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”
”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTA:
Margarita Morfín Rodríguez
Asesores:
M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna
M. en C. José Ernesto Rojas Lima
♦
Quiero agradecer a toda mi familia por su apoyo
incondicional, pero en especial a mis padres por tratar
de darme siempre lo mejor, gracias mamá por todos tus
desvelos y preocupaciones, papá gracias por buscar lo
mejor para mí.
♦
También quiero darle las gracias al profesor Pedro
Abarca, por todo su tiempo, su apoyo, paciencia,
consejos, sin él no hubiera podido realizar este
trabajo. Gracias también al profesor Ernesto Rojas
por todo su apoyo, su ayuda y sus consejos.
♦
Gracias a mis amigos, los que realmente estuvieron
♦
Conocer las características y requerimientos de los
sistemas de tercera generación (3G).
♦
Entender el concepto de espectro disperso, cuya
técnica es la base de los sistemas 3G.
♦
Estudiar los elementos principales de un sistema
basado en el estándar WCDMA.
♦
Analizar las características, generación, aplicación y
propiedades de los códigos de longitud variable
(OVSF).
♦
Estudiar y comprender las diferentes estrategias de
asignación de códigos OVSF.
♦
Por medio de una simulación, evaluar el desempeño de
cada una de las estrategias de asignación estudiadas.
♦
Una vez obtenidos los resultados, proponer alguna
El sector de las comunicaciones móviles está cambiando debido a las demandas por parte de usuarios, empresas y corporaciones, por nuevos y mejores servicios derivados de los rápidos avances en la tecnología y por las crecientes necesidades de una comunidad global. Las telecomunicaciones son consideradas parte integral del desarrollo socioeconómico y tienen como objetivo aumentar la productividad industrial de un país y mejorar el nivel de vida de la población.
La telefonía móvil ha tenido gran auge y desarrollo en los últimos años. Desde su inicio, en la década de los setentas ha venido evolucionando día a día. Los primeros sistemas fueron analógicos y ofrecían, principalmente, servicio de voz. En la actualidad los sistemas son digitales y, además de proporcionar servicio de voz, ofrecen servicios de alta velocidad como e-mail, audio, video, Internet, videoconferencia y multimedia, entre otros.
Hoy en día, para muchas personas, es indispensable contar con un teléfono móvil y lo consideran parte primordial de su vida cotidiana, lo utilizan para negocios, emergencias o simplemente de forma personal. En algunos países la penetración llega a ser de 125%, en México es aproximadamente del 60%.
Los servicios contemplados en sistema de tercera generación requieren una tasa de transmisión variable. WCDMA es un estándar de tercera generación que ofrece este tipo de servicios, utilizando códigos de longitud variable (OVSF). Debido a que es un estándar que emplea acceso múltiple por división de código (CDMA) y dadas las características de los códigos OVSF, la asignación de éstos impacta de forma directa en el desempeño del sistema.
Entonces, es necesario analizar la forma en cómo se asignan los recursos a los usuarios, la manera de hacerlo es mediante una simulación, que nos permite entender el funcionamiento del sistema. Se evalúan tres de las estrategias llamadas “fijas” que son:
Random, Leftmost y Crowded First. El trabajo se estructura de la siguiente manera.
En el capítulo 1 se explica y describe el sistema IMT-2000, un estándar para sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación (3G), cuyo objetivo es formar una red global, conocido en Europa como UMTS. Uno de los objetivos principales de IMT-2000
es proporcionar un servicio de roaming global, que permita a los usuarios utilizar el
mismo equipo y los mismos servicios en cualquier parte del mundo. Ofrece tasas de transmisión de hasta 2 Mbps y servicios de: voz, Internet, audio, video, e-mail, videoconferencia, etcétera. IMT-2000 tiene como objetivos principales la utilización de servicios de alta velocidad con una calidad similar a la de las redes fijas, compatibilidad con redes fijas y sistemas 2G y la utilización de equipos pequeños a bajo costo. También se describe cada uno de los estándares que componen a los sistemas 3G, WCDMA y CDMA2000.
la transferencia de llamada sin interrupción. Además de los esquemas de modulación, codificación y los códigos utilizados para la dispersión.
En el capítulo 3 se estudian los códigos de canalización que utiliza WCDMA, los códigos OVSF, cómo se generan, sus características, sus propiedades y la motivación para utilizarlos. También, se explican de manera detallada las estrategias de asignación fijas
Random, Leftmost y Crowded First, puesto que el desempeño del sistema mantiene una estrecha relación con la forma en cómo se asignan los códigos a los usuarios.
En el capítulo 4 describimos la metodología utilizada para la evaluación de las tres estrategias de asignación. Se consideran las métricas que deben ser evaluadas para la comparación de cada una de las estrategias y los parámetros que se deben variar para observar el impacto de éstos en el desempeño del sistema. También presentamos los
resultados obtenidos para cuatro tipos de servicio (R, 2R, 4R y 8R ) utilizando como
parámetro la carga de tráfico. El desempeño del sistema se evalúa en términos de la probabilidad de llamada bloqueada por falta de código, la ocupación de los recursos, el
throughput y la equidad (Fairness ). De los cuatro tipos de servicios considerados uno es en tiempo real (voz) y los otros tres presentan baja sensibilidad al retardo, es decir, no son en tiempo real. Con esto en mente, proponemos un mecanismo de espera al inicio de la llamada con la finalidad de reducir la probabilidad de llamada bloqueada por falta de código.
Agradecimientos.
i
Objetivos.
iii
Contenido.
v
Introducción.
viii
Capítulo 1
Sistemas IMT-2000
1
1.1.
IMT-2000.
2
1.2. Características y objetivos de IMT-2000.
3
1.3.
Requerimientos
del
espectro.
5
1.4.
Seguridad
y
privacidad.
7
1.5. Servicios.
8
1.6. Estándares 3G.
9
1.6.1. WCDMA.
10
1.6.2.
CDMA2000.
11
Referencias.
14
Capítulo 2
WCDMA
15
2.1.
Espectro
disperso.
16
2.2. WCDMA conceptos y características.
20
2.3.
Capa
física.
22
2.3.1.
Canales
de
transporte.
23
2.3.1.1. Canales de transporte dedicados.
24
2.3.1.2.
Canales
de
transporte
comunes.
24
2.3.2. Procedimientos de la capa física.
27
2.3.2.1.
Control
de
potencia.
28
2.3.2.2.
Transferencia
de
llamada.
29
2.3.3.
Modulación.
30
2.3.4.
Codificación
de
voz.
31
2.3.5.
Dispersión.
32
2.4.
Capa
de
enlace
de
datos.
33
2.4.1.
Capa
MAC.
33
2.4.2.
Capa
RLC.
36
2.4.3. PDCP.
39
2.5.
Capa
RRC.
41
Referencias.
44
Capítulo 3
Códigos OVSF
46
3.1.
Códigos
OVSF.
47
3.1.1. Generación de códigos OVSF a partir
de una matriz Hadamard modificada.
47
3.1.2. Generación de códigos OVSF a partir
de
un
árbol
binario.
48
3.2.
Propiedades
de
ortogonalidad.
50
3.3.
Estados
de
un
código
OVSF.
53
3.4. Estrategias de asignación de códigos OVSF.
53
3.4.1.
Random.
55
3.4.2. Leftmost.
55
3.4.3.
Crowded
First
56
Referencias.
61
Capítulo 4
Metodología de evaluación y resultados obtenidos
64
4.1.
Tipos
de
simulación.
65
4.2.
Ambiente
de
simulación.
67
4.3.
Resultados
obtenidos.
70
4.3.1. Mismo tiempo medio y diferente porcentaje
de
servicios.
79
4.3.2. Diferente tiempo medio y mismo porcentaje
de
servicios.
81
4.4.
Sistema
con
lista
de
espera.
84
4.4.1. Estudio con diferentes políticas de retransmisión. 90
Referencias.
92
Conclusiones
94
Capítulo 1
Sistemas IMT-2000
Los primeros sistemas de comunicaciones móviles, conocidos como sistemas de primera generación, se desarrollaron en la década de los setentas y estaban basados en tecnologías analógicas. La segunda generación (2G) se desarrolló en los ochentas con tecnología digital, su principal aplicación fue para servicios de voz y datos mediante la conmutación de circuitos. El desarrollo de los sistemas de tercera generación (3G) comenzó en los noventas, para tratar de eliminar la incompatibilidad que presentaban los sistemas anteriores.
Como una forma de coordinar el desarrollo de los sistemas 3G la ITU define una serie de requerimientos que especifican las características de operación. En el año 2000 se publicó el estándar IMT-2000 que está relacionado con los sistemas de comunicaciones
globales. Sus principales objetivos son proporcionar un servicio de roaming global y
ofrecer tasas de transmisión de hasta 2 Mbps.
IMT-2000 introduce múltiples aplicaciones a las comunicaciones móviles y permite el uso, en sistemas móviles, de aplicaciones nuevas de alta velocidad como: Internet, videoconferencia, e-mail, multimedia, aplicaciones Java, etcétera.
1.1. IMT-2000
La primera generación de sistemas de comunicaciones móviles estaba basada en tecnologías analógicas. La segunda generación (2G) consiste de sistemas basados en transmisiones digitales, en ésta se tiene una variedad de estándares como: PDC (Personal Digital Cellular) en Japón, GSM (Global System for Mobile comuunications) en Europa y en Estados Unidos 136 y IS-95 [1].
Como una forma de coordinar el desarrollo de los sistemas de tercera generación (3G), la ITU
(Internacional Telecommunications Union) define una serie de requerimientos que especifican las características de operación de estos sistemas [2].
En 1986 la ITU comenzó el desarrollo de un estándar para sistemas de comunicaciones móviles globales, FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications Systems), el cual en 1994 adquirió el nombre de IMT-2000 (Internacional Mobile Telecommunications of year 2000) y se relaciona con sistemas móviles 3G.
IMT-DS
WCDMA (UTRA FDD) Dispersión Directa
IMT-MC
CDMA2000 Multi portadoras
IMT-TC
UTRA TDD TD-SCDMA Tiempo
código
IMT-SC
UWC-136 (EDGE Portadora única
CDMA TDMA FDMA
IMT-FT
DE CT
Frecuencia Tiempo
Figura 1.1. Estándares definidos dentro de IMT-2000.
Uno de los objetivos principales de IMT-2000 es proporcionar un servicio de roaming1
global, permitiendo a los usuarios utilizar el mismo equipo y los mismos servicios en cualquier parte del mundo2
. También ofrece tasas de transmisión hasta 2 Mbps [1,3].
Debido a la alta tasa de transmisión y flexibilidad de los sistemas 3G es posible tener acceso inalámbrico a Internet, servicios en tiempo real, videoteléfono con una imagen en movimiento, correo electrónico, audio, video y acceso a redes fijas.
IMT-2000 introduce múltiples aplicaciones a las comunicaciones móviles y pone en la palma de la mano aplicaciones personales o comerciales completamente nuevas, como el comercio electrónico, servicios recreativos, información en tiempo real, etcétera.
1.2. Características y objetivos de IMT-2000.
Las características y objetivos de IMT-2000 incluyen [5]:
• Alta velocidad.
• Integración y compatibilidad con sistemas 2G, sistemas de comunicación satelital y redes fijas.
• Alta velocidad para tener acceso a Internet o aplicaciones multimedia de la misma forma que en una red fija.
• Misma calidad de servicio que en las redes fijas.
• El sistema debe ser flexible para ofrecer diferentes tipos de servicio.
• Roaming global.
• Variedad en los tipos de terminales móviles.
• Accesibilidad en costos.
Algunos de los principales requerimientos técnicos definidos por IMT-2000 son [4]:
• Espectro de frecuencias común a nivel mundial (1.8 – 2.2 GHz).
• Tasas de transmisión de hasta 2 Mbps en interiores, 384 kbps en ambientes peatonales y 144 kbps en ambientes vehiculares.
• Servicios simétricos y asimétricos.
• Conmutación de circuitos y conmutación de paquetes.
• Calidad de voz comparable con los sistemas de comunicaciones fijos.
• Alta eficiencia espectral.
• Soporte de VHE1(Virtual Home Environment)
.
• Integración de sistemas satelitales y terrestres para ofrecer cobertura global.
• Mejora en la seguridad y desempeño.
Como los sistemas 3G operan en diferentes ambientes, los usuarios presentan movilidad a diferentes velocidades [6]:
• Peatones (0 a 10 Km/h).
• Aplicaciones vehiculares ordinarias, hasta 100 Km/h.
• Aplicaciones de alta velocidad vehicular, hasta 500 Km/h.
• Aplicaciones aeronáuticas, hasta 1500 Km/h.
• Satélites, hasta 2700 Km/h.
1 VHE se refiere al mismo servicio que se proporciona en el ambiente del hogar o la oficina de los usuarios, es decir, se simulan los mismos
Los sistemas 3G ofrecen cobertura en diferentes celdas [6]:
• Celdas grandes conocidas como megaceldas, cuyo radio es mayor a 35 Km.
• Macroceldas con un radio de 1 a 35 Km.
• Microceldas en interiores y exteriores, con un radio de hasta 1 Km.
• Picoceldas en interiores y exteriores, con un radio de al menos 50 m.
3G pretende utilizar gran parte de la infraestructura que tiene 2G. La evolución hacia 3G se muestra en la figura 1.2.
IS-95 CDMA2000
GSM (2G) WCDMAUMTS
GSM 2G+ GPRS
GSM 2G++ GPRS/EDGE IS-136 HS (exteriores)
IS-136 IS-136+ (interiores)IS-136 HS
2G 3G
Figura 1.2. Evolución hacia 3G.
1.3. Requerimientos del espectro.
IMT-2000 MSS MSS IMT-2000 MSS MSS
1885 1930 1980 2010 2025 2110 2160 2170 2200 MHz
ITU
IMT-2000
DE
CT MSS IMT
1880 1900 1980 2010 2025
IMT-2000 MSS
2170 2200 MHz Europa
IMT-2000
PHS MSS 1885 1918 1980 2010 2025
2110
IMT-2000 MSS
2170 2200
2110 MHz
Japón
CDMA WLLFDD- TDD-WLL CDMA
FDD-WLL MSS IMT-2000 MSS
2170 2200
2110 MHz
China
1865 1880 1900 1920 1960 1980 2010 2025
PCS
Enlace de subida Enlace de bajadaPCS MMS Broadcast Reservado MMS
1850 1910 1930 1990 2000 2025 2110 2150 2165 2200 MHz
Estados Unidos
Figura 1.3. Espectro de frecuencias IMT-2000.
Como se muestra en la figura 1.3 el espectro de frecuencias de IMT-2000 se divide en segmentos. Una parte del segmento 1 es utilizada por DECT (Digital Enhaced Cordless Telecommunications), PHS (Personal Handy-phone System), PCS (Personal Communication System). El segmento 2 se utiliza para PCS y PHC en Estados Unidos y Japón, respectivamente. MSS (Mobile Satellital Services) se encuentran en los segmento 4 y 7. El segmento 4 se comparte con enlaces satelitales en el enlace de subida y el segmento 7 para el enlace de bajada [7,8]. Las frecuencias para cada segmento se muestran en la tabla 1.1 [7].
Número de segmento Banda de frecuencia (MHz)
1 1885 – 1900
2 1900 – 1920
3 1920 – 1980
4 1980 – 2010
5 2010 – 2025
6 2110 – 2170
7 2170 – 2200
1.4. Seguridad y privacidad.
Las normas de seguridad se han convertido en una componente esencial de los sistemas de comunicaciones. IMT-2000 incorpora medidas de seguridad para prevenir la interceptación de la información o el uso fraudulento de lo servicios [5]. Debido a que IMT-2000 permite a los usuarios navegar en la red, se debe tener extremada seguridad sobre las interfaces de radio y de IMT-2000.
Los objetivos de la seguridad en IMT-2000 son [5,9]:
• Proveer la misma seguridad que en las redes fijas.
• Medidas de seguridad estandarizadas para asegurar compatibilidad a nivel mundial.
• Disponibilidad de la seguridad a nivel mundial en aspectos legales y regulaciones.
Los requerimientos del sistema para la seguridad de IMT-2000 se relacionan con respecto al servicio, al acceso a los servicios o a la red, a la interfaz de radio y a la operación de la red. Cada uno de estos requisitos se cumple con una o más de las siguientes características de seguridad:
• Autenticación por parte del usuario y del proveedor de servicios.
• Privacidad y anonimato, confidencialidad de la ubicación e identidad del usuario.
• Confidencialidad de la información de los usuarios.
• Integración de los datos.
• Autorización y limitación de acceso a los usuarios.
• Limitación de eventos, acceso denegado a servicios.
• Reporte de eventos.
• Manejo de llaves de encriptación de información que pueden ser cambiadas por los proveedores de servicios y operadores de la red.
• Fácil distribución y cambios de llaves criptográficas.
1.5. Servicios.
IMT-2000 proporciona acceso a servicios que sólo proporcionan las redes fijas, como son: audio, video, voz, datos, multimedia, roaming, VHE y seguridad, y a servicios específicos de algunas redes móviles. Es posible contar con configuraciones punto a punto, multipunto y punto a multipunto con equipos fijos ó móviles. La disponibilidad de los servicios es en zonas urbanas, suburbanas y rurales. Los servicios que se pueden proporcionar dependen de las capacidades de los equipos, los servicios de los que pueda disponer y los servicios que ofrecen los operadores.
Los objetivos generales de los servicios en IMT-2000 son:
• Proporcionar una amplia variedad de servicios a usuarios móviles o estacionarios, mediante uno o más enlaces.
• Disponibilidad de servicios en cualquier parte.
• Asegurarse de que a un usuario se le proporciona una indicación de la disponibilidad de servicios.
Los sistemas IMT-2000 se desarrollan en dos fases. La primera fase incluye la conmutación por circuitos, por paquetes y utilización de servicios multimedia para tasas de transferencia hasta 2 Mbps. La segunda fase se concibe como una mejora de la fase anterior e incluye tasas de transferencia hasta 20 Mbps [5,9].
Algunos de los principales servicios que ofrece IMT-2000 son los siguientes [9].
Servicio de voz. Continúan representando uno de los principales componentes de los sistemas 3G. Es por esto que se proporciona con una calidad similar a la de las redes fijas.
Servicios multimedia. Es importante que debido a la gran cantidad de servicios multimedia que ofrecen las redes fijas, IMT-2000 cuente con una infraestructura para sustentar estos servicios. Un servicio multimedia debe involucrar múltiples conexiones y participantes en una misma sesión.
Correo electrónico. Es un servicio independiente de la generación de redes móviles. El correo electrónico puede ser enviado a otros teléfonos móviles o usuarios con una dirección de correo electrónico de Internet. De igual forma los equipos móviles pueden recibir correos electrónicos. El costo del servicio depende del operador. El servicio de correo electrónico en el móvil es compatible en su totalidad con el correo electrónico de una red fija [10].
Descarga de archivos. Este servicio de 3G proporciona al usuario la capacidad de obtener archivos que pueden llegar a los 384 kbps, como pueden ser archivos de música, videos, imágenes, videojuegos, por mencionar algunos [2].
Aplicaciones Java. Los usuarios pueden descargar y almacenar gran variedad de aplicaciones a través de las redes 3G. Los teléfonos móviles más recientes trabajan con aplicaciones Java, incluso a través de estos equipos es posible controlar el protocolo SSL (Secure Socket Layer), el cual proporciona una transmisión segura de información. Este tipo de teléfonos se utiliza en su mayoría para videojuegos [8].
1.6. Estándares 3G.
Los estándares 3G fueron creados por la ITU. Uno de los principales objetivos de estos sistemas es proporcionar un servicio de roaming global, esto por medio de un estándar global, una tarea complicada. El resultado fue la creación de dos estándares que presentan características en común bajo las consideraciones de IMT-2000: WCDMA y CDMA2000, la intención es unificar los sistemas de comunicación móviles [3,11].
1.6.1. WCDMA.
CDMA de banda ancha (Wideband CDMA) es un estándar que emplea la técnica de espectro disperso DS-CDMA (Direct Sequence-CDMA) y ofrece tasas de transmisión que van de 384 kbps, en ambientes vehiculares, a 2 Mbps, en ambientes de baja movilidad. WCDMA utiliza tramas de 10 ms, modulación QPSK en ambos enlaces y tiene dos modos de operación: FDD
(Frequency Duplex Division) y TDD (Time Duplex Division).
Debido a que es una tecnología basada en CDMA, utiliza códigos de dispersión para diferenciar la señal de cada usuario, estos códigos se conocen como OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) que por ser de longitud variable permiten la utilización de servicios de diferentes tasas de transmisión. También se utilizan códigos de aleatorización1 (scrambling)
para separar las diferentes transmisiones, es decir, primero la estación base separa la información de cada usuario, mediante los códigos OVSF, después la información de control, utilizando los códigos de aleatorización (figura 1.4).
Σ
Flujo 1
Flujo 2
Flujo 3
Código de dispersión 1
Código de dispersión 2
Código de dispersión 3
Rchip
Rchip
Rchip
Rchip Rchip
Código aleatorizador
Dispersión Aleatorización
Figura 1.4. Principio de dispersión y aleatorización para WCDMA.
En WCDMA la información se dispersa a una tasa de chip1
de 3.84 Mcps, esto permite tener portadoras de 5 MHz, favorece la utilización de servicios de tasas altas y presenta beneficios en el desempeño del sistema [12].
WCDMA tiene canales de transporte, físicos y lógicos. Los canales de transporte se utilizan para llevar la información, después ésta se mapea en canales físicos y, por medio de los canales lógicos se envía a la capa MAC (Medium Access Control).
WCDMA presenta un control de potencia rápido en el enlace de subida y bajada, a una frecuencia de 1.5 KHz. Utiliza un codec AMR (Adaptive Multirate) con 8 tasas de codificación: 12.2, 10.2, 7.95, 7.40, 6.70, 5.90, 5.15 y 4.75 kbps [12].
En los capítulos siguientes se explica más a fondo el estándar WCDMA.
1.6.2. CDMA2000.
CDMA2000 es la evolución de IS-95 y fue desarrollado para satisfacer los requerimientos de 3G. Presenta compatibilidad con sistemas IS-95 y ofrece control de potencia rápido en ambos enlaces. Es un sistema basado en la técnica de espectro disperso que utiliza una o más portadoras y opera en el modo FDD [6,7].
En un sistema de portadoras múltiples con N portadoras (N = 1,2 ó 3), cada portadora requiere un ancho de banda de 1.25 MHz. Sin embargo, para N =3, el ancho de banda requerido es de 5 MHz, incluyendo las bandas de guarda necesarias. Para proporcionar servicios con tasas de transferencia altas, hasta 2 Mbps, una sola portadora debe tener un ancho de banda nominal de 5 MHz2
con una tasa de chip de 3.6864 Mcps [6].
Los sistemas CDMA2000 utilizan códigos Walsh de longitud variable, dependiendo de la tasa de dispersión (SR). En la tabla 1.2 se muestran las longitudes mínimas y máximas de estos códigos [13].
Tabla 1.2. Longitud de los códigos Walsh en sistemas CDMA2000.
La tecnología de CDMA2000 se introduce en varias etapas:
• CDMA2000-1XRTT. 1 representa el uso de una portadora y RTT tecnología de transmisión de radio.
• CDMA2000-1XEVDO. EV se refiere a evolución y DO se refiere a solamente datos. El objetivo es proporcionar una red confiable y compatible con Internet, proporcionar tasas de transmisión de hasta 2 Mbps, para servicios como www, e-mail, HTTP o FTP. También fue diseñado para la convergencia all-IP. EVDO utiliza una portadora para datos y para maximizar la eficiencia espectral incluye esquemas de modulación y codificación adaptables.
• CDMA2000-1XEVDV. DV significa datos y voz. Incorpora las características, funciones, aplicaciones y servicios de CDMA20001X y EVDO. Ofrece mejor calidad de voz que CDMA20001X. Ofrece servicios en tiempo real, no real y una mezcla de ellos en la misma portadora. Para hacer un uso eficiente de los recursos EVDV adopta un esquema de multiplexaje en tiempo y código (TDM/CD).
• CDMA2000-3XRTT. 3X se refiere al uso de portadoras múltiples.
En la tabla 1.3 se muestran, de forma resumida, las principales características de WCDMA y CDMA2000.
Longitud de los códigos Walsh Tasa de dispersión
(SR) Mínima Máxima
SR1 4 128
WCDMA CDMA2000
Método de acceso múltiple FDD, TDD FDD
Ubicación del espectro en FDD
1920-1980 MHz (enlace de subida).
2110-2170 MHz (enlace de bajada).
en TDD
1900-1920 MHz
2010-2025 MHz
1850-1910 MHz (enlace de subida).
1930-1990 MHz (enlace de bajada).
Ancho de banda del canal 5 MHz (1.25) × (N) MHz ; N=1,2 ó 3.
Estructura de trama 10 ms 20 ms.
Tasa de chip 3.84 Mcps 1.2288 × N Mcps
Modulación QPSK QPSK
[image:24.612.96.531.70.381.2]Codificación de voz AMR AMR
REFERENCIAS
[1] E. Dahlman et al., “UMTS/IMT-2000 Based on Wideband CDMA”, en IEEE Communications Magazine, vol. 36, núm. 9, pp. 70-80, septiembre de 1998.
[2] www.itu.org
[3] M. L. Roberts et al., “Evolution of the Air Interface of Cellular Communications Systems Toward 4G Realization”, en IEEE Communications Survey, vol. 8, núm. 1, marzo de 2006. [4] P. Chaudhury et al., “The 3GPP proposal for IMT-2000”, en IEEE Communications
Magazine, vol. 37, núm. 12, pp. 72-81, diciembre de 2000.
[5] N. Padovan et al., “An Overview of Third Generation Mobile Communications Systems: IMT-2000”, en IEEE Region 10 International Conference on Global Connectivity in Energy, Computer, Communications and Control, vol. 2, núm.2, pp. 360-364, junio de 2000.
[6] M. R. Karim et al., WCDMA and CDMA 2000 for 3G Mobile Networks, McGraw-Hill, 2002.
[7] Halonen, Timo, GSM, GPRS and Edge Performance, John Wiley & Sons, 2003. [8] R. Steele, GSM, CDMAone and 3G Systems, John Wiley & Sons, 2001.
[9] P. Mieybegue y D. Grillo, “IMT-2000 Standards: Network Aspects” en IEEE Personal Communications, vol. 4, núm. 4, pp. 20-29, octubre de 2000.
[10] M. Etoh, Next Generation Mobile Systems, John Wiley & Sons, 2005.
[11] “CDMAone and CDMA2000, concepts and terminology”, Qualcomm, 2002.
[12] H. Holma, WCDMA for UMTS Radio Access for third Generation Mobile Systems, John Wiley & Sons, 2004.
Capítulo 2
WCDMA
La tecnología CDMA es la base de los sistemas móviles 3G. Los sistemas basados en DS-CDMA se han desarrollado desde 1995. Los estándares de comunicaciones móviles 3G fueron publicados en 1999. Se caracterizan por la integración de servicios y flexibilidad. Permiten trabajar con tasas desde 144 kbps en ambientes exteriores urbanos y suburbanos, hasta 2 Mbps en ambientes interiores o de baja movilidad.
2.1. Espectro disperso.
La técnica de espectro disperso fue desarrollada desde mediados de la década de los cincuenta con fines militares y se define como [1]:
Espectro disperso es una técnica donde la señal se transmite en un ancho de banda mucho mayor al mínimo requerido para enviar la información.
El objetivo es que la potencia con la que se transmite la información sea dispersada, por medio de códigos ortogonales o secuencias de pseudo ruido1
(PN), sobre un ancho de banda amplio, de tal manera que la densidad espectral de potencia (Watts/Hertz) sea menor. Cuando la señal dispersada se transmite, la potencia que recibe un usuario de banda angosta, es solo una pequeña fracción de la potencia de la señal dispersada. La señal transmitida de la estación base al móvil es dispersada, formando una nueva señal con un ancho de banda mayor. En el móvil, para recuperar la señal original se realiza una multiplicación con la misma señal de dispersión, se obtienen además algunas componentes de frecuencia que no son parte de la señal y pueden ser filtradas con facilidad, como se observa en la figura 2.1. Este proceso hace de WCDMA un sistema robusto, resistente a interferencias, al ruido indeseable y a la fácil interceptación [3].
Información
Señal de dispersión
Señal Dispersada con un ancho de banda W
Señal de dispersión
Filtro
Información Recibida Interferencia
Figura 2.1. Técnica de espectro disperso.
1. Se dice que la secuencia de pseudo ruido es una secuencia pseudoaleatoria debido a que puede ser generada mediante procesos matemáticos
Desde el punto de vista de sistemas de comunicación, la técnica de espectro disperso ofrece las siguientes ventajas [4][2]:
♦ Acceso Múltiple. Es posible que los usuarios transmitan su información simultáneamente sobre el mismo canal de radio, si a cada uno se le asigna un código único y de baja correlación cruzada. Realizando, en el receptor, la operación de correlación entre la señal recibida y una replica del código asignado al usuario, solo se concentra la potencia de la señal de éste. Mientras que las otras señales permanecen dispersas sobre todo el ancho de banda. Dentro del ancho de banda de la información, la potencia de la señal del usuario es mucho mayor que la interferencia (la potencia producida por los otros usuarios). En la figura 2.2a se muestran las señales de dos usuarios antes y después de ser dispersadas. En la figura 2.2b se muestran las señales transmitidas de los usuarios 1 y 2, y la señal recuperada del usuario 1.
US
UA
R
IO
1
US
UA
R
IO
2
USUARIO 1
USUARIO 2
(a)
USUARIO 1 & USUARIO 2
USUARIO 2 .
US
UA
R
IO
1
(b)
Figura 2.2. Principio de espectro disperso para el acceso múltiple.
♦ Protección contra interferencia ocasionada por trayectorias múltiples. Debido a la reflexión y difracción, réplicas de la señal son recibidas por diferentes trayectorias; las réplicas tienen diferente amplitud, fase, retardo y ángulo de arribo. La función de correlación toma un valor cercano a cero fuera del intervalo [-Tc, Tc], donde Tc es el
interferencia y una pequeña parte de la potencia es considerada dentro del ancho de banda de la señal de información, figura 2.2b.
♦ Privacidad. La única forma de recuperar la información es con una copia, generada en el receptor, del código con el que fue dispersada la información.
♦ Rechazo a la interferencia intencional. Cuando se realiza la correlación entre un código y una señal de banda angosta (interferencia intencional) esta última se dispersa. En la figura 2.3 se aprecia ese fenómeno: mientras la señal de interés se concentra, la interferencia se dispersa, reduciendo su potencia dentro del ancho de banda de la señal deseada.
USUARIO .
IN
T
E
R
F
E
R
E
N
C
IA
INTERFERENCIA .
US
U
A
R
IO
Figura 2.3. Rechazo a la interferencia de espectro disperso.
♦ Ganancia de procesamiento (Gp). Se define como la relación entre la tasa de dispersión
(Ws) y la tasa de transmisión de los datos (Rd)(figura 2.4). Usualmente Ws es constante y
Rd depende del tipo de servicio. A la ganancia de procesamiento también se le conoce
como factor de dispersión (SF) [5]. Cuado la tasa de datos es baja, Gp es grande y la
interferencia se suprime dado el alto E{Eb/N0}1 y es posible alcanzar una BER (Bit Error
Rate) baja. Por otro lado, para un servicio con tasa alta ocurre lo contrario.
R
W
Señal Original
Señal Dispersada
Frecuencia
D
en
sid
ad
d
e
Po
te
nc
ia
(
W
/H
z)
Ganancia de Procesamiento
W / R
Figura 2.4. Concepto de ganancia de procesamiento.
♦ Baja probabilidad de interceptación. Debido a la baja densidad espectral de potencia, una señal de espectro disperso es difícil de interceptar por algún equipo ajeno al sistema, esta es una de las principales razones por la que se utiliza en el área militar.
♦ No requiere planes de frecuencia. Todos los usuarios transmiten en la misma frecuencia, por lo tanto, no es necesario planear una reutilización de canales de frecuencia como en AMPS (Advanced Mobile Phone System) o GSM [6]. Los sistemas con esta característica se les conoce como sistemas con reutilización universal de frecuencias.
Otras ventajas adicionales: es suficiente una multiplicación para dispersar la información, se requiere una sola portadora y no que los usuarios estén sincronizados.
Pero en espectro disperso no todo es ventaja, a continuación se enlistan algunas desventajas.
♦ Es difícil la adquisición de la sincronización y se debe mantener dentro de una fracción de chip al momento de generar el código de forma local.
♦ Un incremento en la tasa de transmisión, degrada de forma significativa el E{Eb/N0} y la
BER.
♦ En teoría, los códigos asignados a los usuarios son perfectamente ortogonales. Al propagarse las señales por el canal y sufrir difracciones y reflexiones, se pierde la perfecta ortogonalidad [7].
2.2. WCDMA conceptos y características.
Los sistemas de comunicaciones móviles de 3G, se caracterizan por la integración de servicios y flexibilidad. Para esto es necesario tener una gran capacidad, que se obtiene al utilizar el espectro de manera eficiente.
WCDMA (Wideband-CDMA) es el estándar desarrollado para UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) [3]. Surge como una de las principales tecnologías de los sistemas 3G. Sus especificaciones fueron creadas en 1998 por 3GPP, el cual está formado por organismos de Europa, Japón, Corea, Estados Unidos y China. Es conocido como WCDMA UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) FDD y TDD.
Las principales características de WCDMA son:
♦ Emplea acceso múltiple por división de código de secuencia directa de banda ancha
(DS-CDMA), donde la información se dispersa sobre un ancho de banda mayor al necesario para transmitir ésta y ofrece tasas de transmisión de hasta 2 Mbps.
♦ La información se dispersa a una tasa de 3.84 Mcps con un ancho de banda de 5 MHz, que favorece la transferencia de datos a tasas altas y presenta ventajas en el funcionamiento.
♦ Cuenta con tasas de transmisión variables, la tasa de transmisión de cada usuario se mantiene constante durante una trama de 10 ms.
♦ Es posible operar en modo FDD o TDD. El modo FDD utiliza portadoras de 5 MHz, en las bandas de 2110 MHz–2170 MHz en el enlace de bajada y 1920 MHz– 1980 MHz en el enlace de subida. TDD utiliza la misma portadora de 5 MHz para ambos enlaces, las bandas de frecuencia que utiliza son 1900 MHz – 1920 MHz y 2010 MHz – 2025 MHz, como se ilustra en la figura 2.5 [5,8].
♦ Opera en modo asíncrono.
♦ La interfaz de radio se diseñó de tal forma que los receptores CDMA pueden ser utilizados por la red de cada operador como una opción de incrementar la capacidad y/o cobertura.
Enlace de subida
Enlace de bajada Ancho de banda
5 MHz Ancho de banda 5 MHz
f t
Separación 190 MHz FDD
Enlace de subida Enlace de bajada
Tiempo de guarda Ancho de banda
5 MHz TDD t
f 5 MHz
Figura 2.5. Modos de operación FDD y TDD.
La estructura de trama en WCDMA se divide en 15 ranuras de tiempo y tiene una duración de 10 ms, cada ranura tiene una duración de 2/3 ms [5] (figura 2.6). Cada ranura contiene 2560 chips.
1 2 3 ... 14 15
2/3 ms.
10 ms
Figura 2.6. Trama WCDMA.
WCDMA es un estándar dividido en capas, la capa física, la capa de enlace de datos, ésta a su vez se divide en capa MAC (Medium Access Control ) y capa RLC (Radio Link Control ). En conjunto con estas capas, se consideran dos protocolos: PDCP (Packet Data convergente Protocol )y BMC (Broadcast/Multicast Control Protocol ). La capa 3 es la capa RRC (Radio Resource Control ), como se ilustra en la figura 2.7.
RLC se conoce como SRB (Signaling Radio Bearer ), en cuanto al usuario el servicio que proporciona la capa RLC se conoce como RB (Radio Bearer ) sólo si no se están utilizando los protocolos PDCP y BMC, de otra forma el servicio RB es proporcionado por el PDCD ó BMC.
RRC
PDCP
BMC
Capa RLC
Capa MAC
Capa física Capa1
Capa 2 Capa
3
Canales de transporte Canales lógicos
Co
nt
ro
l
Nivel de control Nivel de usuario
Figura 2.7.Arquitectura de protocolos en UTRA FDD.
2.3. Capa Física
Algunas características o funciones importantes de la capa física son: técnicas de modulación, códigos de dispersión y la codificación de canales. La capa física es la capa más baja en el modelo de protocolos de WCDMA (figura 2.7).
El propósito de la capa física es acondicionar la señal digital de capas superiores para que pueda transmitirse por el medio. El transmisor desempeña funciones de codificación de canal, entrelazado, aleatorización, dispersión y modulación [8]. En el receptor se realizan las funciones contrarias, de modo que la información transmitida pueda ser recuperada.
La capa física realiza el mapeo de los canales de transporte en los canales físicos y transmite la información sobre la interfaz de radio.
capa física se relaciona directamente con los resultados del funcionamiento del enlace que existe entre la estación base y el móvil. Como los sistemas de tercera generación son de banda ancha, desde el punto de vista de servicios, la capa física no puede estar diseñada basándose sólo en un tipo de servicio, como voz [8].
2.3.1. Canales de transporte.
En UTRA, la información generada en capas superiores es transferida a la interfaz de radio por medio de canales de trasporte, los cuales tienen cierta correspondencia con los canales físicos [9]. La capa física trabaja con canales de transporte de tasas variables y proporciona un ancho de banda que depende del tipo de servicio y es adecuado para multiplexar diversos servicios en un solo enlace.
Cada vez que los datos llegan a un canal de transporte de las capas superiores se agrega un TFI
(Transport Format Indicator), la capa física combina la información del TFI de los diferentes canales de transporte y forma un TFCI (Transport Format Combination Indicator), el cual se transmite en los canales físicos de control para informar al receptor cual canal de transporte está activo en la trama actual. El TFCI se decodifica en el receptor y el TFI resultante se manda a las capas superiores de cada uno de los canales de transporte activados en la conexión. En la figura 2.8 se muestra el mapeo de dos canales de transporte con un canal físico.
Los canales de transporte pueden tener un número diferente de bloques. Un canal de control físico y uno, o varios, canales de datos físicos forman un CCTrCH (Coded Composite Transport Channel). Puede haber más de un CCtrCH en un enlace pero sólo un canal físico. Existen dos tipos de canales de transporte: canales dedicados y canales comunes, la principal diferencia es que estos últimos son un recurso compartido entre uno o varios usuarios en una celda. Los canales dedicados, que son identificados por un cierto código o frecuencia, son reservados para un solo usuario.
Bloque de transporte
Bloque de transporte Bloque de transporte Bloque de transporte
TFI TFI TFI Bloque de transporte eindicación de error TFI Bloque de transporte eindicación de error
Bloque de transporte e indicación de error
Bloque de transporte e indicación de error
TFCI Codificación y Multiplexaje DecodificadorTFCI Decodificación y Multiplexaje
Transmisor Receptor
Capas superiores
Capa Física
Canal de control Canal de información
Canal de control Canal de información
Canal de transporte 1 Canal de transporte 2
CCTrCH
Figura 2.8. Interfaz entre la capa física y capas superiores.
2.3.1.1. Canales de transporte dedicados.
Los canales de transporte dedicados (DCH) transportan toda la información de un usuario proveniente de capas superiores. La información en el DCH no es visible para la capa física, solamente para capas superiores.
Este tipo de canales llevan los servicios de usuario, como son tramas de voz y control de información de capas superiores, así como comandos de transferencia de llamada. Se caracterizan principalmente por el control de potencia rápido, cambio en la tasa de transmisión y en la posibilidad de transmisión a una cierta región de la celda o sector, utilizando un sistema de antenas inteligentes. Los canales están beneficiados por la transferencia de llamadas sin interrupción [8,11].
2.3.1.2. Canales de transporte comunes.
♦ Canales broadcast.
Los canales Broadcast (BCH) se utilizan para transmitir información específica a la red UTRA o a una determinada celda, son necesarios para identificar a los usuarios que se encuentren en el área de cobertura. La información en estos canales es limitada debido a la capacidad de los equipos para decodificar la información, lo que da como resultado una tasa de transmisión baja y fija para estos canales.
♦ Canales de acceso en el enlace de bajada.
Los canales de acceso en el enlace de bajada (FACH) llevan la información de control a las terminales en una determinada celda. Puede haber más de un FACH en una celda. Estos canales se transmiten con una tasa de bit baja para que puedan ser recibidos por todos los usuarios en un área determinada de la celda. Este tipo de canales no utiliza un control de potencia rápido y la información transmitida necesita incluir cierta identificación que asegure una correcta recepción.
♦ Canales de voceo.
Los canales de voceo (PCH) se encuentran en el enlace de bajada y llevan información relevante al móvil cuando se quiere iniciar una comunicación. Por ejemplo, para una llamada telefónica la red transmite un mensaje al móvil en el canal de voceo de aquellas celdas pertenecientes a la misma ubicación en la que se espera que se encuentre el móvil. Los mensajes pueden ser transmitidos en una o en algunas decenas de celdas, dependiendo de la configuración del sistema. Los equipos deben tener la capacidad de recibir la información de los canales de voceo en toda la celda. El diseño del PCH debe ser óptimo para preservar el tiempo de vida de la batería, debido a que afecta en el consumo de potencia de los equipos en el modo de espera.
♦ Canales de acceso aleatorio.
♦ Canales de paquetes comunes en el enlace de subida.
Los canales de paquetes comunes en el enlace de subida (CPCH) son una extensión de los canales RACH, utilizados para llevar información de usuarios en el enlace de subida. En la capa física, las principales diferencias del RACH son el control de potencia rápido, un mecanismo de detección de colisiones y un CPCH monitoreando el procedimiento. En los canales CPCH la transmisión se lleva a cabo en varias tramas, mientras que en los canales RACH la información se transmite en una o dos tramas.
♦ Canales compartidos en el enlace de bajada.
Los canales compartidos en el enlace de bajada (DSCH) llevan información dedicada y/o control de información a los usuarios y pueden a su vez ser compartidos por varios usuarios. En muchos aspectos son similares a los canales de acceso en el enlace de bajada, aunque los canales compartidos permiten el control de potencia rápido, así como tasas de transferencia variables en cada trama. Los DSCH no necesitan conocer el área de cobertura de la celda y pueden utilizar diferentes métodos de transmisión asociados con los DCH en el enlace de bajada, puesto que los DSCH siempre están asociados con los DCH en el enlace de bajada.
Los canales de transporte necesarios para la operación de una red son RACH, FACH y PCH, mientras que el uso de DSCH y CPCH es opcional y depende del operador.
Canales de transporte Canales físicos
BCH PCCPCH FACH
PCH
SCCPCH
RACH PRACH DCH DPDCH
DPDCCH
DSCH PDSCH CPCH PCPCH
SCH CPICH
AICH CPICH CSICH CD/CA-ICH
Tabla 2.1. Mapeo de canales de transporte con canales físicos
Los canales SCH (Synchronization Channel), CPICH (Common Pilot Channel) y el AICH
(Acquisition Indication Channel) no son visibles para capas superiores y son obligatorios, desde el punto de vista del funcionamiento del sistema para transmitirse en cada estación base. El CPCH, CSICH (Status Indication Channel) y CD/CA-ICH (Collision Detection/Channel Assignment Indication Channel) son necesarios siempre y cuando se utilice CPCH.
Un DCH se relaciona con dos canales físicos, un canal dedicado de datos (DPDCH) que lleva información a capas superiores incluyendo datos de usuario y un canal físico dedicado de control (DPCCH) que lleva la información de control necesaria a la capa física. Estos dos canales son necesarios para soportar diferentes tasas de transmisión en la capa física. La tasa de transmisión de DPCCH es constante, mientras que en DPDCH varía en cada trama.
2.3.2. Procedimientos de la Capa Física.
2.3.2.1. Control de Potencia.
El control de potencia es uno de los aspectos más importantes para los sistemas CDMA, en particular en el enlace de subida. Con el control de potencia es posible obtener un incremento en la capacidad del sistema, asegurando que en cualquier instancia los usuarios sean detectados por la estación base (BS) con la misma potencia [8].
En la figura 2.9 se ilustra un escenario en el cual los usuarios 1 y 2 operan en la misma banda, separados en la BS por sus respectivos códigos de dispersión. Puede suceder que el usuario 2, al estar más alejado de la celda sufra pérdidas por trayectoria, que pueden ser de 70 dB con respecto al usuario 1 que se encuentra más cerca de la BS. Si no hubiera un mecanismo para controlar la potencia de transmisión de los usuarios, el usuario 1 podría fácilmente enmascarar al usuario 2 (Pr1 > Pr2) y así bloquear su señal en la BS, dando origen al efecto cerca-lejos.
Usuario 1 Usuario 2 Pt1 Pt2
Pr1 > Pr2
Figura 2.9. Efecto cerca-lejos.
En general el control de potencia se divide en: control de potencia de lazo abierto y lazo cerrado.
Se pueden considerar mecanismos para el control de potencia de lazo abierto que intentan hacer una estimación de las pérdidas por trayectoria en el enlace de bajada, bajo el principio de reciprocidad [12]. Este método es demasiado inexacto. La principal razón es que los desvanecimientos rápidos no son correlacionados entre el enlace de subida y el de bajada, debido a la separación en frecuencia de las bandas en los enlaces de subida y bajada en el modo FDD y el ambiente que rodea al móvil y a la BS.
Una forma más precisa para el control de potencia en WCDMA es el control de potencia de lazo cerrado. Aquí, la BS realiza estimaciones de la SIR (Signal to Interference Ratio) recibida y la compara con una SIR objetivo, cada 1500 veces por segundo. Si la SIR estimada es mayor a la SIR objetivo la BS envía una comando TPC al móvil para disminuir la potencia, si por el contrario, la SIR medida es menor se envía un comando TPC al móvil para aumentar la potencia. Si cinco comandos TPC consecutivos tienen valor de ‘1’, la potencia en el móvil disminuye 1 dB, si por el contrario, estos comandos tienen una valor ‘0’, la potencia aumenta 1 dB [13]. Este método opera más rápido que cualquier cambio en los desvanecimientos Rayleigh. El control de potencia de lazo cerrado es capaz de compensar los desvanecimientos rápidos y corrige la estimación que se hacen en el lazo abierto [8].
En el enlace de bajada se utiliza la misma técnica de control de potencia en lazo cerrado, a diferencia de que no se presenta el efecto cerca-lejos, debido a que las señales transmitidas a todos los usuarios en una celda son originados por la BS, sin embargo es necesario agregar una potencia adicional a los móviles que se encuentran en los bordes de la celda, ya que sufren interferencia de otras celdas.
2.3.2.2. Transferencia de llamada.
En los sistemas de telefonía móvil es fundamental la transferencia de llamada, debido a que en algunas ocasiones se realiza un cambio de la BS que sirve al usuario y la movilidad causa variaciones en la calidad del enlace y en la interferencia del sistema. La transferencia de llamada sin interrupción se presenta cuando el móvil mantiene la comunicación simultánea con dos o más BS sin que se interrumpa la comunicación. En WCDMA hay dos tipos de transferencia de llamada sin interrupción:
Sector A
Sector B
Sector C
Figura 2.10. Transferencia de llamada entre sectores (softer handoff).
♦ Transferencia de llamada sin interrupciones entre celdas (soft handoff). El móvil se comunica con dos sectores de diferentes celdas. Existen dos señales, una de cada BS, enviadas al móvil. La BS que tiene el control sobre el móvil durante la transferencia se le conoce como BS primaria, y la que no lo tiene se le denomina BS secundaria (figura 2.11). En cada BS se lleva a cabo un control de potencia diferente. Este tipo de transferencia de llamada ocurre entre el 20% y el 40% de los enlaces [8].
Sector A
Sector B
Sector C
Sector A
Sector B
Sector C Celda 1
Celda 2
Figura 2.11. Transferencia de llamada entre celdas (soft handoff).
2.3.3. Modulación.
El uso de la modulación es importante debido a que tiene relación con la capacidad y desempeño del sistema.
WCDMA utiliza QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) y 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) como métodos de modulación [3].
QPSK ó 16QAM, dependiendo de la tasa de bit solicitada y las condiciones del canal, esto fue establecido por 3GPP R5.
La modulación QAM se utiliza en conjunto con HSDPA (High Speed Data Packet Access)
puesto que el objetivo de HSDPA es alcanzar tasas de transferencia más altas que las propuestas en 3GPP R4, estas tasas de transferencia no se pueden lograr utilizando QPSK.
QAM utiliza la amplitud y la fase al momento de formar la constelación de la señal, de esta forma mejora la transmisión de la información, dependiendo del nivel de modulación empleado.
La modulación QAM incrementa la tasa de bit en el enlace de bajada. El nivel de modulación de QAM puede extenderse hasta 64QAM, pero debido al costo, la complejidad y la eficiencia del sistema, se considera a 16QAM para aplicaciones HSDPA en WCDMA.
El método de modulación que utiliza WCDMA para ambos enlaces es QPSK, como se muestra en la figura 2.12 de igual forma se utiliza 16QAM para aplicaciones de tasas de transmisión altas [5,9,14].
móvil
BS QPSK, QAM
QPSK
Figura 2.12. Esquemas de modulación en WCDMA.
2.3.4. Codificación de voz.
WCDMA utiliza codificación de voz AMR (Adaptive Multi Rate) basada en los principios de ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction). Utiliza ocho tasas de codificación: 12.2, 10.2, 7.95, 7.40, 6.70, 5.90, 5.15 y 4.74 kbps [9,15].
Los codificadores ACELP pertenecen a una clase de vocoders1
que modela el tracto vocal como un filtro de variaciones digitales en tiempo, de tal forma que cuando es excitado con una señal de entrada, la salida representa una señal de voz deseada. La señal de entrada del filtro se selecciona a partir de dos libros de códigos que contienen señales de excitación. La salida del
filtro es comparada con la señal de la voz y la diferencia se minimiza eligiendo la señal de excitación más adecuada de los libros de códigos. El tono resultante, la ganancia y los índices de los códigos son transmitidos. En el receptor también se tienen dos libros similares, éste descifra los índices de los códigos para obtener una señal de excitación y la envía a un filtro de predicción lineal (LP).
2.3.5. Dispersión.
Los sistemas WCDMA utilizan distintos códigos. En teoría, sólo un código sería suficiente, sin embargo en la práctica las características físicas de la trayectoria de radio requieren que estos sistemas utilicen diferentes códigos para diferentes propósitos.
Los códigos utilizados en WCDMA son códigos de aleatorización y códigos de canalización [8,16].
♦ Códigos de aleatorización. Se utilizan para diferenciar usuarios en el enlace de subida y celdas en el enlace de bajada. Son códigos con una longitud de 38400 chips en un periodo de trama de 10 ms, esto garantiza un número suficiente de códigos. Tienen la misma tasa de la información dispersada, de esta forma no se altera la tasa de chip. Se asigna un código a cada celda y así se separan las señales de celdas adyacentes. Los códigos de aleatorización no son necesariamente ortogonales y se obtienen a partir de secuencias PN, como pueden ser los códigos Gold [9].
♦ Códigos de canalización. Se utilizan para identificar canales físicos. Tienen una longitud de 4 a 512 chips dependiendo de la aplicación. Se asigna un código al inicio de la transmisión y éste es conocido por el emisor y por el receptor. Los códigos de canalización utilizados en WCDMA son los códigos OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor), la ortogonalidad entre ellos evita el traslape de información e interferencias entre usuarios.
QPSK
Símbolos Chips Código
Código de dispersión
Código de aleatorización
Bits de información
Figura 2.14. Dispersión y aleatorización en WCDMA.
2.4. Capa de enlace de datos.
Es la capa que se encuentra sobre la capa física, se divide a su vez en dos capas: la capa MAC y la capa RLC. La capa MAC proporciona los datos a la capa RLC mediante los canales lógicos, éstos determinan el tipo de información que se transmite. La capa RLC se encarga de asegurar que la información sea transmitida de manera correcta.
2.4.1. Capa MAC.
La capa MAC (Medium Access Control) coordina el acceso al medio físico sobre el que se transmite la información, tiene listas de espera en las que se almacenan los datos, decide cuál paquete proveniente de la capa física debe quedarse en espera.
La capa MAC proporciona el estado actual a la capa RRC (Radio Resource Control) y recibe de ésta instrucciones de configuración. Bajo ciertas condiciones la capa MAC es responsable de la encriptación y no realiza segmentaciones. Entrega la información de usuario y señalización a la capa física sobre un determinado número de canales de transporte.
La transmisión de información a la capa RLC se lleva a cabo en los canales lógicos. Se define un conjunto de canales lógicos para los diferentes tipos de servicios, cada uno se define dependiendo del tipo de información que se transfiere.
Los canales de control son [8,9]:
• BCCH (Broadcast Control Channel). Utilizado en el enlace de bajada para el control de información en broadcast.
• PCCH (Paging Control Channel). Utilizado en el enlace de bajada para transmitir información de voceo.
• DCCH (Dedicated Control Channel). Un canal dedicado punto a punto que transmite información de control entre la red y un móvil.
• CCCH (Common Control Channel). Canal bidireccional para transmitir información de control entre la red y los móviles.
Los canales de tráfico son:
• DTCH (Dedicated Traffic Channel). Canal dedicado a solo un móvil para la transmisión de información, se cuenta con este canal en ambos enlaces.
• CTCH (Common Traffic Channel). Un canal unidireccional punto a multipunto utilizado en la transmisión de información de todos o solo un grupo específico de usuarios.
La capa MAC sirve de interfaz entre la capa RLC y la capa física, mediante el mapeo de los canales lógicos en los canales de transporte, como se muestra en la tabla 2.2.
Canales lógicos Canales de transporte
BCCH BCH o FACH
PCCH PCH
CCCH RACH o FACH
DCCH CPCH (en FDD), RACH, FACH, DSCH o DCH
CTCH FACH
DTCH CPCH (en FDD), RACH, FACH, DSCH o DCH
Tabla 2.2. Mapeo de canales lógicos con canales de transporte.
Las principales funciones de la capa MAC son las siguientes:
• Transferencia de información sin segmentación.
• Redefinición de los parámetros MAC.
• Medida del volumen de tráfico y calidad de la señal.
• Reporte de resultados a la capa RRC.
• Selección del formato apropiado para cada canal de transporte.
• Prioridad entre el manejo del flujo de información de un móvil.
• Prioridad entre equipos móviles mediante una planeación dinámica.
• Prioridad entre el flujo de información de varios usuarios en el DSCH y FACH.
• Identificación de equipos móviles en canales de transporte común.
• Multiplexaje y demultiplexaje de PDUs (Protocol Data Units) de capas superiores a bloques de transporte entregados a la capa física sobre canales de transporte comunes.
• Multiplexaje y demultiplexajde de PDUs de capas superiores a bloques de transporte fijos entregados a la capa física en canales de transporte dedicados.
• Monitoreo del volumen de tráfico.
La arquitectura de la capa MAC se muestra en la figura 2.15 [8].
MAC-b MAC-c/sh
MAC-d
Canales lógicos
Canales de transporte Control
MAC
BCCH PCCH BCCH CCCH CTCH DCCH DTCH DTCH
BCH PCH FACH RACH CPCH DSCH DCH DCH
Figura 2.15. Arquitectura de la capa MAC.
La capa MAC se compone de tres entidades:
1. MAC-b maneja el canal BCH. Existe una entidad MAC-b en cada móvil.
formato del encabezado MAC para el canal BCCH depende del canal de transporte utilizado. Para PCCH no existe encabezado MAC.
3. MAC-d es responsable del manejo de canales DCH ubicados en el móvil al momento de una conexión.
2.4.2. Capa RLC.
La capa RLC proporciona la segmentación y retransmisión de la información. Puede operar en tres modos: modo transparente (Tr), modo conocido (AM) y modo desconocido (UM). La capa RLC asegura que la información sea transmitida de manera correcta y retransmite aquellos paquetes que la capa física fue incapaz de enviar correctamente.
Las principales funciones de la capa RLC son [8]:
• Segmentación y reensamble. Esta función realiza la segmentación y reensamblaje de PDUs de longitud variable de capas superiores en unidades RLC de carga útil (RLC PU)
de menor tamaño. El tamaño se determina de acuerdo a la tasa de bit más pequeña para servicio. Para los servicios de tasa variable se deben transmitir varias RLC PDUs en el mismo intervalo de tiempo de la transmisión cuando se utilice cualquier tasa de bit más grande que la de menor tamaño.
• Concatenación. Si el contenido de RLC SDU (RLC Service Data Unit) no ocupa un número entero de RLC PDUs, el primer segmento del siguiente RLC SDU se debe colocar dentro del RLC PDU en conjunto con el RLC SDU previo.
• Relleno. Cuando no se lleva a cabo la concatenación y los datos a ser transmitidos no ocupan una RLC PDU del tamaño dado, los datos restantes se completan con bits de relleno.
• Transferencia de datos. La capa RLC permite la transferencia de información en los modos conocido, desconocido y transparente. La transferencia de los datos está controlada por los requerimientos QoS (Quality of Service).
• Detección duplicada. Esta función detecta si las RLC PDUs recibidas están duplicadas y se asegura que la PDU resultante de capas superiores sea entregada solamente una vez a la siguiente capa.
• Control de flujo. Permite al receptor RLC controlar la tasa para que la entidad que transmite puede enviar la información.
• Verificación del número de secuencia (Modo de transferencia de información en el modo desconocido). Garantiza el reensamblaje de PDUs y proporciona un promedio de los RLC SDUs en mal estado a través de la verificación del número de secuencia en RLC PDUs cuando son reensamblados en una RLC SDU. Se descartan las RLC SDUs en mal estado.
• Protocolo de detección de errores y recuperación. Realiza la detección y recuperación de errores en la operación del protocolo RLC.
• Cifrado. Se lleva a cabo en los modos conocido y desconocido. Se utiliza el mismo algoritmo de cifrado que en la capa MAC, la diferencia radica en las variaciones en tiempo del parámetro de entrada, el cual para RLC aumenta en conjunto con los números de RLC PDU.
• Función de suspensión y resumen para la transferencia de datos. La suspensión es necesaria durante el procedimiento de control en el modo de seguridad de tal forma que las mismas llaves de cifrado son utilizadas por las entidades pares. La suspensión y reanudación son llevadas a cabo por la capa RRC mediante la interfaz de control.
Transmisión de entidad transparente
Recepción de entidad transparente
Entidad de modo conocido
Transmisión de entidad desconocida
Recepción de entidad desconocida
DTCH/DCCH BCCH/PCCH
CCCH/DCCH/DTCH CCCH/CTCHDTCH/DCCH
Control RLC
Tr-SAP Punto de acceso AM
Punto de acceso UM
Figura 2.16. Arquitectura de la capa RLC.
Para los tres modos de operación la detección de errores CRC se lleva a cabo en la capa física y el resultado se entrega a la capa RLC en conjunto con la información actual.
En el modo transparente no se agrega ningún encabezado a los datos de capas superiores. Las PDUs que no se transmiten correctamente se descartan o se marcan como erróneas. La transmisión puede ser fluida, en la cual los datos de capas superiores no se segmentan, aunque en algunas ocasiones se pueden llevar a cabo transmisiones con capacidad limitada de segmentación/reensamblaje.
En el modo desconocido no se utilizan protocolos de retransmisión y los datos se entregan sin ninguna garantía. Los datos erróneos son marcados o descartados dependiendo de la configuración. Los RLC SDUs que no son transmitidas durante un tiempo específico son removidos del búfer del transmisor. La estructura de los PDUs incluye secuencias de números para poder observar la integridad de los PDUs de capas superiores. La segmentación y la concatenación son proporcionadas por los encabezados que se agregan a la información.
Una entidad en el modo desconocido se define como unidireccional porque no se requiere una relación entre el enlace de subida y el enlace de bajada.
En el modo conocido se utiliza un mecanismo ARQ para la corrección de errores. El desempeño de la calidad contra el retardo de RLC puede ser controlada por RRC con la configuración del número de retransmisiones proporcionadas por RLC.
SDU es descartado. A la entidad se el notifica de la operación para que las RLC PDUs pertenecientes a la RLC SDU sean eliminadas.
Una entidad RLC en el modo conocido es bidireccional y capaz de soportar una indicación del estado del enlace en la dirección contraria a los datos del usuario. RLC puede configurarse dentro de la secuencia entregada o fuera de ella. Los procedimientos de control pueden incluso utilizar canales lógicos separados, de esta forma una entidad AM RLC puede utilizar uno o dos canales lógicos.
El modo conocido es el modo normal de RLC para servicios de paquetes como descargas en Internet y correo electrónico.
2.4.3. PDCP
El protocolo PDCP existe solamente en el plano de usuario para servicios en conmutación de paquetes. Contiene métodos de compresión que son necesarios para obtener una mayor eficiencia espectral en servicios que requieren paquetes IP para ser transmitidos.
Las principales funciones del protocolo PCDP son [8]:
• Compresión de la información redundante del protocolo de control en la entidad del transmisor y la descompresión en la entidad del receptor. El método de compresión del encabezado es específico a la capa de red particular, la capa de transporte o combinaciones de protocolos de capas superiores.
• Transferencia de datos de usuario. PDCP recibe una PDCP SDU de las capas a las que no se tiene acceso y la reenvía a la entidad RLC apropiada y viceversa.
• Reenvío de PCP SDUs y su correspondiente numeración de la secuencia. Aplicable solamente cuando PDCP se utiliza en el modo RLC conocido.
