Wireless Communications
Man’s constant quest to communicate has resulted in a quantum leap in technology related to data communications. For the past quarter century the maximum obtainable transmission rate on many types of communications facilities has doubled every three to five years. During the past few years this growth rate has accelerated, with emerging technologies providing a transmission capability an order of magnitude or more above what were considered high operating rates just a year or two ago. Accompanying this growth and, in many cases, providing the impetus for the technological developments that made such growth possible are communications-dependent applications.
Today, data communications can be considered as the fiber that binds a modern society together. The past measurement of the strength of a nation, measured in the number of tons of steel manufactured per year, has essentially been replaced by the installed base of personal computers, workstations and other types of computational facilities, as well as the network structures that link those computers to one another. Unless stranded in a very remote location, you will use one or more communications facility almost every day of your life.
Wireless communication, despite the hype of the popular press, is a field that has been around for over a hundred years, starting around 1897 with Marconi’s successful demonstrations of wireless telegraphy. By 1901, radio reception across the Atlantic Ocean had been established; thus, rapid progress in technology has also been around for quite a while. In the intervening hundred years, many types of wireless systems have flourished, and often later disappeared. For example, television transmission, in its early days, was broadcast by wireless radio transmitters, which are increasingly being replaced by cable transmission. Similarly, the point-to-point microwave circuits that formed the backbone of the telephone network are being replaced by optical fiber. In the first example, wireless technology became outdated when a wired distribution network was installed; in the second, a new wired technology (optical fiber) replaced the older technology. The opposite type of example is occurring today in telephony, where wireless (cellular) technology is partially replacing the use of the wired telephone network (particularly in parts of the world where the wired network is not well developed). The point of these examples is that there are many situations in which there is a choice between wireless and wire technologies, and the choice often changes when new technologies become available.
Due to the importance and, in many instances, our dependence upon communications, a detailed understanding of their evolution, technology and future directions is beneficial to most persons that work in a business, high technology, government or university environment.
Cordless Telephone Systems
Cordless telephone systems are full duplex communication systems that use radio to connect a portable handset to a dedicated base station, which is then connected to a dedicated telephone line with a specific telephone number on the public switched telephone network (PSTN). In first generation cordless telephone systems (manufactured in the 1980s), the portable unit communicates only to the dedicated base unit and only over distances of a few tens of meters.
Early cordless telephones operate solely as extension telephones to a transceiver connected to a subscriber line on the PSTN and are primarily for in-home use.
Second generation cordless telephones have recently been introduced which allow subscribers to use their handsets at many outdoor locations within urban centers. Cordless telephone systems provide the user with limited range and mobility, as it is usually not possible to maintain a call if the user travels outside the range of the base station.
Cellular Telephone Systems
A cellular network consists of a large number of wireless subscribers who have cellular telephones (users), that can be used in cars, in buildings, on the street, or almost anywhere. There are also a number of fixed base-stations, arranged to provide coverage of the
subscribers.
A cellular telephone system provides a wireless connection to the PSTN for any user location within the radio range of the system. Cellular systems accommodate a large number of users over a large geographic area, within a limited frequency spectrum. Cellular radio systems provide high quality service that is often comparable to that of the landline telephone systems. High capacity is achieved by limiting the coverage of each base station transmitter to a small geographic area called a cell so that the same radio channels may be reused by another base station located some distance away. A sophisticated switching technique called a handoff enables a call to proceed uninterrupted when the user moves from one cell to another.
The area covered by a base-station, i.e., the area from which incoming calls reach that base-station, is called a cell. One often pictures a cell as a hexagonal region with the base-station in the middle. One then pictures a city or region as being broken up into a hexagonal lattice of cells (see figure 1). In reality, the base-stations are placed somewhat irregularly, depending on the location of places such as building tops or hill tops that have good communication coverage and that can be leased or bought . Similarly, mobile users connected to a base-station are chosen by good communication paths rather than geographic distance.
Next figure shows a basic cellular system which consists of mobile stations, base stations and a mobile switching center (MSC). The Mobile Switching Center is sometimes called a mobile telephone switching office (MTSO), since it is responsible for connecting all mobiles to the PSTN in a cellular system. Each mobile communicates via radio with one of the base stations and may be handedoff to any number of base stations throughout the duration of a call. The mobile station contains a transceiver, an antenna, and control circuitry, and may be mounted in a vehicle or used as a portable hand-held unit. The base stations consist of several transmitters and receivers which simultaneously handle full duplex communications and generally have towers which support several transmitting and receiving antennas. The base station serves as a bridge between all mobile users in the cell and connects the simultaneous mobile calls via telephone lines or microwave links to the MSC. The MSC coordinates the activities of all of the base stations and connects the entire cellular system to the PSTN. A typical MSC handles 100,000 cellular subscribers and 5,000 simultaneous conversations at a time, and accommodates all billing and system maintenance functions, as well. In large cities, several MSCs are used by a single carrier.
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Comunicaciones inalámbricas
La constante búsqueda de comunicación del hombre ha resultado en un salto cuántico en la tecnología relacionada con las comunicaciones de datos. A lo largo del cuarto de siglo pasado, el régimen de transmisión máximo obtenible en los diferentes tipos de instalaciones de comunicación se ha doblado cada tres o cuatro años. Durante los pocos años pasados esta tasa de crecimiento se ha acelerado, con la tecnología emergente proporcionando capacidad de transmisión de un orden de magnitud o mas sobre lo que era considerado tasas operativas elevadas sólo un año o mas hacia atrás. Acompañando a este crecimiento y, en muchos casos, proporcionando el ímpetu para los desarrollos tecnológicos que ha hecho tal crecimiento posible están las aplicaciones dependientes de las comunicaciones.
En la actualidad, las comunicaciones de datos pueden ser consideradas como la fibra que envuelve una sociedad moderna. La medida pasada de la fuerza de una nación, medida en el número de toneladas de acero producidas por año, ha sido esencialmente reemplazada por la base instalada de computadores personales, estaciones de trabajo y otros tipos de instalaciones computacionales, así como las estructuras de red que enlazan dichas computadores entre sí. A no se que se encuentre uno en una localización muy remota, usted usará uno o mas medios de comunicación casi cada día de su vida.
Las comunicaciones inalámbricas, a pesar del trato de la prensa popular, es un campo que ha estado presente por cerca de cien años, comenzando alrededor de 1897 con las exitosas demostraciones de Marconi de la telegrafía inalámbrica. Hacia 1901, la recepción de radio a través del Océano Atlántico había sido establecida; así, el rápido progreso en la tecnología también ha estado presente por bastante tiempo. En los cien años recientes, muchos tipos de sistemas inalámbricos han florecido, y con frecuencia posteriormente desaparecieron. Por ejemplo, la transmisión de la televisión, en sus comienzos, era emitida por transmisores inalámbricos de ondas de radio, que es rápidamente reemplazada por la transmisión por cable. Similarmente, los circuitos de microondas de punto a punto que formaban la red troncal de la red de telefonía está siendo progresivamente reemplazada por la fibra óptica. En el primer ejemplo, la tecnología inalámbrica se volvió obsoleta cuando una red de distribución cableada fue instalada; en el segundo, una nueva tecnología cableada (la fibra óptica) reemplazó a una tecnología mas vieja. El tipo opuesto de ejemplo está ocurriendo en la actualidad en la telefonía, donde la tecnología inalámbrica (celular) está parcialmente reemplazando el uso de la red de tecnología cableada (particularmente en parte donde hay muchas situaciones en las cuales es una elección entre las tecnologías cableada e inalámbrica, y la elección con frecuencia cambia cuando nuevas tecnologías están disponibles).
Debido a la importancia y, en muchos casos, nuestra dependencia de las comunicaciones, un conocimiento detallado de su evolución, tecnología y futuras direcciones es benficioso para muchas personas que trabajan en un ambiente de negocio, alta tecnología, gobierno u universidad.
Sistemas de teléfonos inalámbricos.
Los sistemas de teléfonos inalámbricos son sistemas de comunicación en full dúplex que usan las ondas de radio para conectarse un aparato manual portátil a una estación base dedicada, la que está conectada a una línea de teléfono dedica con un número de teléfono específico sobre la Red de telefonía pública conmutada (PSTN). En su primera generación los sistemas de teléfonos inalámbricos (fabricados en los 1980s), la unidad portátil sólo se comunicaba con la unidad base dedicada y a lo largo de distancias de unas pocas decenas de metros.
Los primeros teléfonos operaban solo como extensión de teléfonos hacia un transceptor conectado a una línea de suscriptor sobre la Red de telefonía pública conmutada y eran primariamente para uso en el hogar.
Una segunda generación de teléfonos inalámbricos ha sido introducida recientemente, la que permite a los suscriptores usar sus aparatos manuales en muchas localizaciones externas dentro de áreas urbanas.
Los sistemas de teléfonos inalámbricos proporcionan al usuario un rango y movilidad limitados, dado que usualmente no es posible mantener una llamada si el usuario se mueve fuera del rango de la estación base.
Sistemas de telefonía celular.
Una red celular o de móviles consiste en un gran número de suscriptores inalámbricos que tienen teléfonos celulares (usuarios), que pueden ser usados en autos, edificios, en la calle o casi en cualquier lugar. Hay a la vez un número de estaciones base fijas, dispuestas de manera de proporcionar cobertura a los suscriptores.
Un sistema de telefonía celular proporciona una conexión inalámbrica a la red pública de conmutación de telefonía para cualquier ubicación de usuario dentro de radio de rango del sistema. Los sistemas celulares acomodan un gran número de usuarios dentro en un gran área geográfica, dentro de un espectro limitado de frecuencias. Los sistemas de radio celulares proporcionan un servicio de alta calidad que es con frecuencia comparable a aquel de los sistemas terrestres tradicionales. La elevada capacidad es alcanzada limitando la cobertura del transmisor de cada estación base a una pequeña área geográfica llamada celda, de manera que los mismos canales de radio puedan ser usados nuevamente por otra estación base, localizada a una distancia mas allá. Una técnica de conmutación sofisticada llamada transferencia de transmisión permite que una llamada permanezca ininterrumpida cuando el usuario se mueve desde un canal al otro.
El area cuierta por una estación base, o sea, el área desde la cual las llamadas entrantes alcanzan a la estación base, es llamada célula. Una figura frecuente de la celda es una región hexagonal con la estación base en el medio. Uno luego se imagina un ciudad o región dividida en un tramado de celdas (ver figura 1). En realidad, estas estaciones base están localizadas en forma un poco irregular, dependiendo de la localización de los espacios tales como terrazas de edificios o cimas de montañas que tienen una buena cobertura y pueden ser alquiladas o compradas. Similarmente, los usuarios móviles conectados a una estación base son elegidos por trayectos de buenas comunicación en lugar de la distancia geográfica.
La figura siguiente muestra un sistema celular básico que consiste en estaciones móviles, estaciones base y un Centro de conmutación móvil (MSC). El Centro de Conmutación Móvil es a veces llamado Oficina de conmutación telefónica (MTSO), dado que es responsable de conectar todos los móviles a la red pública de conmutación telefónica en un sistema celular. Cada móvil se conecta vía radio con una de las estaciones base y puede ser transferida a cualquiera de las estaciones base a lo largo de la duración de una llamada. La estación móvil contiene un transceptor, una antena y una circuitería de control, y puede ser montada en un vehículo o usado como unidad manual portátil. Las estaciones base consisten en varios transmisores y receptores que controlan simultáneamente comunicaciones bidireccionales y generalmente tienen torres que soportan varias antenas transmisoras y receptoras. La estación base sirve como base entre los móviles de los usuarios en la celda y conecta las llamadas simultáneas de móviles mediante líneas de teléfono o enlaces de microondas a la Central de conmutación móvil (MSC). La Central de conmutación móvil coordina las actividades de todas las estaciones base y conecta todo el sistema celular a la Red pública de conmutación telefónica (PSTN). Una central de conmutación móvil típica controla unos 100.000 celulares y 5000 conversaciones en forma simultánea a la vez. En grandes ciudades, varias MSC son usadas por una misma prestadora de servicios. |
Communication between the base station and the mobiles is defined by a standard common air interface (CAI) that specifies four different channels. The channels used for voice transmission from the base station to mobiles are called forward voice channels (FVC) and the channels used for voice transmission from mobiles to the base station are called reverse voice channels (RVC). The two channels responsible for initiating mobile calls are the forward control channels (FCC) and reverse control channels (RCC). Control channels are often called setup channels because they are only involved in setting up a call and moving it to an unused voice channel. Control channels transmit and receive data messages that carry call initiation and service requests, and are monitored by mobiles when they do not have a call in progress. Forward control channels also serve as beacons which continually broadcast all of the traffic requests for all mobiles in the system. Supervisory and data messages are sent in a number of ways to facilitate automatic channel changes and handoff instructions for the mobiles before and during a call.
How a Cellular Telephone Call is made
When a cellular phone is turned on, but is not yet engaged in a call, it first scans the group of forward control channels to determine the one with the strongest signal, and then monitors that control channel until the signal drops below a usable level. At this point it again scans the control channels in search of the strongest base station signal. For each cellular system correponding to the country where it is used, the control channels are defined and standardized over the entire geographic area covered and typically make up about 5% of the total number of channels available in the system (the other 95% are dedicated to voice and data traffic for the end-users). Since the control channels are standardized and are identical throughout different markets within the country or continent, every phone scans the same channels while idle. When a telephone call is placed to a mobile user, the MSC dispatches the request to all base stations in the cellular system. The mobile identification number (MIN), which is the subscriber's telephone number, is then broadcast as a paging message over all of the forward control channels throughout the cellular system. The mobile receives the paging message sent by the base station which it monitors, and responds by identifying itself over the reverse control channel. The base station relays the acknowledgment sent by the mobile and informs the MSC of the handshake. Then, the MSC instructs the base station to move the call to an unused voice channel within the cell (typically, between ten to sixty voice channels and just one control channel are used in each cell's base station). At this point the base station signals the mobile to change frequencies to an unused forward and reverse voice channel pair, at which point another data message (called an alert) is transmitted over the forward voice channel to instruct the mobile telephone to ring, thereby instructing the mobile user to answer the phone. Figure 6 shows the sequence of events involved with connecting a call to a mobile user in a cellular telephone system. All of these events occur within a few seconds and are not noticeable by the user.
Once a call is in progress, the MSC adjusts the transmitted power of the mobile and changes the channel of the mobile unit and base stations in order to maintain call quality as the subscriber moves in and out of range of each base station. This is called a handoff. Special control signaling is applied to the voice channels so that the mobile unit may be controlled by the base station and the MSC while a call is in progress.
When a mobile originates a call, a call initiation request is sent on the reverse control channel. With this request the mobile unit transmits its telephone number (MIN), electronic serial number (ESN), and the telephone number of the called party. The mobile also transmits a station class mark (SCM) which indicates what the maximum transmitter power level is for the particular user.
The cell base station receives this data and sends it to the MSC. The MSC validates the request, makes connection to the called party through the PSTN, and instructs the base station and mobile user to move to an unused forward and reverse voice channel pair to allow the conversation to begin. Figure 7 shows the sequence of events involved with connecting a call which is initiated by a mobile user in a cellular system.
All cellular systems provide a service called roaming. This allows subscribers to operate in service areas other than the one from which service is subscribed.
When a mobile enters a city or geographic area that is different from its home service area, it is registered as a roamer in the new service area. This is accomplished over the FCC, since each roamer is camped on to a FCC at all times. Every several minutes, the MSC issues a global command over each FCC in the system, asking for all mobiles which are previously unregistered to report their MIN and ESN over the RCC. New unregistered mobiles in the system periodically report back their subscriber information upon receiving the registration request, and the MSC then uses the MINIESN data to request billing status from the home location register (HLR) for each roaming mobile. If a particular roamer has roaming authorization for billing purposes, the MSC registers the subscriber as a valid roamer. Once registered, roaming mobiles are allowed to receive and place calls from that area, and billing is routed automatically to the subscriber's home service provider.
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La comunicación entre la estación base y los móviles es definida por un estándar llamado Interfaz de aire común (CAI) que especifica cuatro canales diferentes. Los canales usados para la transmisión de la voz desde estas estaciones son llamados Canales de tráfico directo (FVC) y los canales usados para la transmisión de la voz desde los móviles a las estaciones bases son llamados Canales reversos de voz (RVC). Los dos canales responsables para iniciar las llamadas móviles son el Canal de control directo (FCC) y el de Canal de control inverso (RCC). Los canales de control son frecuentemente llamados canales de configuración debido a que los mismos están solo involucrados en configurar una llamada y trasladarla a un canal de voz sin uso. Los canales de control transmiten y reciben mensajes de datos que transportan los pedidos de servicio de inicio de llamada, y están monitoreados por móviles cuando los mismos no tienen una llamada en progreso. Los canales de control directo sirven además como balizas que continuamente transmiten todos los pedidos de tráfico a todos los móviles en el sistema. Los mensajes de datos y de supervisión son enviados en varias formas para facilitar instrucciones de cambios automáticos de canal y cambio de bases para los móviles antes y durante una llamada.
¿Cómo se hace una llamada por teléfono celular. ?
Cuando un teléfono celular es encendido, pero aún no está en proceso de iniciar una llamada, el mismo primero rastrea el grupo de canales directos de control para determinar cuál es la señal más fuerte, y luego monitorea dicho canal de control hasta que la señal cae debajo del nivel útil. En este punto, el mismo nuevamente rastrea los canales de control en búsqueda de la señal de estación base más fuerte. Para cada sistema celular correspondiente al país en uso, los canales de control son definidos y estandarizado sobre toda en área geográfica cubierta y típicamente forman aproximadamente el 5% del número total de canales disponibles en el sistema (el otro 95% está dedicado a la voz y tráfico de datos para los usuarios finales). Dado que los canales de control están estandarizados y son idénticos en diferentes mercados dentro del país o continente, cada teléfono rastrea los mismos canales cuando el aparato está inactivo. El número de identificación de usuario (MIN), que es el número de teléfono del subscritor, es luego transmitido como mensaje de paginación sobre todos los canales directos de control a lo largo del sistema celular. El móvil recibe el mensaje de paginación enviado por la estación base que lo monitorea, y responde identificándose sobre el canal reverso de control. La estación base releva el reconocimiento enviado por el móvil e informa al Centro de conmutación de móviles (MSC) del protocolo de transferencia. Entonces, el MSC instruye a la estación base de que mueva la llamada a un canal de voz sin uso dentro de la celda (típicamente, entre diez a sesenta canales de voz y sólo un canal de control son usados en cada estación base de la celda). En este punto la estación base indica al móvil que cambie frecuencias a un par de canales de voz directos y reversos, en dicho punto otro mensaje de datos (llamado alerta) es transmitido sobre el canal de voz directo para instruir al teléfono móvil que suene, por lo tanto requiriendo al usuario del móvil que atienda el teléfono. La figura 2 muestra la secuencia de eventos involucrados en la conexión de una llamada a un móvil usuario en un sistema de telefonía celular. Todos estos eventos ocurren en unos pocos segundos y no son perceptibles por el usuario.
Una vez que la llamada está en progreso, el MSC ajusta la potencia transmitida del móvil y cambie el canal de la unidad móvil y estaciones base de manera de mantener la calidad de la llamada a medida que el suscriptor se desplaza dentro y fuera del rango de cada estación base. Esto se llama handoff o transferencia de transmisión. Señalización especial de control es aplicada a los canales de voz de manera que la unidad móvil pueda ser controlada por la estación base y el MSC mientras una llamada está en progreso. Cuando el móvil origina una llamada, un pedido de iniciación de llamada es enviado en el canal de control reverso. Con este pedido la unidad móvil transmite su número telefónico (MIN), número de serie electrónico (ESN), y el número de teléfono del usuario llamado. El móvil transmite además una marca de clase de estación (SCM) que indica cuál es el nivel de la potencia máxima de transmisión para el usuario particular.
La estación base de la celda recibe estos datos y los envía al MSC. El MSC valida el pedido, hace la conexión al usuario llamado a través de la PSTN, e indica a la estación base y al usuario móvil moverse a un par canal de voz directo y reverso para permitir que la conversación comience. La figura 3 muestra la secuencia de eventos involucrados con la conexión de una llamada que es iniciada por un usuario de voz en un sistema celular. Todos los sistemas celulares proporcionan un servicio llamado roaming. Este permite a los suscriptores operar en áreas de servicio diferentes a aquella en la cual el servicio fue suscripto. Cuando un móvil ingresa a una ciudad o área geográfica que es diferente a su área de servicio, el mismo es registrado como usuario de teléfono móvil en la nueva área de servicio. Esto es llevado a cabo sobre los Canales de control directo (FCC), dado que cada usuario de teléfono móvil está en espera sobre un FCC en todo momento. Cada tantos minutos, el MSC emite un comando global sobre cada FCC en el sistema, pidiendo a todos los móviles que estaban previamente sin registrar que informen su MIN y ESN sobre los Canales de control reverso (RCC). Los móviles nuevos no registrados en el sistema devuelven su información de suscripción al recibir el pedido de registro, y el MSC entonces usa los datos MINIESN para solicitar el estado de facturación del registro de localización de llamada (HLR) para cada usuario de teléfono móvil. Si un usuario de teléfono móvil tiene autorización de roaming para propósitos de facturación, el MSC registra el suscriptor como usuario válido. Una vez registrado, los móviles en roaming son habilitados para recibir y realizar llamadas desde dicha área, y la facturación es enviada automáticamente al proveedor de servicio de hogar del suscriptor. |
