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Leonardo Barreto Flórez
Cód.. 63570Técnica 1
Universidad Incca de Colombia
Telefonía móvil 2G
Telefonía móvil 2G
QUE ES TELEFONIA MOVIL 2G ?
Se conoce como telefonía móvil 2G a la segunda generación de telefonía móvil.
La telefonía móvil 2G no es un estándar o un protocolo sino que es una forma de marcar el cambio de protocolos de telefonía móvil analógica a digital.
La llegada de la segunda generación de telefonía móvil fue alrededor de 1990 y su desarrollo deriva de la necesidad de poder tener un mayor manejo de llamadas en prácticamente los mismos espectros de radiofrecuencia asignados a la telefonía móvil, para esto se introdujeron protocolos de telefonía digital que además de permitir más enlaces simultáneos en un mismo ancho de banda, permitían integrar otros servicios, que anteriormente eran independientes, en la misma señal, como es el caso de:
envío de mensajes de texto o Pagina en un servicio denominado Short Mensaje Servicie o SMS y una mayor capacidad de envío de datos desde dispositivos de fax y módem.
2G abarca varios protocolos distintos desarrollados por varias compañías e incompatibles entre sí, lo que limitaba el área de uso de los teléfonos móviles a las regiones con compañías que les dieran soporte.
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Protocolos de telefonía 2G
• GSM (Global System for Mobile Communications)
•Cellular PCS/IS-136, conocido como TDMA (conocido también como TIA/EIA136 o ANSI-136) Sistema regulado por la Telecommunications Industry Association o TIA
•IS-95/cdmaONE, conocido como CDMA (Code Division Multiple Access)
•D-AMPS Digital Advanced Mobile Phone System
•PHS (Personal Handyphon System) Sistema usado en un principio en Japón por la compañía NTT DoCoMo con la finalidad de tener un estándar enfocado más a la transferencia de datos que el resto de los estándares 2G
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FECHAS
Segunda Generación Celular:
1989: Europa estandariza Global System for Mobile Communications (GSM)
1992: GSM es lanzado.
1990: Japón estandariza Japanese Digital Cellular (JDC) hoy día llamado Personal Digital Cellular (PDC)
1990: Europa estandariza Sistema Celular Digital a 1800 MHz (DCS 1800, recientemente nombrado GSM 1800)
1993: DCS 1800 es lanzado.
1992: IS-54 TDMA (Digital AMPS) es implantado en USA
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Telefonía 2.5G / 2.75G
Como tal no existe ningún estándar ni tecnología a la que se pueda llamar 2.5G o 2.75G, pero suelen ser denominados así a algunos teléfonos móviles 2G que incorporan algunas de las mejoras y tecnologías del estándar 3G como es el caso de GPRS y EDGE en redes 2G y con tasas de transferencia de datos superiores a los teléfonos 2G regulares pero inferiores a 3G.
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Características 2G
• Llamadas telefónicas
• Correo electrónico con voz
• Recepción de mensajes sencillos
• Velocidad: Un 10Kb/ seg
• Tiempo de descarga de un archivo Mp3 con una duración de 3 minutos : 31-41 min
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Características 2.5G
• Llamadas Telefónicas
• Servicios de fax
• Correo electrónico con voz
• Envió / recepción de mensajes más complejos
• Navegador de Internet
• información de los mapas
• Actualizaciones disponibles Velocidad: Un 64-144Kb/ seg
• Tiempo de descarga de un archivo Mp3 con una duración de 3 minutos 6-9min
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Tecnologias 2G
TDMA (Time Division Multiple Access)
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En TDMA:
La tecnología TDMA comprime las conversaciones (digitales), y las envía cada una utilizando la señal de radio por un tercio de tiempo solamente. La compresión de la señal de voz es posible debido a que la información digital puede ser reducida de tamaño por ser información binaria (unos y ceros). Debido a esta compresión, la tecnología TDMA tiene tres veces la capacidad de un sistema analógico que utilice el mismo número de canales.
La transmisión es simultánea, pero discontinua, en la misma frecuencia portadora de ráfagas o paquetes por los distintos usuarios.
Cada receptor selecciona la ráfaga con su número y desprecia las demás
12
3
1 2
3 1
2 3
1 2
3
1 2 3 1 2 3 1 2 3
12
3
TDMA
• Los sistemas digitales se realizaron para poder manejar información de voz y datos, por lo que la voz es digitalizada por métodos predictivos, y se le aplica una modulación digital del tipo FSK (FSK, PSK, MSK).
• La tecnología TDMA comprime las conversaciones (digitales), y las envía cada una utilizando la señal de radio por un tercio de tiempo solamente.
• La compresión de la señal de voz es posible debido a que la información digital puede ser reducida de tamaño por ser información binaria (unos y ceros). Debido a esta compresión, la tecnología TDMA tiene tres veces la capacidad de un sistema analógico que utilice el mismo número de canales.
• La transmisión es simultánea, pero discontinua, en la misma frecuencia portadora de ráfagas o paquetes por los distintos usuarios.
• Cada receptor selecciona la ráfaga con su número y desprecia las demás.
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Características de TDMA
• Complejidad en el acceso: Estricta sincronización temporal
• Para sistemas de alta capacidad de tráfico
• Banda Estrecha/ancha
• Simplificación de estaciones multicanales
• Retardo en la comunicación
• Elevada versatilidad
• Necesidad de digitalización de la información
• Facilidad de inserción de la señalización asociada a la llamada
• Permite conseguir una alta calidad
• Posibilidad de utilizar una sola frecuencia portadora para ambos sentidos de la comunicación.
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En redes GSM, la tecnología TDMA se encuentra dividida en ocho (8) ranuras de tiempo (en lugar de tres), esa es la razón por la que GSM puede soportar un mayor número de suscriptores por canal de voz.
La razón de la diferencia es que el espaciamiento de los canales de AMPS es de 30 Khz. Y en las redes GSM es de 200 Khz.
Simplemente podemos definir la multiplexación TDMA, como una técnica que distribuye las unidades de información en ranuras (slots) alternas de tiempo, de esta manera provee acceso múltiple a un número reducido de frecuencias.
Puede decirse que es un proceso digital que se puede aplicar cuando la capacidad de la tasa de datos de la transmisión es mayor que la tasa de datos necesaria requerida por los dispositivos emisores y receptores. En este caso, múltiples transmisiones pueden ocupar un único enlace subdividiéndole y entrelazándose las porciones.
Esta técnica se emplea en infinidad de protocolos, sola o en combinación de otras, pero en lenguaje popular el término suele referirse al estándar D-AMPS de telefonía celular empleado en América.
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Uso de TDMA en Telefonía Celular
Mediante el uso de TDMA se divide un único canal de frecuencia de radio en varias ranuras de tiempo (seis en D-AMPS y PCS, ocho en
GSM). A cada persona que hace una llamada se le asigna una ranura de tiempo específica para la transmisión, lo que hace posible que
varios usuarios utilicen un mismo canal simultáneamente sin interferir entre sí.
Existen varios estándares digitales basados en TDMA, tal como TDMA D-AMPS (Digital-Advanced Mobile Phone System), TDMA D-AMPS-1900, PCS-1900 (Personal Communication Services), GSM (Global System for Mobile Communication, en el que se emplea junto con saltos en frecuencia o frequency hopping), DCS-1800 (Digital Communications System) y PDC (Personal Digital Cellular).
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CDMA (Code Division Multiple Access)
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CDMA
La tecnología CDMA es muy diferente a la tecnología TDMA. La CDMA, después de digitalizar la información, la transmite a través de todo el ancho de banda disponible. Varias llamadas son sobrepuestas en el canal, y cada una tiene un código de secuencia único. Usando al tecnología CDMA, es posible comprimir entre 8 y 10 llamadas digitales para que estas ocupen el mismo espacio que ocuparía una llamada en el sistema analógico.En CDMA la transmisión es simultánea e ininterrumpida de varias comunicaciones en la misma frecuencia pero con códigos de dirección diferentes.El receptor acepta solo las señales que traen su propio código y expande las demás, considerándolas como ruido.
AIRE (Actua como unsumador con coeficientes
arbitrarios)
(+)A. X1(t) .c1(t) + B. x2(t) .c2 (t)
x1(t) . c1(t)
Receptor: multiplica la señalrecibida y evalua la correlación
respecto al código del canal (c1)
x1.c1(t).c1(t) + x2(t).c2(t).c1(t)
x2(t) . c2(t)
c1(t)
Receptor: multiplica la señalrecibida y evalua la correlación
respecto al código del canal (c2)
x2.c2(t).c2(t) + x1(t).c1(t).c2(t)
c2(t)
x1(t)
x2(t)
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Telefonía móvil 2GLas ventajas de CDMA son:
•Contempla un método de control de energía diseñado para el ahorro de la batería y para ayudar a que no hayan interferencias con otro canal. Así se establece una comunicación con el sitio celular receptor y el teléfono para mantener los niveles de potencia constantes y los mas pequeños posibles.•En CDMA NO se emplean cristales, los cuales al oscilar crean problemas de RFI potenciales para otros equipos electrónicos.
•El handoff (pase entre celdas) es el convencional (fuerte) con uno suave adicional. Cuando el teléfono cruza la frontera de una celda, la celda original continua proporcionando servicio al teléfono. La nueva celda se activa y el teléfono funciona en ambos sitios celulares hasta alcanzar la suficiente intensidad de señal que la nueva celda pueda tomar.
•No hay degradación notable de la calidad de transmisión durante el handoff, lo cual es critico en la transmisión de datos.
•CDMA soporta servicios de datos, conmutación de paquetes y la integración de datos empaquetados digitales celulares(CDPD).
•La desventaja de CDMA ante la presencia de equipos AMPS es la gran interferencia originada en los equipos CDMA, problema que ha sido ya rectificado.
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GSM (Global System for Mobile Communication)
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Alcance mundial y porcentaje de uso
La Asociación GSM (GSMA o GSM Association), este estándar es el más extendido en el mundo, con un 82% de los terminales mundiales en uso.1 GSM cuenta con más de 3000 millones de usuarios en 212 países distintos, siendo el estándar predominante en Europa, América del Sur, Asia y Oceanía, y con gran extensión en América del Norte.La ubicuidad del estándar GSM ha sido una ventaja tanto para consumidores (beneficiados por la capacidad de itinerancia y la facilidad de cambio de operador sin cambiar de terminal, simplemente cambiando la tarjeta SIM) como para los operadores de red (que pueden elegir entre múltiples proveedores de sistemas GSM, al ser un estándar abierto que no necesita pago de licencias).En GSM se implementó por primera vez el servicio de mensajes cortos de texto (SMS), que posteriormente fue extendido a otros estándares. Además, en GSM se define un único número de emergencias a nivel mundial, el 112, que facilita que los viajeros de cualquier parte del mundo puedan comunicar situaciones de emergencia sin necesidad de conocer un número local.
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Sistemas DAMPSIS-136
IS-95 GSM PDC
Acceso múltiple TDMA/FDMA
CDMA/FDMA
TDMA/FDMA
TDMA/FDMA
Banda de Frec 800/1900 800/1900 850/900/1800/1900
800/1400
Espaciam decanales (kHz) 30 1250 200 25
Modulación Pi/4DQPSK
BPSK/QPSK
GMSK QPSK
Velocidad voz(kbps)
7,95 8 variable 13 9,6
Duplex FDD FDD FDD FDD
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Telefonía móvil 2G
Frecuencias GSMBanda Nombre Canales Uplink (MHz) Downlink
(MHz)Notas
GSM 850 GSM 850 128 - 251 824,0 - 849,0 869,0 - 894,0 Usada en los EE.UU., Sudamérica y Asia.
GSM 900 P-GSM 900 0-124 890,0 - 915,0 935,0 - 960,0 La banda con que nació GSM en Europa y la más extendida
E-GSM 900 974 - 1023 880,0 - 890,0 925,0 - 935,0 E-GSM, extensión de GSM 900
R-GSM 900 n/a 876,0 - 880,0 921,0 - 925,0 GSM ferroviario (GSM-R).
GSM1800 GSM 1800 512 - 885 1710,0 - 1785,0
1805,0 - 1880,0
GSM1900 GSM 1900 512 - 810 1850,0 - 1910,0
1930,0 - 1990,0
Usada en Norteamérica, incompatiblecon GSM-1800 por solapamiento de bandas.
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GSM (Global System for Mobile Communication)
• Desarrollado por ETSI en el marco europeo, se transformó en una norma mundial. GSM 900, DCS 1800 o PCS 1900
• Comienzo desarrollo a fin de los 80, fue implantada en principios de los 90, y fue evolucionando permanentemente.
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• Interface radio
• En la banda 890-915 y 935-960 MHz hay 124 portadoras bidireccionales.
• La velocidad en aire es de 270 kbps.• Utiliza una modulación a envolvente constante
denominada GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)• Cada portadora tiene 8 Time Slots que son los canales
físicos.
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•Interface radio•Trama TDMA
• Comprende 8 TS de 577 microseg c/u o sea 4,616 ms. Las tramas son reagrupadas en multitramas (multitramas a 26 tramas para el tráfico y multitramas a 51 para la señalización), luego supertramas y finalmente hipertramas
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•Interface radio•Trama TDMA.
•Se llama burst a un TS o Intervalo de Tiempo
0 654321 7
3 57 3261 1 57
Datos DatosAprendizaje
1 burst = 148 bits = 0,577 ms
4,616 ms
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• Arquitectura• Central (MSC)• Bases de Datos (HLR y VLR)• Controladores de Estaciones Base (BSC)• Estación Base Transceptora (BTS)
• Centros de Operación y Mantenimiento Radio y Red (OMC-R y OMC-N)
• Estaciones Móviles (MS)
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• Arquitectura
• MS• Estaciones móviles embarcadas (Clase 1) de 20W• Estaciones portables (Clase 2) de 8W• Estaciones portátiles (Clases 3 a 5) de 5W, 2W y
0,8W.• BTS
• Cada BTS cubre una célula o celda• Transmisión/recepción de radio
(modulación/demodulación, ecualización, entrelazado)
• Capa física (emisión en TDMA, salto de frecuencia, codificación, encriptado)
• Capa enlace (LAPDm)• Medición de calidad de señales recibidas
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• Arquitectura
• HLR• Base de datos nominal con las características de los
abonos de los móviles• Tiene las informaciones de los abonos, del IMSI,
MSISDN, restricciones de los abonos, servicios suplementarios, la información de localización (identidad del VLR donde está registrado el MS)
• VLR• Base de datos de los visitantes• Datos necesarios para la gestión de los roamers• Tiene información sobre el tipo de abono, IMSI,
MSISDN, TMSI, tipo de abono y zona de localización.• Asigna el MSRN (Mobile Station Roaming Number)
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D-AMPS
• Digital AMPS o NADC (North American Digital Cellular o IS-136 o ANSI-136
• Para reemplazar al AMPS analógico• Combina técnicas FDMA y TDMA como el GSM• Las frecuencias son las mismas del AMPS, lo que permite
la transferencia de canales analógicos hacia digitales en función de la demanda permitiendo incrementar progresivamente la capacidad de la red
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D-AMPS•Estructura Interface Radio
Slot 1 Slot 6Slot 5Slot 4Slot 3sslot 3Slot 2
G6
R6
DATOS16
SINCRO28
DATOS122
DVCC12
SACCH12
DATOS122
SINCRO28
CANALASCEND
SACCH12
DATOS130
DVCC12
DATOS130
RSDV12
CANALDESC
TRAMA DE 40 MS (1944 BITS)
RSVD: Reservado. G: Guard Time. R: Ramp Time. DVCC: Digital Verification Color Code
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D-AMPS•Arquitectura del sistema
•Es similar a la arquitectura GSM•Tiene MSC, HLR, VLR, BS, MS. No utiliza BSC
•Las únicas interfaces normalizadas son la interface radio ANSI-136 y la interface MSC-MSC-HLR-VLR (IS-41)
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CDMA Sistema IS-95•Interface Radio:
•Banda 824-849 y 869-894 MHz•Ancho de Banda: 1,2288 MHz (aprox 41 canales AMPS)
•Separación Duplex de 45 MHz•Control de Potencia muy crítico.•Utiliza Código Corrector de Errores, entrelazamiento, detección de actividad vocal, codificación de voz a velocidad variable, técnicas de recepción RAKE.
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CDMA Sistema IS-95•Interface Radio:
•Datos transmitidos a 9,6 kbps con codificador de voz a 8,55 kbps
•Flujo de datos segmentado en bloques de 20 ms entrelazados y codificados con códigos convolucionales 1/2 y 1/3.
•Flujo resultante ascendente 19,2 kbps y descendente de 28,8 kbps
•Se agrega Código de Walsh ortogonal de dimension 64, pasando a 1,2288 Mbps.
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CDMA Sistema IS-95•Cadena de Transmisión
COD VOZCODVELOC 1/2
COD CORTO I
COD WALSHCOD LARGO
ENTRELAZ x x
x
xCOD CORTO I
FILTRO
FILTRO
BLOQUES DE 20 ms A 9,6 kbps 19,2 kbps 1,2288 Mbps19,2 kbps
19,2 kbps
1,2288 Mbps
1,2288 Mbps1,2288 MbpsI
Q
MODULADORQPSK
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CDMA Sistema IS-95•Principio de base
•A cada estación se atribuye una secuencia aleatoria. Estas secuencias deben ser diferentes y ortogonales o sea descorrelacionadas. Estas secuencias hacen que al combinarla con la señal útil, se transforme en quasi-aleatoria y con el espectro muy expandido
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Sistemas 2,5GHSCSD (High Speed Circuit Switched Data)
• No lo vemos, poco éxito.
GPRS (General Packet Radio Service)• Conmutación de paquetes y aumento de velocidad
EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution)
• Mayor aumento de velocidad• También se lo considera un sistema 3G
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GPRSGPRS es una mejora de GSM y define una arquitectura de red con:
• Conmutación de paquetes
• Gestión de la movilidad
• Acceso radio
• Conexión a otras redes de datos fijas con IP o X.25 (Redes PDP: Packet Data Protocol) y otras redes móviles GPRS para ofrecer roaming
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GPRSGPRS retoma la arquitectura BSS de GSM, pero tiene arquitectura fija diferente de NSS.
Utiliza los conceptos de IP móvil y de CDPD (Cellular Digital Packet Data) de USA
RED GPRSINTERNET
RED LOCAL
137.194.201.20137.194 210.17.114.4
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GPRSUsa multiplexado estadístico en BSS para transmitir los paquetes sobre la radio
Puede utilizar más de una ranura de tiempo por trama TDMA, lo que permitiría velocidades de hasta 171,2 kbps (máximo teórico inalcanzable)
En la práctica, se usan como máximo 4 ranuras a 12 kbps c/u o sea 48 kbps.
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GPRSTipos de servicio• Las velocidades previstas permiten:
• Consulta de la Web (HTTP)• Transferencia de archivos (FTP)• Transmisión de video comprimido• Servicios Punto a Punto y Punto a Multipunto (para una segunda
fase)• Los servicios PTP pueden ser orientado a conexión (X.25) o sin
conexión (IP)• También tiene un servicio de mensajes cortos
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GPRSCriterios de Calidad de servicio
• Prioridad• Confiabilidad• Retardo• Velocidad
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GPRS
Clase Probabilidad deperdida
Probabilidad deduplicación
Probabilidad de fuerade secuencia
Probabilidad deerror residual
1 10-9
2 10-4 10-5 10-6
3 10-2 10-5 10-2
4 Best effort (no especificado)
Clase SDU de 128 octetos SDU de 1024 octetosRetardo medio Retardo a 95% Retardo medio Retardo a 95%
1 <0,5 s <1,5 s <2 s <7 s2 <5 s <25 s <15 s <75 s3 <50 s <250s <75 s <375 s4 No especificado (Best effort)
• Clases de Calidad de Servicio
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GPRSFunciones de seguridad
• Autenticación del abonado
• Confidencialidad de la identidad del utilizador
• Confidencialidad de las informaciones transmitidas
• Tarjeta SIM
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GPRSClase de los móviles
• Clase A: comunicación GPRS y clásica simultánea
• Clase B: puede tener ambos servicios, pero no simultáneos. En stand-by escruta ambas redes.
• Clase C: sólo puede estar en stand-by en un tipo de servicio
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GPRSTécnicas para aumentar la velocidad
• Desarrollo de terminales que pueden transmitir y recibir en varios TS por trama TDMA (terminales multislot)
• Reducción de la protección de los datos
• Utilización de modulaciones más eficientes (EDGE)
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GPRSTerminales multislot:
• En recepción no hay problema, pero en transmisión aumenta el consumo de energía y se reduce la autonomía de batería y hay más calentamiento.
• Si es para consulta de web, no habría problema
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GPRSReducción de la protección de datos y modulaciones sofisticadas
• Requiere mayor relación C/I• Esto hará que la velocidad de datos varíe con la distancia al centro de la estación base
C/I alto 48 kbpsC/I bajo 32 kbps
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RED GPRS
GPRSEncaminamiento de datos
BSC
SGSN GGSN
Red datosX.25, IP
•SGSN: Serving GPRS Support Node•GGSN: Gateway GPRS Support Node)
Tunel GPRS
GTP (GPRS Tunnel Prot)
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GPRSPrincipio de encaminamiento de datos
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GPRSUso de WAP con GPRS o con Conmutación de circuitos
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GPRSAcceso a red corporativa
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GPRSRoaming de terminal GPRS
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GPRS
Inactivo(Idle)
Stand-byActivo(Ready)
LogoffLogon
Transmisión o recepción de datos
Sin datos a transmitir o recibir
Logoff
Se puede accederal móvil
No se puede accederal móvil
Gestión de la movilidad• Estados de un móvil
• En GSM tiene dos estados: Inactivo o activo• En GPRS hay tres estados: Inactivo, activo y stand-
by
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GPRSGestión de la movilidad• Los datos se transmiten a un móvil, sólo cuando
está activo.
• En el estado activo, el SGSN conoce la celda donde está localizado el móvil.
• En standby, se conoce la ubicación a nivel de Area de Enrutamiento (similar a Area de Localización en GSM)
• Para enviar paquetes a un móvil en standby, primero hay que hacer paging, para localizarlo, y pasar al estado activo para recibir los datos
• Para enviar paquetes a un móvil activo, se le avisa que hay paquetes y luego se le transmiten
La razón delestado standby es para reducir la carga sobre la red para conocer la celda donde estálocalizado el móvily para ahorrar batería
La razón delestado standby es para reducir la carga sobre la red para conocer la celda donde estálocalizado el móvily para ahorrar batería
En el estado inactivoel móvil no tiene dirección asignada
En el estado inactivoel móvil no tiene dirección asignada
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GPRS >EDGECon GPRS, el sistema GSM permite acceso a Internet a velocidades de cerca de 50 kbps
Para superar ese límite, se propuso en ETSI (1997) utilizar una modulación con mejor eficiencia espectral que GMSK (1 bit/Hertz)
Así aparece el concepto EDGE con 8PSK (3 bit/Hertz). (Enhanced Data rates for the Global Evolution)
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GPRS >EDGEAl mismo tiempo, el IS-136 enfrentaba fuertes limitación de velocidad, por el poco espacio entre portadoras (30 kHz)
El consorcio UWCC-136 (Universal Wireless Communications Consortium) adoptó EDGE en 1998, como solución para aumentar las velocidades.
EDGE fue reconocido por UIT como un sistema IMT-2000
EDGE permitiría alcanzar:• 384 kbps para terminales <100 km/h y • 144 kbps para terminales <250 km/h
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EDGEModificaciones de la capa física• Modulación 8PSK
111
011
010
000
001
101
100
110
Q
I
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EDGEEstructura del burst
3 s 58 símbolos 3 s26 s58 símbolos
Datos DatosAprendizaje
1 burst = 148 símbolos = 444 bits = 0,577 ms
8,25 s
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EDGEDos tipos de servicios
• ECSD (Enhanced Circuit Switched Data)
• Un solo canal físico permite hasta 43,2 kbps (14,4 x 3)
• Canales en modo Transparente o No Transparente
• EGPRS (Enhanced General Packet Data Service)
• Un solo canal físico permite hasta 59,2 kbps y con ocho canales tendremos 473,6 kbps
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EDGE Fase 2
Clase de servicio• Conversacional con fuertes requisitos de retardo (voz, videofonía, juegos video)
• Streaming debe restituir el ritmo de generación de datos pero puede tolerar retardos usando buffers
• Interactivo exige baja tasa de error y puede tolerar cierto retardo (consulta interactiva de servidores)
• Backgroung que exige integridad pero tolera retardos grandes (e-mail)
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EDGE Fase 2Una red EDGE fase 1 sólo permite las dos últimas clases de servicio
• Interactivo• Background o tráfico en tarea de fondo.
La red EDGE fase 2 será indispensable para las dos primeras clases de servicio:
• Aparece el concepto GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network)
• Permite conexión a red GSM o UMTS, en modo paquete o circuito
• Ofrecerá servicios en tiempo real en modo paquete, basada sobre IP
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EDGE Fase 2
BSS
SGSN UMTS
SGSN GPRS
MSC UMTS
MSC GSM
GERAN
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
SERVICIO CELULAR• COBERTURA TOTAL Y SIN FRONTERAS
• GRAN NUMERO DE USUARIOS
PROBLEMAS FUNDAMENTALES• LOGRAR COBERTURA DE RADIO
• NUMERO DE CANALES LIMITADO
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
PROBLEMAS DE LAS REDES MOVILES• Interferencia debido a la estructura celular
• Limitación/escasez del espectro
• Calidad fluctuante de los enlaces de radio
• Punto de acceso desconocido y variable en el tiempo
• Manejo de la movilidad, aún durante una comunicación
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
ATRIBUTOS NECESARIOS
• “Agilidad” de frecuencia en el terminal• Distribución continua de radiobases de manera que la unidad móvil siempre opere con niveles aceptables de señal de radio.
• Servicio de “roaming” para tener servicio continuo cuando el móvil se mueve por diferentes áreas de servicio.
• Red fija celular integrada que maneja todas estas operaciones.
Arquitectura básica
Celda de radio
RADIOBASE
LINEAS AL MSC
ESTACIONMOVIL
DISTANCIA DE OPERACION
RADIO PLANEADO DE CELDA
RANGO DE LA CELDA - Rmax
área de cobertura
TRAYECTO DIRECTO
TRAYECTOINVERSO
CANALES DE VOZ O DE CONTROL
CELDA DE RADIO
Cobertura de la celda
COBERTURA IRREGULAR
RBS
COBERTURA IDEAL
COBERTURA REAL
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
REGION DEOVERLAP
RADIOBASE
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
radio R
60 º120º
Los hexágonos pueden ser alineadoslado a lado, dando cobertura continua.Aparece el concepto de sectorización,ver los ángulos de 60º o 120º, con seis y tres sectores, respectivamente.Una antena direccional, va a produciresta sectorización.Los hexágonos pueden ser dispuestosen clusters o grupos de celdas.
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
Cluster de 3 celdas Cluster de 4 celdas Cluster de 7 celdas
Los puntos negros son radiobases
Cobertura irregular real
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
Temas del agrupamiento de celdas• Se necesitan otras frecuencias en las celdas adyacentes
• Manejo de la región de overlap entre celdas
• Reuso de la misma frecuencia en el patrón de celdas.
• Tamaño de celdas necesita ser modificado para cubrir demanda de usuarios.
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
1- Grupos de frecuencias A, B, C,...,GSi hay un total de 210 canales, se asignan sólo 30 canales por celda.2- Distancia media de reuso:
D/R= (3N)^1/2
Distancia dereuso D
A
B
C
D
E
FG
A
B
C
D
E
F
G
R
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
CONCEPTOS BASICOS COMUNES A TODO SISTEMA DE RADIO• Plan de frecuencias
• Control de la interferencia cocanal
CONCEPTO DIFERENTE• Las radiobases están interconectadas para formar sistema con
cobertura continua.
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
PROPIEDADES DEL SISTEMA CELULAR• Ubicación del móvil
• El móvil se registra periódicamente en la radiobase más cercana (con señal más fuerte).
• La red mantiene registro de la ubicación del móvil
• Handoff durante la llamada
• Cuando el móvil se mueve fuera de la cobertura de una celda, el sistema define a que otra celda debe pasar para continuar la conversación.
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
RED FIJA CELULAR
• Conecta todas las radiobases para señales de comunicación y mensajes a y de los usuarios.
• Provee centros de conmutación para dirigir el tráfico en la red. (MSC)
• Provee registros de datos de los usuarios. (HLR, VLR)
• Provee conexión con la red telefónica fija. (PSTN)
• Provee soporte de operaciones y mantenimiento. (OMC)
PRINCIPIOS DE RADIO CELULAR
BSC1
MSC MSC
BSCn
BS1BS2
VLR HLR EIR
AuC
PSTN
OMC
BSk
RED CELULAR FIJA
SISTEMAS CELULARESMETODOS
DE
ACCESO
Definiciones
En un sistema móvil, el acceso de los terminales a los recursos (canales radio) debe ser necesariamente compartido.
Imposible reservar un canal a cada usuario, sobre cada sitio del sistema
Definición de:• el método de repartición de la banda de frecuencia en canales y• los protocolos para acceder a los canales
Asignación de canales
Tres etapas:• Se reparte el espectro disponible en varios canales, según un método de
acceso múltiple (fijo en el tiempo).
• Se asignan los canales a las estaciones base (esto puede ir variando en el mediano plazo).
• A cada móvil, se asigna un canal para una comunicación (esto varía en el muy corto plazo).
Etapas en la asignación de recursos
Espectro de frecuenciasFrecuencias asignadas al sistema
Canales a las estaciones
Canales
Canales a Móviles
RegulaciónDefinición método acceso (diseñador)
Planificación (Operador)
AccesoAleatorio
Métodos de Duplexado
En sistemas bidireccionales (full-duplex):• FDD (Frequency Division Duplex)
• Se utilizan frecuencias de transmisión diferentes en cada sentido. Util para celdas grandes. Consume frecuencias.
• TDD (Time Division Duplex)
• Se utiliza la misma frecuencia, pero cada extremidad transmite en momentos diferentes. Util para celdas pequeñas. Permite ahorrar ancho de banda.
Métodos de Duplexado
Tiempo
Tiempo
F1Móvil/Base
F2Base/Móvil
TiempoF1
M/B B/M M/B B/M M/B B/MM/B B/M
FDD
TDD
Canales de tráfico y señalización
Canales de comunicación:• Canales de TráficoUtilizados para transportar la información del usuario
• Canales de Señalización o de ControlTransportan las informaciones del sistema:a) informaciones generales que emite la red hacia los móvilesb) comandos intercambiados entre red y móviles
• Son canales lógicos diferentes que pueden compartir canales físicos idénticos
Ancho de Banda
FDMA• Normalmente es de banda estrecha
CDMA• Normalmente es de banda ancha (utiliza toda la banda asignada)
TDMA• Puede ser banda estrecha o banda ancha
Protocolos de Acceso Aleatorio
Los móviles “compiten” por el acceso al canal.
Pueden ocurrir “colisiones” entre los mensajes emitidos por los diferentes móviles.
Efecto de enmascaramiento de estaciones móviles por obstáculos
Efecto de captura o cerca/lejos.
Protocolos de Acceso Aleatorio
Protocolo no ranurado y sin escucha previa de los canales
• El más simple es el ALOHA, desarrollado para comunicaciones entre varias islas de Hawai.
• Cuando una estación tiene un mensaje a enviar, lo emite sin ninguna precaución. Como las estaciones emiten de manera arbitraria, se pueden producir colisiones entre paquetes
• El mayor problema es su bajo rendimiento para alta carga
Protocolos de Acceso Aleatorio
El mensaje 1 es emitido sin problemas, mientras que el fin del mensaje 2 está interferido por la emisión del mensaje 3. Se pierden los dos mensajes.
En tiempo t1, ausencia de ACK del mensaje 3.
El emisor 3, luego de un valor de tiempo de espera aleatorio, retransmite su mensaje.
1 32 4
Llegada de mensajes
Colisión Retransmisión
t1 Tiempo
Protocolos de Acceso Aleatorio
A CB D
A emite
Colisión Tiempo
Protocolos con escucha previa del canal• Acceso Múltiple por Sensado de Portadora - CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
• Se reduce problema de colisión, pero se pierde una porción de la capacidad, debido al período de escucha antes de emitir.
CSMA 1-persistentLa estación transmite con probabilidad “1” a la liberación del canal
C y D escuchan
C y D emiten
B escucha B emite
Protocolos de Acceso Aleatorio
CSMA 1-persistentLa distancia entre estaciones induce un retardo de
propagación, llamado período de vulnerabilidad.
La liberación del canal no ocurre en el mismo momento para cada estación. Esto puede producir colisiones porque dos estaciones pueden querer emitir cuando cada una de ellas ve el canal libre.
Protocolos de Acceso AleatorioCSMA 1-persistent
T1T2T3T4
T5
Estación AEstación C
Estación BEmisión de C
Emisión de BEmisión de A
ColisiónColisión
NO Colisión
Distancia AC < Distancia BC < Distancia AB
T1: Fin transmisión de C (liberación del canal a nivel de estación C)T2: Fin transmisión de C en A (liberación del canal a nivel de estación A) y comienzo transmisión de AT3: Fin transmisión de C en B (liberación del canal a nivel de estación B) y comienzo transmisión de BT4: Inicio recepción del mensaje de A en CT5: Inicio recepción del mensaje de B en C. Colisión con el mensaje de A
Protocolos de Acceso Aleatorio
CSMA non-persistentUna estación que detecta el canal ocupado,
retarda su tentativa de emisión un tiempo aleatorio . Esto permite eliminar una gran parte de las colisiones y tiene mejor rendimiento para alta carga. Para baja carga, el tiempo alarga los retardos de transmisión e introduce una degradación con relación al CSMA- 1 persistent.
A B
B escucha e introduce aleatorio B escucha y emite su
mensaje
A emite
Protocolos de Acceso Aleatorio
CSMA con detección de colisiónCSMA-CD: Detiene la transmisión en caso de
colisión, lo que disminuye la duración de la interferencia. Utiliza técnica “listen-while-talk”. Se transmite una secuencia de interferencia (jamming packet) para forzar a las otras estaciones en colisión a detener la transmisión.
A B
B escucha
B emite su mensajeA emiteC y D escuchan el canal
C transmite su mensajeD transmite su mensaje
Detención de emisiones de C y DDetección de
colisión en B. Transmisión de un “jamming packet” por B.
Protocolos de Acceso AleatorioCSMA en ambiente radio móvil: DSMA
DSMA (Data Sense Multiple Access). Se utiliza en CDPD, ARDIS o TETRA.
Utilizado en contexto centralizado: la BS incluye en cada mensaje del canal descendente una bandera de indicación de ocupación/no ocupación del canal ascendente. Las estaciones móviles escuchan la bandera antes de una emisión. Si la bandera indica canal libre, se intenta la emisión sobre el intervalo siguiente. Cuando se detecta emisión, la BS posiciona la bandera en Ocupación.
Diseñado para resolver el caso de estaciones ocultas por obstáculos.
A B
C
Obstáculo
Protocolos de Acceso AleatorioDSMA/CD
Ejemplo de uso en el sistema CDPD (Cellular Digital Packet Data).
El canal descendente transporta dos indicaciones utilizadas para el acceso al canal ascendente:• Estado del canal: Idle o Busy• Estado de la decodificación: indica si el mensaje enviado ha sido
correctamente recibido en la BS. En caso de colisión, se utiliza este indicador para informar a las estaciones emisoras.
Indicador Iddle
Recibe I y transmite burst
Indicador Busy, OK
Indicador Iddle
Indicador Busy
Colisión
MS 2 BS MS 1
Canal Ascendente
Canal Descendente
Indicador Busy, No OK
Protocolos de Acceso AleatorioProtocolos ranurados sin escucha del canal
S-ALOHA: consiste a autorizar la transmisión solamente en instantes particulares. El canal esta recortado en intervalos de tiempo (slots) idénticos a los del método TDMA.
Los mensajes deben tener todos la duración de un intervalo y las estaciones debe estar sincronizadas.
S-ALOHA mejora al ALOHA simple, cuando hay una colisión, el canal queda inutilizado solamente durante un slot (y no dos como ocurriría en ALOHA puro).
A B C D
Colisión
t
Combinación de métodos
Grupo 1 Grupo 3Grupo 2Grupo 1Grupo NGrupo 3Grupo 2
Grupo N1 Grupo 2NGrupo N3Grupo N2 Grupo N1 Grupo N3Grupo N2
TDMA
t
FDMA
f
Mensaje
Mensaje
Mensaje
MensajeCDMACódigo
Usuario 1
Usuario 2
Usuario N
SISTEMAS CELULARESCANAL RADIOELECTRICO
PROBLEMAS DE TRANSMISION
La señal sufre deterioro que implica degradación de la calidad de la comunicación percibida por los usuarios.
Para la cuantificación se usa el BER (Bit Error Ratio):• Sistemas fijos: 10-6 a 10-12
• Sistemas móviles: 10 -1 a 10-4 (las transmisiones móviles son “mucho peores” que las fijas)
Los sistemas móviles están diseñados para poder funcionar en ambientes más hostiles.
SISTEMAS CELULARESGESTIÓN DE RECURSOS
Gestión de recursos
Concepto celular• Reutilización de frecuencias
Patrón de reutilización
Capacidades del sistema
Gestión de recursos
Reutilización de frecuenciasPermite resolver el problema de servir una zona o región extensa, con un ancho de banda limitado y con una densidad de usuarios importante
Usa la propiedad de atenuación de las ondas de radio, que permite reutilizar la misma frecuencia en otra zona suficientemente alejada de la primera. Cada zona constituye una célula.
Gestión de recursos
Reutilización de frecuenciasLas células con la misma frecuencia (cocanal) deben estar suficientemente alejadas para que el nivel de interferencia cocanal sea suficientemente bajo.
Para reutilizar las frecuencias, la banda total asignada se divide en sub-bandas. Cada sub-banda se asigna a una estación base ubicada en una célula y será reutilizada en otras células.
Gestión de recursosEjemplo de reutilización de frecuencia
Caso A: todas las frecuencias en el área. Ftot = 140 frecuencias (p ej)
Caso B: las frecuencias se reutilizan. Ftot = f1+f2+f3+f4+f5+f6+f7 =140f1=f2=.... = 20
Cluster
Gestión de recursosReutilización de frecuencia
• Cluster: grupo de células o celdas que utiliza el conjunto de canales de la banda de frecuencias. Muchos clusters yuxtapuestos permiten cubrir toda el área.
• Asignación fija: las frecuencias asignadas no cambian.
Asignación dinámica: mecanismo para adaptar el sistema a las variaciones de C/I.
Gestión de RecursosBandas celulares de 800 MHz
Mobile TX
Cell site Tx
Freq. 869 870 880 890 8915 894 896 MHz
Channel # 991 1 333 666 716 799 1023
A”
Channel # 991 1 333 666 716 799 1023
A B A’ B’ R
Freq. 824 825 835 845 846.5 849 851
A” A B A’ B’ R
Gestión de RecursosBanda A celular de 800 MHz
Gestión de Recursos
A1A3
A2B3
B2
B1
D2D3
D1
C1
C2C3
E3 E2
E1
F3F2
F1
G3G2
G1
F3F2
F1
Patrón de 7 celdas sectorizadas en el centro de la celda
Reuso
Algunas estaciones
Algunas estaciones
Algunas estaciones
Algunas estaciones
SISTEMAS CELULARESGESTION DE LA MOVILIDAD
Movilidad
Gestión de la movilidad radio o microscópica
Cambiar de célula manteniendo la comunicación.
HANDOFF o HANDOVERGestión de la movilidad red o macroscópica
Usar los servicios en toda la red o en redes visitadas.
ROAMING
Movilidad RadioGestión de la movilidad radio o microscópica
HANDOFF o HANDOVER: Transferencia Automática Intercelular.
A B A B
ANTES DESPUES
Movilidad Radio
Fases del Handoff• Realización de mediciones y supervisión periódica del enlace
• Determinación de la necesidad del HO. Umbral de decisión
• Determinación de la célula objetivo y disparo del HO
• Transferencia efectiva de los enlaces
Movilidad Radio• Realización de mediciones y supervisión periódica del enlace• Potencia de señal recibida• Tasa de error de bit (BER)• Distancia entre móvil y estación base
• La estación base difunde:• Identidad de la propia estación base• Las frecuencias de los canales de control de las
estaciones vecinas
• Las mediciones se hacen cada medio segundo.• El móvil puede reportar a la red las mediciones de 6 estaciones vecinas.
Movilidad Radio• Determinación de la célula objetivo y disparo del HO
• Potencia relativa de señales: mayor nivel recibido de estación vecina que de la estación corriente
• Potencia relativa de señales con utilización de umbral: diferencia de nivel por debajo de un umbral
• Potencia relativa con utilización de histéresis: nivel de potencia por encima de un valor
• Potencia relativa con utilización de histéresis y umbral: se combinan los dos criterios precedentes.
Movilidad Radio• Tipo de Handoff: Hard Handoff
MSC
Antes
MSC
Durante
MSC
Después
Movilidad Radio• Tipo de Handoff: Soft Handoff
MSC
Antes
MSC
Durante
MSC
Después
Movilidad RadioTipos de Handoff
1: Intracelular2: Intra BSC3: Intra MSC4: Inter MSC5: Inter Red o Intersistema
BSC BSC BSC BSC
MSC MSC MSC
Red 1 Red 2
1 2 3 4 5
Movilidad Red
Selección de célula, Localización y Roaming• Dos procesos, cuando el móvil está inactivo:
• Selección de célula
MS recibe informaciones de la red para ubicarse sobre una célula determinada, que usará para el acceso
• Localización o Roaming
Permite a la red conocer en todo momento la posición del móvil con mayor o menor precisión
Movilidad Red
Localización y Búsqueda• Localización: la red conoce la ubicación del móvil, porque el móvil la
actualiza periódicamente.
• Búsqueda (paging): la red busca al móvil
Roaming• Es la posibilidad de usar el terminal en un punto cualquiera de la red
propia o ajena. No solo para redes móviles.
Movilidad Red
Métodos de Localización• Nivel cero - Sin localización, búsqueda en toda la red. Solo para redes pequeñas. Muy simple. Riesgo de saturación (Flooding algorithm)
• Nivel uno - Localización manual, el abonado debe localizarse en la red para poder recibir llamadas.
• Nivel dos - Localización automática con zonas de localización. Una zona tiene varias células. La red busca por zona.
Movilidad Red
Localización Automática• a) Al encendido del terminal• b) Localización periódica: envío de la identidad del móvil en forma periódica. Gran consumo de recursos, sobre todo si el móvil no se mueve durante horas.
• c) Localización por cambio de zona: el móvil envía su identidad cuando detecta que ha cambiado de zona.
En GSM se usa Localización híbrida, combinando los métodos b) y c).
Movilidad Red
Bases de datos para la gestión de la movilidad• Base de datos local (nominal) HLR
Hay una por red. Almacena las informaciones de los abonados de la red: nombre, número, datos de seguridad, localización actual, etc
• Base de datos visitante VLR.
Puede haber varias en una red. Almacena los datos de los abonados registrados en las zonas de localización que dependen de esta base de datos. Es una copia parcial de los datos del HLR.MSC
MSCMSC
MSC MSCVLR
VLR VLR
HLR
VLR