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Mobile cellular telecommunications systems

Long-distance communication began with the introduction of telegraphs and simple coded pulses, which were used to transmit short messages. Since then, numerous advances have rendered reliable transfer of information both easier and quicker.

There is a long history of how the field has evolved and how telephony has introduced a convenient way of conversing by transmitting audio signals. Hardware connections and electronic switches have made transfer of digital data feasible.

The ‘radio spectrum’ is a term that scientists, engineers and policymakers use to classify a vast and otherwise undifferentiated swath of electromagnetic energy that exists in the universe. This form of energy makes possible the development and use of technologies such as broadcast radio and TV, garage door openers, remote controlled toy airplanes, geographic positioning systems (GPS) and mobile phones.

In fact, none of these technologies would be possible without the pioneering work of people like the French mathematician Jean-Baptiste Fourier (1768–1830), who first theorized an idea of radio spectrum or the entrepreneurship of Guglielmo Marconi (1874–1937) who is credited with the first successful experiments in wireless telegraphy in the late 19th century.

With a growing stock of theoretical and practical knowledge in the technique of wireless transmission, entrepreneurs in the early 20th century developed the first reliable radio systems and the spectrum (sometimes called ‘RF’ for radio frequency) quickly became recognized as a radically new means by which human beings could communicate. This recognition would bring immense changes to maritime communications and military strategy; it would also inspire the birth of new forms of entertainment, revolutionize industrial techniques and inaugurate a major globalization initiative to coordinate its use within and across international borders.

In the early years there was comparatively little need to differentiate between various sections of the radio spectrum because there was relatively modest demand for access to it. At that time anybody could build and operate a radio system. Soon, however, the growing popularity of amateur and broadcast radio stations created interference problems and led to political pressure to manage this resource so that it could meet growing demand, particularly for commercial interests in an emerging broadcasting industry. Over the past century, nationally and internationally supervised spectrum management programmes have become the means by which access to the radio spectrum is controlled. At the heart of these programmes is a system for dividing radio spectrum into discrete bands of frequencies, and then allocating those frequencies for specific types of use.

One reason for dividing the radio spectrum into discrete bands is because radio energy possesses both electrical and magnetic properties, which makes different portions of the spectrum suitable for different purposes. In fact, it is the interaction of the electrical and magnetic properties of radio energy combined with changing social demands for particular kinds of radio communications systems that makes spectrum management a socio-technical undertaking, often of considerable complexity and controversy.

The use of the Internet has added another dimension to the wireline communication field, and both voice and data are being processed extensively. In parallel to wireline communication, radio transmission has progressed substantially. Feasibility of wireless transmission has brought drastic changes in the way people live and communicate.

New innovations in radio communication have brought about the use of this technology in new application areas.

Wireless systems have been around for quite some time, and their obvious use in garage-door openers and cordless telephones has gone unnoticed until recently.

The introduction of affordably priced wireless telephones has made them attractive for the general population. Their main usefulness is their capability to maintain the same contact number even if the user moves from one location to another. Wireless systems have evolved over time, and the chronological development of first-generation (1G) and second generation (2G) cellular systems (known as mobile systems outside North America).

The first generation of mobile cellular telecommunications systems appeared in the 1980s. The first generation was not the beginning of mobile communications, as there were several mobile radio networks in existence before then, but they were not cellular systems either. The capacity of these early networks was much lower than that of cellular networks, and the support for mobility was weaker.

Sistemas de telecomunicación celular móvil

Las comunicaciones a larga distancia comenzaron con la introducción del telégrafo y simples pulsos de código, los que fueron usados para transmitir mensajes cortos. Desde entonces, numerosos avances han vuelto la transferencia de información tanto mas fácil y rápida. Existe una larga historia de cómo el campo ha evolucionado y cómo la telefonía ha introducido una manera conveniente de transmitir señales de audio. Las conexiones de hardware y los conmutadores electrónicos han vuelto la transferencia de datos digitales una realidad.

El “espectro de radio” es un término que los científicos, ingenieros y políticos usan para clasificar una vasta y a la vez amplia variedad  de energía electromagnética que existe en el universo. Esta forma de energía hace posible el desarrollo y uso de tecnologías tales como las transmisiones de radio y TV, controles remotos de puertas de garaje, aviones de juguete a control remoto, sistemas de posicionamiento global (GPS) y teléfonos móviles.

De hecho ninguna de estas tecnologías seria posible sin el trabajo pionero de gente como el matemático francés Jean-Baptiste Fourier (1768–1830), quien teorizó primero una idea de espectro radioeléctrico o el emprendimiento  de Guglielmo Marconi (1874–1937) a quien se atribuye los primeros experimentos exitosos en la telegrafía inalámbrica a finales del siglo XIX.

Con una creciente acumulación de conocimiento teórico y práctico en las técnicas de transmisión inalámbrica, los emprendedores a comienzos del siglo XX desarrollaron los primeros sistemas confiables de radio y el espectro ( a veces llamado “RF” por radio frecuencia) rápidamente se volvió reconocido como nuevo medio radical por el cual los seres humanos podrían comunicarse. Este reconocimiento traería cambios inmediatos en las comunicaciones marítimas y en la estrategia militar; lo mismo que inspiraría el nacimiento de nuevas formas de entretenimiento, revolucionaría las técnicas industriales e inauguraría una grandiosa iniciativa global para coordinar su uso dentro y a través de las fronteras internacionales.

En los primeros años había comparativamente poca necesidad de diferenciar entre varias secciones del espectro radial debido a que había una relativa escasa demanda para acceder al mismo. En aquellos tiempos cualquiera podía construir y operar sistemas de radio. Pronto, sin embargo, la creciente popularidad de las estaciones de radio amateur y de transmisión crearon problemas de interferencias y trajeron aparejada una presión política para controlar este recurso de manera que el mismo pudiera cumplir con la creciente demanda, particularmente para intereses comerciales dentro de una industria creciente de transmisoras. A lo largo del siglo pasado, programas de control del espectro supervisados internacionalmente se volvieron los medios por los cuales de espectro radial es controlado. En el corazón de estos programas está un sistema para dividir el espectro radial en bandas discretas de frecuencias, y luego asignarlas para tipos específicos de uso.

Una razón para dividir el espectro radial en bandas discretas es debido a que la energía transmitida posee tanto propiedades eléctricas como magnéticas, que hacen a las diferentes porciones del espectro adecuadas para diferentes propósitos. Tal es así que es la interacción de las propiedades eléctricas y magnéticas de la energía irradiada, combinadas con las cambiantes demandas sociales para tipos de sistemas de comunicación por radio, que hace al control del espectro un emprendimiento socio-técnico, con frecuencias de considerable complejidad y controversia.

El uso de Internet a agregado otra dimensión al campo de las comunicaciones por línea, y tanto la voz como los datos son procesados extensivamente. En paralelo con las comunicaciones por cable, la transmisión por radio ha progresado sustancialmente. La factibilidad de las transmisiones por cable ha traído cambios drásticos en la manera en que la gente vive y se comunica. Nuevas innovaciones en las comunicaciones por radio han dado lugar al uso de esta tecnología en nuevas áreas de aplicación.

Los sistemas inalámbricos han existido desde hace tiempo, y su uso obvio en abrepuertas para garaje y teléfonos inalámbricos han pasado desapercibidos hasta hace poco.

La introducción de la telefonía sin hilos a precios accesibles los ha vuelto atractivos para la población en general. Su uso principal es su capacidad para mantener el mismo número de contacto aún si el usuario se mueve de una ubicación a la otra. Los sistemas inalámbricos han evolucionado con el paso del tiempo, y dio lugar al desarrollo cronológico de la primera generación (1G) y la segunda generación (2G) de los sistemas celulares ( conocidos como sistemas móviles fuera de América del Norte).

La primera generación de sistemas de telecomunicaciones por celulares móviles apareció en los años 1980s. La primera generación no fue el inicio de las comunicaciones móviles, ya que había varias redes de radio móviles en existencia antes que la misma, pero no se trataban de sistemas celulares. La capacidad de estas primeas redes era mucho menor que la de las redes celulares, y el apoyo a la movilidad era más débil.

Figure: Coverage aspect of third-generation wireless communications systems.

Figura: Aspecto de la cobertura de los sistemas de comunicación inalámbrica de tercera generación.

In mobile cellular networks the coverage area is divided into small cells, and thus the same frequencies can be used several times in the network without disruptive interference. This increases the system capacity. The first generation used analog transmission techniques for traffic, which was almost entirely voice. There was no dominant standard but several competing ones.

The most successful standards were Nordic Mobile Telephone (NMT), Total Access Communications System (TACS), and Advanced Mobile Phone Service (AMPS). Other standards were often developed and used only in one country, such as C-Netz in West Germany and Radiocomm 2000 in France .

The first-generation wireless systems were primarily developed for voice communication using frequency division multiplexing. To have efficient use of communication channels, time division multiplexing was used in the second-generation systems so that data could be also processed.

The second-generation (2G) mobile cellular systems use digital radio transmission for traffic. Thus, the boundary line between first- and second generation systems is obvious: It is the analog/digital split. The 2G networks have much higher capacity than the first-generation systems. One frequency channel is simultaneously divided among several users (either by code or time division). Hierarchical cell structures—in which the service area is covered by macrocells, microcells, and picocells—enhance the system capacity even further.

There are four main standards for 2G systems: Global System for Mobile (GSM) communications and its derivatives; digital AMPS (D-AMPS); code division multiple access (CDMA) IS-95; and personal digital cellular (PDC).

 

En las redes celulares móviles el área de cobertura era dividida en pequeñas celdas, y así las mismas frecuencias podían ser usadas varias veces en la red sin interferencia disruptiva. Esto incrementa la capacidad del sistema. La primera generación usaba técnicas de transmisión analógica para el tráfico, que era casi por completo de voz. No había un estándar dominante sino varios que competían entre sí.

Los estándares mas exitosos eran Nordic Mobile Telephone (NMT), Total Access Communications System (TACS), y Advanced Mobile Phone Service (AMPS).  Otros estándares eran con frecuencia desarrollados para ser usados sólo en un país, como el C-Netz en Alemania Occidental y Radiocomm 2000 en Francia.

La primera generación de sistemas sin hilos fueron primariamente desarrollados para comunicaciones de voz usando el multiplexado por división de frecuencia. Para tener un uso eficiente de los canales de comunicación, el multiplexado por división de tiempo fue usado en los sistemas de segunda generación de manera que datos pudieran además ser procesados.

Los sistemas celulares móviles de segunda generación (2G) usan transmisión digital por radio para el tráfico. Así, la línea limítrofe entre los sistemas de primera y segunda generación es obvia: es la división analógica/digital. Las redes 2G tienen mucha mayor capacidad que los sistemas de la primera generación. Un canal de frecuencia es simultáneamente dividido entre varios usuarios ( tanto por código como por división de tiempo). Estructuras de celdas jerárquicas – en las  cuales el área de servicio es cubierta por macrocélulas, microcélulas y picocélulas – incrementan la capacidad del sistema aún mas.

Hay cuatro estándares principales para sistemas 2G: “Global System for Mobile (GSM) communications”  y sus derivados; “digital AMPS (D-AMPS)”; “code division multiple access (CDMA) IS-95”; y “personal digital cellular (PDC)”.

 

 

GSM is by far the most successful and widely used 2G system. Originally designed as a pan-European standard, it was quickly adopted all over the world. Only in the Americas has GSM not reached a dominant position yet. In North America, Personal Communication System-1900 (PCS-1900; a GSM derivative, also called GSM-1900) has gained some ground, and in South America, Chile has a wide-coverage GSM system. However, in 2001 the North American time-division multiple access (TDMA) community decided to adopt the Third Generation Partnership Project (3GPP)-defined wideband CDMA (WCDMA) system as its 3G technology, and as an intermediate solution in preparation for WCDMA many IS-136 systems did convert to GSM/GPRS.

The second-generation wireless systems have been designed for both indoor and vehicular environments with an emphasis on voice communication. An increased acceptance of mobile communication networks for conventional services has led to demands for high bandwidth wireless multimedia services. These ever growing demands require a new generation of high-speed mobile infrastructure networks that can provide the capacity needed for high traffic volumes as well as flexibility in communication bandwidth or services.

There is a need for frequent Internet access and multimedia data transfer, both of which may also involve the use of satellite communication. Thus, the third-generation (3G) systems (IMT-2000: International Mobile Telecommunications 2000) need to support real-time data communication while maintaining compatibility with second-generation systems. The third-generation systems evolved due to the need for transmitting integrated voice, data, and multimedia traffic.

The channel capacity is still limited, and attempts are being made to compress the amount of information without compromising the quality of received signals.

Note that although the world is now busy moving into 3G networks, these first-generation networks are still in use. Some countries are even launching new first-generation networks, and many existing networks are growing. However, in countries with more advanced  telecommunications infrastructures, these first-generation systems will soon be, or already have been, closed, as they waste valuable frequency spectrum that could be used in a more effective way for newer digital networks .

There are two schools of thought on the third-generation systems. In the United States, people are inclined to use cdma2000 as the basic technology, while in Europe and Japan, W-CDMA is being considered as the future scheme. In principle, both these schemes are similar, but there are differences in their implementations. These are basically design issues. There are subtle differences between wireless and mobile systems—for example, a system could be immobile but wireless, or a system could be mobile but not wireless.

For the purpose of this text, we do not differentiate between the two and use these terms interchangeably.

Wireless telephones are not only convenient but are also providing flexibility and versatility. Thus, there have been a growing number of wireless phone service providers as well as subscribers. It is expected that third-generation wireless systems will have many subsystems, with different requirements, characteristics, and coverage areas. The term cell basically represents the area that can be covered by a transmitting station, usually called a base station (BS), and pico, micro, macro, and so on primarily indicate the relative size of the area that can be covered.

Different size cells are primarily needed due to the fact that in some areas, such as downtown or a big office complex, a large number of wireless telephone users may be present and served by a smaller size cell. This enables having a larger number of channels allocated to each cell, which is assumed to be the same or independent of the cell size. The idea is to maintain the same number of channels per customer and try to have a similar quality of service in all areas.

El GSM es por mucho el sistema 2G mas exitoso y ampliamente usado. Originalmente diseñado como sistema paneuropeo, el mismo fue rápidamente adoptado en todo el mundo. Sólo en la Américas el GSM no ha alcanzado una posición dominanto aún. En América del Norte, “Personal Communication System-1900” (PCS-1900; un derivado de GSM , llamado además GSM-1900) ha ganado algo de terreno, y en Sudamérica, Chile dispone de un sistema GSM de amplia cobertura. Sin embargo, en 2001 la comunidad de acceso múltiple por división de tiempo de Norteamérica (TDMA) decidió adoptar el  sistema “Third Generation Partnership Project (3GPP)” o sea proyecto de asociación de tercera generación definido como CDMA (WCDMA)  como su tecnología 3G, y como una solución intermedia en la preparación para el sistema de banda ancha WCDMA muchos sistemas IS-136 se tuvieron que convertir a GSM/GPRS.

Los sistemas de transmisión inalámbrica de segunda generación han sido diseñados tanto para ambientes interiores como para dentro de los vehículos con un énfasis en las comunicaciones por voz. Una creciente aceptación de las redes de comunicación móvil para servicios convencionales ha llevado a demandas de servicios de multimedia inalámbrica de elevado ancho de banda. Estas demandas siempre crecientes requieren de una nueva generación de redes de alta velocidad, de infraestructura para móviles que puedan proporcionar la capacidad necesaria para elevados volúmenes de tráfico, así como flexibilidad en anchos de banda de comunicaciones o servicios.

Existe una necesidad de frecuentes accesos a Internet y transferencias de datos de multimedia, con ambos casos requiriendo el uso de comunicaciones satelitales. Así, los sistemas 3G de tercera generación (IMT-2000: International Mobile Telecommunications 2000 o sea Telecomunicaciones móviles internacionales 2000) necesitan soportar en tiempo real las comunicaciones de datos manteniendo a la vez compatibilidad con los sistemas de segunda generación. Los sistemas de tercera generación evolucionaron debido a la necesidad de la transmisión de voz, datos y tráfico de multimedia.

La capacidad del canal es aún limitada, y esfuerzos se llevan a cabo para comprimir la cantidad de información sin comprometer la calidad de las señales recibidas.

Téngase en cuenta que a pesar de que el mundo está ahora ocupado en la transición hacia las redes 3G, las redes de primera generación están aún en uso. Algunos países están aún lanzando redes de primera generación, y muchas redes existentes están en crecimiento. Sin embargo, en países con infraestructuras de comunicaciones mas avanzadas, estos sistemas de primera generación pronto serán, o ya han sido cerrados, debido a que ocupan un valioso espectro de frecuencias que podría ser usado de una manera mas efectiva para nuevas redes digitales.

Existen dos escuelas de pensamiento sobre los sistemas de tercera generación. En los Estados Unidos, la gente se inclina al uso de la cdma2000 como tecnología básica, mientras que en Europa y Japón, la W-CDMA está siendo considerada como el esquema futuro. En principio, ambos esquemas son similares, pero existen diferencias en su implementación. Hay básicamente temas de diseño. Existen ligeras diferencias entre los sistemas inalámbricos y los sistemas móviles – por ejemplo, un sistemas podría estar inmóvil pero ser inalámbrico, o un sistema podría ser móvil pero no inalámbrico.

Para propósitos de este texto, no hacemos diferencia entre ambos y usamos los términos en forma alternativa.

Los teléfonos inalámbricos no solo con convenientes sino que además proporcionan flexibilidad y versatilidad. Así, ha habido un número creciente de servicios de telefonía inalámbrica, con diferentes requerimientos, características y áreas de cobertura. El término celda básicamente representa el área que puede ser cubierta por una estación trasmisora, usualmente llamada una estación base (BS), y pico, micro, macro y así sucesivamente indican primariamente el tamaño relativo del área que puede ser cubierta.

Celdas de diferentes tamaños son primariamente necesarias debido al hecho de que en algunas áreas, tales como el centro de una ciudad o en un gran complejo de oficinas, un gran número de usuarios de telefonía inalámbrica pueden estar presentes y servidos por una celda de tamaño mas chico. La idea es mantener el mismo número de canales por cliente y tratar de tener calidad similar de servicio en todas las áreas.

 

 

 

 
 

 

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