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ESTÁNDARES EN TELECOMUNICACIONES 2.1 INTRODUCCION El presente texto pretende ser una guía de un tema de actualidad como lo es la estandarización en la industria de las telecomunicaciones y dar una visión general de estos temas y otros como las nuevas tecnologías de conmutación digital desarrolladas en años recientes. 2.2 TERMINOS BÁSICOS Y DEFINICIONES 2.2.1 RECOMENDACIÓN Y ESTÁNDAR Una recomendación es un consenso, si es seguido por la mayoría puede ser adoptado como un estándar. La adherencia al estándar y la recomendación es voluntaria. Los estándares y recomendaciones son editados por organismos internacionales. Los estándares racionalizan el rango de los productos, es el mercado para alcanzar y mantener un nivel de calidad. Una recomendación es hasta cierto punto mas débil que un estándar pero en la practica funciona como un estándar. 2.2.2 ESTÁNDARES DE HECHO Un producto que penetra rápidamente el mercado puede ganar el estatus de estándar de facto, especialmente si es el primer producto en una nueva área en la cual no hay estándares. Cuando un producto nuevo ha cautivado el mercado, otros fabricantes comienzan a adoptarlo como estándar de facto, como por ejemplo MSDOS, VHS etc. Una compañía puede crear un estándar de hecho si: • No hay estándares en esa área o productos. • Si el producto es el primero en su tipo en el mercado. • Si el producto es un producto clave. • Si el producto captura un gran mercado para competir en el ámbito internacional. ESTANDARES EN TELECOMUNICACIONES
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EL CANAL DE VOZ AMPS
Figura 3.22.- Symbolic representation of forward and reverse voice channel.
En Fm: La portadora de alta frecuencia, C(t), varía de acuerdo con la señal modulante de baja frecuencia, m(t) y se produce la señal portadora modulada S(t). En el proceso de modulación en FM (mover la portadora C(t) hacia atrás y hacia delante de su frecuencia original wc) se generan bandas laterales con las siguientes frecuencias: + (fc ± fm) + (fc ± 2fm) ... etc. donde: fm es la frecuencia de la señal modulante m(t).
Para una señal modulante de tono único, m(t), cada banda lateral generada está separada de su vecino por una cantidad igual a la frecuencia de la señal modulante, fm. Después de la modulación, parte de la potencia de la señal portadora es distribuida entre las bandas laterales, ver Figura 3.25. Las bandas laterales adyacentes (más cercanas a wc) toman parte de la potencia. Las bandas laterales de más alto orden son más débiles (toman menos potencia de la portadora) y por lo tanto, son atenuadas (casi eliminadas) por medio de filtros de post-modulación. Por esta razón los canales adyacentes pueden coexistir con un nivel aceptable de interferencia, C/I. Figura 3.23.- Frequency modulation (FM).
Figura 3.24.- FM sidebands.
Figura 3.25.- FM sideband power due to weak and strong modulating signal. Una señal modulante de baja intensidad (bajo voltaje) toma menos energía de la portadora y generará pocas bandas laterales.
Una señal modulante de alta intensidad (voltaje grande) toma más energía de la portadora y generará muchas bandas laterales. El BW de Tx en FM depende de: + El voltaje de la señal modulante. + La frecuencia de la señal modulante. Por lo tanto, es necesario controlar: + Voltaje y frecuencia de la señal modulante para mantener el espectro de potencia dentro de los 30 kHz de BW de Tx. FM is used for AMPS óbice channels:
Figura 3.26.- FM is used for AMPS voice channels.
Two signals simultaneously modulate the AMPS cellular voice channel: User´s voice waveform: + Complex, many frequencies approx.. 300Hz to 3500 Hz. + Peak deviation limited to ±12 kHz. Supervisory Audio Tone ('SAT'): + Tone frequency 5970, 6000, or 6030 Hz. + Peak deviation set as ± 2.0 kHz. .- The resulting composite FM signal fits within the assigned 30 kHz.- wide channel: + Signal Tone at 10 kHz with ± 8 kHz deviation is also transmitted in occasional bursts for call control. .- A closer look at analog FM. How much bandwidth is required: Figura 3.27.- A closer look at analog FM.
As time passes, the carrier moves back and forth in frequency in exact step with the input signal: + Frequency deviation is proportional to the input signal voltage. + A group of many sidebands is created, spaced from carrier by amounts N x fi. + Relative strength of each sideband depends on Bessel function of (input signal freq./freq. deviation). + Strength of individual sidebands far away from the carrier is proportional to (freq. deviation x input frequency). Carson's Rule: Bandwidth required = 2 x (highest input frequency + frequency deviation)
The supervisory audio tone, SAT: El SAT es Tx: .- Sobre el FOVCH (BS a móvil)
Sobre el REVCH (Móvil a la BS) El objetivo del SAT es indicar la continuidad de una llamada. La pérdida del SAT indica: + Terminación de una llamada. + Hand-off. Sólo hay tres frecuencias de SAT: 5970 Hz, 6000 Hz, 6030 Hz. Cada SAT es asignado a un 'clúster' de célula de tal manera que el mismo SAT no sea asignado a un canal reutilizado. Las frecuencias del SAT distinguen sitios co-canal. A cada BS se la asigna un SAT. El SAT es Tx sobre el canal de voz. El móvil Rx el SAT y lo retransmite a la BS. El SAT es continuo durante cada llamada. Si el SAT es distinto a SCC ( SAT Color Code), se silencia la voz (implica que esa señal Rx no es de esa célula o clúster). Si el SAT es inválido el Tx se apaga. Si no se recibe un SAT válido en 5 seg., se apaga el Tx. El tono de señalización ST: El móvil Tx el ST (10 kHz) sobre el REVCH. Indica un 'acknowledge' a algunos comandos recibidos de la BS. Una ráfaga de ST de 50 mseg indica un acknowledge de hand-off. Transmisión de datas sobre el canal de voz: Figura 3.28.- AMPS voice channel frame structure during hand-off.
.- Ocurre durante l hand-off. .- Se utiliza para Tx datos de asignación de canal. .- La voz, el SAT y el ST son silenciados. .- Se utiliza FSK con ± 18 kHz de desviación (igual que el canal de control) .- La velocidad es de 10 kbps. .- Se Tx 40 bit's de datos (word) codificados en BCH. .- El hand-off dura aproximadamente 200 mseg. .- En el FOVCH la palabra se repite, se Tx, 11 veces. .- En el REVCH la palabra se repite, se Tx, 5 veces. Estas dos últimas características, es para asegurar que se reciban los datos, ya que al estar el móvil en la región de hand-off, la señal es débil. FSK ( Frequency Shift Kying) for AMPS cellular control menssage: Figura 3.29.- FSK ( Frequency Shift Keying).
.- Input signal is Manchester-encoded data (no DC component) + 10 kB rate. .- Output signal is FSK-modulated:
+ ±8 kHz deviation. + Binary 0 = fc -8 kHz + Binary 1 = fc +8 kHz On voice channels, when system messages must be sent, the FM voice and SAT modulation is briefly muted and replaced by FSK (this is called 'blank and burst' mode). On control channels, FSK data is transmitted exclusively (no voice). 3.5.- El canal d localización en AMPS (Locate Receiver). Cada canal de voz es 'muestreado' por un 'scanner' receptor, conocido como: ''Locate Channel Receiver'' (L.R.). Figura 3.30.- AMPS locate channel receiving mechanism, located in each cell or sector. The transmitter is disabled from each locate radio.
El Locate Receiver se ubica en la BS. Al recibir un comando del MSC, los LR monitoréan las unidades móviles y miden sus respectivas intensidades de señal (SRI), detectan la presencia del SAT. Los LR juegan un papel muy importante en el proceso de hand-off ya que: reportan al MSC las SRI detectadas. Con estos reportes el MSC: + Determina la ubicación y dirección de movimiento de un móvil. + Instruye al móvil a sintonizarse a la frecuencia de una célula adyacente. + La ausencia del SAT indica hand-off o llamada caída. Las actividades del LR también se conocen como ''supervisión de llamadas''.
El LR está activo durante toda la duración de llamada de cada móvil, por lo tanto, está sujeto a límites en su capacidad. La cantidad de mensajes debido a los hand-off (actividad del LR), podría superar la capacidad del LR y saturarlo, esto o- casionaría llamadas caídas (en hand-off), por lo tanto sería necesario agregar otro LR en la BS. Antes de agregar otro LR, es necesario analizar a fondo la capacidad del actual. Para estudiar la capacidad del LR, se utiliza el modelo de la figura 3.1, donde el LR es manejado por un sintetizador de fre- cuencias. Figura 3.31.- Illustration of locate receiver capacity.
Puesto que la función del LR es medir SRI, al detectar el SAT, de varios móviles, su capacidad se puede calcular como: Locate Channel Capacity
; donde: TL: frecuencia del reloj. TRSSI: tiempo de medición del SRI. TSAT: tiempo de medición del SAT. Por ejemplo: Si TL = 25 mseg, TRSSI = 50 mseg y TSAT = 150 mseg. Locate Channel Capacity
TDMA is a full duplex communication system: Figura 3.32.- TDMA is a Full Duplex Communication System.
Figura 3.34.- North American TDMA.
NA-TDMA (IS-54/IS-136) is a narrowband 30 kHz mobile cellular system. .- Is supports both AMPS & TDMA - Dual mode. .- Since the bandwidth is only 30 kHz, the digitized 64 kbs data is: + Compressed by a vocoder. + Encoded for error control. + Interleaved for randomization. + Modulated, amplified and transmitted.
.- TDMA principio: Figura 3.34.- TDMA Principle.
.- The 12.5 MHz band is equally divided into 416 channels, 30 kHz per channel. .- Each 30 kHz channel is time shared by three mobiles: + When one mobile has access, other two are idle. + This is done by means of a special frame structure. .- TDMA transmission format: forward link: .- Control channels are used for channel assignment & signaling. .- Traffic channels are used for voice communication. Figura 3.35.- TDMA Transmission Format: Forward link. .- Continuous transmission. .- Based on a 40 mseg frame. .- 6 time slots. .- 6.66 mseg/slot. .- Each tim slot contains 324 bit´s or 162 symbols (QPSK): + 1 symbol = 2 bit's .- The time slots are paried as: 1-4, 2-5, 3-6. .- This arrangement enables three mobiles to access the same 30 kHz channel, one at a time. .- Information rate: + 8 kbs compressed data with rate ½ conv. encoder = 16 kbs encoded data. + Timing and sync and overhead are added to accomplish 16.2 kbs/user. + 3 x 16.2 = 48.6 kbs.
TDMA transmission format: reverse link:
Figura 3.36.- TDMA Transmission Format: Reverse link.
.- Periodic transmission. .- 40 mseg frame. .- 6 time slots .- 6.66 mseg/timeslot. .- 16.2 kbs per mobile. .- 48.6 kbs data transmitted to the base station. TDMA time slots and data field structure:
Figura 3.37.- TDMA time slots and data field structure
.- Each time slot is divided into several sub-fields. .- Each sub-field is different and has its own data field that defines the message structure.
.- TDMA data field description: Figura 3.38.- TDMA data field description.
.- G = Guard time: used by mobiles to avoid collisions. .- R = Ramp time: used by mobiles to accommodate delays. .- Data = User information (compressed) - Conv. encoded. .- SYNCH = Used by both base & mobiles for time slot synchronization: + Used for time slot synchronization. + 28 bit's unique word, correlation detetion process. .- FACCH = Fast associated control channel: + Used for signaling between base & mobile.
+ Data is replaced during this process - hand-off. + Voice quality is degraded during this process. + FACCH is rate ½ conv. encoded. .- SACCH = Slow associated control channel: + Used for signaling between base & mobile. + Dedicated and continuous - e.g. chan. Assignment ack. + Rate ½ conv. encoded. .- CDVCC = Coded digital verification color code: + 8 bit's code, encoded to 12 bit's - Block coding. + Has 255 distinct values (all zero pattern is not used). + Used for co-channel identification, similar to SAT in AMPS. + Co channel site uses a different DVCC code. .- Frame transmission Protocol: Figura 3.39.- Frame transmission protocol.
.- 25 frames per second - frame duration: 40 milliseconds. .- Time slot: + Six timeslots per frame. + 324 bit´s of information per fram. + Individual communication busrts occupy different timeslots. + Current implementation using the 'full rate' speech coder serves three users, each one occupying two timeslots per f- rame (i.e. 1 & 4, 2 & 5, or 3 & 6). .- Uplink and downlink protocol: Figura 3.40.- Uplink and dawnlink protocol.
.- The base station transmits a continuous stream of data containing frames oftimeslots for multiple users. .- The mobile listens to this continuous stream, extracting and processing only the timeslots assigned to it. .- The mobile transmits to the base station in bursts, only on its assigned timeslots. .-p/4 DQPSK is used for IS-54 & IS-136 TDMA: Voice channel modulation: Figura 3.41.- p/4 DQPSK.
.- DQPSK differential quadranture phase shift keying. .- Differential: no absolute phase reference; each symbol is referenced only against the previous symbol: + This greatly simplifies the decoder.
.- Quadrature: four possible phase shift amounts; therefore, each symbol carries two bit´s (efficient!). .- p/4: additional phase shift resolves phase ambiguity of ordinary DQPSK. .- FSK (Frequency shift keying) is used for IS-54 TDMA control channel modulation: Figura 3.42.- FSK is used for IS-45 TDMA control channel modulation.
.- Input signal: is Manchester-encoded data (no DC component): + 10 kB rate. .- Output signal: is FSK-modulated: + ±8 kHz deviation. + Binary 0 = fc - 8 kHz. + Binary 1 = fc - 8 kHz. .- On voice channel, when system message must be sent, the FM voice and SAT modulation is briefly muted and replaced by FSK (this is called ''blank and burst'' mode). .- On control channels, FSK data is transmitted exclusively (no voice). .-p/4 DQPSK modulation is used for IS-136 TDMA control channel modulation:
Figura 3.43.- p/4 DQPSK modulation is used for IS-136 TDMA control channel modulation
.- DQPSK differential quadrature phase shift keying. .- Differential: no absolute phase reference; each symbol is referenced only against the previous symbol: + This greatly simplifies the decoder!. .- Quadranture: four possible phase shift amounts; therefore, each symbol carries two bit´s (efficient!). .-p/4: additional phase shift resolves phase ambiguity of ordinary DQPSK. .- Control channel capacity = voice ch, capacity. .- Comparison of QPSK and FSK: Figura 3.44.- Comparison of QPSK and FSK.
Power Spectral Density: .- QPSK main lobe narrower than FSK: + QPSK better for high capacity applications such as voice channels of TDMA cellular. .- FSK side lobes roll of faster than QPSK:
+ FSK better for control channel use. .- Other observations: + FSK modulation simpler to implement. + With filtering, both methods meet EIA standard attenuation > 26 dB on adj. ch. BER performance: .- QPSK approx.. 3 dB better than FSK: Eb/No (dB) = (S/N)(BNR) ;donde Eb = Energy per bit. No = Noise per bit. N = Total noise power. S = Signal power. BN = Noise bandwidth. R = Bit rate.
TDMA: error control: Figura 3.45.- TDMA: error control.
IS-54 TDMA uses serveral techniques to protect the transmitted data in the hostile, error-prone RF transmission environment. After speech coding, the following steps occur: .- Convolutional encoding:
+ The data is combined with an error-recovery code and expanded. .- Interleaving: + Each block of coded speech is spread across two frames. .- RF tansmission. .- De-interleaving: + Blocks of speech are reassembled. .- Convolutional decoding: + Most error are corrected using the convolutional code. Adaptación Jorge Eduardo Higuera P [email protected]
