Interfaz aérea

Entre el móvil y la BTS no hay un cable: hay que repartir el espectro en frecuencia y en tiempo, y dentro de cada ranura de tiempo repartir otra vez entre los canales lógicos. Este tema es el que más cálculos genera.

Espectro y portadoras

GSM es un sistema FDD/TDMA. FDD (duplexión por división en frecuencia) significa dos bandas separadas: subida (uplink, MS a BTS) y bajada (downlink, BTS a MS). Cada banda se divide en subbandas de 200 kHz, una portadora por subbanda con modulación GMSK. Una BTS necesita al menos un par de portadoras, una por sentido.

Reutilización de frecuencias

Hay pocas portadoras, así que la misma frecuencia se vuelve a usar en células alejadas. Las células se agrupan en racimos (clusters) de $N$ células que se reparten todas las portadoras, y el racimo se repite como un mosaico. En una rejilla hexagonal solo valen los tamaños $N = i^2 + ij + j^2$: 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13…

Dos células cocanal (con las mismas portadoras) están a una distancia $D = R\sqrt{3N}$, con $R$ el radio de la célula. Con 6 interferentes cocanal a esa distancia y una pérdida de propagación de exponente $\gamma$:

Un $N$ grande mejora la C/I pero deja menos portadoras en cada célula: es el compromiso entre calidad y capacidad. Con $\gamma = 4$ y $N = 7$ sale $C/I \approx 18{,}7$ dB.

Tiempo: tramas, multitramas y más

Dentro de una portadora, TDMA reparte el tiempo en una trama que se repite continuamente, formada por 8 ranuras iguales numeradas de 0 a 7. Cada móvil transmite y recibe en una sola ranura. En teoría caben 8 comunicaciones, en la práctica 7, porque la ranura 0 se reserva para señalización (así lo dicen las diapositivas, y es lo que se usa en los problemas). Con varias portadoras hay una trama por portadora (16 ranuras con 2, 24 con 3…). Las portadoras se asignan en pares y el móvil conmuta entre la de transmisión y la de recepción en cada trama.

Las tramas se agrupan en estructuras mayores. Toda la escala sale de un único dato: la multitrama de 26 tramas dura 120 ms.

La ráfaga

En una ranura el móvil transmite o recibe una ráfaga (burst) de duración fija, un octavo de trama. Su formato es uno de cinco predefinidos: normal, de acceso aleatorio, de sincronización temporal, de corrección de frecuencia y de relleno. Las dos que hay que saber dibujar son la normal y la de acceso.

Avance temporal y tamaño de célula

La BTS marca el comienzo de trama con un canal piloto. Esa indicación llega más tarde a un móvil lejano, que por tanto empieza a transmitir más tarde. Para que dos móviles a distinta distancia mantengan la misma referencia temporal, la BTS le dice a cada móvil con recurso asignado su distancia y este adelanta su transmisión (timing advance).

El problema está en el acceso aleatorio: como aún no hay información de avance, las transmisiones de dos móviles no están sincronizadas y «se deslizan» dentro de la ráfaga. Por eso la ráfaga de acceso es corta y lleva un tiempo de guarda de 68,25 bits. El deslizamiento máximo sin salirse de la ráfaga fija el tamaño máximo de la célula.

Canales lógicos

Un canal lógico es un flujo de información, uni o bidireccional, de un tipo concreto (por ejemplo, la voz codificada de una conversación). Consume una ranura entera o una parte de ella, y en cada ranura solo puede transmitir un canal lógico a la vez, así que si varios la comparten se multiplexan en el tiempo. Hay de tráfico (datos de usuario) y de control (señalización).

Para ver cómo se encadenan en una llamada entrante:

1. PCH: aviso de llamada (paging). La red avisa por el canal de aviso, en todas las células del área de localización. Es un canal común: todos los móviles lo escuchan.
2. RACH: petición de canal. El móvil contesta pidiendo un canal dedicado. Es acceso aleatorio (ALOHA ranurado), así que puede haber colisión con otros móviles.
3. AGCH: asignación de un SDCCH. La red concede un canal de señalización dedicado. Los móviles con petición pendiente escuchan este canal.
4. SDCCH: señalización (identidad, autenticación, cifrado). Ya con canal propio, el móvil hace los procedimientos de señalización (los de MM del tema de movilidad).
5. SDCCH: llamada y asignación de canal de tráfico. Cuando la señalización acaba, la red asigna un TCH. El SDCCH se devuelve y queda libre para otro móvil.
6. TCH + SACCH: conversación y medidas. La voz va por el TCH. El SACCH asociado lleva las medidas de calidad cada 480 ms para el traspaso.

Combinaciones y multitramas

Hay una docena de canales lógicos y muchos de ellos con varias instancias (cada TCH es una llamada), así que hay que compartir ranuras. Una combinación es un grupo de canales lógicos que comparten la misma ranura, y solo se permiten combinaciones predefinidas. Su multitrama indica en qué tramas le toca a cada canal.

La cheatsheet del profesor las llama C1 a C7. Son las mismas que I a VII.

Ojo. Las multitramas de señalización se dibujan en la cheatsheet con las dos mitades de 51 tramas (102 en total) para las combinaciones V y VII, porque hay canales (A0 a A3 en la V, A0 a A7 en la VII) que solo aparecen una de cada dos multitramas. Al calcular capacidades hay que contar sobre el ciclo completo de 102 tramas.

Asignaciones típicas de una célula

Se definen tres perfiles típicos de asignación de recursos a una célula, aunque puede haber otros. Las combinaciones de señalización siempre ocupan intervalos bajos de la frecuencia más baja.

Autoevaluación

Material del curso usado: Cx_Multiplex.pdf · Cx_ChuletaGSM-1920.pdf.