SISTEMAS DE TELEFONIA MOVIL BASADOS EN EL ESTANDAR WCDMA

(1)

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”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN

COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

Baltazar Sánchez Angel Gabriel

Medina Rodríguez Maria del Rocio

Montiel García Amor Eunice

Asesores:

M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna.

M. en C. José Ernesto Rojas Lima

(2)

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA

y

ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL" ADOLFO LOPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

POR LA OPCION DE TITULACION TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL ｄｅｂｅｒａｾＩｄｅｓａｒｒｏｌｌａｒ _C._{ANGEL GABRIEL BALTAZAR SÁNCHEZ}

C. MARÍA DEL ROCIO MEDINA RODRÍGUEZ

C. AMOR EUNICE MONTIEL GARCÍA

"SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL BASADOS EN EL ESTANDAR WCDMA"

COMPRENDER LA IMPORTANCIA DE LOS SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL DE TERCERA GENERACIÓN ASÍ COMO SUS VENTAJAS .

•:. INDICE. •:. OBJETIVO. •:. INTRODUCCIÓN•

•:. SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL. .:. WCDMA EN SISTEMAS 3G• •:. ELEMENTOS DE WCDMA .

•:. DIMENSIONAMIENTO EN WCDMA. •:. CONCLUSIONES

MÉXICO D. F., A OS DE JUNIO DE 2008.

(3)

OBJETIVOS

• Comprender la importancia de los esquemas de acceso múltiple en los

sistemas de telefonía móvil.

• Describir la evolución de los sistemas de telefonía móvil.

• Estudiar las características y ventajas que ofrece la técnica de espectro

disperso, así como las secuencias empleadas para ésta.

• Conocer la arquitectura de un sistema UMTS, y los elementos que la

conforman.

• Analizar el estándar WCDMA, sus principales características y los elementos

que lo componen.

• Comprender el funcionamiento del servicio de datos de alta velocidad HSPA

que opera sobre la plataforma WCDMA.

• Por medio de la herramienta Matlab realizar un programa para determinar la

(4)

CONTENIDO

Objetivos……….. i

Contenido……… ii

Introducción……… v

CAPÍTULO 1 SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL 1.1 Esquemas de acceso múltiple………... 2

1.2 El concepto celular……….. 5

1.3 Evolución de los sistemas móviles………... 5

1.4 Espectro disperso……… 11

1.4.1 Secuencias de máxima longitud………. 14

1.4.2 Secuencias Gold……… 15

1.4.3 Secuencias Kasami………... 16

1.4.4 Códigos ortogonales………. 17

1.4.5 Códigos ortogonales de longitud variable………. 17

Referencias………. 19

CAPÍTULO 2 WCDMA EN SISTEMAS 3G 2.1 Arquitectura de una red UMTS………. 21

2.2 Arquitectura en capas de protocolos de WCDMA... 24

2.2.1 Capa física……….. 26

2.2.1.1 Canales de transporte……… 26

(5)

CONTENIDO

2.2.1.1.2 Canales de transporte comunes……… 28

2.2.1.2 Canales físicos……… 29

2.2.1.2.1 Canal físico para el enlace de subida……….. 30

2.2.1.2.2 Canal físico para el enlace de bajada……….. 30

2.2.1.3 Mapeo de los canales de transporte a los canales físicos……….. 32

2.2.2 Capa MAC.………. 33

2.2.2.1 Canales lógicos……….. 34

2.2.2.2 Mapeo de los canales lógicos y los canales de transporte………. 36

2.2.3 Capa RLC……….. 37

2.2.4 Capa RRC……….. 39

CAPÍTULO 3 ELEMENTOS DE WCDMA 3.1 Parámetros del estándar WCDMA………... 42

3.2 Control de Potencia………. 44

3.2.1 Control de Potencia de lazo abierto………... 45

3.2.2 Control de Potencia de lazo cerrado……….. 46

3.3 Transferencia de llamada (Handover)………. 50

3.3.1 Transferencia de llamada con interrupción (Hard Handover)………… 50

3.3.2 Transferencia de llamada sin interrupción (Soft Handover)…………... 50

3.4 Servicio de datos en WCDMA………... 53

3.4.1 HSDPA……….... 55

(6)

CONTENIDO

CAPÍTULO 4 DIMENSIONAMIENTO EN WCDMA 4.1 Dimensionamiento...……….……….. 66

4.2 Cobertura...……….………. 66

4.2.1 Diseño del enlace……….. 66

4.2.1.1 Enlace de bajada ………... 71

4.2.1.2 Enlace de subida.………... 72

4.3 Resultados obtenidos para cobertura……….. 74

CONCLUSIONES………... 85

(7)

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, las comunicaciones móviles se han convertido en una herramienta que permite abrir caminos y cruzar fronteras, es por ello que han surgido novedosos sistemas de comunicaciones móviles, los cuales tienen en común el uso de técnicas de acceso múltiple. Dichas técnicas permiten compartir un recurso en común, ya sea en tiempo o en frecuencia. Existen diferentes técnicas de acceso múltiple, entre las más comunes se encuentran: acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA),

acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) y acceso múltiple por división de código (CDMA).

Los sistemas de comunicaciones móviles han ido evolucionando debido a la demanda de servicios que ofrecen. La primera generación de telefonía móvil apareció a principios de los años ochentas, conocida como 1G, caracterizada por ser analógica y emplear FDMA como técnica de acceso múltiple. La tecnología digital se hizo más frecuente y los sistemas analógicos de 1G, fueron sustituidos por sistemas digitales a los cuales se les llamo sistemas de segunda generación de telefonía móvil (2G). Los sistemas de segunda generación se caracterizan por su naturaleza digital, ofreciendo mejor calidad de voz y servicios de datos. Estos sistemas utilizan como esquema de acceso múltiple FDMA, TDMA y CDMA. Los sistemas más representativos de 2G son GSM e IS-95.

Un deseo de tasas de datos más altas y mejores servicios motivo el desarrollo de los sistemas de tercera generación de telefonía móvil (3G). Las características de éste son identificadas en el estándar Internacional de Telecomunicaciones Móviles para el año 2000 IMT-2000, las cualesincluyen compatibilidad con 2G, mayor capacidad, servicio de paquetes de datos de alta velocidad y capacidad de manejar servicios con diferentes tasas, Internet móvil, correo electrónico, vídeo y servicios multimedia.

Uno de los sistemas más representativos de 3G es el acceso múltiple por división de código de banda ancha, WCDMA. Utiliza una portadora con un ancho de banda de 5MHz y una duración de trama de 10 ms. La información se dispersa a una tasa de 3.84 Mcps. En el enlace de bajada se emplea la modulación QPSK, y en el de subida BPSK.

(8)

INTRODUCCIÓN

En el capítulo 1 se analizan diversas técnicas de acceso múltiple tales como FDMA, TDMA, OFDMA y CDMA, mostrando como por medio de estas técnicas se han podido implementar diversos sistemas de telefonía móvil, comenzando desde un sistema analógico de baja capacidad (1G) hasta los sistemas digitales que ofrecen servicios con altas tasas (3G). Se analizarán las diversas técnicas empleadas para poder generar una señal de espectro disperso, tales como salto de frecuencia y secuencia directa, siendo esta última técnica la más utilizada. Se describirán los códigos de pseudo-ruido que permiten dispersar el espectro de una señal de banda angosta, como son los códigos de máxima longitud, secuencias Gold, secuencias Kasami, códigos ortogonales de longitud fija y variable.

En el capítulo 2 se describe la arquitectura y los elementos que componen una red UMTS. A diferencia de los sistemas de primera generación como AMPS la arquitectura de WCDMA esta desarrollada en capas, lo cual permite la optimización de los recursos de la red y ofrecer servicios de datos. Está dividida en tres capas: física, de enlace de datos, integrada por la capa MAC y la RLC, y la capa de red. A través de la capa física se proporcionan los requerimientos eléctricos y de procedimiento para poder activar, mantener y desactivar el enlace por medio de un canal de comunicaciones. La capa MAC se encarga del monitoreo de la cantidad de tráfico, para así proporcionar una buena calidad de servicio; y la RLC se encarga de la segmentación, concatenación y ofrece servicio a la capa MAC. La capa de red al igual que el modelo OSI se encarga de que los datos lleguen a su destino.

(9)

INTRODUCCIÓN

Finalmente se describirá el servicio de datos de alta velocidad, HSPA. Este servicio ofrece altas tasas de datos bajo la plataforma WCDMA, lo que representa para los usuarios tiempos de respuesta más cortos y menos retrasos. HSPA esta formado por: el acceso de paquetes a alta velocidad para el enlace de bajada (HSDPA) y el acceso de paquetes a alta velocidad para el enlace de subida (HSUPA).

En el capítulo 4 se mostrará el desarrollo para el diseño del enlace, el cual consiste en estimar las máximas pérdidas permitidas que tendrá el enlace para ofrecer un buen servicio, determinando el radio de cobertura de la celda. En este proceso se tomarán en cuenta parámetros tales como la ganancia de la antena transmisora y la antena receptora, tasa de transferencia, tipo de servicio que se ofrecerá ya sea voz o datos, sensibilidad del receptor, ruido del canal y ambiente de propagación. Se realizarán ejemplos de diseño de enlaces de subida y de bajada, los cuales están desarrollados en la plataforma Matlab y consisten en determinar el área de cobertura de una celda a partir de los parámetros ya mencionados.

(10)

CAPÍTULO 1

SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL

Debido al aumento en la demanda de los servicios de telefonía móvil, estos sistemas

han tenido que evolucionar principalmente para proporcionar servicios a mayor

cantidad de usuarios y optimizar el uso de los recursos asignados. La utilización de

esquemas de acceso múltiple permite a varios usuarios compartir recursos para

transmitir y recibir información. En este capítulo se describen los esquemas de

acceso múltiple usados en los sistemas de telefonía móvil, así como la evolución de

éstos.

Principalmente se describe CDMA, el cual es un esquema de acceso múltiple

basado en la técnica de espectro disperso, que consiste en dispersar la señal que se

va a transmitir por medio de otra señal llamada código de dispersión. Esta técnica

utiliza un ancho de banda varias veces mayor al necesario para transmitir la

información y presenta una alta tolerancia a interferencias intencionales y no

intencionales. Los códigos empleados para dispersar la señal tienen valores

pequeños de correlación cruzada y son únicos para cada usuario; se emplean

diferentes secuencias código como PN, Gold, Kasami, Walsh y ortogonales de

longitud variable. En este esquema los usuarios utilizan todo el ancho de banda del

(11)

SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL

1.1. Esquemas de acceso múltiple.

En los sistemas de comunicaciones móviles múltiples usuarios tienen acceso a los

recursos para comunicarse con otros usuarios. Un esquema de acceso múltiple es

aquel en el cual varios usuarios comparten un recurso común para transmitir y recibir

información. Los esquemas de acceso múltiple han sido desarrollados para hacer

frente al problema del acceso a los recursos.

Existen diferentes métodos de acceso múltiple, pero los más comunes son: acceso

múltiple por división de frecuencia, FDMA (Frequency Division Multiple Access); acceso múltiple por división de tiempo, TDMA (Time Division Multiple Access); acceso múltiple por división de código, CDMA (Code Division Multiple Access); y acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal, OFDMA (Orthogonal Frequency División Multiplex Access). A continuación se presenta una descripción de cada uno de estos esquemas.

FDMA

En este esquema el espectro de frecuencia disponible es dividido de tal forma que a

cada usuario se le asigna un canal de frecuencia con el mismo ancho de banda.

Existe una banda de guarda entre canales para reducir la interferencia de canal

adyacente. Es habitual que a cada usuario se le asigne un par de canales uno para

el enlace de bajada y otro para el enlace de subida. La figura 1.1 muestra este

esquema de acceso múltiple.

FDMA

Frecuencia

Banda de guarda Frecuencia2/Uusuario2/Canal2

Frecuencia1/Uusuario1/Canal1

Banda de guarda

[image:11.595.156.446.528.737.2]

Tiempo

(12)

TDMA

TDMA es el esquema en el cual cada canal es dividido en intervalos de tiempo que

se denominan "ranuras de tiempo" las cuales son fijas y sincronizadas, a cada

usuario se le puede asignar una o varias ranuras de tiempo durante las cuales

puede transmitir su información. Al agrupar varias ranuras de tiempo se forma una

trama. En la figura 1.2 se observa este esquema.

Se puede agregar un período o tiempo de guarda entre ranuras de tiempo, de modo

que la información de los usuarios no se traslape.

[image:12.595.174.475.261.513.2]

Frecuencia R anu ra d e ti em p o 2 Ra n u ra d e ti e m p o 3 R anu ra d e ti em p o 4 Tiempo T iempo d e g uar d a R anu ra d e ti em p o 1 T iempo d e g uar d a T iempo d e g uar d a T iempo d e g uar d a TDMA

Figura 1.2. Acceso múltiple por división en tiempo (TDMA).

Un problema que puede surgir es si los datos de los usuarios que tienen acceso a la

red se presentan en ráfagas. Un usuario puede transmitir datos irregularmente de

modo que los períodos en los cuales no haya transmisión sean más largos que los

períodos de transmisión. En ese caso el esquema TDMA tiende a ser ineficaz

porque una ranura de tiempo asignada al usuario no lleva información. Una manera

de evitar esto es permitir a más de un usuario compartir dicha ranura. A esta

(13)

CDMA

CDMA es quizás uno de los esquemas más sofisticados que ha sido usado en

sistemas de telefonía móvil. A los sistemas que utilizan este esquema se les

denomina "sistemas de espectro disperso". En este esquema se asigna un código a

cada usuario y simultáneamente todos los usuarios pueden ocupar todo el ancho de

banda disponible al mismo tiempo. A diferencia de TDMA y FDMA, en CDMA se

emplean códigos matemáticos para distinguir a cada usuario [2]. La figura 1.3 ilustra

este esquema. Los códigos usados para la dispersión tienen valores pequeños de

correlación cruzada y son únicos para cada usuario [3]. Lo anterior permite que el

receptor sea capaz de seleccionar la señal deseada.

En el lado transmisor a cada usuario se asigna una secuencia de código única para

dispersar la información. El receptor, conociendo las secuencias de código del

usuario, descifra la señal recibida y recupera los datos originales.

Frecuencia

Tiempo CDM A

[image:13.595.169.476.363.589.2]

Codigo de dispersion 4 Codigo de dispersion 3 Codigo de dispersion 2 Codigo de dispersion 1

Figura 1.3. Acceso múltiple por división de código (CDMA).

OFDMA

Además de las técnicas de acceso múltiple antes mencionadas, existe otra llamada

técnica de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA). A

diferencia de FDMA, esta consiste en asignar una portadora ortogonal, a cada

(14)

1.2. El concepto celular.

Un sistema de telefonía móvil es aquel en donde los usuarios pueden tener

comunicación desplazándose de un lugar a otro, servidos por una estación base,

este sistema también es conocido como sistema de telefonía celular. Los elementos

que intervienen en el concepto celular son: estación base, estación móvil y

reutilización de frecuencia, figura 1.4.

Una celda es el área de servicio en la que es posible recibir y realizar llamadas por

los usuarios. Cada celda cuenta con una estación base. A un conjunto de celdas se

le conoce como cluster. Un cluster se encuentra conectado a un centro de conmutación móvil, MSC.

La reutilización de frecuencia se refiere al empleo de canales de radio sobre la

misma frecuencia portadora para cubrir las diferentes áreas que son separadas una

de otra por una cierta distancia, de modo que la interferencia entre canales sea lo

más baja posible [4].

El propósito de utilizar celdas hexagonales es para la planeación del sistema y de

los recursos. Sin embargo, en la realidad las celdas no tienen una forma definida.

E B 1

E B 2 E M

[image:14.595.232.392.438.607.2]

E B 3 MSC

Figura 1.4.Elementos que conforman el concepto celular.

1.3. Evolución de los sistemas de telefonía móvil.

Los últimos años se ha visto un crecimiento del mercado de comunicaciones

móviles, principalmente en su aplicación de telefonía. A continuación se presenta la

(15)

Sistemas de primera generación (1G)

La primera generación de telefonía móvil apareció en los años ochentas, su modo de

transmisión era analógico. Las redes más destacadas, fueron el teléfono nórdico

móvil NMT (Nordic Mobile Telephone) y el sistema de servicio de telefonía móvil avanzado AMPS (Advanced Mobile Phone Service), el sistema de comunicación de acceso total TACS (Total Access Communication System) y ETACS (Extended TACS). Principalmente se ofrecía servicio de voz empleaban como esquema de acceso múltiple FDMA. En la siguiente tabla se muestran los sistemas celulares más

representativos de 1G.

SISTEMA AMPS NMT TACS ETACS

Banda de frecuencia

824-894 MHz 890-960 MHz 860-925 MHz 900 MHz

Esquema de acceso múltiple

FDMA FDMA FDMA FDMA

Año de introducción

1983 1986 1988 1985

Esquema de modulación

[image:15.595.88.539.262.472.2]

FM FM FM FM

Tabla 1.1. Sistemas celulares de primera generación.

Sistemas de segunda generación (2G)

A finales de los años 1980 la integración a gran escala y la tecnología de

procesamiento de señales maduraron, preparando el terreno para la era digital. Así

como el microprocesador fue el activador para las unidades móviles de 1G, el DSP

(Digital Signal Processor) fue el activador para los de 2G.

La tecnología digital se hizo más frecuente y los sistemas 1G fueron sustituidos por

sistemas digitales a principios de la década de los noventas.

El énfasis para 2G estaba sobre la compatibilidad y la transparencia internacional; el

sistema debería ser regional o semiglobal y los usuarios del sistema deberían ser

capaces de tener acceso a ello básicamente en todas partes de la región, las redes

2G fueron capaces de proporcionar algunos servicios de datos como mensajes de

(16)

Fueron cuatro los principales estándares para los sistemas de 2G: el sistema global

para comunicaciones móviles GSM (Global System for Mobile communications) que unifico el servicio europeo, el sistema digital AMPS (D-AMPS), el estándar japonés celular digital personal PDC (Personal Digital Cellular), y el estándar IS-95A o CDMAONE (Code Division Multiple Access ONE). En la tabla 1.2 se muestran las características más importantes de estos sistemas de segunda generación.

SISTEMA GSM IS-54 PDC IS-95

Banda de frecuencia

890-915 MHz 850 MHz 1850-1910 MHz

824-849 MHz

Esquema de acceso múltiple

TDMA/FDMA TDMA/FDMA TDMA/FDMA CDMA

Tasa de datos 13 kbps 7.95 kbps 7.95 kbps 14.4 kbps

Año de introducción

1990 1992 1993 1993

Esquema de modulación

[image:16.595.88.538.190.426.2]

GMSK Π/4 DQPSK Π/4 DQPSK QPSK

Tabla 1.2. Principales sistemas de segunda generación.

TDMA fue incorporado con FDMA en todos los sistemas 2G, excluyendo el sistema

CDMAONE que es el único sistema que emplea el esquema CDMA.

Sistemas de generación 2.5

Como la popularidad de las comunicaciones móviles aumento los sistemas de

segunda generación, como IS-95 o GSM, eran incapaces de satisfacer la demanda

de mayor capacidad.

Los sistemas más sobresalientes desarrollados para 2.5G son: HSCSD, GPRS,

EDGE. Para satisfacer esta demanda en 2001 se creó el Servicio de Radio

Paquetes General GPRS (General Packet Radio Service), que es una mejora de GSM. GPRS es una técnica de transmisión de paquetes, con ella se tienen tasas de

datos de 40 kbps hasta 115 kbps. GPRS emplea dos tipos de modulación 8PSK y

π/4 DQPSK.

(17)

Las tasas de datos mejoradas para la evolución global EDGE (Enhaced Data rates for Global Evolution), fueron diseñadas para aumentar las tasas de datos. La capacidad aumentada de EDGE es resultado de la utilización de una interfaz de aire

modificada, llamada la red de acceso de radio GSM/EDGE (GERAN), que

proporciona casi tres veces la capacidad de GPRS. EDGE emplea un esquema de

modulación 8PSK o GMSK. Si EDGE es usado con GPRS entonces a esta

combinación se le conoce como GPRS mejorado EGPRS (Enhaced GPRS) [6].

Sistemas de tercera generación (3G)

Un deseo de tasas de datos más altas motivo el desarrollo de los sistemas de

tercera generación, las características de ésta se describen en el estándar

Internacional de Telecomunicaciones Móviles para el año 2000 IMT-2000

(International Mobile Telecommunications for year 2000).

IMT-2000 es la norma mundial para tercera generación (3G) de comunicaciones

inalámbricas, definida por un conjunto de recomendaciones interdependientes de la

Unión Internacional de Telecomunicaciones, ITU (Internacional Telecommunication Union).

Las exigencias dentro de IMT-2000 para un sistema de tercera generación son:

• Proporcionar acceso a servicios como: audio, video, voz, datos, multimedia,

roaming y seguridad.

• Alta velocidad en la transmisión de datos, con tasas de 144 Kbps, 384 Kbps, y 2 Mbps.

• Servicios simétricos y asimétricos.

• Calidad de voz comparable con los sistemas de comunicaciones fijos.

• Compatibilidad con sistemas de segunda generación.

• Alta eficiencia espectral.

• Servicio de paquetes de datos de alta velocidad.

(18)

El espectro para los servicios móviles 3G fue designado por la ITU. La ITU atribuyó

las bandas de frecuencia 1885-2025 MHz, 1980-2010 MHz y 2170-2200 MHz.

Los sistemas 3G requieren de un orden más alto de modulación que soporte altas

tasas de datos, por ejemplo la modulación multi-nivel de amplitud en cuadratura

QAM, por medio de la cual la amplitud y la fase son variadas para generar símbolos,

el número total de símbolos puede ser de 2 a 64.

En 3G se han desarrollado nuevos servicios como son: Internet móvil, correo

electrónico, transferencia de datos de alta velocidad, vídeo y servicios multimedia.

3G adopta las técnicas de acceso múltiple CDMA y más específicamente de banda

ancha, para proporcionar mayor capacidad.

Un sistema de 3G es CDMA2000 que es una mejora del sistema IS-95 de 2G. Los

sistemas CDMA2000 1x usan el mismo canal que los sistemas IS-95 y “1x” se refiere

a una portadora de 1.25 MHz de ancho de banda. CDMA2000 puede alcanzar tasas

de datos de hasta 2 Mbps.

Uno de los sistemas más representativos de 3G es el acceso múltiple por división de

código de banda ancha, WCDMA (Wideband CDMA) que fue desarrollada por la asociación de proyectos de tercera generación 3GPP (3rd Generation Partnership Project) que es un acuerdo de colaboración que fue establecido en diciembre de 1998, este acuerdo incluye un número de organismos dedicados a crear normas de

telecomunicaciones que se conocen como "compañeros de organización". Entre

ellos se encuentran el Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeo,

ETSI (European Telecommunications Standards Institute) de Europa, la Asociación de Industrias de Radio y Negocios, ARIB (Association of Radio Industries and Businesses) de Japón, la Asociación de Estándares de Comunicaciones de China, CCSA (China Communications Standards Association), la Alianza para Soluciones de la Industria de Telecomunicaciones, ATIS (Alliance for Telecommunications Industry Solutions) de Estados Unidos, la Asociación de Tecnología de Telecomunicaciones, TTA (Telecommunications Technology Association) de Korea , y el Comité de Tecnología de Telecomunicaciones, TTC (Telecommunication Technology Committee) de Japón [7].

La primera versión del estándar se produjo en 1999, la cual contiene todos los

(19)

La 3GPP actualiza los datos continuamente con nuevas y mejoradas características,

usa un sistema de revisiones, en la cual se indican todas estas especificaciones.

La primera fue la revisión 99, en 2004 la revisión 4, la revisión 5 en 2005, la revisión

6 en 2006, y actualmente ya se encuentra en proceso la revisión 7.

WCDMA fue elegido como la tecnología básica de acceso de radio para

UMTS/IMT-2000 tanto en Europa como en Japón.

La estandarización de los sistemas de tercera generación, consta de una lista de

diversos objetivos para su funcionamiento entre ellos se encuentran, una alta

eficiencia del espectro y converger con un estándar global con alto grado de

interoperabilidad [7].

Sistemas de cuarta generación (4G)

Actualmente no hay un estándar formal o definición que exista para 4G, el enfoque

de los sistemas es claro, integrar los sistemas inalámbricos. Esperan completar el

proceso de globalización de comunicaciones móviles.

4G será la fusión de las tecnologías celulares e inalámbricas incluyendo la

integración de tecnologías desde redes de área personal (PAN’s), redes de área

local (LAN’s), redes de área metropolitana (MAN), redes de área amplia (WAN’s),

redes de área regional y global conectadas a una sola red.

4G habilita tecnologías relacionadas a la codificación, la modulación y el acceso

múltiple, los esquemas de codificación avanzados, la modulación adaptable, la

señalización de banda ultra ancha.

Un aspecto importante dentro de los esquemas avanzados de codificación es la

codificación concatenada, esta fundamentalmente basada en la unión de dos o mas

códigos y un proceso de entrelazado, la desventaja primara es la complejidad.

En el futuro es probable que los sistemas 4G empleen esquemas de acceso múltiple

mejorados. Algunos proponen como esquemas de acceso múltiple de 4G a: OFDM

(20)

1.4. Espectro disperso.

El espectro disperso, SS (Spread Spectrum), es una técnica de transmisión de señales que fue desarrollada principalmente para sistemas de comunicaciones

militares a finales de la segunda guerra mundial, con el objetivo de evitar la

interferencia intencional (jamming).

Los sistemas de comunicaciones de espectro disperso utilizan un ancho de banda

varias veces mayor al necesario para transmitir la información [8].

Este procedimiento se realiza a través de una operación donde el espectro de una

señal m(t) se dispersa por medio de otra señal, que es llamada código de dispersión

g(t), en la figura 1.5 se muestra el espectro M(f) de la señal y GSS(f) después de la

dispersión, donde No es la densidad espectral del ruido.

M(f)

N₀

W

f

a) Espectro de m(t) antes de la dispersión.

N₀

f

W_SS G_SS(f)

b) Espectro después de la dispersión (señal transmitida).

Figura 1.5. Procedimiento de dispersión.

La razón WSS / W se llama factor de dispersión o ganancia de procesamiento (GP).

WSS es el ancho de banda de transmisión y W es el ancho de banda de la señal de

información [9].

Las ventajas que ofrece la técnica de espectro disperso son:

(21)

• Alta tolerancia a interferencias intencionales o no intencionales.

• Baja detectabilidad de la señal transmitida por un receptor ajeno, la cual se

reduce con el incremento del factor de dispersión.

• El esquema de acceso múltiple empleado permite que varias señales ocupen

el mismo ancho de banda de radiofrecuencia para que sean transmitidas al

mismo tiempo.

• Posee una baja probabilidad de interceptación, LPI (Low Probability of Interception), debido a su baja densidad de potencia la señal de espectro disperso es difícil de descubrir e interceptar por un receptor ajeno [10].

Existen diversas técnicas para generar el espectro disperso, las cuales son [9]:

• Secuencia directa, DS (Direct Sequence).- La señal portadora de información es multiplicada directamente por la señal código a una alta tasa de chip1.

• Salto de frecuencia, FH (Frequency Hopping).- La frecuencia portadora en la cual viaja la información de la señal que se transmite es rápida o lentamente

cambiada de acuerdo con una señal código.

• Salto en el tiempo, TH (Time Hopping).- La señal portadora de la información no es transmitida continuamente. La señal se transmite en instantes cortos

donde los tiempos de los instantes son decididos por la señal código.

• Híbridos.- Dos o más de las técnicas de SS antes mencionadas pueden ser

usadas juntas para combinar las ventajas.

El espectro disperso puede ser usado como técnica de acceso múltiple, para

compartir recursos de comunicaciones y la misma banda espectral entre un número

considerable de usuarios.

La técnica llamada acceso múltiple por división de código (CDMA), emplea métodos

de espectro disperso y asigna a cada usuario un código.

La aplicación de espectro disperso en sistemas comerciales surgió en el año 1978.

Durante la década de los ochentas Qualcomm investigó técnicas DS-CDMA que

finalmente condujeron a la comercialización de sistemas de comunicaciones móviles

de espectro disperso. En la figura 1.6, se puede ver una clasificación general de

CDMA respecto al número de técnicas para generar espectro disperso.

1

(22)

CDMA

CDMA puro CDMA híbrido

DS FH TH DS/FH

DS/TH FH/TH DS/FH/TH

TDMA/CDMA MC-CDMA MT-CDMA

De banda ancha

De banda estrecha

Salto de

frecuencia rápido

Salto de frecuencia lento

Figura 1.6. Clasificación General de CDMA [9].

Para mostrar la capacidad n las técnicas para

la información es directamente multiplicada por una de acceso múltiple se describirá

generar CDMA puro. Sin embargo, es importante mencionar que la más utilizada es

la secuencia directa DS-CDMA.

En DS-CDMA, la señal que lleva

señal de dispersión o señal código pseudo ruido, a una mayor tasa. Es de esta

multiplicación directa que toma su nombre, DS-CDMA.

En la figura 1.7 se muestra el principio básico de DS, cada símbolo es de duración

TS y es dispersado en múltiples chips de duración TC. La duración TC debe ser

mucho menor que TS y la tasa de TC mucho mayor a la de TS.

TS

TC 1 1 1

-1 _{-1 -1} 1 1 1

-1

[1 1 -1 1 -1] [1 -1 -1 -1 1]

Señal de Datos

Señal Código

Secuencia Dispersada

Figura 1.7. Secuencia Directa.

El receptor recupera la señal usando el mismo código. Tiene que ser capaz de

sincronizar la señal recibida con el código generado; de otra manera, la señal

(23)

En FH-CDMA la señal que contiene la información no debe ser continua, se debe

cambiar en forma de saltos durante ciertos intervalos de tiempo, el salto de

frecuencia esta decidido por la señal código.

La ocupación de frecuencias de un sistema FH se diferencia bastante de un sistema

DS. Un sistema DS ocupa la toda la banda de frecuencia asignada cuando

transmite, mientras que un sistema FH usa sólo una pequeña parte de la banda

cuando transmite, como se muestra en la figura 1.8.

Por regla general, ambos sistemas transmitirán la misma potencia en la banda de

frecuencia asignada [11].

tiempo frecuencia

FH DS

Figura 1.8. Tiempo y frecuencia utilizados por FH y DS.

El número de frecuencias usadas varía de unos cuantos a varios miles, sin embargo

por lo general los sistemas FH son clasificados en dos categorías dependiendo de la

tasa de salto.

• Salto de frecuencia rápido, FFH (Fast Frequency Hopping), la tasa de salto es igual o mayor que la tasa de bit de la señal en banda de base.

• Salto de frecuencia lento, SFH (Slow Frequency Hopping), la tasa de salto es menor que la tasa de bit de la señal en banda de base.

La mayor protección contra la interferencia se logra con la más alta tasa de salto [9].

1.4.1. Secuencias de máxima longitud.

Las secuencias de máxima longitud (m-sequences) son por definición los códigos más largos que pueden ser generados por un registro de desplazamiento. En cada

ciclo de reloj el registro desplaza todo el contenido a la derecha. En la figura 1.9 se

(24)

ai-1 ai-(n-1) ai-n

X X X

X

+ + +

a_i

ai-2

[image:24.595.184.446.57.148.2]

c1 c2 cn-1 cn

...

Figura 1.9. Estructura del generador de secuencias de máxima longitud.

La secuencia ai puede ser representada por esta ecuación:

∑

= − − − − + + + = = n k k i k n i n i i

i ca c a c a c a

a

1 2

2 1

1 .... _{………. (1)}

El período máximo N, de una secuencia es de 2n-1, donde n es el número de etapas

del registro.

Las secuencias de máxima longitud cumplen tres propiedades de aleatoriedad en

cada período de longitud N = 2n -1:

• Balance: El número de unos difiere del número de ceros en, como mucho, un dígito.

• Sucesión: Una corrida (run) es una secuencia de un único tipo de dígito binario. Esta propiedad se refiere a que la mitad de las corridas tienen

longitud 1, 1/4 tiene longitud 2, 1/8 longitud 3, y 1/2k longitud k (k <n).

• Autocorrelación: Si el período de una secuencia se compara término a término con un desplazamiento cíclico de él mismo, el número de

coincidencias diferirá del número de no coincidencias por no más de uno [12].

1.4.2. Secuencias Gold.

Las secuencias Gold se caracterizan por que sus valores de correlación cruzada

cumplen ciertos requisitos, existen ciertos pares de secuencias m que tienen 3

valores de correlación cruzada: -t(n),-1, t(n)-2, donde:

(25)

A dos secuencias que cumplan estas condiciones se les denomina par preferido. El

encuentro de los pares preferidos de secuencias m es necesario en la definición de

los códigos Gold.

Los códigos Gold se generan a partir de dos secuencias de longitud N=2n-1, una de

ellas con versiones desplazadas de la otra. En la figura 1.10 se muestra un

generador de 33 códigos Gold de longitud 31. El período de cualquier código en la

familia es N.

2 3 4 5

1

1 2 3 4 5

Figura 1.10. Generador de secuencias Gold.

De la figura 1.10 podemos determinar que el periodo para ambas secuencias es:

N=25-1 = 31 chips

Esta estructura generara los 25+1 = 33 códigos.

Las conexiones de los registros de corrimiento se representan por medio de

polinomios f1 (D) para el primer registro y f2 (D) para el segundo.

f1 (D)=1+D2+D5 y f2 (D)= 1+D2+D3+D4+D5; por medio de la suma modulo 2 se

realizan las combinaciones para obtener todas las secuencias [12].

1.4.3. Secuencias Kasami.

Las secuencias Kasami son uno de los tipos más importantes de secuencias

binarias debido a que su correlación cruzada es muy baja.

Para generar las secuencias Kasami, se parte de una secuencia a y se forma la

secuencia a', decimando la secuencia a cada 2n/2 + 1, la secuencia a’ también tendrá

un período N =2n–1. Con este procedimiento se obtiene un conjunto de M= 2n/2

(26)

La autocorrelación y las funciones de correlación cruzada de estas secuencias

toman los valores del conjunto {-1, - (2n/2 + 1), 2n/2-1} [12].

1.4.4. Códigos ortogonales.

Las funciones ortogonales son empleadas para mejorar la eficiencia de ancho de

banda en los sistemas de espectro disperso. Existen varias secuencias que pueden

ser usadas para generar un conjunto ortogonal de funciones, las secuencias Walsh

son muy útiles para CDMA.

Las funciones Walsh son generadas por mapeo de filas de una matriz cuadrada

llamada matriz Hadamard. Esta matriz se caracteriza por tener una fila de ceros y las

restantes con igual número de ceros y unos. La matriz Hadamard puede ser

generada por el siguiente procedimiento:

H₁=[ ]0 _⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = 1 0 0 0 2 H ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 4 H _⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = N N N N N H H H H H₂

donde N es una potencia de 2 y el símbolo negado indica el complemento binario de

bits en la matriz.

La característica más importante de los códigos Walsh es su perfecta ortogonalidad

[12].

1.4.5. Códigos ortogonales de longitud variable.

WCDMA esta diseñado para ofrecer una variedad de servicios de datos, de bajas a

muy altas tasas de bit. Ya que el ancho de banda de la señal dispersa es la misma

para todos los usuarios, la tasa de transmisión necesita múltiples factores de

dispersión (SF) en los canales físicos. Se considera que cada bit es dispersado por

un código de longitud N = 2n. Generalmente, la longitud de código de 2n-k es

necesaria para una tasa de bit 2kRmin.

Un método para obtener los códigos ortogonales de longitud variable está basado en

una matriz Hadamard modificada.

CN es una matriz de tamaño N x N y tiene N códigos binarios de N chips y de

longitud {CN(n)} n=l,…,N. donde CN(n) es el vector fila de N elementos y N=2n. La

(27)

SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = ) 2 / ( ) 2 / ( ) 2 / ( ) 2 / ( ) 2 ( ) 2 ( ) 2 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) 3 ( ) 2 ( ) 1 ( 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / N C N C N C N C C C C C C C C C N C N C C C C C N N N N N N N N N N N N N N N N N N M

M ………. (3)

Otra forma de generar los códigos ortogonales de longitud variable puede ser

usando una estructura de árbol como se muestra en la figura 1.11.

Figura 1.11. Árbol de códigos de longitud variable ortogonales.

Los códigos como C2 (1) y C2 (2) que pertenecen a un mismo nivel, son ortogonales

entre si, al igual que los códigos que no dependen de la misma madre. En el caso de

que un código sea madre de otro; por ejemplo C4 (1) y C2 (1) son códigos madre de

C8 (1), no son ortogonales entre si. Entonces por esta razón un código puede ser

usado en un canal si y sólo si ningún otro código, de la raíz del mismo árbol que

depende el código específico es usado en el mismo canal. Si C4 (2) es asignado a un

usuario, los códigos {C2 (1), C8 (3), C8 (4),…} no pueden ser asignados a usuarios

que lo requieran. Esto quiere decir que el número de códigos disponibles no es fijo,

depende de la tasa y el factor de dispersión de cada canal físico. Estas restricciones

(28)

Referencias

[1] W. Stallings, “Wireless Communications and Networks”, Prentice Hall, 2001.

[2] Heikki Kaaranen y Ari Ahtiainen, “UMTS Networks Architecture Mobility and

Services”, John Wiley & Sons, 2005.

[3] J.G. Proakis, “Digital Communications”, McGraw Hill, 2000.

[4] V.H. MacDonald, “The Cellular Concept”, en The Bell System Technical Journal,

vol. 58, núm. 1, enero de 1979.

[5] T.S. Rappaport, “Wireless Communication, Principles and Practice”, Prentice Hall,

2002.

[6] Juha Korhonen, “Introduction to 3G Mobile Communications”, Artech House,

2003.

[7] Erik Dahlman y Per Beming, “WCDMA -The Radio Interface for Future Mobile

Multimedia Communications”, en IEEE Transactions, vol. 47, núm. 4, noviembre de

1998.

[8] Bernard Sklar, “Digital Communications, fundamentals and applications”, Prentice

Hall, 2000.

[9] Ramjee Prasad y Tero Ojanperä, “An Overview of Cdma Evolution Toward

Wideband Cdma”, en IEEE Communications Surveys, vol. 1, núm. 1, septiembre de

1998.

[10] Raymond L. Pickholtz y Donald L. Schilling, “Theory of Spread Spectrum

Communications”, en IEEE Transactions, vol. 30, núm. 5, mayo de 1982.

[11] Leonhard Korowajczuk y Bruno de Souza Abreu Xavier, “Designing cdma2000

Systems”, John Wiley & Sons, 2004.

[12] Esmael H. Dinan y Bijan Jabbari, “Spreading Codes for Direct Sequence CDMA

and Wideband CDMA Cellular Networks”, en IEEE Communications Magazine, vol.

(29)

CAPÍTULO 2

WCDMA EN SISTEMAS DE 3G

UMTS posee una arquitectura de red que esta integrada por tres entidades, la estación móvil, la red de acceso de radio terrestre UTRAN y la red principal CN. Existen dos interfaces principales para la comunicación entre las entidades: la interfaz lu, que se localiza entre la UTRAN y la red principal, y la interfaz Uu que se encuentra ente la UTRAN y la estación móvil. Este capítulo contiene una descripción de la función que desempeña cada entidad en la red.

(30)

WCDMA EN SISTEMAS DE 3G

2.1. Arquitectura de una red UMTS.

En esta sección se presenta la arquitectura general de un sistema de comunicaciones móviles, UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) el

cual esta conformado por los siguientes elementos:

• El equipo de usuario, UE (User Equipment) que en este trabajo lo

nombraremos como estación móvil.

• La red de radio de acceso terrestre, UTRAN (UMTS Terrestrial Radio-access Network).

• La red principal, CN (Core Network).

La arquitectura general incluye dos interfaces: la interfaz lu que se localiza entre la UTRAN y la red principal y la interfaz Uu que se encuentra ente la UTRAN y la estación móvil. Los protocolos sobre las interfaces Uu y lu son divididos en dos estructuras: en el plano de usuario y en el plano de control, en la siguiente figura se muestra la arquitectura general UMTS.

Arquitectura UMTS

UTRAN _principalRed Estacion

Movil

Interfaz Uu

Interfaz lu

Figura 2.1. Arquitectura general de un sistema UMTS.

La estación móvil es la terminal del sistema, esta contiene dos entidades: el equipo móvil ME (Mobile Equipment) que es empleado para la comunicación sobre la

interfaz Uu; y el modulo de identidad de suscriptor, USIM (Universal Subscriber Identity Module).

La UTRAN maneja toda la funcionalidad relacionada con la red principal, consiste de radio controladores de red, RNC (Radio Network Controllers) y el Nodo B, que en

(31)

Las interfaces internas de la UTRAN son: la interfaz lub y la interfaz lur. La interfaz lub conecta a la estación base con el RNC, la interfaz lur es un enlace entre dos RNC.

El controlador de red es el elemento de control de la UTRAN, es el punto de acceso para todos los servicios, el RNC esta localizado entre las interfaces lub y lu. El RNC controla una o más estaciones base, sus funciones principales son: control de operación de la estación base, manejo del tráfico de los canales comunes, macrodiversidad, modificaciones a los conjuntos activos (soft handover), manejo del

tráfico de los canales compartidos, control de potencia y control de admisión [2]. La estación base se localiza entre la interfaz Uu y la interfaz Iub, sus principales tareas son: efectuar la implementación física de la interfaz Uu; la estación base implementa los canales físicos y transfiere la información de canales de transporte a los canales físicos. En la figura 2.2 se observa la arquitectura general de UTRAN.

Estacion Base RNS

RNC

lub

lur

lu

UTRAN

Estacion Base

[image:31.595.167.457.340.607.2]

Red Principal

Figura 2.2. Arquitectura general UTRAN.

(32)

En la red principal existen cinco entidades las cuales son: el centro de conmutación móvil, MSC (Mobile Switching Center), puerta de enlace al centro de conmutación

móvil, GMSC (Gateway Mobile Switching Center), el registro de locación, HLR (Home Location Register), el nodo de apoyo al servidor GPRS, SGSN (Serving GPRS support node), puerta de enlace al nodo de apoyo GPRS, GGSN (Gateway GPRS Support Node.). En la figura 2.3 se muestra cada una de estas entidades.

Estacion Movil

UTRAN

RNS Estación base

USIM

Equipo Móvil Uu

Red principal

GMSC

SGSN

RDSI

INTERNET LuCs

LuPs

Lub

GGSN Estación base

RNC

RNS Estación base

Estación base

RNC lur

MSC

HLR

Figura 2.3. Elementos de un sistema UMTS.

El centro de conmutación móvil es la pieza central de la conmutación de circuitos en la red principal. Las principales funciones de un MSC son las siguientes: coordinación de llamada de todas las estaciones móviles en la jurisdicción del MSC, asignación dinámica de recursos, manejo de la transferencia de llamada, intercambio de señales entre diferentes interfaces [2].

En esta entidad también se encuentra el registro de visitante, VLR (Visitor Location Register) que contiene información sobre las estaciones móviles en esa área. El

VLR contiene información de todos los suscriptores activos en esa área. Contiene la misma información que contiene el HLR, con la diferencia de que esta información es temporánea.

El HLR contiene los datos de subscriptor, cada perfil de información de subscriptor se guarda en un HLR. La información del subscriptor entra en el HLR cuando el usuario hace una suscripción. Hay dos tipos de información en un HLR, permanente y temporánea.

(33)

EL SGSN es el elemento central en la conmutación de paquetes, contiene dos tipos de información: de suscripción y de localidad. El SGSN se conecta a la UTRAN mediante la interfaz LuPS. El GGSN se encarga de dirigir el tráfico saliente, también recibe información del HLR y del SGSN.

Las interfaces que contiene un sistema UMTS son las siguientes:

Interfaz Uu. Es la interfaz por la cual la estación móvil tiene acceso a la parte fija del sistema, y es por lo tanto probablemente la interfaz más importante en UMTS.

Interfaz Iu. Es una interfaz abierta que conecta la red principal con la UTRAN. Puede tener dos casos diferentes, Iu-CS (Circuit Switching) y Iu-PS (Packet Switching). La

CS conecta la UTRAN a un centro de conmutación móvil, un MSC. La interfaz Iu-PS conecta la UTRAN al SGSN.

Interfaz lub. Se sitúa entre el RNC y la estación base en la UTRAN. La interfaz Iub separa la estación base del RNC. Algunas funciones que realiza son: dirigir los recursos de transporte, maneja la información del sistema, manejo del tráfico de los canales comunes, compartidos y especiales.

Interfaz Lur. Es una interfaz abierta que conecta a dos radio controladores de red, lleva tanto la información de tráfico como de señalización.

2.2. Arquitectura en capas de protocolos de WCDMA.

Un sistema de comunicaciones elaborado en capas de protocolos, divide el trabajo global en funciones, módulos o capas más pequeñas; que permiten la administración y funcionamiento de un sistema de una manera óptima. Cada capa o modulo tiene una función especifica sin considerar el desarrollo internamente de otras capas, esto evita fallas del sistema a causa de sobrecarga de trabajo. Si eventualmente hay una mejora, por ejemplo un algoritmo que realiza más rápido y eficientemente la tarea de una capa, se puede incorporar sin afectar a las otras capas, la función de cada capa esta compuesta por un protocolo de reglas y convenciones. Es por ello que la arquitectura del estándar WCDMA está elaborada en capas.

(34)

Capa física MAC

RLC

C3

C2

C1 MBC

PDCP RRC

C3

C2

C1

Canales físicos Canales de transporte

Canales logicos

Capa física

Capa de enlace de datos Capa de red

Portadores de señalización de radio

Información de usuario: Voz/datos

[image:34.595.146.511.61.312.2]

Plano de control Plano de usuario

Figura 2.4.Estructura en capas del estándar WCDMA.

La capa de enlace de datos está compuesta por dos subcapas, que son la capa de control de acceso al medio MAC (Medium Access Control), y la capa de control de

enlace de radio RLC (Radio Link Control). Cada una cuenta con diferentes interfaces

para comunicarse entre ellas, por ejemplo la interfaz entre la capa física y la capa MAC son los canales de transporte. Ambas subcapas están conectadas al plano de control de usuario. El plano de usuario contiene dos protocolos en suma a estas dos últimas subcapas, los cuales son: protocolo de convergencia de paquetes PDCP (Packet Data Convergence Protocol) y protocolo de control de Broadcast/Multicast

BMC (Broadcast/Multicast Control). La capa física ofrece servicios a la capa MAC a

través de los canales de transporte, los cuales dependen de las características que tienen los datos transferidos.

(35)

2.2.1. Capa física.

La capa física es unos de los rasgos más importantes de la estructura del WCDMA, ya que esta, al igual que en la capa física del modelo OSI, proporciona los requerimientos eléctricos y de procedimiento para poder activar, mantener y desactivar el enlace por medio de un canal de comunicaciones y transmitir información a través de este medio. Vista de otra manera la función de la capa física es preparar los datos provenientes de las capas superiores para así poder ser transmitidos sobre un canal de radio de una manera segura [4].

Entre algunos de los requerimientos eléctricos se encuentra la duración en tiempo para las señales y control de potencia. Entre los requerimientos de procedimiento se tienen: el tipo de transmisión, tipo de duplexaje empleado para la separación de canales y tipos de códigos de dispersión. Estableciendo estos requerimientos es posible conocer la complejidad del sistema, el cual debe poseer una flexibilidad para adaptarse a futuros servicios, es decir, la capa física no debe ser diseñada centrada en ofrecer un solo servicio. También se debe considerar el crecimiento de las condiciones ambientales para el cual será puesto en operación (por ejemplo el aumento de construcciones).

Como se ha mencionado la capa física se enfoca en el mantenimiento del canal por medio del cual se realiza la comunicación entre una estación base y una estación móvil. En la capa física se encuentran definidos dos grupos principales de canales los canales físicos y los canales de transporte. Los canales físicos: corresponden a una frecuencia o un código. Los canales de transporte se definen con base a cómo y con qué características se transmitirá la información. Cada canal de transporte es asociado con un canal físico [4].

2.2.1.1. Canales de transporte.

Los datos generados en las capas superiores de la estructura de WCDMA, son mapeados a diferentes canales físicos. Cada canal de transporte es acompañado por el indicador de formato de transporte TFI (Transport Format Indicator), el cual

espera a los datos provenientes de las capas superiores para ser llevados a canales de transporte específicos [4]. En la capa física se combina la información de varios indicadores de formato de transporte provenientes de diferentes canales de trasporte; al conjunto resultante se le conoce como indicador combinado de formato de transporte TFCI (Transport Format Combination Indicator). El indicador

(36)

PCCH (Physical Control Channel) para indicar al receptor cuales canales de

transporte son activados en la trama recibida. El contenido proveniente del indicador combinado de formato de transporte no puede ser visto por el receptor de una manera directa, sino que tiene que ser descifrado para poder recuperar los indicadores de formato de transporte, los cuales indican al receptor que canales debe activar. Los canales de transporte están compuestos por varios bloques. En la figura 2.5 se muestra la estructura a bloques de los canales de transporte.

Bloque de transporte

Canal detransporte

Canal de transporte

TFI

TFCI

[image:36.595.95.530.226.468.2]

Enviado por el canal físico de control

Figura 2.5. Estructura a bloques de los canales de transporte.

Existen dos tipos de canales de transporte: Los canales comunes y los canales dedicados, la principal diferencia entre ellos es que el canal común es un recurso compartido entre todos o un grupo de usuarios dentro de una celda, el canal dedicado es un recurso específicamente para un solo usuario, identificado para un cierto usuario.

2.2.1.1.1. Canal de transporte dedicado.

En el estándar WCDMA solamente esta definido un canal de transporte dedicado DCH (Dedicated Channel) [4]. Este canal es bidireccional, es decir, empleado tanto

en el enlace de subida como en el enlace de bajada. Este canal se encarga de llevar los datos y control de información de las capas superiores, tales como:

• Voz.

• Video.

(37)

• Medidas de señalización para un usuario deseado.

• Instrucciones para la transferencia de llamada sin interrupción.

• Control rápido de potencia.

• Cambio rápido de tasa de datos (cambio de trama en trama). 2.2.1.1.2. Canales de transporte comunes.

A diferencia del canal de transporte dedicado, el canal de transporte común cuenta con varias derivaciones para el desempeño de acciones específicas. Existen varias acciones que tienen un punto en común entre ellas mismas, las cuales podrían ser ejecutadas a través de un mismo canal, pero esto traería como desventaja una reducción en el rendimiento del sistema debido a una saturación, es por ello que el canal de transporte común cuenta con varios canales para desempeñar una acción en particular, de esta manera se pretende regular la carga del sistema, ya que en ocasiones no todas las acciones que involucran la transferencia de datos son realizadas al mismo tiempo. Los canales de transporte comunes son los siguientes:

• Canal de Broadcast, BCH (Broadcast Channel): Es un canal de transporte

utilizado en el enlace de baja que se encarga de llevar información en una red UTRAN a una celda en particular. Se encarga de transportar datos de cada celda como códigos de acceso aleatorio y accesos de posición en la celda. Información que es difundida en toda la celda por medio de este canal. Cada terminal debe de decodificar el canal de Broadcast para poder registrar la celda. Para la transmisión en este canal se requiere un alto nivel de potencia y baja tasa de transmisión para ofrecer cobertura en toda la celda.

• Canal de acceso de bajada, FACH (Forward Access Channel): Es empleado

para llevar información de control a las terminales móviles que estén localizadas en una celda dada. Se debe transmitir con una baja tasa. Puede haber más de un canal de acceso por celda, de ser a si los demás canales de acceso transmiten con diferentes tasas [5].

• Canal de voceo, PCH (Paging Channel): Es un canal empleado en el enlace

(38)

El diseño del canal de voceo también afecta el consumo de potencia de la estación móvil incluso cuando se encuentre en modo de espera, ya que es cuando esta disponible para recibir el mensaje de voceo.

• Canal de acceso aleatorio, RACH (Random Access Channel): Es un canal

disponible únicamente en el enlace de subida, utilizado para llevar información de control desde la estación móvil hasta la estación base, como solicitar la conexión para realizar una llamada. Pero también puede llevar pequeñas cantidades de información de la estación móvil en paquetes. En forma ideal debe tenerse acceso a este canal desde toda el área de cobertura de la celda. La capa física manda la información contenida en este canal para poder asignar a la conexión una ranura disponible en el enlace de subida en forma aleatoria. Debido a que todos los usuarios de la celda acceden a este canal, se transmite a bajas tasas de bit. Únicamente opera en modo FDD [5].

• Canal de paquete común, CPCH (Common Packet Channel): Es un canal

disponible en el enlace de subida. Es muy similar al canal de acceso aleatorio (FACH), porque también envía paquetes de información a la red, utilizando un procedimiento más ordenado para evitar las colisiones producidas por el acceso de usuarios, utiliza el control de potencia rápido y solo opera en modo FDD.

• Canal compartido del enlace de bajada, DSCH (Downlink Shared Channel):

Como el nombre lo indica es un canal utilizado en el enlace de bajada para llevar información del usuario y control de información. A diferencia del canal de acceso de bajada (FACH), el DSCH soporta el control de potencia rápido. El Canal compartido de enlace de bajada puede ser transmitido en toda la celda o en una parte específica de ella [5].

2.2.1.2. Canales físicos.

(39)

una duración de trama de 10 ms, con un total de 38400 chips por trama la trama esta dividida en 15 ranuras de tiempo con duración de 0.667 ms y 2560 chips por ranura [3].

2.2.1.2.1. Canal físico para el enlace de subida.

Para la conexión del enlace de subida se cuenta con dos canales dedicados y un canal común. El primero de ellos es el canal físico de datos dedicado DPDCH, (Dedicated Physical Data Channel), en cual se realiza la función de la transmisión de

los datos de usuario y de control de la información [6].

El segundo canal dedicado es el canal físico de control dedicado, DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) el cual tiene las siguientes funciones:

transmisión de símbolos piloto para la recepción coherente y transmite bits de señalización para control de potencia. Los canales físicos dedicados de datos y de control son multiplexados a través en tiempo.

2.2.1.2.2. Canal físico para el enlace de bajada.

Este canal cuenta con varios canales para el desempeño de acciones específicas, a continuación se describe cada uno de estos canales.

• Canal físico dedicado del enlace de bajada, DDPCH (Downlink Dedicated Physical Channel): Utiliza el multiplexaje en tiempo para enviar los datos de usuario provenientes de capas superiores y el control de información que es generado en la capa física. Consta de dos canales dedicados uno para datos que es el canal físico de datos dedicado, DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) y un canal para control, el cual es el canal físico de control

dedicado, DPCCH (Dedicated Physical Control Channel).

• Canal piloto común, CPICH (Common Pilot Channel): Este canal transmite

una portadora que es usada para estimar los parámetros del canal. Es la referencia física para otros canales. Sus funciones son diversas e importantes, es empleado para el control de potencia, transmisión y detección coherente, la estimación de canal y medición de celdas adyacentes, los canales piloto también sirven para obtener el código scrambling de la celda.

(40)

un canal piloto primario. El canal piloto secundario utiliza un código de canalización variable con una longitud de 256 chips [5].

• Canal físico primario de control común, PCCPCH (Primary Common Control Physical Channel): Es usado parra llevar el canal de Brodcast (BCH).Este

canal cuenta con 2560 chips por ranura y utiliza un factor de dispersión de 128 o 256, y un total de 20 o 10 bits son transmitidos por ranura. Se encarga de llevar información de control por toda la celda [4,5].

• Canal físico secundario de control común, SCCPCH (Secondary Common Control Physical Channel). Este canal físico transmite la información

contenida de dos diferentes canales de transporte, los cuales son el canal de acceso de bajada (FACH) y el canal de voceo (PCH) [4,5].

• Canal de sincronización, SCH (Synchronization Channel): Este canal es

utilizado por las estaciones móviles para la búsqueda de celdas, consta de un canal primario y un canal secundario. El canal de sincronización primario transmite con un código modulado con una longitud de 256 chips. El canal de sincronización secundario es construido para repetir un esquema de códigos de 256 chips, el cual es trasmitido en paralelo con el canal de sincronización primario, y son transmitidos en diferentes canales físicos al mismo tiempo [4].

• Canal físico compartido del enlace de bajada, PDSCH (Physical Dedicated Shared Channel): Tiene como objetivo la transferencia de paquetes de datos

en tiempo no real. En cada trama esta asociado con un canal físico de en lace de bajada (DPCH) con la intención de apoyar al control de potencia y de informar a la unidad móvil de la llegada de datos a través del canal compartido de enlace de bajada (DSCH) [4].

• Canal físico de paquetes comunes, CPCH (Common Packet Channel): Es

(41)

• Canal físico de acceso aleatorio, PRACH (Physical Accesses Channel): Es un

canal utilizado en el enlace de subida llevando la información del canal de acceso aleatorio (RACH). Trabaja con paquetes de datos en tiempo no real [4].

• Canal indicador de voceo, PICH (Paging Indicator Channel): Este canal esta

asociado con el canal físico secundario de control común (SCCPCH). Utiliza un factor de dispersión de 256, y lleva 288 bits de indicación de voceo sobre cada trama con duración de 10ms [4].

2.2.1.3. Mapeo de los canales de transporte a los canales físicos.

Ahora que ya se han mencionado los canales de control y los canales físicos, se puede hablar sobre el mapeo de los canales de transporte a los canales físicos, esto hace referencia a una correspondencia de un canal de transporte a un canal físico. A continuación en la tabla 2.1, se muestra la correspondencia de los canales de transporte en los canales físicos.

Canales de Transporte Correspondencia Canales Físicos Canal de broadcast

(BCH). Canal físico primario de control común (PCCPCH). Canal de acceso de bajada

(FACH).

Canal físico secundario de control común (SCCPCH). Canal de voceo

(PCH). Canal físico secundario de control común (SCCPCH). Canal de acceso aleatorio

(RACH). Canal físico de acceso aleatorio channel (PRACH).

Canal de transporte dedicado

(DTCH).

Canal físico de datos dedicados (DPDCH).

Canal físico de control dedicado (DPCCH).

Canal compartido de enlace

de bajada (DSCH). Canal físico compartido de enlace de bajada (PDSCH).

Canal de paquete común (CPCH).

Canal de sincronización (SCH). Canal Piloto Común (CPICH). Canal de indicación de voceo (PICH).

Canal físico de paquetes comunes (CPCH).

(42)

2.2.2. Capa MAC.

La capa control de acceso al medio MAC (Medium Access Control) determina

cuantos tipos de información provienen de las capas superiores de la estructura de WCDMA, utilizando como medios los canales lógicos los cuales a su vez serán mapeados a los canales de transporte. La capa MAC interactúa con la subcapa del control de radio enlace (RLC), sobre un número de canales lógicos. Esta capa también es responsable de seleccionar un apropiado formato para cada canal de transporte [5]. La arquitectura lógica de la capa MAC se muestra en la figura 2.6

MAC-b _MAC-c/sh

MAC-d

DCH DCH BCH

Control MAC

BCCH PCCH BCCH CCCH CT CH

DCCH DT CH DT CH

Canales logicos

Canales de transporte

[image:42.595.89.508.236.487.2]

PCH FACH RACH CPCH DSCH

Figura 2.6. Arquitectura de la capa MAC.

En la figura, la capa MAC consta de tres entidades lógicas las cuales son las siguientes: