Generaciones de Telefonía Móvil – Consolidación

 

Como continuación del artículo:

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Seguimos explicando como hemos llegado al famoso 4G:

Generación 2G – GSM

Si hasta ahora habíamos tenido sistemas analógicos, el rasgo diferencial de esta Generación era el paso a digital. 

La aparición de esta tecnología 2G (GSM) puede considerarse prácticamente “el invento” de la telefonía móvil, pues probablemente sea el cambio de generación que más novedades introduce, dando lugar a una auténtica explosión en su uso por el público general. Surge a principios de los 90 y continúa extendiéndose durante toda la década.

Cuando decimos que se trata de una tecnología digital nos referimos a que, a diferencia de las anteriores, la señal no sólo es muestreada y cuantificada (convertida a ceros y unos para entendernos) sino que es modulada y transmitida a través de una red completamente digitalizada.

Y hemos introducido el concepto de red sí, porque no se trata de una portadora de radiofrecuencia, sino de un complejo sistema de nodos de red conmutados denominado NSS (Network Switchin Subsystem). Estos nodos de red van a realizar las funciones de conmutación que permiten la comunicación entre los diferentes terminales y usuarios de la red.

¿Y cómo lo hacen?

Lo hacen a través de cinco niveles de nodos, desde la BSC (Base Station Controller) hasta la MSC (Mobile Switching Center). En la MSC se proporciona la conmutación de circuitos, la gestión de la movilidad (handovers), y el almacenamiento de la posición del usuario dentro de la red (VLR – Visitor Location Register), es decir, aquí se guarda si el usuario de la red está conectado o no y las características de su abono (servicios que puede y no puede usar, tipo de terminal, etcétera).

Para esto último, la MSC ha de consultar una gran base de datos (HLR – Home Location Register) donde están todos los números de teléfono los usuarios de la red y los identificadores de sus tarjetas SIM (número IMSI). Con esto la comunicación ya es autenticada, es decir, la red sólo entrega la información a un terminal concreto. Y naturalmente sólo permite enviarla a aquellos que se encuentren “en paz” con la compañía.

Pero además, el AUC (Authentication Center) mantiene actualizada en el HLR unas claves firmadas por él que sirven para cifrar la comunicación. Luego, además de autenticación tenemos privacidad. Resulta prácticamente imposible descifrar esto por un intruso en la red.

Mucho hay que hablar acerca de la conmutación y seguridad en GSM pero no es objeto de este artículo.

RF

¿Qué hay del acceso radio? Pues también cambia radicalmente. Lo proporcionan las BTS (Base Transceiver Station) a través de lo que hubiera sido más lógico emplear desde un principio pero que, al no disponer de una red digital de conmutación de circuitos, no podía hacerse.

El acceso radio GSM se realizar mediante multiplexación por división en tiempo (TDMA – Time Division Multiple Access). Esto quiere decir que la información de la comunicación de hasta 8 usuarios se multiplexa (o serializa) para formar lo que se denomina una trama GSM, gracias a sus 8 correspondientes time-slot:

TDMA en GSM
TDMA en GSM

En cuanto a las frecuencias de GSM, se mantienen en la banda de UHF (300 a 3000MHz). Inicialmente, GSM operó en los 900Mhz (EGSM) pero cuando se globalizó su uso surgieron las bandas de 1800MHz (DCS) y 1900MHz (PCS), lo que proporcionaba más facilidad para obtener cobertura a los teléfonos móviles, que eran llamados DUAL o TRI-BANDA respectivamente.

En EGSM, la banda de 890-915 MHz se usa para las transmisiones desde la MS (terminal) hasta el BTS (“uplink”) y la banda de 935-960 MHz se usa para las transmisiones entre el BTS y la MS (“downlink”). 

Las bandas de frecuencias, tanto superiores como inferiores, se dividen en canales de ancho de banda de 200 KHz llamados ARFCN (“Absolute Radio Frequency Channel Number”. Cada par de canales “uplink” – “downlink” separados entre sí por 45MHz son compartidos por 8 usuarios. Como 8 usuarios simultáneos es lógicamente poco, son muchos los canales en los que puede operar cada antena. Así, se coloca un determinado número de portadoras, a frecuencias que es necesario determinar finamente por los ingenieros de radio.

Aquí estamos hablando de canales de tráfico de voz pero GSM contempla otros canales, como de tráfico de datos, canales mixtos de datos y voz, canales de señalización y control …

Con todo esto, los ingenieros de radio de los operadores realizaron su Plan de Despliegue de Red, que se encargaba de proporcionar cobertura radio al territorio.

En cuanto a la modulación, se emplea una variante de la modulación ortogonal digital de la fase (OQPSK – Offset Quadrature Phase Shift Key). Esta modulación ya es suficientemente eficiente en el sentido de que se transmiten los cambios de fase de la señal en cuatro estados (separados pi/2), a saber: 00, 01, 10, 11. El offset se introduce para obtener una señal compensada que reduce el coste de ancho de banda, puesto que limita los cambios de fase a pi/2 en vez de a pi, como QPSK:

QPSK y OQPSK
QPSK y OQPSK

Esta variante hace que la modulación se denomine GMSK (Gaussian Minimum Shift Key) y consiste en emplear como señal moduladora, en vez de la señal cuadrada normal digital (cuyas transiciones entre estados tienen pendiente teórica infinita y por tanto energía considerable en los lóbulos secundarios de su espectro) una señal que es la salida de dos filtros:

– Filtro de coseno alzado (“M, mínimo cambio”), que facilita la detección reduciendo al mínimo la interferencia entre símbolos (ISI). En realidad es un filtro paso bajo de Nyquist real. Señal MSK.

Filtro Gaussiano (“G”), que estabiliza las variaciones de las frecuencias instantáneas a través del tiempo, disminuyendo la energía de los lóbulos secundarios. Señal GMSK.

MSK y GMSK
MSK y GMSK

La señal salida de estos filtros es la moduladora OQSK cuya salida se denomina GMSK, modulación de GSM.

TX

Ya hemos hablado del acceso radio pero ahora, los datos de las comunicaciones de cada BTS han de ser introducidos en la red GSM. A cada comunicación se le debe asignar un circuito conmutado para llegar a su destino.

Para ello, es necesario que la BTS se comunique con la BSC, y a esto los ingenieros lo llaman comúnmente la transmisión (TX).

Lo que posibilita la tecnología GSM es que, a nivel de transmisión, los datos estén completamente digitalizados (la modulación también es digital), lo que permite llevar la multiplexación por división en tiempo (TDMA – Time Division Multiple Access) hasta la BSC, y de aquí a la MSC.

Para la transmisión se emplean dos tipos de tecnologías. Ambas consisten en realidad en complejas técnicas de entrelazado de los datos en diferentes jerarquías, asociadas a diferentes regímenes binarios. Estas técnicas están optimizadas en cuanto a la codificación, a la detección de errores, al disparo de alarmas que requieren la acción del operador del sistema. Estas técnicas de multiplexación de los datos son:

PDH o jerarquía digital plesiócrona. Se dispone de un reloj diferente en orígen y destino de la comunicación, que tienen prácticamente la misma frecuencia pero que nada controla que uno se adelante o se retrase ligeramente con respecto al otro. Esto ha de ser controlado por el sistema, que se denomina “casi síncrono”.

SDH o jerarquía digital síncrona. Se transmite el reloj generado en ambos extremos de la comunicación y para que se sincronicen, haciendo que frecuencia y fase sean la misma en origen y destino. De esta manera se garantiza que ambos relojes son exactamente la misma señal. Esta tecnología se desarrolla con la aparición de la fibra óptica como medio de transmisión, ya que permite regímenes binarios mayores que PDH.

GSM en sus inicios comenzó a funcionar a través de PDH, pero posteriormente se implementó SDH.

A pesar de que el medio de transmisión GSM es lógicamente aire, se emplean equipos SDH. En cuanto a la transmisión, dependiendo de la configuración de estos equipos, se obtienen diferentes frecuencias de transmisión, se abarcan diferentes distancias y se logran diferentes anchos de banda.

En transmisión TX, normalmente se habla de frecuencias de microondas, abarcando las bandas de SHF (Super High Frecuency, 3-30GHz) y EHF (Extremely High Frecuency, 30-300GHz), llegando típicamente en esta última banda hasta los 42GHz.

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