asignación dinámica: mecanismo para adaptar el sistema a las variaciones de C/I. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Gestión de Recursos Bandas celulares de 800 MHz 2004
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Gestión de Recursos Banda A celular de 800 MHz 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Gestión de Recursos Patrón de 7 celdas sectorizadas en el centro de la celda A1 A3 G1 A2 B1 G3 B3 G2 B2 F3 F2 F1 C1 C3 F3 F2 F1 C2 D1 Reuso D3 D2 E1 E3 E2 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

CÁLCULO DE LA CAPACIDAD
SISTEMAS CELULARES CÁLCULO DE LA CAPACIDAD 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Definición Capacidad intrínseca Canales por celda por MHz(duplex) K= n/(N.B) n= número de canales voz por portadora N= tamaño del reuso de frecuencia B= Banda de frecuencia ocupada por un canal en MHz (duplex) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Capacidad Ejemplos de Capacidad Intrínseca Sistema Analógico AMPS n=1; B= 2.30 kHz = 0,06 MHz (duplex); N= 21 K= 1/(0,06.21) = 0,8 canales/celda/MHz(duplex) Sistema Digital TDMA IS-136 n=3; B=2.30 kHz= 0,06 MHz(duplex); N= 21 K= 3/(0,06.21) = 2,4 canales/celda/MHz(duplex) Sistema Digital TDMA GSM n=8; B=2.200 kHz= 0,40 MHz(duplex); N= 9 K= 8/(0,40.9) = 2,2 canales/celda/MHz(duplex) Sistema Digital CDMA n= 30; B=2.1,25= 2,5 MHz(duplex); N= 1 K= 30/(2,5.1) = 12 canales/celda/MHz(duplex) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Capacidad Eficiencia espectral Canales por MHz por km2 e = TCH/(BW.AreaCluster) TCH = canales totales disponibles BW = ancho de banda total AreaCluster = área del cluster de celdas 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Comparación de Tecnologías
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Objetivos de Capacidad
Uso de: Tecnologías de radio de alta eficiencia Protocolos de señalización y control para manejar altas capacidades (p ej Aloha) Procedimientos de conmutación y handoff eficientes 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Eficiencia Espectral Concepto elusivo Diseño del enlace de radio Codecs de menor velocidad Modulación de mayor nivel Filtros más estrechos Diseño del sistema Eficiencia de entroncamiento (ver fig siguiente) Mejor Reuso de frecuencias (cell splitting) Mejor gestión de tráfico (separar tipos de tráfico) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Eficiencia de entroncamiento

Eficiencia espectral Eficiencia espectral (bits/Hertz.) Eficiencia espectral de circuito (circuitos/MHz) Eficiencia espectral geográfica (circuitos/MHz/km2) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Medición eficiencia espectral
Eficiencia espectral (bits/Hertz) o densidad de información. Mide la eficiencia de la modulación de RF. Eficiencia espectral por circuito (Circuitos/MHz) dentro de una celda o de área de servicio. Mide eficiencia de codificación y de modulación: donde C= Number of circuits per carrier B= Channel bandwidth (including guardbands) in kHz RA= Number of “restricted” adjacent channels The final division by 2 is necessary to account for the use of transmit and receive frequency pairs. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Eficiencia espectral Cuando se pasa de AMPS a CDMA, se requieren 41 canales en la banda celular, equivalente a 1,23 MHz (41*30=1230 kHz) y 9 canales de guarda contiguos (9*30=270). TOTAL = 59 canales o 1,77 MHz. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Cálculo eficiencia espectral

Eficiencia espectral geográfica Utiliza el reuso de frecuencia. Con N=3 mejor eficiencia que con N=7. Celdas más pequeñas generan más circuitos por km2 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Eficiencia espectral geográfica NumberofCircuits/Cell = 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Tabla Comparativa 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Caso real 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Algunas estaciones 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

SISTEMAS CELULARES PLANIFICACION 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Planificación Definición de la red para cumplir con los objetivos de: COBERTURA CAPACIDAD Es una de las tareas más complejas para un operador celular. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Planificación Proceso de planificación celular Herram Datos Datos Dimensionamiento de los sitios radio Posición, tamaño y capacidad de las células Asignación de frecuencias Planificación de la red fija. Interconexión Herram Algoritmos 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Planificación Datos utilizados para el dimensionamiento Zonas de negocios Medidas de tráfico fijo y móvil Mapas geográficos Demanda potencial Poder de compra Actividad económica Movilidad de la población Modelos de Tráfico y Movilidad Demografía Dimensionamiento de la red Calidad de servicio 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Planificación Parámetros de Calidad de Servicio Calidad de Voz (MOS) Cobertura (90% del área) Grado de servicio o probabilidad de bloqueo (2% de probabilidad de bloqueo en la hora pico) Número de Llamadas caídas (1%) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

GESTION DE LA MOVILIDAD
SISTEMAS CELULARES GESTION DE LA MOVILIDAD 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Gestión de la movilidad radio o microscópica Cambiar de célula manteniendo la comunicación. HANDOFF o HANDOVER Gestión de la movilidad red o macroscópica Usar los servicios en toda la red o en redes visitadas. ROAMING 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Radio Gestión de la movilidad radio o microscópica HANDOFF o HANDOVER: Transferencia Automática Intercelular. A B A B ANTES DESPUES 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Radio Fases del Handoff Realización de mediciones y supervisión periódica del enlace Determinación de la necesidad del HO. Umbral de decisión Determinación de la célula objetivo y disparo del HO Transferencia efectiva de los enlaces 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Radio Fases del Handoff Realización de mediciones y supervisión periódica del enlace Potencia de señal recibida Tasa de error de bit (BER) Distancia entre móvil y estación base La estación base difunde: Identidad de la propia estación base Las frecuencias de los canales de control de las estaciones vecinas Las mediciones se hacen cada medio segundo. El móvil puede reportar a la red las mediciones de 6 estaciones vecinas. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Radio Fases del Handoff Determinación de la célula objetivo y disparo del HO Potencia relativa de señales: mayor nivel recibido de estación vecina que de la estación corriente Potencia relativa de señales con utilización de umbral: diferencia de nivel por debajo de un umbral Potencia relativa con utilización de histéresis: nivel de potencia por encima de un valor Potencia relativa con utilización de histéresis y umbral: se combinan los dos criterios precedentes. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Radio Fases del Handoff Tipo de Handoff: Hard Handoff MSC MSC MSC Antes Durante Después 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Radio Fases del Handoff Tipo de Handoff: Soft Handoff MSC MSC MSC Antes Durante Después 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Radio Tipos de Handoff Red 2 Red 1 MSC MSC MSC BSC BSC BSC BSC 1: Intracelular 2: Intra BSC 3: Intra MSC 4: Inter MSC 5: Inter Red o Intersistema 1 2 3 4 5 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Red Selección de célula, Localización y Roaming Dos procesos, cuando el móvil está inactivo: Selección de célula MS recibe informaciones de la red para ubicarse sobre una célula determinada, que usará para el acceso Localización o Roaming Permite a la red conocer en todo momento la posición del móvil con mayor o menor precisión 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Red Localización y Búsqueda Localización: la red conoce la ubicación del móvil, porque el móvil la actualiza periódicamente. Búsqueda (paging): la red busca al móvil Roaming Es la posibilidad de usar el terminal en un punto cualquiera de la red propia o ajena. No solo para redes móviles. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Red Métodos de Localización Nivel cero - Sin localización, búsqueda en toda la red. Solo para redes pequeñas. Muy simple. Riesgo de saturación (Flooding algorithm) Nivel uno - Localización manual, el abonado debe localizarse en la red para poder recibir llamadas. Nivel dos - Localización automática con zonas de localización. Una zona tiene varias células. La red busca por zona. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Red Localización Automática a) Al encendido del terminal b) Localización periódica: envío de la identidad del móvil en forma periódica. Gran consumo de recursos, sobre todo si el móvil no se mueve durante horas. c) Localización por cambio de zona: el móvil envía su identidad cuando detecta que ha cambiado de zona. En GSM se usa Localización híbrida, combinando los métodos b) y c). 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Movilidad Red Bases de datos para la gestión de la movilidad Base de datos local (nominal) HLR Hay una por red. Almacena las informaciones de los abonados de la red: nombre, número, datos de seguridad, localización actual, etc Base de datos visitante VLR. Puede haber varias en una red. Almacena los datos de los abonados registrados en las zonas de localización que dependen de esta base de datos. Es una copia parcial de los datos del HLR. HLR MSC VLR MSC VLR MSC VLR VLR MSC MSC 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de segunda generación

Sistemas de 2G 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Desarrollado por ETSI en el marco europeo, se transformó en una norma mundial. GSM 900, DCS 1800 o PCS 1900 Comienzo desarrollo fin de los 80, fue implantada en principios de los 90, y fue evolucionando permanentemente. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Interface radio En la banda y MHz hay 124 portadoras bidireccionales. La velocidad en aire es de 270 kbps. Utiliza una modulación a envolvente constante denominada GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Cada portadora tiene 8 Time Slots que son los canales físicos. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Interface radio Tipos de canales lógicos: Tráfico Señalización Control común Control dedicado 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Interface radio Canales de Tráfico TCH (Voz o Datos) Velocidad completa (TCH/F) Velocidad mitad (TCH/H) Octavo de Velocidad (TCH/8) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Interface radio Canales de Señalización Canal de difusión (BCCH) Informaciones generales difundidas Sub-canal de sincronización (SCH) Sincronización de la MS Sub-canal de control de frecuencia (FCH) Control de frecuencia de la MS 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Interface radio Canales de Control Común Canal de Asignación (AGCH) Asignación de recursos Canal de Paging (PCH) Búsqueda de MS Canal de Acceso Aleatorio (RACH). Pedido de recursos 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Interface radio Canales de Señalización Dedicados (DCCH) Canal no asociado (SDCCH) Puesta al día de localización o establecimiento de llamada Canal asociado (ACCH) Canal lento (SACCH) Transmisión de mediciones radio Canal rápido (FACCH) Para HO, obtenido por robo del TCH 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Interface radio Trama TDMA Comprende 8 TS de 577 microseg c/u o sea 4,616 ms. Las tramas son reagrupadas en multitramas (multitramas a 26 tramas para el tráfico y multitramas a 51 para la señalización), luego supertramas y finalmente hipertramas 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Interface radio Trama TDMA. Se llama burst a un TS o Intervalo de Tiempo 4,616 ms 1 2 3 4 5 6 7 1 burst = 148 bits = 0,577 ms 3 57 1 26 1 57 3 Datos Aprendizaje Datos 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Interface radio Trama TDMA. Tipo de Burst Burst normales (2 blocks de 57 bits de información, separados por una secuencia de aprendizaje y por los bits de encabezamiento y de los tiempos de guarda) Burst de corrección de frecuencia (142 bits en 1 o sea una frecuencia pura utilizada para ajustar los sintetizadores de los receptores) Burst de sincronización (secuencia de sincronización de 64 bits, informaciones sobre la identidad de la BS e informaciones sobre los TS utilizados en la trama) Burst de acceso (emitido por un móvil para acceder a la red) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Arquitectura Central (MSC) Bases de Datos (HLR y VLR) Controladores de Estaciones Base (BSC) Estación Base Transceptora (BTS) Centros de Operación y Mantenimiento Radio y Red (OMC-R y OMC-N) Estaciones Móviles (MS) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Arquitectura MS Estaciones móviles embarcadas (Clase 1) de 20W Estaciones portables (Clase 2) de 8W Estaciones portátiles (Clases 3 a 5) de 5W, 2W y 0,8W. BTS Cada BTS cubre una célula o celda Transmisión/recepción de radio (modulación/demodulación, ecualización, entrelazado) Capa física (emisión en TDMA, salto de frecuencia, codificación, encriptado) Capa enlace (LAPDm) Medición de calidad de señales recibidas 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Arquitectura BSC Supervisan varias BTS Gestiona los recursos radio (asignación de canales, mediciones en las BTS, control de potencia de BTS y MS y el Handoff) Interface entre el MSC y las BTS Pueden gestionar hasta varias centenas de BTS MSC Supervisa varias BSC Gestiona las llamadas hacia y desde MS Conectado al PSTN Un MSC puede tener función Gateway G-MSC 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G GSM Arquitectura HLR Base de datos nominal con las características de los abonos de los móviles Tiene las informaciones de los abonos, del IMSI, MSISDN, restricciones de los abonos, servicios suplementarios, la información de localización (identidad del VLR donde está registrado el MS) VLR Base de datos de los visitantes Datos necesarios para la gestión de los roamers Tiene información sobre el tipo de abono, IMSI, MSISDN, TMSI, tipo de abono y zona de localización. Asigna el MSRN (Mobile Station Roaming Number) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G D-AMPS Digital AMPS o NADC (North American Digital Cellular o IS-136 o ANSI-136 Para reemplazar al AMPS analógico Combina técnicas FDMA y TDMA como el GSM Las frecuencias son las mismas del AMPS, lo que permite la transferencia de canales analógicos hacia digitales en función de la demanda permitiendo incrementar progresivamente la capacidad de la red 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G D-AMPS Estructura Interface Radio TRAMA DE 40 MS (1944 BITS) Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6 CANAL ASCEND G 6 R 6 DATOS 16 SINCRO 28 DATOS 122 SACCH 12 DVCC 12 DATOS 122 CANAL DESC SINCRO 28 SACCH 12 DATOS 130 DVCC 12 DATOS 130 RSDV 12 RSVD: Reservado. G: Guard Time. R: Ramp Time. DVCC: Digital Verification Color Code 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G D-AMPS Arquitectura del sistema Es similar a la arquitectura GSM Tiene MSC, HLR, VLR, BS, MS. No utiliza BSC Las únicas interfaces normalizadas son la interface radio ANSI-136 y la interface MSC-MSC-HLR-VLR (IS-41) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G CDMA Sistema IS-95 Interface Radio: Banda y MHz Ancho de Banda: 1,2288 MHz (aprox 41 canales AMPS) Separación Duplex de 45 MHz Control de Potencia muy crítico. Utiliza Código Corrector de Errores, entrelazamiento, detección de actividad vocal, codificación de voz a velocidad variable, técnicas de recepción RAKE. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G CDMA Sistema IS-95 Interface Radio: Datos transmitidos a 9,6 kbps con codificador de voz a 8,55 kbps Flujo de datos segmentado en bloques de 20 ms entrelazados y codificados con códigos convolucionales 1/2 y 1/3. Flujo resultante ascendente 19,2 kbps y descendente de 28,8 kbps Se agrega Código de Walsh ortogonal de dimension 64, pasando a 1,2288 Mbps. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G CDMA Sistema IS-95 Cadena de Transmisión COD LARGO COD WALSH BLOQUES DE 20 ms A 9,6 kbps 19,2 kbps 19,2 kbps 1,2288 Mbps DATOS COD VOZ COD VELOC 1/2 ENTRELAZ x x 19,2 kbps COD CORTO I 1,2288 Mbps I FILTRO x 1,2288 Mbps MODULADOR QPSK COD CORTO I 1,2288 Mbps Q FILTRO x 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas de 2G CDMA Sistema IS-95 Principio de base A cada estación se atribuye una secuencia aleatoria. Estas secuencias deben ser diferentes y ortogonales o sea descorrelacionadas. Estas secuencias hacen que al combinarla con la señal útil, se transforme en quasi-aleatoria y con el espectro muy expandido 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Sistemas 2,5G HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) No lo vemos, poco éxito. GPRS (General Packet Radio Service) Conmutación de paquetes y aumento de velocidad EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) Mayor aumento de velocidad También se lo considera un sistema 3G 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

GPRS es una mejora de GSM y define una arquitectura de red con: Conmutación de paquetes Gestión de la movilidad Acceso radio Conexión a otras redes de datos fijas con IP o X.25 (Redes PDP: Packet Data Protocol) y otras redes móviles GPRS para ofrecer roaming 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

GPRS retoma la arquitectura BSS de GSM, pero tiene arquitectura fija diferente de NSS. Utiliza los conceptos de IP móvil y de CDPD (Cellular Digital Packet Data) de USA RED LOCAL RED GPRS INTERNET 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Usa multiplexado estadístico en BSS para transmitir los paquetes sobre la radio Puede utilizar más de una ranura de tiempo por trama TDMA, lo que permitiría velocidades de hasta 171,2 kbps (máximo teórico inalcanzable) En la práctica, se usan como máximo 4 ranuras a 12 kbps c/u o sea 48 kbps. 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Tipos de servicio Las velocidades previstas permiten: Consulta de la Web (HTTP) Transferencia de archivos (FTP) Transmisión de video comprimido Servicios Punto a Punto y Punto a Multipunto (para una segunda fase) Los servicios PTP pueden ser orientado a conexión (X.25) o sin conexión (IP) También tiene un servicio de mensajes cortos 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Criterios de Calidad de servicio Prioridad Confiabilidad Retardo Velocidad 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Clases de Calidad de Servicio 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Funciones de seguridad Autenticación del abonado Confidencialidad de la identidad del utilizador Confidencialidad de las informaciones transmitidas Tarjeta SIM 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Clase de los móviles Clase A: comunicación GPRS y clásica simultánea Clase B: puede tener ambos servicios, pero no simultáneos. En stand-by escruta ambas redes. Clase C: sólo puede estar en stand-by en un tipo de servicio 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Técnicas para aumentar la velocidad Desarrollo de terminales que pueden transmitir y recibir en varios TS por trama TDMA (terminales multislot) Reducción de la protección de los datos Utilización de modulaciones más eficientes (EDGE) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Terminales multislot: En recepción no hay problema, pero en transmisión aumenta el consumo de energía y se reduce la autonomía de batería y hay más calentamiento. Si es para consulta de web, no habría problema 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Reducción de la protección de datos y modulaciones sofisticadas Requiere mayor relación C/I Esto hará que la velocidad de datos varíe con la distancia al centro de la estación base C/I bajo 32 kbps C/I alto 48 kbps 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Arquitectura de red SGSN: Serving GPRS Support Node GGSN: Gateway GPRS Support Node) BSC MSC VLR G-MSC HLR RED GPRS SGSN GGSN EIR Red datos X.25, IP SGSN BSC Otra red GPRS GGSN 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Encaminamiento de datos SGSN: Serving GPRS Support Node GGSN: Gateway GPRS Support Node) BSC RED GPRS Tunel GPRS SGSN GGSN GTP (GPRS Tunnel Prot) Red datos X.25, IP 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Principio de encaminamiento de datos 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Uso de WAP con GPRS o con Conmutación de circuitos 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Acceso a red corporativa 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Roaming de terminal GPRS 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Protocolo de red GPRS 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Gestión de la movilidad Estados de un móvil En GSM tiene dos estados: Inactivo o activo En GPRS hay tres estados: Inactivo, activo y stand-by Inactivo (Idle) No se puede acceder al móvil Logon Logoff Logoff Stand-by Activo (Ready) Transmisión o recepción de datos Sin datos a transmitir o recibir Se puede acceder al móvil 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

GPRS Gestión de la movilidad La razón del estado standby es
para reducir la carga sobre la red para conocer la celda donde está localizado el móvil y para ahorrar batería Gestión de la movilidad Los datos se transmiten a un móvil, sólo cuando está activo. En el estado activo, el SGSN conoce la celda donde está localizado el móvil. En standby, se conoce la ubicación a nivel de Area de Enrutamiento (similar a Area de Localización en GSM) Para enviar paquetes a un móvil en standby, primero hay que hacer paging, para localizarlo, y pasar al estado activo para recibir los datos Para enviar paquetes a un móvil activo, se le avisa que hay paquetes y luego se le transmiten En el estado inactivo el móvil no tiene dirección asignada 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Con GPRS, el sistema GSM permite acceso a Internet a velocidades de cerca de 50 kbps Para superar ese límite, se propuso en ETSI (1997) utilizar una modulación con mejor eficiencia espectral que GMSK (1 bit/Hertz) Así aparece el concepto EDGE con 8PSK (3 bit/Hertz). (Enhanced Data rates for the Global Evolution) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Al mismo tiempo, el IS-136 enfrentaba fuertes limitación de velocidad, por el poco espacio entre portadoras (30 kHz) El consorcio UWCC-136 (Universal Wireless Communications Consortium) adoptó EDGE en 1998, como solución para aumentar las velocidades. EDGE fue reconocido por UIT como un sistema IMT-2000 EDGE permitiría alcanzar: 384 kbps para terminales <100 km/h y 144 kbps para terminales <250 km/h 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Modificaciones de la capa física Modulación 8PSK Q 010 000 011 001 111 I 110 101 100 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Estructura del burst Se conserva la estructura del burst de GSM Secuencia central de entrenamiento de 26 símbolos Dos secuencias de datos de 58 símbolos c/u Dos zonas de relleno para subida de potencia y retorno en recepción Un símbolo = 3 bits Hay 2 x 3 x 58 = 348 bits de datos en cada burst 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Estructura del burst 1 burst = 148 símbolos = 444 bits = 0,577 ms 3 s 58 símbolos 26 s 58 símbolos 3 s 8,25 s Datos Aprendizaje Datos 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Dos tipos de servicios ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) Un solo canal físico permite hasta 43,2 kbps (14,4 x 3) Canales en modo Transparente o No Transparente EGPRS (Enhanced General Packet Data Service) Un solo canal físico permite hasta 59,2 kbps y con ocho canales tendremos 473,6 kbps 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

EDGE Compacto Para operadores IS-136 que deben hacer una transición hacia EDGE Se reduce el ancho de banda necesario para el despliegue, modificando la interface radio GSM Se requiere 2 x 0,6 MHz de espectro mínimo 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

EDGE Fase 2 Debe soportar servicios en tiempo real y reposa sobre arquitectura de red todo IP Permite convergencia hacia UMTS Permitirá llevar las redes móviles en la misma dirección que las fijas, con integración sobre IP 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

EDGE Fase 2 Clase de servicio Conversacional con fuertes requisitos de retardo (voz, videofonía, juegos video) Streaming debe restituir el ritmo de generación de datos pero puede tolerar retardos usando buffers Interactivo exige baja tasa de error y puede tolerar cierto retardo (consulta interactiva de servidores) Backgroung que exige integridad pero tolera retardos grandes ( ) 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

EDGE Fase 2 Una red EDGE fase 1 sólo permite las dos últimas clases de servicio Interactivo Background o tráfico en tarea de fondo. La red EDGE fase 2 será indispensable para las dos primeras clases de servicio: Aparece el concepto GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network) Permite conexión a red GSM o UMTS, en modo paquete o circuito Ofrecerá servicios en tiempo real en modo paquete, basada sobre IP 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

EDGE Fase 2 SGSN UMTS GERAN SGSN GPRS BSS MSC UMTS MSC GSM 2004 Comunicaciones Móviles, GSM, GPRS, EDGE - Roberto Murguet

Comunicaciones Móviles Fin Módulo 1

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