5.15: Las primeras generaciones de la radio
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5.8.1 1G, Primera Generación: Radio Analógica
El sistema de radio celular inicial fue analógico, siendo el sistema dominante AMPS, cuyos atributos se dan en la Tabla\(\PageIndex{2}\). Se trata de un sistema relativamente simple, pero apropiado para los bajos niveles de integración de la década de 1980, ya que la mayor parte de la funcionalidad podría realizarse utilizando circuitos analógicos. La primera
Sistema | Año | Descripción |
---|---|---|
0G | Broadcast, sin celdas, pocos usuarios, modulación analógica | |
MTS | 1946 | Servicio de telefonía móvil, halfduplex, operador asiste para establecer llamada, push to talk |
AMTS | 1965 | Sistema avanzado de telefonía móvil, Japón, dúplex,\(900\text{ MHz}\) |
IMTS | 1969 | Servicio de telefonía móvil mejorado, dúplex, hasta\(13\) canales, radio\(60–100\text{ km}\) (\(40–60\text{ mile}\)), marcación directa con teclado multifrecuencia de doble tono (DTMF) |
0.5G | FDMA, modulación analógica | |
PALMA | 1971 | (también Autotel) Servicio público automatizado de radiotelefonía móvil terrestre, utiliza señalización digital para mensajes de supervisión, enlace tecnológico entre IMTS y AMPS |
ARP | 1971 | Autoradiopuhelin (teléfono de radio de coche), obsoleto en\(2000\), celdas usadas (\(30\text{ km}\)radio) pero no de traspaso,\(80\) canales en\(150\text{ MHz}\), simplex y posteriormente dúplex |
1G | Modulación analógica, FSK para señalización, celular, FDMA | |
NMT | 1981 | Teléfono móvil nórdico,\(12.5\text{ kHz}\) canal,\(450\text{ MHz},\: 900\text{ MHz}\) |
AMPERIOS | 1983 | Sistema avanzado de telefonía móvil,\(30\text{ kHz}\) canal |
TACS | 1985 | Sistemas de comunicación de acceso total,\(25\text{ kHz}\) canal, ampliamente utilizados en Europa hasta la década de 1990, similares a AMPS |
Hicap | 1988 | El servicio de radiotelefonía móvil de NTT en Japón |
Mobitex | 1990 | Red de datos inalámbrica de acceso público nacional, primeros servicios de comunicación de datos inalámbricos de acceso público que incluyen servicios de red de paginación bidireccional,\(12.5\text{ kHz}\) canal, GMSK |
DataTac | 1990 | Estándar de comunicaciones de datos inalámbricas punto a punto (como Mobitex), red inalámbrica de área amplia,\(25\text{ kHz}\) canales, ancho de banda máximo\(19.2\text{ kbit/s}\) (utilizado por el dispositivo Blackberry original) |
2G | Modulación digital | |
PHS | 1990 | El sistema de teléfono personal, originalmente un teléfono inalámbrico, ahora funciona como un teléfono inalámbrico y como un teléfono móvil en otros lugares |
GSM | 1991 | Sistema global para comunicaciones móviles (anteriormente Groupe Special Mobile), TDMA, GMSK, envolvente constante,\(200\text{ kHz}\) canal, máximo\(13.4\text{ kbits}\) por intervalo de tiempo (at\(1900\text{ MHz}\)),\(2\) mil millones de clientes en\(210\) países |
DAMPS | 1991 | AMPS digitales (anteriormente NADC [celular digital norteamericano] y antes de eso como U.S. Digital Cellular [USDC]), banda estrecha,\(π/4\) DQPSK,\(30\text{ kHz}\) canal |
PDC | 1992 | Personal Digital Cellular, Japón,\(25\text{ kHz}\) canal |
CDMAone | 1995 | Marca del primer sistema CDMA conocido como IS-95, espectro ensanchado, CDMA,\(1.25\text{ MHz}\) canal, QPSK |
CSD | 1997 | Datos de conmutación de circuitos, formato de transmisión de datos original desarrollado para GSM, ancho de banda máximo\(9.6\text{ kbit/s}\), utilizado un solo intervalo de tiempo |
2.5G | Mayores velocidades de datos | |
WiDen | 1996 | Red mejorada de despacho integrado de banda ancha, combina cuatro\(25\text{ kHz}\) canales, ancho de banda máximo\(100\text{ kbit/s}\) |
GPRS | 2000 | Sistema general de radio por paquetes, compatible con red GSM, ranura de tiempo GSM utilizada y modulación de orden superior para enviar\(60\text{ kbits}\) por intervalo de tiempo,\(200\text{ kHz}\) canal, ancho de banda máximo\(171.2\text{ kbit/s}\) |
HSCSD | 2000 | Datos de conmutación de circuitos de alta velocidad, compatibles con la red GSM, ancho de banda máximo\(57.6\text{ kbit/s}\), mayor calidad de servicio que GPRS |
2.75G | Datos de ancho de banda medio\(1\text{ Mbit/s}\) | |
CDMA2000 | 2000 | CDMA, CDMAone actualizado, doble velocidad de datos,\(1.25\text{ MHz}\) canal |
BORDE | 2003 | Velocidad de datos mejorada para GSM Evolution, compatible con red GSM, 8-PSK, TDMA,\(384\text{ kbit/s},\: 200\text{ kHz}\) canal de ancho de banda máximo |
3G | Espectro extendido | |
FOMA | 2001 | Libertad de acceso multimedia móvil, primer servicio 3G, implementación de NTT de WCDMA |
UMTS | Servicio universal de telefonía móvil,\(5\text{ MHz}\) canal, datos hasta\(2\text{ Mbit/s}\) | |
WCDMA | 2004 | 3G principal fuera de China |
OFDMA | 2007 | Evolución a 4G (datos de ancho de banda alto de enlace descendente) |
1xEV-DO | (IS-856) Evolución de CDMA2000, ancho de banda máximo de enlace descendente\(307\text{ kbit/s}\), ancho de banda máximo de enlace ascendente\(153\text{ kbit/s}\) | |
TD-SCDMA | 2006 | CDMA síncrono por división de tiempo, China, utiliza la misma banda para transmitir y recibir, las estaciones base y los móviles utilizan diferentes intervalos de tiempo para comunicarse,\(1.6\text{ MHz}\) canal |
GAN/UMA | 2006 | La red de acceso genérico, anteriormente conocida como acceso móvil sin licencia, proporciona servicios móviles GSM y GPRS a través de tecnologías de espectro sin licencia (por ejemplo, Bluetooth y WiFi) |
3.5G | ||
UMTS/HSDPA | 2006 | WCDMA actualizado, acceso a paquetes de enlace descendente de alta velocidad, descarga de\(7.2\text{ Mbit/s}\) |
EV-DO Rev A | 2006 | CDMA2000 EV-DO revisión A, enlace descendente a\(3.1\text{ Mbit/s}\), enlace ascendente a\(1.8\text{ Mbit/s}\) |
3.75G | ||
UMTS/HSUPA | 2007 | Acceso a paquetes de enlace ascendente de alta velocidad, velocidades de carga\(5.76\text{ Mbit/s}\) |
EV-DO Rev B | 2008 | CDMA2000 EV-DO revisión B, enlace descendente a\(73\text{ Mbit/s}\), enlace ascendente a\(27\text{ Mbit/s}\) |
UMTS/HSPA | 2009 | WCDMA actualizado, acceso a paquetes de alta velocidad, enlace descendente a\(40\text{ Mbit/s}\), carga a\(10\text{ Mbit/s}\). Finalmente se agregaron CA y MIMO |
3.9G | 2009 | WiMAX 1 (IEEE 802.16),\(10\text{ MHz}\) ancho de banda; basado en IP; marcado como 4G por los proveedores de servicios; MIMO + OFDMA, enlace descendente de\(37\text{ Mbit/s}\), enlace ascendente\(17\text{ Mbit/s}\) (para\(2\times 2\) MIMO); WiMAX 2, IEEE\(802.16\text{ m}\),\(20\text{ MHz}\) ancho de banda, enlace descendente de\(110\text{ Mbit/s}\), enlace ascendente\(70\text{ Mbit/s}\); no permitido en muchos países |
3.9G | 2011 | Evolución a largo plazo (LTE); hasta ancho de banda de\(20\text{ MHz}\) canal, basado en IP; calificado como 4G por los proveedores de servicios Baja latencia (para VoIP) + MIMO + OFDMA, enlace descendente de\(100\text{ Mbit/s}\) |
4G | 2013 | LTE-Avanzada, enlace descendente de ancho de banda\(1\text{ Gbit/s}\) fijo,\(100\text{ Mbit/s}\) móvil, variable de\(5–40\text{ MHz}\) |
5G | 2019 | Ondas milimétricas con dirección de haz y MIMO masivo; Redes Mesh y radio cognitiva |
Tabla\(\PageIndex{1}\): Principales sistemas de comunicación móvil con el año de primer uso generalizado.
Propiedad | Atributo |
---|---|
Número de canales físicos | \(832;\: 2\)grupos de\(416\) canales, cada grupo tiene canales de\(21\) señalización y canales de\(395\) tráfico o voz |
Ancho de banda por canal | \(30\text{ kHz}\) |
Radio de la celda | \(2-20\text{ km}\) |
Frecuencia base a móvil | \(869–894\text{ MHz}\)(enlace descendente) |
Frecuencia móvil a base | \(824–849\text{ MHz}\)(enlace ascendente) \(45\text{ MHz}\) entre los canales de transmisión y recepción |
Espaciado entre canales | \(30\text{ kHz}\) |
Modulación | FM con desviación de frecuencia pico del canal de\(±12\text{ kHz}\) señalización utiliza FSK Puede enviar datos a\(10\text{ kbit/s}\) |
Método de acceso | FDMA |
ERP de estación base | \(100\text{ W}\)por canal (máximo) |
Codificación de canales | Ninguno |
Especificaciones RF de la unidad móvil | |
Transmitir potencia de RF | \(3\text{ W}\)máximo (\(33\text{ dBm}\)) (\(600\text{ mW}\)para de mano) |
Control de potencia de transmisión | \(10\)pasos de\(4\text{ dB}\) atenuación cada uno, la potencia mínima es\(−4\text{ dBm}\) |
Recibir sensibilidad | \(-116\text{ dBm}\) |
Recibir cifra de ruido | \(6\text{ dB}\)medido en terminales de antena |
Recibir respuesta espuria | \(−60\text{ dB}\)desde el centro de la banda de paso |
Tabla\(\PageIndex{2}\): Atributos de AMPS
sistemas de generación manejaban transmisiones de\(3\text{ kHz}\) voz analógicas con capacidad muy limitada para transmitir información digital limitada a señalización.
5.8.2 2G, Segunda Generación: Radio Digital
La segunda generación (2G) de radio celular se caracteriza por la digitalización. Se instalaron muchos tipos diferentes de sistemas digitales 2G en todo el mundo. Los sistemas 2G pueden transmitir datos y voz a velocidades de\(8–14.4\text{ kbit/s}\). Esto se puede contrastar con el sistema telefónico por cable donde, una vez que las señales llegan al intercambio, las señales\(3\text{ kHz}\) analógicas se muestrean\(64\text{ kbit/s}\) para lograr una representación de señal no distorsionada. Estos sistemas celulares sacrifican cierta calidad de voz pero utilizan algoritmos razonablemente sofisticados que utilizan las características del habla para lograr una compresión mayor que un factor de cuatro.
En Norteamérica el primer sistema digital introducido fue el sistema digital avanzado de telefonía móvil (DAMPS) (originalmente conocido como North American Digital Cellular [NADC] y como el estándar provisional EIA/TIA IS-54). El sistema fue diseñado para proporcionar una transición del entonces actual sistema analógico 1G a un sistema completamente digital mediante la reutilización del espectro existente. La idea era que los proveedores de sistemas pudieran destinar algunos de sus canales para radio digital del total disponible. A medida que la radio analógica se eliminaba gradualmente, más de los canales podrían estar comprometidos con la radio digital. La principal motivación detrás de este sistema es que proporcionó de tres a cinco veces la capacidad del sistema analógico para el mismo ancho de banda. El sistema GSM 2G proporciona un incremento similar en la capacidad, y es compatible con la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI) que fue el protocolo utilizado con el sistema telefónico por cable. El sistema GSM era inicialmente (principios de la década de 1990) dominante en Europa y tenía la ventaja de que no necesitaba coexistir
Propiedad | Atributo |
---|---|
Número de canales | \(125\)(para GSM-900) |
Ancho de banda por canal | \(200\text{ kHz}\) |
Espaciado entre canales | \(200\text{ kHz}\) |
Radio de la celda | \(2-20\text{ km}\) |
Frecuencia base a móvil | \(935–960\text{ MHz}\)(GSM-900) |
Frecuencia móvil a base | \(890–915\text{ MHz}\)(GSM-900) |
Modulación | GMSK, salto de frecuencia lenta (\(217\text{ hops/s}\)) |
Método de acceso | TDMA,\(8\) ranuras por cuadro, el usuario tiene una ranura, cada trama es\(4.615\text{ ms}\) y cada ranura es\(577\:\mu\text{s}\). Hay bits\(148\) de datos y bits de\(8.25\) guarda en una ranura. |
Duración del símbolo | \(3.6828\:\mu\text{s}\) |
Velocidad de transmisión | \(270.833\text{ kbit/s}\) |
Tabla\(\PageIndex{3}\): Atributos del sistema GSM. Las frecuencias de enlace ascendente y de enlace descendente son para la implementación GSM-900, consulte la Tabla\(\PageIndex{4}\) para otras implementaciones GSM. La frecuencia lenta espera mejora la robustez.
Banda | Uplink\((\text{MHz})\) | Downlink\((\text{MHz})\) | Espaciado dúplex\((\text{MHz})\) |
---|---|---|---|
GSM-900 GSM-1800 |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(890-915\) \(1710-1785\) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(935-960\) \(1805-1880\) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(45\) \(95\) |
GSM-900 extendido |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(876-915\) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(921-960\) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(45\) |
PCS-1900 GSM-850 (Américas) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(1850-1910\) \(824-849\) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(1930-1990\) \(869-894\) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(80\) \(45\) |
GSM-450 GSM-480 (Nórdico, Europa del Este, Rusia) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(450.4-457.6\) \(478.8-486\) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(460.4-467.6\) \(488.8-496\) |
\ ((\ texto {MHz})\) ">
\(10\) \(10\) |
Tabla\(\PageIndex{4}\): Bandas de frecuencia GSM. Los canales GSM tienen un ancho de banda de\(200\text{ kHz}\). La transmisión de base a móvil es el enlace descendente y la transmisión de móvil a estación base es el enlace ascendente. GSM-900 y GSM-1800 se utilizan en la mayor parte del mundo.
con sistemas telefónicos analógicos 1G descoordinados. Los atributos del sistema GSM se muestran en Tablas\(\PageIndex{3}\) y\(\PageIndex{4}\).
Desde una perspectiva de diseño de RF, las principales diferencias entre los estándares analógicos y digitales son
- La envolvente de RF. En AMPS se utilizó FM, lo que produce una señal de RF de envolvente constante. En consecuencia, se pueden usar amplificadores de modo de saturación de alta eficiencia (como Clase C). En la mayoría de los esquemas de modulación digital, la modulación da como resultado una envolvente no constante. Esto es cierto para la modulación PSK, ya que la transición de un símbolo a otro no sigue un círculo en el diagrama de constelación. La información contenida en la amplitud de la señal RF es tan importante como la información contenida en la fase o frecuencia de la señal. En consecuencia, con el modo de saturación de radio digital se deben evitar los amplificadores que distorsionen severamente la característica de amplitud.
- RF Bursty. En un sistema analógico, la potencia de RF se transmite continuamente. En un sistema digital, la transmisión es intermitente y la señal de RF está en ráfaga. Por lo tanto, un diseñador de RF debe estar preocupado por los transitorios de encendido y la estabilidad térmica del amplificador de potencia.