ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE TELÉFONOS INTELIGENTES PARA LA TRANSMISIÓN DE VOZ Y DATOS EN LA EVOLUCIÓN DE GSM-WCDMA

(1)

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

TESIS

PARA OBTENER EL TÍTULO EN:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE TELÉFONOS INTELIGENTES PARA LA TRANSMISIÓN DE VOZ Y DATOS EN LA EVOLUCIÓN DE GSM-WCDMA

P R E S E N T A

CALDERA CHACÓN VICTOR MANUEL

DIRECTOR DE PROYECTO:

(2)

(3)

Las aguas por las que navegaré, nunca nadie las ha surcado.

(4)

C

ONTENIDO

OBJETIVO

... I

JUSTIFICACIÓN

... II

1 ANTECEDENTES

... 2

1.1 PRIMERA GENERACIÓN (1G) ... 2

1.2 SEGUNDA GENERACIÓN (2G) ... 2

1.3 GENERACIÓN DOS PUNTO CINCO (2.5G) ... 3

1.4 TERCERA GENERACIÓN (3G) ... 4

2 INTRODUCCIÓN

... 7

2.1 GSM ... 7

2.1.1 TDMA ... 7

2.1.2 MODULACIÓN GMSK... 7

2.1.3 ARQUITECTURA GSM ... 8

2.2 GPRS ... 10

2.2.1 CONMUTACIÓN ORIENTADA A CIRCUITOS Y PAQUETES. ... 10

2.2.2 CARACTERÍSTICAS DE LA TECNOLOGÍA GPRS ... 10

2.2.3 FUNCIONAMIENTO DE GPRS ... 11

2.2.3.1 PROTOCOLOS DEL PLANO DE TRANSMISIÓN.... 11

2.2.3.2 PROTOCOLOS DEL PLANO DE SEÑALIZACIÓN. ... 13

2.2.4 DEFINICIÓN MAESTRO-ESCLAVO. ... 13

2.2.5 FLUJO DE DATOS. ... 15

2.2.6 MULTIPLEXADO DE CANALES LÓGICOS. ... 15

2.2.7 CODIFICACIÓN. ... 16

2.2.8 TRANSFERENCIA DE DATOS (UP-LINK). ... 17

2.2.9 TRANSFERENCIA DE DATOS (DOWN-LINK). ... 18

2.2.10 ARQUITECTURA DE LA RED GPRS ... 19

2.3 EGPRS (EDGE) ... 21

2.3.1 FUNCIONAMIENTO DE EDGE ... 21

2.3.2 MODULACIÓN ... 22

2.3.3 ESQUEMAS DE CODIFICACIÓN. ... 23

2.3.4 CONTROL DE ENLACE DE EDGE ... 24

2.3.5 ARQUITECTURA DE EDGE ... 25

3 UMTS

... 27

(5)

3.1.1 FUNCIONAMIENTO DE WCDMA ... 28

3.2.1.1 SPREADING Y DESPREADING PARA LA TECNOLOGÍA WCDMA. ... 28

3.1.1.2 CHIPS ... 28

3.1.1.3 Símbolos ... 28

3.1.1.4 EL CÓDIGO DE ENSANCHAMIENTO ... 30

3.1.1.5 FACTOR DE ENSANCHAMIENTO ... 30

3.1.2 CANALES RADIOELÉCTRICOS DE WCDMA ... 31

3.1.2.1 CANALES LÓGICOS ... 32

3.1.2.2 CANALES FÍSICOS ... 34

3.1.3 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE WCDMA ... 36

3.1.4 ESPECIFÍCACIONES TÉCNICAS DE WCDMA ... 36

3.1.5 ARQUITECTURA DE LA RED ... 37

3.2 HSDPA (Acceso a Descarga de Alta Velocidad de Paquetes, High Speed Download Packet Access) ... 39

3.2.1 AMC (MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN ADAPTATIVA) ... 40

3.2.2 HARQ... 41

3.2.3 EL CANAL FÍSICO HS-DPCCH ... 42

3.2.4 MODOS DE TRANSMISIÓN FDD/TDD ... 42

3.2.4.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE TDD Y FDD. ... 43

4 INTRODUCCIÓN AL ESCENARIO DE PRUEBAS DE VOZ

... 46

4.1 ELEMENTOS A CONSIDERAR PARA CONSTRUIR EL ESCENARIO DE PRUEBAS ... 46

4.2 PRUEBAS EN GSM/WCDMA ... 47

4.2.1 PROCEDIMIENTO EN GSM ... 47

4.2.2 PROCEDIMIENTO EN WCDMA ... 50

5 INTRODUCCIÓN AL ESCENARIO DE PRUEBAS DE DATOS

... 54

5.2 ELEMENTOS A CONSIDERAR PARA CONSTRUIR EL ESCENARIO DE PRUEBAS ... 54

5.3 PRUEBAS DE BLER EN GPRS/EDGE ... 55

5.3.1 PROCEDIMIENTO EN GPRS ... 55

5.3.2 PROCEDIMIENTO EN EDGE ... 58

5.3.3 PRUEBAS DE DATOS EN WCDMA ... 60

5.3.3.1 ESCENARIO DE PRUEBAS PARA WCDMA... 60

5.3.4 PROCEDIMIENTO PARA WCDMA ... 60

5.3.5 PROCEDIMIENTO EN HSDPA ... 63

6 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS.

... 67

6.1 RESULTADOS DE PRUEBAS DE VOZ EN GSM Y WCDMA ... 67

(6)

(7)

I

NDICE

D

E

F

IGURAS

Figura 1. 1 Evolución de los Estándares Inalámbricos 3G ... 4

Figura 2. 1 Arquitectura de Red de GSM... 9

Figura 2. 2 Plano de Señalización de GPRS. ... 13

Figura 2. 3 Flujo de Datos en GPRS ... 15

Figura 2. 4 Esquema de Codificación en GPRS ... 16

Figura 2. 5 Transferencia de Datos (Up-Link) ... 18

Figura 2. 6 Transferencia de Datos (Down-Link). ... 19

Figura 2. 7 Arquitectura de la red GPRS. ... 20

Figura 2. 8 Constelaciones de GPRS y EDGE. ... 22

Figura 3. 1 Ancho de Banda de WCDMA. ... 27

Figura 3. 2 Spreading y Despreading. ... 29

Figura 3. 3 Canales Radioeléctricos de WCDMA y la Relación Entre Ellos. ... 32

Figura 3. 4 Arquitectura de la Red UMTS. ... 38

Figura 3. 5 Diagrama Fasorial de 16QAM. ... 39

Figura 3. 6 Estructura del Canal HS-DPCCH. ... 42

Figura 3. 7 Modos de transmisión a) FDD y b) TDD. ... 42

Figura 3. 8 Bandas de Frecuencia para la Telefonía Móvil de Tercera Generación. ... 43

Figura 4. 1 Escenario de Pruebas de Voz ... 47

Figura . Pantalla Parameter de GSM. ... 48

Figura . Pantalla Parameter de WCDMA. ... 50

Figura 5. 1 Escenario de Pruebas de Datos ... 55

Figura . Pantalla Parameter de GSM Para Pruebas de GPRS. ... 56

Figura 5. 3 Pantalla Parameter de GSM Para Pruebas en EGPRS-EDGE. ... 58

Figura 5. 4 Escenario de Pruebas de Datos en WCDMA. ... 60

Figura 5. 5 Pantalla "Parameter" de WCDMA. ... 61

(8)

(9)

I

NDICE

D

E

T

ABLAS

Tabla 1. 1 Evolución de los Sistemas de Tercera Generación ... 5

Tabla 2. 1 Canales que Componen el MPDCH ... 14

Tabla 2. 2 Canales que Componen el SPDCH ... 14

Tabla 2. 3Tasa de Transmisión y Codificación de Bits Para los Diferentes Esquemas de Codificación. ... 17

Tabla 2. 4 Comparación entre GPRS y EDGE ... 21

Tabla 2. 5 Esquemas de Codificación de GPRS y EDGE. ... 23

Tabla 2. 6 Familias de Códigos de EDGE. ... 24

Tabla 3. 1 Relación Entre Símbolos de QPSK y Dual QPSK. ... 29

Tabla 3. 2 Relación Entre el Factor de Ensanchamiento, Símbolos y Velocidad de Transmisión Para el Up-Link. ... 30

Tabla 3. 3 Relación Entre el Factor de Ensanchamiento, Símbolos y Velocidad de Transmisión Para el ... 31

Tabla 3. 4 Especificaciones Técnicas de WCDMA. ... 36

Tabla 3. 5 Tasas de Transmisión Vs Aplicaciones. ... 37

Tabla 3. 6 Comparación Entre los Distintos Canales de Transporte Utilizados Para la Transmisión, Incluyendo el HS-DSCH para HSDPA. ... 40

Tabla . 7 Relación Entre TRFC’s y sus Velocidades Utilizando Multi-Códigos. ... 41

Tabla 3. 8 Características físicas de UTRA: TDD y FDD. ... 43

Tabla 6. 1 Mediciones Obtenidas en Smartphones para Pruebas de Voz en GSM. ... 67

Tabla 6. 2 Mediciones Obtenidas en Smartphones para Pruebas de Voz en WCDMA. ... 67

Tabla 6. 3 Equipos en Orden Descendente con el Mejor Desempeño en la Transmisión de Voz. ... 68

Tabla 6. 4 Mediciones Obtenidas en Smartphones para Pruebas de Datos en GPRS. ... 68

Tabla 6. 5 Mediciones Obtenidas en Smartphones para Pruebas de Datos en EGPRS (EDGE). . 69 Tabla 6. 6 Equipos en Orden Descendente con el Mejor Desempeño en la Transmisión de Datos. ... 69

Tabla 6. 7 Mediciones Obtenidas para el Smartphone Samsung Galaxy Young. ... 70

(10)

Tabla 6. 13 Tasas de Transferencia y Modulación en el Canal HS-PDSCH. ... 74

Tabla 6. 14 Resultados para H-set 1 con Modulación QPSK del Smartphone Galaxy Young. ... 75

Tabla 6. 15 Resultados para H-set 1 con Modulación 16QAM del Smartphone Galaxy Young.... 75

Tabla 6. 16 Resultados para H-set 2 con Modulación QPSK del Smartphone Galaxy Young. .... 76

Tabla 6. 17 Resultados para H-set 2 con Modulación 16 QAM del Smartphone Galaxy Young. . 76 Tabla 6. 18 Resultados para H-set 3 con Modulación QPSK del Smartphone Galaxy Young. .... 77

Tabla 6. 19 Resultados para H-set 3 con Modulación 16 QAM del Smartphone Galaxy Young. . 77 Tabla 6. 20 Resultados para H-set 6 con Modulación QPSK del Smartphone Galaxy Young. .... 78

Tabla 6. 21 Resultados para H-set 6 con Modulación 16 QAM del Smartphone Galaxy Young. . 78 Tabla 6. 22 Resultados para H-set 1 con Modulación QPSK del Smartphone Galaxy S2. ... 79

Tabla 6. 23 Resultados para H-set 1 con Modulación 16 QAM del Smartphone Galaxy S2. ... 79

Tabla 6. 24 Resultados para H-set 2 con Modulación QPSK del Smartphone Galaxy S2. ... 80

Tabla 6. 31 Resultados para H-set 1 con Modulación QPSK del Smartphone Galaxy S3.... 84

(11)

O

BJETIVO

(12)

J

USTIFICACIÓN

Hoy en día la globalización en el ámbito de las comunicaciones móviles, ha dado la pauta para generar y evolucionar la forma en la cual la gente puede comunicarse entre sí, independientemente del lugar donde se encuentre y sin discriminación del lugar hacia donde desea hacerlo, para ello se ha tenido la necesidad de generar el desarrollo tecnológico que permita ampliar la forma en la cual nos comunicamos. El objetivo principal siempre ha sido las comunicaciones por voz y de forma transparente para los usuarios, medios de conmutación cada vez más rápidos y desarrollo de infraestructuras que permitan a los operadores tener un mayor alcance de todas los lugares del mundo donde se desea realizar la conexión, una mayor competencia y calidad en los servicios que permitan hacer de este servicio un medio económico para los usuarios.

El panorama de las comunicaciones móviles ha tenido grandes cambios en beneficio de los usuarios ya que hoy en día además de podernos comunicar vía voz, también nos es posible intercambiar información por medio de datos, los cuales generan un plus en la movilidad del usuario ya que los servicios que se pueden prestar además del servicio de voz, se puede hacer intercambio de mensajes, acceder a redes sociales, gestión de información, administración de empresas, videoconferencias, etc…, lo que finalmente permite al usuario tener acceso a la información y gestión de la misma.

La evolución de las comunicaciones móviles han permitido que esta transferencia de datos sea cada vez sea más rápida y el estudio en cuestión tiene por objetivo hacer un análisis de los parámetros de desempeño de las terminales móviles tanto de voz, como de datos, enfocado en las diversas tecnologías como son la evolución de GSM enfocado a voz y su evolución en tasas de transmisión de datos como son GPRS y EDGE, de la misma forma para WCDMA y su ampliación de capacidad para transmisión de datos como es HSDPA.

Este trabajo está enfocado en las terminales móviles, ya que hoy en día se cuenta con un gran número de compañías que se dedican a la producción y desarrollo de estos equipos, siendo diseñados para diferentes tipos de mercado y las necesidades de los usuarios, sin embrago tomando en cuenta que los parámetros de calidad en la recepción y transmisión deben ser óptimos para garantizar el buen funcionamiento del equipo y satisfacción de las necesidades del cliente, por tal motivo se hace evidente con este estudio las capacidades de los diferentes equipos propuestos, que hoy en día son los que cuentan con una mayor demanda en el mercado y por tal motivo hacer evidente la relación costo/beneficio que se puede tener con cada uno de ellos. Por lo tanto los resultados obtenidos en este trabajo son útiles para diferentes sectores de la telefonía celular como son los siguientes:

 Fabricantes.

Con ello se hacen las pruebas correspondientes que permitan corroborar las características de desempeño de acuerdo a las dadas por el fabricante.

 Operadores.

El conocer el desempeño de las terminales móviles permite a los operadores tener un mayor panorama con el cuál se realice el diseño de la infraestructura de cobertura móvil, basado en los equipos con mayor demanda en la actualidad.

 Clientes.

(13)

 Ámbito académico.

(14)

CAPÍTULO 1

(15)

1 A

NTECEDENTES

1.1 P

RIMERA

G

ENERACIÓN

(1G)

1G, o primera generación, surge en los años 80’s. Su ampliada capacidad analógica de mantener la comunicación en movimiento fue su característica principal. Para ello hubo que desarrollar las redes celulares. Los sistemas móviles de primera generación hacen uso del concepto de celular clásico , basado en la división de área de cobertura de celdas y en la reutilización de frecuencias. Estos primeros sistemas celulares utilizan canales de tráfico analógicos basados en FDMA (Múltiple Acceso por División de frecuencia, Frequency Division Multiple Access).

Una red celular es un sistema zonal de antenas trasmisoras de baja potencia trabajando de forma coordinada, el cual permite cubrir determinada área geográfica. Al área que cubre cada antena por separado se le llama célula.

Con respecto a la seguridad, las medidas preventivas no formaban parte de esta primitiva telefonía celular. La tecnología predominante de esta generación es AMPS (Sistema de Telefonía Móvil Avanzada, Advanced Mobile Phone System,), desarrollada principalmente por Bell Company . Fue introducida inicialmente en los Estados Unidos y posteriormente fue usada en otros países en forma extensiva. Otro sistema conocido como TACS (Sistema de Comunicación de Acceso Total, Total Access Communication System) fue introducido en el Reino Unido y muchos otros países.

Había diferencias en la especificación de los sistemas, eran conceptualmente muy similares. La información con la voz era transmitida en forma de frecuencia modulada al proveedor del servicio. Un canal de control era usado en forma simultánea para habilitar el traspaso a otro canal de comunicación de serlo necesario. La frecuencia de los canales era distinta para cada sistema. TACS usaba canales de 25KHz.

A su vez, el tamaño de los aparatos era mayor al de hoy en día; fueron originalmente diseñados para el uso en los automóviles. Motorola fue la primera compañía en introducir un teléfono realmente portátil.

1.2 S

EGUNDA

G

ENERACIÓN (2G)

En los 90 surge la telefonía digital o de segunda generación (2G). Los avances en la tecnología de materiales y semiconductores permitieron el salto, traducido en mejores y más rápidas comunicaciones y servicios. Los aparatitos bajan de peso, llegando a rondar los 150 g. como promedio.

(16)

bandas de 850MHz fueron agregadas en forma posterior. El rango de frecuencia utilizado por los sistemas 2G coincidió con algunas de las bandas utilizadas por los sistemas 1G (como a 900Hz en Europa), desplazándolos rápidamente.

EL sistema 2G utiliza protocolos de codificación más sofisticados y se emplea en los sistemas de telefonía celular actuales. Las tecnologías predominantes son: GSM; IS-136 (conocido también como TIA/EIA136 o ANSI-136) y CDMA (Acceso Múltiple por División de Código, Code Division Multiple Access) y PDC (Comunicaciones Personales Digitales, Personal Digital Communications).

Los protocolos empleados en los sistemas 2G soportan velocidades de información por voz más altas, pero limitados en comunicación de datos. Se pueden ofrecer servicios auxiliares, como datos, fax y SMS (Servicio de Mensaje Corto, Short Message Service).

1.3 G

ENERACIÓN

D

OS

P

UNTO

C

INCO

(2.5G)

El término 2.5G se utiliza para referirse al conjunto de tecnologías que se encuentran a medio camino entre la 2G y la 3G.

Una vez que la segunda generación se estableció, las limitantes de algunos sistemas en lo referente al envío de información se hicieron evidentes. Muchas aplicaciones para transferencia de información eran vistas a medida que el uso de laptops y del propio Internet se fue popularizando. Si bien la tercera generación estaba en el horizonte, algunos servicios se hicieron necesarios previa a su llegada.

En realidad, en la mayoría de las ocasiones 2.5G quiere decir GPRS (Servicio General de Paquetes por Radio, General Packet Radio Service). GPRS es un servicio de las redes GSM que permite la conexión a Internet con paquetes de datos de forma que se aplique una tarifa por datos transferidos, y no según el tiempo de conexión. Las operadoras añaden a sus estaciones base dos nodos que se encargan del ruteo de los paquetes de datos y conectarlos a Internet.

La modificación es sencilla y poco costosa, por lo que todas las operadoras dan cobertura GPRS, pero este sistema obliga a que el tráfico de datos circule sobre la red GSM, y habitualmente con menor prioridad que la información de voz. De las distintas configuraciones GPRS que existen, la mejor de ellas nos proporciona 80 kbps (kilobits por segundo) de bajada y 60 kbps de subida.

Aún más cantidad de mejoras fueron realizadas a la taza de transferencia de información al introducirse el sistema conocido como EDGE (Aumento de Tasas de Datos para la Evolución de GSM, Enhanced Data rates for GSM Evolution). Éste básicamente es el sistema GPRS con un nuevo esquema de modulación de frecuencia.

(17)

1.4 T

ERCERA

G

ENERACIÓN

(3G)

La definición técnicamente correcta es UMTS (Servicio Universal de Telecomunicaciones Móviles, Universal Mobile Telecommunications System). 3G es la abreviación de tercera generación de transmisión de voz y datos a través de telefonía móvil.

Los servicios asociados con la tercera generación proporcionan la posibilidad de transferir tanto voz y datos (una llamada telefónica o una video llamada) y datos no-voz (como la descarga de programas, intercambio de email, y mensajería instantánea). Aunque esta tecnología estaba orientada a la telefonía móvil, desde hace unos años las operadoras de telefonía móvil ofrecen servicios exclusivos de conexión a Internet mediante módem USB, sin necesidad de adquirir un teléfono móvil, por lo que cualquier computadora puede disponer de acceso a Internet. Existen otros dispositivos como algunos netbooks que incorporan el módem integrado en el propio equipo, pero requieren de una tarjeta SIM (Módulo Identificador del Subscriptor, Suscriber Indentificator Module) ; la que llevan los teléfonos móviles, para su uso.

La ITU (International Telecommunications Union, Unión Internacional de Telecomunicaciones) definió las demandas de redes 3G con el estándar IMT-2000. Una organización llamada 3GPP (Proyecto de asociados de Tercera Generación, Third Generation Partnership Project) ha continuado ese trabajo mediante la definición de un sistema móvil que cumple con dicho estándar. Este sistema se llama UMTS.

Las tecnologías de 3G son la respuesta a la especificación IMT-2000 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones. En Europa y Japón, se seleccionó el estándar UMTS, basado en la tecnología W-CDMA. (Acceso Múltiple por División de Ancho de Banda de Código, Wideband Code Division Multiple Access) UMTS está gestionado por la organización 3GPP, también responsable de GSM, GPRS y EDGE.

(18)

En la siguiente tabla se muestran las características en la evolución de las comunicaciones celulares hasta la tercera generación.

Tabla 1. 1 Evolución de los Sistemas de Tercera Generación

EVOLUCION DE LOS SISTEMAS 3G

Características 1G 2G 2.5G 3G 3.5G

Estándares AMPS y TACS

GSM, IS-136, IS-95, iDEN y PDC

GPRS, EDGE e IS-95B

UMTS y CDMA2000

HSDPA y CDMA2000

(1xEV-DO y 1xEV-DV)

Técnica de acceso

al medio FDMA

TDMA y

CDMA TDMA WCDMA WCDMA

Modulación _ GMSK GMSK, 8-PSK QPSK-16QAM QPSK-64QAM

Servicios Voz Voz y SMS

Video, e-mail, Navegador de

Internet.

Streaming Video, MMS, Aplicaciones Multimedia

VoIP, Videoconferencias

Transferencia

Máxima de Datos _ _

GPRS (160 Kbps) y EDGE

(473.6 Kbps)

(19)

CAPÍTULO 2

(20)

2 I

NTRODUCCIÓN

En 1982 un consorcio de países europeo creo el Group Espéciale Mobile, para desarrollar una tecnología celular que previera roaming (cobertura), internacional imperceptible al usuario y soporte para servicios avanzados no disponibles en las redes analógicas. El ETSI (Instituto Europeo de Normas para las Comunicaciones, European Telecommunications Standards Institute), se hizo cargo del proyecto en 1989 y complementó la primera serie de especificaciones técnicas [1].

La primera red GSM fue lanzada en 1991 y fue seguida por varias más al año siguiente, al adoptarse la tecnología en países no europeos se hizo evidente que GSM sería una tecnología global y no europea, así como la sigla GSM comenzó a significar Sistema Global Para las Comunicaciones Móviles.

2.1 GSM

GSM se diferencia de la primera telefonía celular; son hilos que usa la tecnología digital y la técnica TDMA, la voz se codifica digitalmente usando su único vocoder que simula las características de la voz humana y utiliza un algoritmo de codificación de voz, modulación digital GMSK (Modulación Gaussiana por desplazamiento de Fase, Gaussian Minimum Shift Keying)

2.1.1 TDMA

Es una tecnología que permite llevar servicios digitales inalámbricos utilizando y manteniendo diversos flujos de información de manera independiente a través de un mismo canal de comunicación.

Funciona dividiendo una frecuencia de radio en pequeños intervalos de tiempo y asignando a estos intervalos a las llamadas múltiples de esta manera una simple frecuencia puede soportar canales de informaciones múltiples y simultáneas.

Este método de transmisión permite una tasa muy eficiente de velocidad de datos/información.

2.1.2 M

ODULACIÓN

GMSK

(21)

2.1.3 A

RQUITECTURA

GSM

La arquitectura consta de varios subsistemas.

 SIM (MÓDULO DE IDENTIDAD DEL SUBSCRIPTOR, SUSCRIBER IDENTIFIER MODULE): Una tarjeta inteligente que sirve para identificar las características de nuestra terminal, esta tarjeta se inserta en el interior del celular y permite al usuario acceder a todos los servicios disponibles por su operador, sin la tarjeta no podemos hacer uso de la red.

 MS (ESTACIÓN MÓVIL, MOBILE STATION): Se trata de teléfonos digitales que pueden ir integrados como terminales en vehículos, pueden ser portables y portátiles.

 BSS (SUBSISTEMA DE ESTACIÓN BASE, BASE STATION SUBSYSTEM): Sirve para conectar las estaciones móviles con los NSS (Subsistema de Conmutación y Red), además de ser encargados de la transmisión y recepción.

 BTS (ESTACIÓN TRASCEPTORA DE BASE, BASE TRANSCEIVER STATION,): Consta de módems de radio y antenas usadas en cada célula de la red, suelen estar situadas en el centro de la célula, generalmente su potencia determina el tamaño de la célula.

 BSC (CONTROL DE ESTACIÓN BASE, BASE STATION CONTROLLER): Se utilizan como controladores de las BTS y tienen como funciones principales las de estar a cargo del handover (traspaso) y controles de radiofrecuencias de los BTS.

 NSS (SUSBSISTEMA DE CONMUTACIÓN Y RED, NETWORK SWITCHING SUBSYSTEM): Se encarga de administrar las comunicaciones que se realizan entre diferentes usuarios de la red para poderlo hacer se divide en diferentes subsistemas.

 MSC (CENTRO DE SERVICIO MOVIL DE CONMUTACIÓN, MOBILE SWITCHING CENTER): Es el componente central de la NSS y se encarga de realizar las labores de conmutación de la red, así como comprobar la conexión con otras redes.

(22)

terminal, etcétera). Es de carácter más bien permanente; cada número de teléfono móvil está adscrito a un HLR determinado y único, que administra su operador móvil.

 VLR (REGISTRO DE LOCALIZACIÓN DEL VISITANTE, VISITOR LOCATION REGISTER): Es una base de datos más volátil que almacena, para el área cubierta por un MSC, los identificativos, permisos, tipos de abono y localizaciones en la red de todos los usuarios activos en ese momento y en ese tramo de la red. Cuando un usuario se registra en la red, el VLR del tramo al que está conectado el usuario se pone en contacto con el HLR de origen del usuario y verifica si puede o no hacer llamadas según su tipo de abono.

 AuC (CENTRO DE AUTENTICACIÓN, AUTHENTICATION CENTER): Proporciona los parámetros necesarios para la autentificación de los usuarios de la red, también encriptación.

 EIC (CENTRO DE IDENTIDAD DEL EQUIPO, EQUIPMENT IDENTITY CENTER): Se utiliza para proporcionar seguridad en las redes GSM pero a nivel de equipos válidos, contiene una base de datos con todas las terminales válidas para ser usadas en la red, la base de datos contiene un IMEI (Identidad Internacional del Equipo Móvil, International Mobile Equipment Identity).

[image:22.612.125.492.425.681.2]

La siguiente figura muestra la arquitectura de la red de GSM.

(23)

2.2 GPRS

Es el estándar introducido por el ETSI, es un sistema que complementa a la arquitectura GSM, permitiendo un mejor aprovechamiento de recursos. El concepto principal de GPRS y que lo diferencia de GSM es la orientación de conmutación de paquetes frente a la conmutación de circuitos [3].

2.2.1 C

ONMUTACIÓN

O

RIENTADA

A C

IRCUITOS

Y P

AQUETES.

La diferencia principal que encontramos es en la utilización de recursos de red.

El sistema de conmutación de circuitos está pensado en llamadas por voz. Al efectuar una llamada, se reserva un canal de comunicación entre origen y destino, una vez reservado, este canal permanecerá ocupado durante todo el tiempo que dure la conversación, en una llamada se ocupa todo el recurso de conmutación [4].

Este sistema es obviamente ineficaz cuando nos referimos a la transmisión de datos. En Internet, por ejemplo el tráfico de datos es a ráfagas, es decir, se concentra en instantes determinados, permaneciendo el canal la mayor parte del tiempo vacío.

En cambio la conmutación de paquetes el canal de transmisión se requiere sólo cuando existe algo que transmitir o recibir. Esta transmisión se basa en dividir la información en pequeñas unidades llamadas paquetes, estos paquetes son divididos y enviados de una forma secuencial a través de los canales disponibles permitiendo que varios usuarios compartan los mismos canales.

Todos los paquetes al llegar a su destino, vuelven a unirse formando el fichero en cuestión, no existe reserva previa de canales como ocurriría con la técnica de conmutación de circuitos, por lo cual una terminal en un canal, puede ser utilizado por otra terminal. Esa técnica de conmutación de paquetes es la empleada en redes de datos fijos como internet.

Una vez que un paquete ha sido transmitido por el interfaz de radio, se vuelven a liberar los recursos de radio para que así puedan ser utilizados por algún otro usuario, una conexión de paquetes únicamente usaría los recursos cuando se estuviera bajando una página, no cuando se estuviera efectuando una consulta, quedando libre el canal a partir de ese momento.

2.2.2 C

ARACTERÍSTICAS

D

E

L

A

T

ECNOLOGÍA

GPRS

Las características más relevantes de GPRS son:

(24)

 MAYOR VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE DATOS: Puede alcanzar un marco ideal de transmisión velocidades máximas técnicas de 171,2 Kbps (reales 115 Kbps).

 PERMITE QUE LA TERMINAL ESTE SIEMPRE CONECTADA ALWAYS ON : La percepción por parte del usuario será que el servicio GPRS está siempre disponible desde que conecta su terminal, ya que GPRS facilita conexiones instantáneas; esta característica permite ahorrar el tiempo de conexión cada vez que se requiere una información.

 SOPORTA APLICACIONES MÁS ROBUSTAS: El incremento de velocidad va directamente unido al tipo de aplicaciones que puede soportar la baja velocidad de transmisión de datos del sistema de conmutación de circuitos limitado con el lento tiempo de conexión y la limitada longitud de los mensajes (SMS) hacían que las soluciones de aplicaciones móviles resultasen funcionalmente limitadas. El número de servicios de datos accesibles para dispositivos GPRS es mayor que GSM.

 FACTURACIÓN POR VOLÚMENES DE DATOS: Se permite facturas por la cantidad de datos en transferencia en lugar de tarifas basadas en el tiempo de conexión.

 SOPORTE DE PROTOCOLO IP (Protocolo de Internet, Internet Protocol): GPRS define un método de acceso a redes IP. Estas redes utilizan la conmutación de paquetes lo que optimiza la utilización del espectro de radio disponible al no ser necesario que un canal de radio sea utilizado para la transmisión de un punto a otro lo que permite proporcionar velocidades de acceso a internet e intranet y mejorar la eficacia de la red.

2.2.3 F

UNCIONAMIENTO DE

GPRS

2.2.3.1 P

ROTOCOLOS DEL

P

LANO DE

T

RANSMISIÓN.

El plano de transmisión es el encargado de proveer la transmisión de los datos del usuario y su señalización para el control de flujo, detección de errores y la corrección de los mismos [5].

 GTP (Protocolo de túnel de GPRS, GPRS Tunneling Protocol): Es el encargado de transportar los paquetes del usuario y sus señales relacionadas entre los nodos de soporte de GPRS (GSN). Los paquetes GTP contiene los paquetes IP del usuario.

(25)

 Multiplexación de diversas conexiones de la capa de red en una conexión lógica virtual de la capa LLC (Control de Enlace Lógico, Logical Link Control).

 Compresión y descompresión de los datos e información redundante de la cabecera.

 AIR INTERFACE (Interfaz de Aire): Concierne a las comunicaciones entre la estación móvil y la BSS en los protocolos de las capas física, MAC (Control de Acceso al Medio, Medium Access Control) y RLC (Control de Enlace de Radio, Radio Link Control).

 Las subcapas RLC/MAC permiten una eficiente multiplexación multiusuario, en los canales de paquetes de datos compartidos, y utiliza un protocolo ARQ (Respuesta Automatica a Petición, Automatic Repeat Request) selectivo para transmisiones seguras a través del interfaz aire. El canal físico dedicado para tráfico en modo paquete se llama PDCH (Canal de Paquete de Datos, Packet Data Channel).

 Ahora se considera la Data Link Layer (Capa de Enlace de Datos), y la Physical Layer (Capa Física) como parte del Interfaz Aire Um.

 DATA LINK LAYER: Se encuentra entre la estación móvil (el móvil GPRS en sí) y la red. Se subdivide en:

 La capa LLC (entre MS-SGSN (Nodo de Soporte de Servicio GPRS, Service GPRS Support Node)): Provee un enlace altamente fiable e incluye control de secuencia, entrega en orden, control de flujo, detección de errores de transmisión y retransmisión.

 La capa RLC/MAC (entre MS-BSS): El principal propósito de la capa de Control de Radio Enlace (RLC) es la de establecer un enlace fiable. Esto incluye la segmentación y re ensamblado de las tramas LLC en bloques de datos. La capa MAC controla los intentos de acceder de un MS a un canal de radio compartido por varios MS.

 PHYSICAL LAYER: Capa física entre MS y BSS. También se subdivide en dos subcapas.

 PLL (Capa del Enlace Físico, Physical Link Layer): Provee un canal físico. Sus tareas incluyen la codificación del canal (detección de errores de transmisión, corrección adelantada (FEC), indicación de códigos incorregibles), interleaving y la detección de congestión del enlace físico.  RFL (Capa de Enlace de Radio Frecuencia, Radio Frequency Layer): Incluye la modulación y la

demodulación.

(26)

2.2.3.2 P

ROTOCOLOS DEL

P

LANO DE

S

EÑALIZACIÓN.

Protocolos encargados del control y mantenimiento de las funciones del plano de transmisión, conexión desconexión, activación de contexto, control de caminos de ruteo y localización de los recursos de la red.

 GMM/SM (Gestión de Movilidad/Gestión de Sesión de GPRS, GPRS Mobility Management/Session Management): Es el protocolo que se encarga de la movilidad y la gestión de la sesión en momentos de la ejecución de funciones de seguridad, actualizaciones de rutas, etc.

La señalización entre SGSN y los registros HLR, VLR, y EIR utilizan los mismos protocolos que GSM con ciertas funciones ampliadas para el funcionamiento con el GPRS, en la siguiente figura se muestra el plano de señalización.

Figura 2. 2 Plano de Señalización de GPRS.

2.2.4 D

EFINICIÓN

M

AESTRO

-E

SCLAVO

.

El canal físico dedicado para el tráfico en modo paquete se llama PDCH (Canal de Paquete de Datos, Packet Data Channel).

Al menos 1 PDCH actúa como maestro denominado MPDCH (Canal de Paquete de Datos Maestro, Master Packet Data Channel), y puede servir como PCCCH (Canal común de Control de Paquetes, Packet Common Control Channel), el cual lleva toda la señalización de control de necesaria para iniciar la transmisión de paquetes. Si no sirve como tal se encargará de una señalización dedicada o datos de usuario.

(27)

Tabla 2. 2 Canales que Componen el MPDCH

CANALES QUE COMPONEN EL MPDCH

Nomenclatura Nombre Sentido Función

PRACH Physical Random Access

Channel Ascendente

Iniciar la transferencia de datos desde el móvil

PPCH Packet Paging Channel Descendente Informar al móvil de la entrega de paquetes

PPRCH Packet Paging

Response Channel Ascendente

Uso exclusivo de un móvil para responder a un paging (búsqueda)

PAGCH Packet Access Grant

Channel Descendente

Para enviar la información a un móvil sobre reserva de canales

PNC Paging Network

Controller Descendente Para notificaciones Multicast

PBCCH Packet Broadcast

Control Channel Descendente

Para difundir información específica sobre GPRS Broadcast

Tabla 2. 3 Canales que Componen el SPDCH

CANALES QUE COMPONEN EL SPDCH

Nomenclatura Nombre Sentido Función

PDTCH Packet Data Traffic

Channel Ambos

Transferencia de datos desde/hacia el móvil

PACCH Packet-Associated

Control Channel Ambos

Transporte de información de señalización

PDBCH Packet Data

Broadcast Channel Descendente

(28)

2.2.5 F

LUJO DE

D

ATOS

.

La unidad de datos del protocolo de la capa de red, denominada N-PDU o paquete, es recibida de la capa de red y es transmitida a través del interfaz de aire entre la estación móvil y el SGSN usando el protocolo LLC.

Primero el SNDCP (Protocolo de Convergencia Dependiente de la Subred, Subnetwork Dependent Convergence Protocol) transforma los paquetes en tramas LLC, el proceso incluye opcionalmente la compresión de la cabecera de datos, segmentación y encriptado.

Una trama LLC es segmentada en bloques de datos RLC, que son formados en la capa física, cada bloque consta de 4 ráfagas normales que son similares a las de TDMA. En la siguiente figura se muestra el flujo de datos en GPRS.

Figura 2. 3 Flujo de Datos en GPRS

2.2.6 M

ULTIPLEXADO DE

C

ANALES

L

ÓGICOS

.

Hay una serie de indicadores para poder hacer el multiplexado de canales lógicos y poder aprovechar al máximo las capacidades de la red.

(29)

 TBF: Permite identificar una o varias tramas LLC pertenecientes a un mismo usuario.

 USF: Permite el multiplexado uplink (Enlace de subida). Consta de 3 bits por lo que tiene 8 valores diferentes. Cada bloque RLC del downlink (Enlace de bajada) lleva el indicador, si el USF recibido en el downlink es igual al suyo, el usuario puede usar el siguiente bloque uplink; si es igual a FREE, el siguiente bloque es un slot destinado al proceso de acceso (PRACH); los otros siete valores se utilizan para reservar el uplink para diferentes estaciones móviles.

2.2.7 C

ODIFICACIÓN

.

Existen 4 tipos de codificación en GPRS cada una con sus características, tanto de carga útil que se codifica como el número de bits codificados. Todos los tipos siguen prácticamente los mismos pasos:

Figura 2. 4 Esquema de Codificación en GPRS

Las dos etapas iniciales añaden información a la carga útil:

 BCS: Secuencia de Chequeo de Bloque.

 USF: Bandera de Estado del Enlace de Subida.

Una vez obtenida la codificación se puede hacer el diezmado que son bits que se quitan de forma no arbitraria.

Las 4 formas de codificación de GPRS son:

 El CS-1 coincide con el SDCCH de GSM. Este código es usado cuando la MS se encuentra más alejada de la BSS, esto es debido a que a mayor distancia el código debe resultar más robusto para poder establecer la transferencia de datos con el mínimo de errores.

 El CS-2 y CS-3 son versiones perforadas del CS-1. Estos son usados en distancias intermedias determinadas por la BSS para lograr establecer la comunicación.

(30)

En la siguiente tabla se muestran los bits codificados así como tasas de transmisión para cada uno de los niveles de codificación de GPRS.

Tabla 2. 4Tasa de Transmisión y Codificación de Bits Para los Diferentes Esquemas de Codificación.

TASAS DE TRANSMISIÓN Y CODIFICACIÓN DE BITS EN DIFERENTES ESQUEMAS

TIPO BITS CODIFICADOS TASA DE DATOS (Kbps)

CS-1 456 9.5

CS-2 588 13.4

CS-3 676 15.6

CS-4 456 21.4

2.2.8 T

RANSFERENCIA DE

D

ATOS

(U

P

-L

INK

).

La secuencia a seguir para la transferencia de datos en el enlace de subida, es la siguiente:

1. Una estación móvil inicia una transferencia de paquetes haciendo una petición de canal de paquete en el PRACH.

2. La red responde en PAGCH con una o dos fases de accesos:

 1 acceso: La red responde con la asignación de paquete, que reserva los recursos en PDCH para transferir ascendentemente un nº de bloques de radio.

 2 accesos: La red responde con la asignación de paquete, que reserva los recursos ascendentes para transmitir la petición de recursos de paquete; a lo que la red responde con la asignación de recursos.

(31)

En la siguiente figura se muestran los canales asociados con la transferencia de datos de uplink.

Figura 2. 5 Transferencia de Datos (Up-Link)

2.2.9 T

RANSFERENCIA DE

D

ATOS

(D

OWN

-L

INK

).

La secuencia a seguir para la transferencia de datos en el enlace de bajada, es la siguiente:

1. Una BSS inicia una transferencia de paquetes enviando una petición de paging (búsqueda) en el PPCH. 2. La estación móvil responde de forma muy parecida a la del acceso al paquete descrita en el punto

anterior.

3. En la asignación de recursos se envía una trama con la lista de PDCH que son usados. 4. Si se recibe un reconocimiento negativo solo se retransmite los bloques erróneos.

(32)

Figura 2. 6 Transferencia de Datos (Down-Link).

2.2.10 A

RQUITECTURA

D

E

L

A

R

ED

GPRS

La arquitectura de la red GPRS está basada en GSM, los principales elementos introducidos son.

 DOS NODOS DE SOPORTE GPRS: El nodo de conmutación (SGSN) y nodo (GGSN) cuyas misiones son complementarias.

 ACTUALIZACIÓN DEL SOFTWARE: A nivel de BTS (estación de transmisión).

 NUEVO HARDWARE EN EL BSC: Este hardware se denomina PCU (Unidad de Control de Paquetes) y es encargada de manejar la comunicación de paquetes.

 COMPUERTA GPRS NODO SOPORTE (GGSN): Su función principal es actuar como paso entre la red troncal y las redes externas como IP, es el elemento principal de la infraestructura GPRS a parte de:

1. Traducir los paquetes que se reciben desde SSGS al formato de la red externa (IP) 2. Traducir las direcciones IP en la dirección móvil de destino.

(33)

 SERVICIO GPRS NODO SOPORTE (SGSN): Se encarga de la entrega de paquetes desde y hacia los móviles que están dentro de su área de servicio, tiene asociado un registro de locación similar al VLR y se encarga de:

1. Ruteo y transferencia de paquetes de datos 2. Gestión de la movilidad.

3. Autenticación de los usuarios. 4. Tarificación.

 TUNNELING: Dentro de la arquitectura GPRS es el concepto clave que rige la transmisión de la información; lo importante en este caso es la dirección final de destino independientemente del medio de donde se siga la información; el tunneling se basa en:

1. Encapsulado de los datos con introducción de cabeceras de direcciones de destino y origen. 2. Actualización de tablas de ruteo existentes (SGSN) (GGSN).

3. Asignación de IP al móvil.

(34)

2.3 EGPRS (EDGE)

Es el acrónimo para Enhaced Data Rates for GSM Evolution (Tasas de datos mejoradas para la evolución de GSM), también conocida como Enhaced GPRS (Mejora de GPRS).

Puede ser usado en cualquier transferencia de datos basada en PS (Conmutación de Paquetes, Packet Switching), como es la conexión a internet, los beneficios de EDGE sobre GPRS se pueden ver en las aplicaciones que requieren una velocidad de transferencia de datos, o ancho de banda altos como video u otros servicios multimedia.

Además de usar GMSK, EDGE usa 8PSK (Desplazamiento por Cambio de Fase 8, 8Phase Shift Keying;) [6].

EDGE es el próximo paso en la evolución de GPRS, el objetivo de la nueva tecnología es la de ofrecer tasas de transmisión superiores, una mejor eficiencia espectral y facilitar nuevas aplicaciones y mayor capacidad para el usuario móvil. Con la introducción de EDGE en GSM fase 2+; servicios existentes como GPRS son mejorados.

Es introducido dentro de las especificaciones y descripciones existentes, lejos de crear nuevas; es un método para aumentar velocidades de datos sobre el enlace de radio de GSM, mientras que GPRS permite tasas de transmisión de 115 Kbps y teóricamente 160 Kbps, con la implementación de EDGE el sistema sería capaz de alcanzar tasas de transmisión de 384 Kbps y teóricamente 473.6 Kbps. Básicamente EDGE sólo introduce una nueva técnica de modulación y la nueva codificación de canal que puede usarse indistintamente para transmitir servicios de voz y datos por conmutación de paquetes y de circuitos.

2.3.1 F

UNCIONAMIENTO

D

E

EDGE

En la tabla 2.3 se muestra la comparación entre GPRS y EDGE.

Tabla 2. 5 Comparación entre GPRS y EDGE

COMPARACIÓN ENTRE GPRS Y EDGE

CARACTERÍSTICAS GPRS EDGE

Modulación GMSK 8-PSK

Tasa de Símbolos 270 Simb/seg 270 Ksimb/seg

Tasa de Bits 270 Kbps 810 Kbps

Tasa de Bits radio por Time-Slot 22.8 Kbps 69.2 Kbps Tasa de Bits de Usuario por Time-Slot 20 Kbps (CS-4) 59.2 Kbps (MCS9) Tasa de Bits de Usuarios en 8 Time-Slots 160 Kbps 473.6 Kbps

(35)

2.3.2 M

ODULACIÓN

El tipo de modulación utilizada en GSM es GMSK, la cual es una modulación en fase. La figura 2.8 muestra un diagrama de la constelación de la modulación, en ella se diferencian dos ejes, el real y el imaginario. En el caso de GMSK, transmitir un cero o un uno es representado por un incremento positivo o negativo de la fase. Cada símbolo transmitido representa a un bit.

En la siguiente figura se muestran las constelaciones que corresponden al tipo de modulación GPRS y EDGE.

Figura 2. 8 Constelaciones de GPRS y EDGE.

Para lograr tasas de bits mayores que en GSM/GPRS, la modulación tiene que cambiar. EDGE está diseñado para que reutilice la estructura del canal, su ancho, código de canal y las funcionalidades ya existentes en GPRS. La modulación estándar 8-PSK, seleccionada para EDGE, cumple todos estos requisitos, 8-PSK tiene las mismas cualidades que GMSK en términos de generación de interferencia en canales adyacentes. Esto hace posible la integración de canales EDGE en un plan de frecuencias existente, así como asignar nuevos canales EDGE de la misma manera que canales GSM.

La modulación 8-PSK es un método lineal en el que 3 bits consecutivos son mapeados en un símbolo del plano I/Q. La tasa de símbolos permanece invariable, pero ahora cada símbolo representa tres bits y no uno como en GMSK. Es decir, la tasa total es multiplicada por un factor 3.

(36)

2.3.3 E

SQUEMAS DE

C

ODIFICACIÓN.

Para GPRS están definidos cuatro esquemas de codificación distintos: CS1, CS2, CS3 y CS4. Cada uno tiene una cantidad diferente de código de corrección de error optimizado para distintas condiciones radio. Para EGPRS fueron diseñados nueve esquemas de codificación, del MCS1 al MCS9, con la misma idea que los cuatro de GPRS. Los cuatro primeros esquemas EGPRS (MCS1 a MCS4) usan GMSK, mientras que los demás (MCS5 a MCS9) usan la modulación 8-PSK.

La Tabla 2.4 se muestran los esquemas de codificación de GPRS y EDGE con las tasas de usuario máximas.

Tabla 2. 6 Esquemas de Codificación de GPRS y EDGE.

ESQUEMAS DE CODIFICACIÓN DE GPRS Y EDGE

ESQUEMA DE CODIFICACIÓN MODULACIÓN EMPLEADA TASA DE TRANSFERENCIA (Kbps) CS1

GMSK

8

CS2 12

CS3 14.4

CS4 20

MCS1 8.4

MCS2 11.2

MCS3 14.8

MCS4 17.6

MCS5

8PSK

22.4

MCS6 29.6

MCS7 44.8

MCS8 54.4

MCS9 59.2

La tasa de transferencia en GPRS puede alcanzar un máximo de 20 Kbps (CS4), mientras que en EGPRS ésta puede aumentar hasta llegar a 59.2 Kbps (MCS9).

(37)

2.3.4 C

ONTROL DE

E

NLACE DE

EDGE

EGPRS usa una combinación de dos funcionalidades para alcanzar el mayor throughput (Tasa de transferencia de datos) posible, sobre el enlace radio, estas son: adaptación al enlace y redundancia incremental.

 ADAPTACIÓN AL ENLACE: Usa las medidas que se toman del enlace a través de la estación móvil (enlace descendente) o de la estación base (enlace ascendente) para seleccionar el esquema de codificación más apropiado para la siguiente secuencia de paquetes. Un cambio de esquema se inicia tras la estimación de nuevas condiciones del canal, es decir, el cambio lo marca el periodo de medidas.

Los esquemas de codificación se dividen en 3 familias: A, B y C como se muestra en la Tabla 2.5 La re-segmentación es sólo posible dentro de cada familia. Esta restricción obedece a ciertas relaciones entre los tamaños de los campos que transportas la información de usuario en la ráfaga (payload).

Tabla 2. 7 Familias de Códigos de EDGE.

FAMILIAS DE CÓDIGOS DE EDGE

ESQUEMA DE CODIFICACIÓN TROUGHPUT FAMILIA

MCS1 8.8 C

MCS2 11.2 B

MCS3 14.8 A

MCS4 17.6 C

MCS5 22.4 B

MCS6 29.6 A

MCS7 44.8 B

MCS8 54.4 A

MCS9 59.2 A

 REDUNDANCIA INCREMENTAL: Es un método para minimizar el delay (Retardo) y mejorar el throughput de las transmisiones. Consiste en una variante de ARQ (Solicitud Automática de Repetición, Automatic Repeat Request) denominada ARQ Híbrida Tipo II.

Primero la información es codificada de acuerdo con un esquema de codificación. Si la decodificación falla, el bloque de información es retransmitido usando otro esquema de codificación y combinado con el bloque transmitido previamente, esto aumenta la probabilidad de una decodificación satisfactoria. Este proceso se repite hasta alcanzar la decodificación correcta del bloque.

(38)

2.3.5 A

RQUITECTURA

D

E

EDGE

(39)

CAPÍTULO 3.

(40)

3 UMTS

El concepto de una red UMTS hace referencia a una combinación de tecnologías que permiten la integración entre redes fijas y móviles, así como la convergencia de los sistemas de comunicación móvil de segunda generación. La convergencia, es uno de los principales objetivos de UMTS como tecnología de tercera generación. Es importante señalar que la tecnología de acceso WCDMA es la tecnología de acceso de UMTS y que brinda la capacidad de trasferir paquetes de datos a altas velocidades.

3.1 WCDMA

WCDMA es una tecnología derivada del CDMA (Code División Multiple Access, Acceso al Medio por División de Código) tradicional utilizado en las redes IS-9540. Las principales diferencias entre ambas tecnologías, es que WCDMA utiliza una señalización y un canal de control diferente así como un mayor ancho de banda (5 MHz) para su funcionamiento, el cual lo provee de la capacidad para transmitir datos a velocidades de hasta 2 Mbps [8].

Esta tecnología emplea una técnica de ensanchamiento, es decir, la señal de datos es ensanchada para que ocupe todo el ancho de banda asignado para la transmisión. Este ensanchamiento se realiza con un código de ensanchamiento específico para cada usuario, con el cual se establece la diferencia entre cada usuario conectado a la red. Este procedimiento es llamado DS-WCDMA Direct Sequence WCDMA (WCDMA de Secuencia Directa).

(41)

3.1.1 F

UNCIONAMIENTO DE

WCDMA

3.2.1.1 S

PREADING Y

D

ESPREADING

P

ARA LA

T

ECNOLOGÍA

WCDMA.

Básicamente el funcionamiento de WCDMA es el siguiente: La información a transmitir es multiplicada por un código, el resultado de esta multiplicación produce una señal de mayor ancho de banda, específicamente de 3.84MHz, que representa el ancho de banda asignado para la transmisión en modo FDD- WCDMA, a este procedimiento se le denomina Spreading. El receptor capta la señal ensanchada y la sincroniza con el mismo código que se utilizó para la transmisión, el resultado será: la información transmitida más algunos armónicos de alta frecuencia que no forman parte de la información y que pueden ser filtrados con facilidad, a este procedimiento se le denomina Despreading [9].

El Spreading y el Despreading son realizados tanto por el Nodo B como por el teléfono móvil, debido a que la información transita en dos sentidos, uno desde el teléfono hacia el Nodo B (Up-link) y otro desde el Nodo B al teléfono (Down-link).

3.1.1.2 C

HIPS

Un concepto utilizado en WCDMA es el de chip, que corresponde a los bits utilizados en el código de pseudo-ruido conocido como código de ensanchamiento. La velocidad del código de ensanchamiento no se expresa en bits/ segundos (b/s), sino en chips/s (chips por segundo), de tal forma que la velocidad del código de ensanchamiento es de 3.84 Mchips/s que es lo necesario para que la señal de datos se ensanche a los 3.84MHz. La velocidad de códigos es conocida como SCR, System Chip Rate (Tasa de Chips del Sistema).

3.1.1.3 Símbolos

Los símbolos dependen de la modulación. Un símbolo es un elemento de transmisión como resultado de una modulación. Las modulaciones utilizadas en WCDMA son QPSK (Modulación por Desplazamiento de Fase en Cuadratura, Quadrature Phase Shift Keying) para el enlace descendente, en el cual se utilizan cuatro símbolos para la transmisión, de acuerdo a la siguiente ecuación:

(42)

Tabla 3. 1 Relación Entre Símbolos de QPSK y Dual QPSK.

RELACIÓN ENTRE SÍMBOLOS ENTRE QPSK Y DUAL QPSK

QPSK Dual QPSK

Símbolos Combinaciones de bits

A 0 A 0

B 1 B 1

C 10

D 11

De forma más específica, el ensanchamiento de la señal de datos binarios se realiza sobre los símbolos generados por éstos, como se muestra en la figura 3.2, en donde se observa que el chip es la unidad de información del código de ensanchamiento. El código de ensanchamiento y los símbolos generados por los datos entran a una compuerta XNOR, en la cual sí los valores de entada son iguales el resultado es un uno lógico y si son diferentes se genera un cero lógico. El resultado de este procedimiento genera una señal cuya velocidad es de 3.84 MChips/s, que es la capacidad que posee el canal. En la siguiente figura también se observa el proceso de Spreading y Despreading.

(43)

3.1.1.4 E

L

C

ÓDIGO DE

E

NSANCHAMIENTO

Un código de ensanchamiento es utilizado para diferenciar la información de cada usuario en el trayecto radioeléctrico, este código es asignado por la red al usuario antes de una transmisión de tal forma que ambos lo conocen y lo utilizan para la separación de la información. Este código de ensanchamiento está compuesto de un código de aleatorización y un código de canalización.

El código de ensanchamiento es empleado para diferenciar al usuario en una misma banda de frecuencia y el código de canalización es utilizado para diferenciar los canales de datos y de control utilizados en WCDMA. El código de ensanchamiento se expresa mediante la siguiente ecuación:

3.1.1.5 F

ACTOR DE

E

NSANCHAMIENTO

El factor de ensanchamiento es una cifra que describe el número de chips por cada símbolo utilizado para el ensanchamiento de la señal, se representa de la siguiente forma:

En donde, la tasa de bits del sistema es igual a 3.84MChips/s y en los datos se contempla información adicional como señalización y control, además, se debe tener en cuenta que los símbolos generados por los datos son diferentes en dirección descendente que en dirección ascendente, ya que un símbolo es igual a un bit en dirección ascendente y en dirección descendente un símbolo es igual a dos bits [10]. A continuación se muestra la Tabla 3.2 y 3.3 con las velocidades de datos, símbolos y su factor de ensanchamiento en transmisión uplink y downlink.

Tabla 3. 2 Relación Entre el Factor de Ensanchamiento, Símbolos y Velocidad de Transmisión Para el Up-Link.

RELACIÓN ENTRE FACTOR DE ENSANCHAMIENTO, SÍMBOLOS Y TRANSMISIÓN UP-LINK

Factor de Ensanchamiento

Tasa de símbolos generados por los datos

(Ksímbolos/s)

Velocidad del canal (Kb/s)

256 15 15

64 60 60

16 240 240

(44)

Tabla 3. 3 Relación Entre el Factor de Ensanchamiento, Símbolos y Velocidad de Transmisión Para el Down-Link.

RELACIÓN ENTRE FACTOR DE ENSANCHAMIENTO, SÍMBOLOS Y TRANSMISIÓN DOWN-LINK

Factor de Ensanchamiento

Tasa de símbolos generados por los datos

(Ksímbolos/s)

Velocidad del canal (Kb/s)

256 15 30

64 60 120

16 240 480

4 960 1920

Como se puede observar en la Tabla 3.2 y Tabla 3.3 mayor velocidad binaria el factor de ensanchamiento será menor, es decir, requerirá menos chips por símbolos para ensanchar la señal.

Con ello, se pueden deducir algunas características de la tecnología WCDMA, las cuales son esenciales en el aspecto de la transmisión: la información a transmitir requiere de una mayor cantidad de potencia si la información a transmitir es mayor, en el contexto técnico significaría que a mayor velocidad binaria mayor potencia. Lo anterior, relacionado con el factor de ensanchamiento denota que dicho factor es inversamente proporcional a la potencia, debido a que cuanto menor sea el factor de ensanchamiento mayor es la velocidad de transmisión y por ende mayor es la potencia utilizada para la transmisión.

3.1.2 C

ANALES

R

ADIOELÉCTRICOS DE

WCDMA

Los canales radioeléctricos en WCDMA son los encargados de gestionar el ancho de banda asignado a cada usuario de la red, por medio de éstos se proporcionan funciones de control para el teléfono móvil e información de aplicación. Hay tres tipos de canales en WCDMA: los canales lógicos, los canales de transporte y los canales físicos.

(45)

Figura 3. 3 Canales Radioeléctricos de WCDMA y la Relación Entre Ellos.

3.1.2.1 C

ANALES

L

ÓGICOS

Los canales lógicos son un conjunto de tareas que la red debe realizar en un determinado momento, es decir, cada canal lógico representa una tarea. Los canales lógicos son los siguientes:

 BCCH (Canal de Control de Difusión, Broadcast Control Channel): A través de este canal se le informa al teléfono móvil lo que está pasando en el entorno radioeléctrico, como por ejemplo: los valores de los códigos utilizados en su célula y las células adyacentes, los niveles de potencia permitidos, etc.

 PCCH (Canal de Control de Localización, Paging Control Channel): La localización es un sistema mediante el cual se puede ubicar la posición de un teléfono móvil, esto es necesario cuando se quiere establecer una llamada con un determinado teléfono móvil y no se conoce su posición, para la localización del teléfono móvil se utiliza este canal.

(46)

 DCCH (Canal de Control Dedicado, Dedicated Control Channel): por este canal se envía información de control, pero a diferencia del CCCH este canal sólo puede ser utilizado por un usuario.

 DTCH (Canal de Tráfico Dedicado, Dedicated Traffic Channel): por este canal se transmite el tráfico dedicado para los servicios de usuarios.

 CTCH (Canal de Tráfico Común, Common Traffic Channel): es un canal que trasmite tráfico en dirección descendente para un conjunto de usuarios de una misma célula.

Los canales de transporte son los siguientes:

 BCH (Canal de Difusión, Broadcast Channel): es un canal descendente que transporta el contenido del BCCH. Éste es transmitido con una potencia relativamente alta ya que todos los teléfonos móviles lo deben escuchar.

 PCH (Canal de Localización, Paging Channel): es un canal descendente que transporta el contenido del canal PCCH, es decir, la información de radio búsqueda o localización.

 FACH (Canal de Acceso Directo, Forward Access Channel): es un canal descendente que transporta información de control, es decir, transporta a los canales lógicos BCCH y CCCH. Una célula posee múltiples canales FACH, pero siempre hay uno configurado a baja velocidad binaria para que todos los terminales puedan recibirlo.

 DCH (Canal de Transporte Dedicado, Dedicated Transport Channel): es un canal bidireccional que transmite tráfico y control dedicado, es decir, transporta los canales lógicos DCCH y DTCH. Un DCH puede albergar varios DTCH, por ejemplo: cuando un usuario tiene activa una llamada de voz y una llamada de video simultáneamente, ya que cada llamada requiere un DTCH.

 DSCH (Canal Compartido Descendente, Downlink Shared Channel): es un canal descendente opcional que transporta información dedicada, es decir, a los canales lógicos DCCH y DTCH. Este canal lo pueden compartir varios usuarios, por lo tanto, es mejor que el DCH porque ahorra recursos de red en dirección descendente. Además, este canal puede aumentar de velocidad convirtiéndose en HS-DSCH.

(47)

 CPCH (Canal de Paquetes Común, Common Packet Channel): es un canal de transporte común en dirección ascendente destinado a la transmisión de paquetes, trabaja con el DTCH y el DCCH para dicho fin. Sí la capacidad para la transmisión de datos del canal RACH no es suficiente, se puede utilizar el CPCH.

3.1.2.2 C

ANALES

F

ÍSICOS

Los Canales físicos son los siguientes:

 P-CCPCH (Canal Físico de Control Común Primario, Primary Common Control Physical Channel): este canal transporta al BCH en dirección descendente, todos los terminales pueden demodular y escuchar este canal ya que utiliza un código de canalización fijo, su velocidad binaria es de 30Kbps y se transmite con una potencia relativamente alta para que pueda ser escuchado por todos los usuarios de la célula.

 S-CCPCH (Canal Físico de Control Común Secundario, Secundary Commom Control Physical Channel): incluye los canales de transporte PCH y FACH. La velocidad binaria de este canal es fija y relativamente baja, además es transmitido con una potencia alta, su configuración es variable y está relacionada con el rendimiento que se desee en el sistema.

 PRACH (Canal de Acceso Aleatorio por Paquetes, Packets Random Access Channel): éste utiliza el canal de transporte RACH y la información relacionada con el RAP Random Access Procedure (Procedimiento de Acceso Aleatorio). Mediante este canal el usuario envía una solicitud de acceso a la red.

 DPDCH (Canal de Datos Físico Dedicado, Dedicated Physical Data Channel): este canal transporta el tráfico dedicado de usuario en dirección descendente y ascendente, es decir, transporta la parte de tráfico de usuario del canal de transporte DCH. Es de longitud variable y en WCDMA modo FDD (Frequency Division Duplex, Duplex por División de Frecuencia) posee un factor de ensanchamiento máximo de 4, en el modo TDD (Time Division Multiplex, División de Tiempo Duplex) el factor de ensanchamiento máximo es de 1. Un terminal móvil puede utilizar varios canales DPDCH para aumentar la capacidad de su conexión, esto se produce con la ayuda de los multi-códigos con lo cual se asigna un código para cada canal DPDCH.

(48)

 PDSCH (Canal Fisco Compartido Descendente, Physical Downlink Shared Channel): éste contiene al canal de transporte DSCH, por lo tanto, es opcional así como el DSCH.

 HS-PDSCH (PDSCH de Alta Velocidad, High Speed PDSCH): es un canal descendente que transporta al HS-DSCH con un factor de ensanchamiento de 16, mediante este canal se alcanzan velocidades altas para el enlace descendente del usuario.

 PCPCH (Canal Físico de Paquetes de Comunicación, Physical Comunication Packets Channel): éste contiene al canal de transporte ascendente CPCH que es utilizado cuando la capacidad del canal RACH no es suficiente.

 CPICH (Canal Piloto Común, Common Pilot Channel): este canal se utiliza para las estimaciones que realiza el terminal de los canales dedicados y para proporcionar referencias de los canales cuando intervienen canales comunes. Normalmente un célula solo tiene un CPICH, pero puede tener hasta dos, en este caso reciben el nombre de CPICH primario y secundario. Los terminales escuchan continuamente el CPICH, por lo tanto, es utilizado para el handover y para equilibrar la carga de la célula. El ajuste del nivel de potencia del CPICH equilibra la carga de la célula, debido a que el terminal busca la célula con el nivel de potencia del CPICH más alto.

 SCH (Canal de Sincronización, Synchronization Channel): éste es la combinación de dos canales el P-SCH Primary SCH (SCH Primario) y el S- SCH Secondary SCH (SCH Secundario). El P-SCH utiliza un código de canalización fijo para que los terminales puedan acceder a él fácilmente, una vez que el terminal accede a este canal y lo demodula ha conseguido sincronizarse con las tramas del sistema y posteriormente conocerá los códigos de aleatorización que utilizará para la transmisión.

 PICH (Canal Indicador de Localización, Paging Indicador Channel): este canal transmite información de localización al terminal.

 AICH (Canal de Indicación de Adquisición, Acquisition Indicador Channel): es un canal descendente mediante el cual la red confirma al usuario que se ha recibido satisfactoriamente su solicitud para el acceso a la red.

 CA-ICH (Canal de Asignación CPCH, CPCH Assignment Indicador Channel): este canal indica la asignación de canales CPCH.