Análisis de propagación, desempeño e interferencia de señales WCDMA en entornos urbanos

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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

“ANÁLISISDEPROPAGACIÓN,DESEMPEÑOEINTERFERENCIA DESEÑALESWCDMAENENTORNOSURBANOS_”

TESIS

PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES

P R E S E N T A:

ING. SONIA JAZMÍN PONCE ROJAS

DIRECTORES

M.EN C. SERGIO VIDAL BELTRÁN DR. JORGE SOSA PEDROZA

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas

RESUMEN

Este trabajo muestra los resultados obtenidos a partir de la comparación de mediciones de potencia de CPICH en diferentes entornos de propagación urbanos de la Ciudad de México, contra las predicciones calculadas con los modelos de propagación de Okumura-Hata, COST Walfish Ikegami y el de Macro Células del 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Con la finalidad de conocer las características de cada uno de los escenarios de prueba para determinar la implementación de uno u otro modelo, garantizando así la confiabilidad de la predicción del comportamiento del nivel de potencia. Lo cual permite a los operadores un mejor diseño, planeación y optimización de la Red.

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ABSTRACT

This work shows the results obtained from the comparison of CPICH power measurement in different Mexico City urban propagation environments, against the prediction calculated with propagation models of Okumura-Hata, COST Walfish-Ikegami and Macro cells of 3GPP (3rd Generation Partnership Project) in order to know the characteristics of each of the test scenarios to accomplish a good choice among the models, ensuring the reliability of predicting the behavior of the power level. This information allows operators to make a better design, planning and optimization of the existing cellular network.

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Agradecimientos

Esta tesis representa la culminación de muchos años de esfuerzo compartido. Durante el proceso de su redacción muchas cosas en mi vida cambiaron dejándome una gran enseñanza. El día de hoy me siento muy satisfecha porque esta ha sido una desafiante pero muy aleccionadora y enriquecedora experiencia.

Primeramente agradezco a Dios por darme la bendición de despertar cada día con la oportunidad de alcanzar mis metas, brindándome todos los medios para que esta tesis se convierta en una realidad. Y por poner en mi camino a tantas personas que quiero y admiro.

También quiero agradecer a mis padres, Ofelia Rojas Marañón y Francisco Ponce Véliz, quienes siempre han estado a mi lado, disfrutando mis alegrías y acompañándome en las tristezas, recordándome que los obstáculos más altos se saltan tomando más impulso.

Agradezco también a mis hermanos Gaby y Fer por compartir conmigo tantas sonrisas y lagrimas. Quiero que sepan que su confianza en mi me impulsa a seguir adelante todos los días, y que junto con mis papás son las personas a quienes más amo.

Además le doy gracias a mi Familia; a mis abuelitas, tíos y primos que jamás dudaron que este día llegaría, y me apoyaron para que así sucediera.

Agradezco al Dr. Jorge Sosa por compartirme sus conocimientos y por su dedicación a este trabajo de tesis.

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que hemos vivido, los alegres, los difíciles, los de aprendizaje, los de diferencias, los de acuerdos y por los que nos faltan. Hoy con este trabajo te agradezco la confianza que me brindaste ese 29 de diciembre de 2009, cuando decidimos iniciar esta maestría.

A mis amigos gracias por todo su apoyo y cariño. Marianita: gracias por estar a mi lado y compartir hombro a hombro los desafíos que estos meses nos han presentado y la amistad que desde hace años nos une. Alan: cada uno de tus consejos y jalones de orejas me han ayudado sin duda a concluir este ciclo. Montse, Carmen y Víctor: les agradezco recorrer conmigo este camino de formación y crecimiento.

Agradezco a mis profesores y compañeros todo lo que me han ofrecido en estos dos años y medio de aprendizaje. Por todas las catedras impartidas, las horas de desvelo, las tareas cumplidas, los exámenes presentados, pero sobre todo por todo lo que hoy dejan en mi vida.

A las personas que han compartido el camino conmigo en este proyecto, de las cuales afortunadamente he aprendido mucho, les agradezco las experiencias adquiridas.

Y finalmente agradezco a mi alma mater, el “Instituto Politécnico Nacional” el cual con ejemplar nobleza sigue brindándole a este país profesionistas e investigadores capaces de instrumentar el cambio que nuestro México reclama.

Sinceramente

M. en C. Sonia Jazmín Ponce Rojas

“

Nuestras virtudes y nuestros defectos son inseparables, como la fuerza y la materia.

Cuando se separan, el hombre no existe”.

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas I

I. OBJETIVO GENERAL

Comparar mediciones de campo electromagnético con los modelos de propagación; Okumura-Hata, Cost Walfish-Ikegami y el modelo para Macro Células del 3GPP, así como los parámetros de interferencia de las señales WCDMA, para los escenarios que se proponen:

A. Unidad Profesional “Adolfo López Mateos”: Por la diversidad de obstáculos

encontrados en el área, además de las amplias superficies de áreas semi-abiertas.

B. Centro Histórico de la Ciudad de México: Por la dificultad presentada para la

propagación de la señal, debido a los materiales de construcción de los edificios y

calles.

C. Polanco: Por la combinación de usuarios presentes en el área, ya que, existen

una gran cantidad de oficinas, centros comerciales, parques, museos, bares,

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas II

II. OBJETIVOS

PARTICULARES

A. Analizar los parámetros de calidad de la señal transmitida en cada uno de los tres escenarios estudiados.

B. Establecer semejanzas y diferencias entre los tres escenarios con base en el tipo de servicio.

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas III

III. JUSTIFICACIÓN

La mayoría de modelos de propagación utilizados hoy en día para redes celulares de

tercera generación, son modelos empíricos basados en mediciones realizadas en distintas

partes del mundo y bajo características especificas, por lo cual los resultados de la

aplicación de dichos modelos, varía dependiendo del lugar donde se analicen. Es por ello

que este trabajo, presenta un análisis comparativo entre mediciones hechas en el entorno

de la Ciudad de México sobre redes celulares de tercera generación, con los tres modelos

de propagación propuestos, para concluir cual de estos modelos debe aplicarse en

nuestro entorno.

La metodología se desarrolla en tres zonas urbanas con diferentes características

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas IV

IV. CONTENIDO

GENERAL

CAPITULO I Redes Celulares de Tercera Generación. 1

CAPITULO II Técnica de Acceso al Medio. 28

CAPITULO III Modelos de propagación y Parámetros de Desempeño de las Redes 3G

62

CAPITULO IV Desarrollo de la Metodología para el Tratamiento de los Datos y Mediciones.

82

CAPITULO V Comparación de Resultados Medidos y Calculados. 107

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas i

CONTENIDO

1. RESUMEN ... 1

1.1 REDES CELULARES DE TERCERA GENERACIÓN ... 2

1.2 SISTEMA UNIVERSAL DE TELECOMUNICACIONES MÓVILES (UMTS) ... 4

1.2.1 Arquitectura UMTS ... 4

1.3 TIPOS DE SERVICIO ... 17

1.3.1 Servicios Persona a Persona por Paquetes Conmutados ... 17

1.4 CONCEPTOS DE CALIDAD Y SERVICIO (QoS) EN UMTS ... 22

2. RESUMEN ... 28

2.1 TÉCNICAS DE ESPECTRO ENSANCHADO ... 29

2.1.1 Sistemas de Secuencia Directa ... 32

2.1.2 Ventajas y Desventajas de las Técnicas de Espectro Ensanchado ... 32

2.2 TÉCNICA DE ACCESO AL MEDIO (WCDMA) ... 35

2.2.1 Características Generales de WCDMA ... 38

2.2.2 Código de Ensanchamiento (Spreading Code) ... 45

2.2.3 Canales de Radio WCDMA ... 47

2.3 BANDAS DE OPERACIÓN ... 56

3. RESUMEN ... 58

3.1 PROPAGACIÓN ... 59

3.1.1 Propagación en el Espacio Libre ... 61

3.2 MODELOS DE PROPAGACIÓN ... 63

3.2.1 Modelo de Okumura-Hata... 64

3.2.2 Modelo de Propagación Cost Walfish - Ikegami ... 68

3.2.3 Modelo de Propagación del 3GPP para Macro Células... 72

3.1 PARÁMETROS DE EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LAS REDES CELULARES 3G ... 73

3.1.1 RSCP (Received Signal Code Power; Potencia de Código de la Señal Recibida) ... 73

3.1.2 Potencia del CPICH (Common Pilot Channel; Canal Piloto Común) ... 74

3.1.3 Ec/I0 Relación Energía de Chip a Interferencia ... 74

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas ii

4. RESUMEN ... 77

4.1 OBTENCIÓN DE MEDICIONES ... 78

4.1.1 Descripción del Equipo de Medición ... 79

4.1.2 Protocolo de Medición ... 83

4.2 OBTENCIÓN DE DATOS A TRAVÉS DE MODELOS DE PROPAGACIÓN ... 85

4.3 GENERACIÓN DE MAPAS CONTINUOS DE COBERTURA ... 87

4.3.1 Método de Interpolación de Krige ... 87

4.3.2 Herramienta Computacional para Aplicación del Método de Krige ... 90

4.4 SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRAFICA (GIS) ... 93

4.4.1 Modelo Vectorial ... 94

4.4.2 Modelo Raster ... 94

4.4.3 Modelo Orientado A Objetos ... 94

4.4.4 Metodología para la Generación de un SIG ... 95

5. RESUMEN ... 98

5.1 PRIMER ESCENARIO DE PRUEBA ... 99

5.1.1 Características Estructurales del Primer Escenario de Prueba ... 99

5.1.2 Ubicación de Nodos B en el Primer Escenario de Prueba ... 100

5.1.3 Parámetros de Evaluación del Desempeño de la Red del Primer Escenario de Prueba ... 102

5.1.4 Resultados Generados a través de Modelos de Propagación para el Primer Escenario de Prueba ... 105

5.2 SEGUNDO ESCENARIO DE PRUEBA ... 109

5.2.1 Características Estructurales del Segundo Escenario de Prueba ... 109

5.2.2 Ubicación de Nodos B en el Segundo Escenario de Prueba ... 110

5.2.3 Parámetros de Evaluación del Desempeño de la Red del Segundo Escenario de Prueba ... 112

5.2.4 Resultados Generados a través de Modelos de Propagación para el Segundo Escenario de Prueba ... 118

5.3 TERCER ESCENARIO DE PRUEBA ... 121

5.3.1 Características Estructurales del Tercer Escenario de Prueba ... 121

5.3.2 Ubicación de Nodos B en el Tercer Escenario de Prueba ... 122

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas iii 5.3.4 Resultados Generados a través de Modelos de Propagación para el Tercer Escenario de Prueba ... 126

6. RESUMEN ... 130

6.1 METODOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN DE MAPAS GEOREFERENCIADOS . 131

6.1.1 Conclusiones Respecto a la Metodología de Construcción de Mapas ... 136

6.2 PARÁMETROS DE DESEMPEÑO DE LA RED ... 137

6.2.1 Nivel de Potencia del Canal de Piloto Común (CPICH; Common Pilot Channel)

... 137

6.2.2 Interferencia ... 138

6.2.3 Relación Ec/Io ... 139

6.3 COMPARACIÓN DE MEDICIONES CON LOS MODELOS DE PROPAGACIÓN

141

6.3.1 Resultados de la Aplicación del Modelo de Okumura-Hata ... 156

6.3.2 Resultados de la Aplicación del Modelo de COST Walfish-Ikegami ... 156

6.3.3 Resultados de la Aplicación del Modelo para Macro Células del 3GPP. .... 157

6.4 TRABAJOS FUTUROS ... 158

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. 1 Evolución de la tecnología inalámbrica móvil ... 3

Figura 1. 2 Arquitectura general de UMTS ... 6

Figura 1. 3 Arquitectura del Plano de Acceso ... 8

Figura 1. 4 Modulación del Enlace de Subida en la UTRAN ... 13

Figura 1. 5 Métodos de modulación y sus direcciones en la UTRAN ... 14

Figura 1. 6 Principio básico del receptor RAKE ... 15

Figura 2. 1 Estructura del canal WCDMA ... 39

Figura 2. 2 Dispersión de la señal y correlación en una estación base WCDMA ... 40

Figura 2. 3 Ensanchado y Desensanchado de la señal ... 45

Figura 2. 4 Principio del Receptor de correlación para WCDMA ... 46

Figura 2. 5 Árbol de códigos de canalización de 3GPP ... 46

Figura 2. 6 Canales lógicos, físicos y de transporte en la UTRAN WCDMA ... 47

Figura 2. 7 Canales Físicos WCDMA ... 53

Figura 3. 1 Grafica de A_mu vs frecuencia para el uso del modelo de Okumura ... 65

Figura 3. 2 Grafica de H_tu factor de corrección de la altura de la estación base para el modelo de Okumura ... 65

Figura 3. 3 Grafica de H_ru factor de corrección de la altura de la antena móvil para el modelo de Okumura ... 66

Figura 3. 4 Medición de la altura efectiva del transmisor ... 66

Figura 3. 5 Parámetros usados en el modelo de propagación COST Walfish – Ikegami ... 71

Figura 3. 6 Pruebas de valores ideales de parámetros de calidad ... 75

Figura 3. 7 Relación entre los valores de RSCP y Ec/Io ... 76

Figura 4. 1 BTS Master, [26] ... 79

Figura 4. 2 Vista Superior del BTS Master MT8222A ... 80

Figura 4. 3 Menú De Selección, Modo De Operación ... 81

Figura 4. 4 Medición CPICH ... 82

Figura 4. 5 Protocolo de Medición ... 84

Figura 4. 6 Base de datos de mediciones de CPICH ... 84

Figura 4. 7 Algoritmo general de obtención de datos teóricos ... 86

Figura 4. 8 Parámetros para ajuste de semivariograma ... 89

Figura 4. 9 Localización de mediciones puntuales ... 90

Figura 4. 10 Variograma experimental ... 90

Figura 4. 11 Variograma teórico a partir de LSQ... 91

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas v

Figura 4. 13 Validación del proceso de interpolación ... 92

Figura 4. 14 Distribución de potencia de CPICH en dBm ... 97

Figura 5. 1 Primer Escenario de Prueba: Unidad Profesional "Adolfo López Mateos" ... 100

Figura 5. 2 Ubicación de los Nodos B en el Primer Escenario de Prueba ... 101

Figura 5. 3 Distribución de potencia de CPICH de la Estación Base Lindavista [dBm] .... 102

Figura 5. 4 Distribución de potencia de CPICH para el SC 226 [dBm] ... 103

Figura 5. 5 Nivel de potencia de CPICH del SC 246 [dBm] ... 104

Figura 5. 6 Distribución de potencia de Ec/Io en el Primer Escenario [dB] ... 105

Figura 5. 7 Distribución de Potencia del CPICH en el Primer Escenario con base en el Modelo de Okumura-Hata ... 106

Figura 5. 8 Distribución de Potencia del CPICH en el Primer Escenario con base en el Modelo de COST Walfish-Ikegami ... 107

Figura 5. 9 Distribución de Potencia del CPICH en el Primer Escenario con base en el Modelo de Propagación para Macro Células del 3GPP ... 108

Figura 5. 10 Segundo Escenario de Prueba: Centro Histórico de la Ciudad de México .. 110

Figura 5. 11Ubicación de Nodos B en el Segundo Escenario de Prueba ... 111

Figura 5. 12 Nivel de potencia del CPICH para el SC 385 en el segundo escenario de prueba [dBm] ... 112

Figura 5. 13 Nivel de potencia del CPICH para el SC 2 en el segundo escenario de prueba [dBm] ... 113

Figura 5. 14 Nivel de potencia del CPICH para el SC 18 en el segundo escenario de prueba ... 114

Figura 5. 18 Panorama General de Ec/Io en el Segundo Escenario de Prueba ... 117

Figura 5. 19 Distribución de Potencia del CPICH en el Segundo Escenario con base en el Modelo de Okumura-Hata ... 118

Figura 5. 20 Distribución de Potencia del CPICH en el Segundo Escenario con base en el Modelo de COST Walfish-Ikegami ... 119

Figura 5. 21 Distribución de Potencia del CPICH en el Segundo Escenario con base en el Modelo de Propagación para Macro Células del 3GPP ... 120

Figura 5. 22 Tercer Escenario de Prueba: Polanco ... 122

Figura 5. 23 Ubicación de Nodos B en el Tercer Escenario de Prueba ... 123

Figura 5. 24 Nivel de potencia del CPICH para el SC 353 en el tercer escenario de prueba ... 124

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas vi

Figura 5. 26 Panorama General de Ec/Io en el Tercer Escenario de Prueba ... 125

Figura 5. 27 Distribución de Potencia del CPICH en el Segundo Escenario con base en el Modelo de Okumura-Hata ... 126

Figura 5. 28 Distribución de Potencia del CPICH en el Tercer Escenario con base en el Modelo de COST Walfish-Ikegami ... 127

Figura 5. 29 Distribución de Potencia del CPICH en el Tercer Escenario con base en el Modelo de Propagación para Macro Células del 3GPP ... 128

Figura 6. 1 Semi-Variograma del Piloto Dominante (SC 226) en el Primer Escenario ... 133

Figura 6. 2 Validación del Error de Aproximación del Piloto Dominante (SC 226) en el Primer Escenario ... 133

Figura 6. 3 Semi-Variograma del Piloto Dominante (SC385) en el Segundo Escenario .. 134

Figura 6. 4 Validación del Error de Aproximación del Piloto Dominante (SC 385) en el Segundo Escenario ... 134

Figura 6. 5 Semi-Variograma del Piloto Dominante (SC353) en el Tercer Escenario ... 135

Figura 6. 6 Validación del Error de Aproximación del Piloto Dominante (SC 353) en el Tercer Escenario ... 135

Figura 6. 7 Análisis de CPICH medido en función de la distancia en el primer escenario 145

Figura 6. 8 Antena del Nodo B que radia la señal del SC 226 en el primer escenario ... 146

Figura 6. 9 Análisis de CPICH medido en función de la Distancia en el segundo escenario

... 149

Figura 6. 10 Análisis de CPICH medido en función de la Distancia en el tercer escenario

... 153

Figura 6. 11 Antena que radia el SC 353 en el tercer escenario de prueba ... 153

Figura 6. 12 Parámetros usados en el modelo de propagación COST Walfish – Ikegami

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas vii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. 1 Atributos de QoS definidos para cada clase de tráfico en UMTS ... 23

Tabla 2. 1 Rendimiento del sistema para WCDMA ... 37

Tabla 2. 2Bandas de frecuencia WCDMA en 3GPP... 56

Tabla 3. 1 Restricciones del Modelo COST Walfish – Ikegami ... 71

Tabla 4. 1 Especificaciones Técnicas Del Equipo, [26] ... 80

Tabla 5. 1 Mediciones de piloto dominante en el primer escenario de prueba ... 100

Tabla 5. 2 Análisis de valores útiles de Ec/Io ... 104

Tabla 5. 3 Análisis de Atenuación vs Distancia en el Primer Escenario con el Modelo de Okumura-Hata ... 106

Tabla 5. 4 Análisis de Atenuación vs Distancia en el Primer Escenario con el Modelo de COST Walish-Ikegami ... 107

Tabla 5. 5 Análisis de Atenuación vs Distancia en el Primer Escenario con el Modelo de Propagación para Macro Células del 3GPP ... 108

Tabla 5. 6 Mediciones de piloto dominante en el segundo escenario de prueba ... 111

Tabla 5. 7 Análisis de valores de Ec/Io en Pilotos Dominantes para el Segundo Escenario ... 116

Tabla 5. 8 Análisis de Atenuación vs Distancia en el Segundo Escenario con el Modelo de Okumura-Hata ... 118

Tabla 5. 9 Análisis de Atenuación vs Distancia en el Segundo Escenario con el Modelo de COST Walish-Ikegami ... 119

Tabla 5. 10 Análisis de Atenuación vs Distancia en el Segundo Escenario con el Modelo de Propagación para Macro Células del 3GPP ... 120

Tabla 5. 11 Mediciones de piloto dominante en el tercer escenario de prueba ... 122

Tabla 5. 12 Análisis de valores útiles de Ec/Io en el tercer escenario ... 125

Tabla 5. 13 Análisis de Atenuación vs Distancia en el Tercer Escenario con el Modelo de Okumura-Hata ... 126

Tabla 5. 14 Análisis de Atenuación vs Distancia en el Segundo Escenario con el Modelo de COST Walish-Ikegami ... 127

Tabla 5. 15 Análisis de Atenuación vs Distancia en el Tercer Escenario con el Modelo de Propagación para Macro Células del 3GPP ... 128

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas viii

Tabla 6. 1 Mediciones Realizadas en Cada Uno de los Tres Escenarios de Prueba ... 132

Tabla 6. 2 Comparación de los Niveles de CPICH ... 137

Tabla 6. 3 Comparación de Interferencia ... 138

Tabla 6. 4 Comparación de Niveles de la Relación Ec/Io ... 140

Tabla 6. 5 Análisis de Error en Función de la Distancia en el Primer Escenario ... 145

Tabla 6. 6 Análisis de Error en Función de la Distancia en el Segundo Escenario ... 149

Tabla 6. 7 Análisis de Error en Función de la Distancia en el Tercer Escenario ... 152

Tabla 6. 8Comparación entre Valores Medidos y Calculados ... 154

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Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas ix

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 6. 1 Comportamiento del CPICH medido en el primer escenario ... 142

Gráfica 6. 2 Aproximación por mínimos cuadrados del comportamiento del CPICH medido en el primer escenario ... 143

Gráfica 6. 3 Comparación de valores de CPICH medidos y calculados en el primer

escenario ... 143

Gráfica 6. 4 Análisis de error absoluto en el primer escenario ... 144

Gráfica 6. 5 Error absoluto promedio en el primer escenario ... 146

Gráfica 6. 6 Aproximación por mínimos cuadrados del comportamiento del CPICH medido en el segundo escenario ... 147

Gráfica 6. 7 Comparación de valores de CPICH medidos y calculados en el segundo escenario ... 148

Gráfica 6. 8 Análisis de error absoluto en el segundo escenario ... 148

Gráfica 6. 9 Error absoluto promedio en el segundo escenario ... 150

Gráfica 6. 10 Aproximación por mínimos cuadrados del comportamiento del CPICH

medido en el tercer escenario ... 151

Gráfica 6. 11 Comparación de valores de CPICH medidos y calculados en el terecr

escenario ... 151

Gráfica 6. 12 Análisis de error absoluto en el tercer escenario ... 152

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Capítulo 1 Redes Celulares de

Tercera Generación (3G)

MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES

(22)

Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas 1

1. RESUMEN

En este primer Capitulo el lector encontrará información que lo introducirá a los conceptos básicos de comunicaciones inalámbricas, ya que se presentan las características principales, así como el estándar que las rige.

Además, le permitirá conocer con claridad qué es una red celular de tercera generación, cuáles son los elementos que la componen y la arquitectura en la que trabaja. Definiendo de esta manera sus principales ventajas y desventajas frente a su antecesora segunda generación.

(23)

1.1 REDES

CELULARES DE

TERCERA

GENERACIÓN

Los sistemas de tercera generación (3G) pueden proveer convergencia con los estándares existentes en 2G. Las razones principales para la estandarización de 3G son altas velocidades de datos en la interfaz del aire implementando tecnología de banda ancha, y la introducción de nuevos servicios basados en paquetes para los usuarios finales (por ejemplo, conexión a Internet). Ya que GPRS (General Packet Radio Service; Servicio General de Paquetes de Radio) y EDGE introducen servicios de conmutación de paquetes. 3G es creada para proveer mayores velocidades de datos y la posibilidad para la creación de varios servicios sobre la misma arquitectura de red. La red debe ser transparente y abierta para la creación de nuevos servicios y contenidos.

En 1997 un sistema 2.5G llamado GPRS fue introducido para complacer la demanda en el crecimiento de las aplicaciones de internet. Todo lo contrario a los sistemas 2G, este ofrecía altas velocidades de transmisión y características de calidad de servicio (QoS) para los usuarios móviles mediante la asignación de múltiples canales. GPRS instalo una red de conmutación de paquetes por encima de la red de conmutación de circuitos de GSM, sin alterar la interface de radio

(24)

conocidas como IMT-2000 (International Mobile Telecommunications -2000) o Telecomunicaciones Móviles Internacionales – 2000. Una de las más importantes propuestas de IMT-2000 fue UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) o Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles. [1].

GPRS fue considerado el primer paso para mejorar el núcleo de la red GSM en preparación para EDGE y 3G, mientras que WCDMA (Wide Code Division Multiple Access; Acceso Múltiple por División de Código) es una técnica de acceso al medio implementada en la tecnología 3G de acuerdo con el estándar 3GPP (Figura 1.1). Este es el sistema de acceso digital para la red UMTS y hoy en día es considerado uno de los principales estándares inalámbricos de tercera generación (3G) a nivel mundial. [2].

A finales del año 2007, WCDMA representaba a más del 70% de las redes comerciales 3G, con más de 190 redes en 83 países y más de 160 millones de suscripciones WCDMA.

75 millones de suscripciones fueron añadidas entre Septiembre del 2006-2007 y durante todo el año 2007 experimento un crecimiento de 6.6 millones de suscripciones al mes. Las ventas de teléfonos y equipos WCDMA superan las ventas de 2G en Europa.

WCDMA representa un desarrollo muy importante en la evolución de GSM y se han hecho los cimientos sobre las tecnologías más rápidas y espectralmente más eficientes. [3].

En la Figura 1.1 se muestra a grandes rasgos, la evolución de la tecnología inalámbrica móvil

Figura 1. 1 Evolución de la tecnología inalámbrica móvil

1G AMPS, TACS, NMT

Sistemas analógicos

2G Estandarización ETSI, GSM por TIA,

TDMA/136 e IS-95 por ARIB, PDC

3G GPRS, EDGE (2.5G; incrementar capacidad)

(25)

1.2 SISTEMA

UNIVERSAL DE

TELECOMUNICACIONES

MÓVILES (UMTS)

El Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS; Universal Mobile Telecommunications System) es el candidato para 3G de ETSI. Este cuerpo de estandarización tiene definidas las estrategias para el sistema móvil de tercera generación como las siguientes:

I. El núcleo de la red de UMTS puede ser compatible con IP (Internet Protocol; Protocolo de Internet).

II. Es compatible con IPv4 y con IPv6. III. Tasas de datos mayores a 2 Mbps.

IV. Itinerancia (Roaming) global, entre UMTS y GSM, y entre UMTS y otros sistemas de la familia IMT-2000.

V. Soporta movilidad de usuarios, terminales y servicios.

1.2.1 Arquitectura UMTS

(26)

Los cuales pueden incluir algunos grupos de software funcional y dispositivos de hardware.

El dominio de infraestructura a su vez está dividido en dos dominios; el dominio de la Red de Acceso (NA; Network Access) y el dominio de Núcleo de Red (CN; Core Network). El dominio de la Red de Acceso consiste en los entes físicos (Nodos), con los recursos de administración de radio. El dominio del Núcleo de Red consta de los entes físicos, los cuales proveen soporte para las características y servicios de telecomunicaciones.

UMTS surge de la necesidad planteada por la ITU por contar con una red de tercera generación (3G) que fuera capaz de ofrecer nuevos tipos de servicios de datos, altas tasas de transferencia, soporte eficiente del trafico asimétrico, transmisión de conmutación de paquetes a través de la interface de radio y una alta eficiencia en la utilización del espectro.

UMTS aventaja a los sistemas móviles de segunda generación (2G) por su potencial para soportar velocidades de transmisión de datos de hasta 2 Mbit/s desde el principio.

UMTS ha sido concebido como un sistema global, que incluye tanto componentes terrestres como satelitales globales. Terminales multimodales capaces de funcionar también en sistemas de Segunda Generación (2G), tales como las bandas de frecuencias GSM 900, 1800 y 1900 extenderán aún más el alcance de muchos servicios UMTS. Con estas terminales, un abonado tiene la posibilidad de usar el roaming desde una red privada hacia una red pública picocelular/microcelular, luego a una red macrocelular de un área amplia (por ejemplo, una red de 2G), y luego a una red satelital, con una interrupción ínfima de la comunicación. La tecnología satelital puede fácilmente proveer cobertura y servicio globales, representa un importante papel en la cobertura de UMTS a nivel mundial.

UMTS atravesó un riguroso proceso de normalización con el fin de asegurar una capacidad de roaming y una transferencia efectivos y eficientes entre redes satelitales y terrestres. [4].

(27)

Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas 6 Figura 1. 2 Arquitectura general de UMTS

En la figura anterior, pueden destacarse tres elementos principales (Korhonen, 2003):

I. El UE (User Equipment; Equipo de Usuario), también conocido como MS

(Mobile Station; Estación Móvil)

II. La Red de Acceso de Radio Terrestre de UMTS (UTRAN.- UMTS Terrestrial Radio Access Network)

III. La Red Principal (CN)

Tanto la interfaz Uu, ubicada entre el UE y la UTRAN, como la interfaz Iu, ubicada entre la UTRAN y la CN, permiten la comunicación entre los tres componentes principales de la red UMTS. Desde el punto de vista de la arquitectura de portador, la tarea principal de la UTRAN es la de proveer un servicio de portador sobre estas interfaces; con respecto a esto, la UTRAN controla la interface Uu, y la prestación de servicios de portador en la interface Iu en cooperación con la CN. [5].

1.2.1.1 Núcleo de Red (CN)

(28)

Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas 7 Maintenance Centre, Centro de Operaciones y Mantenimiento), que gestiona la CN, así como la RAN, se incrustan en la CN. [6]

Las Redes UMTS soportan ambos tipos de conmutación (Por circuitos y por paquetes), en cada caso con nodos especiales en la CN. Los nodos necesarios para la transmisión a través de circuitos conmutados se muestran en la parte superior derecha de la Figura 1.3. Esta parte de la red está altamente basada en las redes GSM existentes. Los nodos usados para la transmisión mediante conmutación de paquetes aparecen debajo. Estos nodos corresponden a los nodos GPRS en la arquitectura GSM. Ambas partes de la CN utilizan la misma Red de acceso por Radio.

La UTRAN contiene dos tipos de nodos: El RNC (Radio Network Controller; Controlador de Radio de la Red), el cual controla la administración de los recursos en una o más estaciones base (Nodo B). El nodo B en turno suministra una o más células de Radio. [7].

1.2.1.1.1 MSC (Mobile Switching Centre; Centro de Conmutación Móvil)

El MSC es un nodo de conmutación que soporta conexiones mediante circuitos conmutados. Adicionalmente a sus tareas de conmutación, un MSC tiene también que soportar la movilidad del usuario. Si un usuario se cambia de área mientras mantiene una conexión, el MSC envía la conexión sobre los RNCs y Nodos B adecuados al área de ubicación del usuario (Handover). Adicionalmente, el MSC almacena el área de ubicación actual del usuario de modo que una conexión pueda ser establecida en la célula apropiada en el caso de una llamada entrante. El MSC también participa en los mecanismos para la autenticación del usuario así como la encriptación de la información del usuario.

(29)

Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas 8 Figura 1. 3 Arquitectura del Plano de Acceso

1.2.1.1.2 (Home Location Register; Registro de Ubicación Base)

Cuando una relación contractual es establecida, la información del usuario y las autorizaciones asociadas y sus llaves son almacenadas en una base de datos llamada

HLR. Una referencia es almacenada en el HLR indicando en cual parte de la Red de Radio de la Red un usuario esta actualmente operando de modo que una llamada entrante pueda ser enviada.[7].

1.2.1.1.3 VLR (Visitor Location Register; Registro de Ubicación de Visitante)

(30)

1.2.1.1.4 SGSN (Serving GPRS Support Node; Nodo de apoyo GPRS para servicio)

El SGSN lleva a cabo tareas para la transmisión por conmutación de paquetes similar a las de los nodos MSC y VLR en la parte de conmutación de circuitos. La posición actual de un usuario es almacenada en el SGSN de modo que un paquete de información entrante puede ser ruteado al usuario. Adicionalmente a las funciones de enrutamiento, el SGSN también se ocupa de la autenticación y almacena una copia local de la información del usuario. [7].

1.2.1.1.5 GGSN (Gateway GPRS Support Node; Nodo de apoyo GPRS para Gateway)

Los Gateways a otras redes de paquetes de datos, como el internet, son conectados por el GGSN. En consecuencia, el GGSN usualmente incorpora un Firewall. Paquetes de datos entrantes son encapsulados en un contenedor especial por el GGSN y enviados al SGSN. [7].

1.2.1.1.6 GR (GPRS Register; Registro GPRS)

La información requerida para la operación de la transmisión por paquetes conmutados es almacenada en el GR, una base de datos que es parte del HLR. Este incluye, por ejemplo, la autorización para que un usuario accese a Internet. [8].

1.2.1.2 Red de Acceso de Radio Terrestre de UMTS (UTRAN)

La Red de Acceso de Radio Terrestre de UMTS (UTRAN) es el sistema de acceso radioeléctrico de UMTS (UMTS Forum, 2000-2008). La principal tarea de la UTRAN es la de crear y mantener Portadores de Acceso por Radio (RABs) para comunicación entre el Equipo de Usuario (UE), el cual también se conoce como Estación Móvil (MS) y la red principal (CN). Con el uso de un Portador de Acceso de Radio (RAB) los elementos de la CN se dan una idea aproximada acerca de una trayectoria de comunicación fija hacia la MS, liberándolos así de la necesidad de tener cuidado de los aspectos de comunicación por radio. [7].

(31)

cuales también son llamadas Nodo B, y nodos de control llamados RNC (Controlador de de Radio de la Red, Radio Network Controller), los cuales conectan la UTRAN a la CN. [8].

1.2.1.2.1 Controlador de Radio de la Red (RNC)

El RNC es el nodo central en una red de acceso por radio. Esta toma el lugar del BSC

(Base Station Controller; Controlador de la Estación Base) en GSM y asume la gestión de los recursos en todas las células adyacentes (asignación de canal, Handover, control de potencia).

Un RNC lleva a cabo de forma autónoma todas las tareas relacionadas a la transmisión de datos sobre la interfaz de radio. El RNC esencialmente es responsable de lo siguiente:

I. Control de admisión de llamada: A diferencia de la situación en GSM, la técnica de acceso al medio WCDMA provee un gran número de canales posibles en la interfaz de radio, aunque no todos ellos pueden ser utilizados al mismo tiempo. La razón es el problema de interferencia que se incrementa conforme mas canales son usados.

II. Consecuentemente, la RNC debe calcular la carga de tráfico actual para cada célula individual. Con base en lo anterior, esta función entonces decide si el nivel de interferencia tiene un valor aceptable después de que el canal solicitado es ocupado y, de ser necesario, rechaza la llamada. III. Gestión de los recursos de Radio: El RNC gestiona los recursos de radio

en todas las células adjuntas.

IV. Asignación de Código: Los códigos WCDMA en UMTS son manejados en lo que es llamado un árbol de códigos. El RNC asigna parte de este árbol de códigos a cada MS y puede también cambiar la asignación durante el proceso de una conexión.

(32)

VI. Programación de Paquetes: Con la transmisión de datos mediante paquetes conmutados varias MS comparten los mismos recursos en la interfaz de radio. El RNC tiene la tarea de asignar cíclicamente la capacidad de transmisión a las estaciones individuales, tomando en cuenta al mismo tiempo la QoS negociada.

VII. Handover: Basado en los valores medidos suministrados por el Nodo B y la MS, el RNC detecta si una célula diferente es más adecuada para una conexión actual. Si el RNC decide sobre un Handover, este toma la responsabilidad de la señalización con la nueva célula e informa a la estación móvil sobre el nuevo canal.

VIII. Reubicación de RNC de servicio: Es posible que una estación móvil se mueva fuera del área administrada por el RNC. En este caso, otro RNC tiene que asumir el control para la conexión.

IX. Cifrado: La información que arriba desde la red fija para la transmisión sobre la interfaz de radio es cifrada en el RNC.

X. Conversión de Protocolo: El RNC debe manipular la comunicación entre la CN, los RNCs vecinos y Nodos B conectados a esta.

1.2.1.2.2 Nodo B: Modulación y Recepción

Es el nombre que una Estación Base recibe en UMTS. Este nodo corresponde a la BTS

(Base Transceiver Station; Transceptor de la Estación Base) en GSM. Las tareas directamente conectadas a la interfaz de radio son manejadas en el Nodo B. La entrada proviene del RNC. Un nodo B puede manejar una o varias células y está conectada con la RNC sobre la interfaz Iub.

El Nodo B tiene como tarea fundamental realizar la transmisión y recepción de la señal de radio, filtrado de la señal, amplificación, modulación y demodulación de la señal y ser una interfaz hacia el RNC. Suministra una o varias células. Una célula es la entidad más pequeña de una red de radio, teniendo esta su propio número de identificación que es públicamente visible para las MS. El término sector representa la aparición física de la célula (es decir, la cobertura de radio).

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entrantes para su transporte sobre la interfaz de radio y los encamina hacia el amplificador de potencia.

Existen tres tipos de Nodo B correspondientes a los dos modos UTRA: Nodo B UTRA-FDD, Nodo B UTRA-TDD y Nodo B en modo Dual, el cual puede usar ambos modos de UTRAN simultáneamente. Actualmente, el Nodo B está vinculado sobre un enlace ATM hacia el RNC.

El RNC tiene que tener una imagen lo más exacta posible de la situación actual en la célula de manera que pueda hacer decisiones sensatas en transferencias de llamadas, control de potencia y control en la admisión de las llamadas. En consecuencia, las MSs y el Nodo B periódicamente llevan a cabo mediciones de la calidad de la conexión y los niveles de interferencia y transmite los resultados al RNC.

En el caso especial de Softer Handover, la división y combinación de los torrentes de información de varios sectores son también ya manipuladas en el Nodo B.

Cada célula posee un SC (Scrambling Code, Código de Mezclado), y la MS reconoce una célula mediante dos valores: SC (al iniciar sesión en una célula) y el Numero de Identificación de la célula (para la topología de la red de radio).

Método de Modulación.- WCDMA utiliza QPSK (Quadrature Phase Shift Keying, Desplazamiento de fase en cuadratura), su variante – QPSK dual – así como 16QAM

(Quadrature Amplitude Modulation, Modulación de Amplitud en Cuadratura) como sus métodos de modulación. Algunos canales, como los canales físicos del enlace de bajada P-CCPCH, S-CCPCH, CPICH utilizan modulación QPSK, el canal físico de enlace de bajada HS-PDSCH pueden usar también QPSK o 16QAM dependiendo de la tasa de bit requerida y las condiciones del canal de radio.

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Para eliminar el problema de que la amplitud cambie muy rápidamente, otra variante de QPSK es usada: la también llamada QPSK-dual. Como resultado, en lugar de multiplexaje por tiempo, el Canal Común Físico Dedicado (DPCCH) y los Canales de Datos Físicos Dedicados (DPDCHs) son I/Q multiplexados en código con el mezclado complejo se muestra en la Figura 1.4. Esto lleva a un tiempo de retraso de cerca de 0.5 bits (chips) en la rama Q del modulador.

Figura 1. 4 Modulación del Enlace de Subida en la UTRAN

Esto previene cambios de fase de 180° y los limita a pasos de 90°. Sobre esta base, la transición de la combinación de 11 a 00 es ahora 11 – 10 - 00 y toma lugar en el mismo período de tiempo como en QPSK.

El espectro usado por QPSK y QPSK-dual es el mismo, pero QPSK-dual es una señal más suave. Esto permite a los amplificadores también operar en áreas operativas no lineales sin problemas significativos.

(35)

Adicionalmente a QPSK y QPSK dual, WCDMA utiliza modulación QAM también. Este método de la modulación fue seleccionado en el Release 5 para el uso en asociación con incrementos de datos de HSDPA en WCDMA. La razón de esta transición era directa: el objetivo principal de HSDPA era alcanzar índices de bit mucho más altos que ésos perseguidos en 3GPP R4. La tasa de bit objetivo no era eficientemente realizable empleando QPSK. A diferencia de QPSK, que utiliza la información de fase en el proceso de la modulación, QAM puede beneficiarse de fase y de la información de la amplitud al formar la constelación de la señal. Así, mejora la transmisión de datos por varias veces, dependiendo del nivel de modulación empleado. En QAM dos ramas de portadores, con una diferencia de fase de 90°, son utilizadas para transmitir datos sobre un canal físico dado. Gracias a la diferencia de fase de 90° y la portadora ortogonal, cada una de estas ramas se puede modular independientemente y transmitir sobre el mismo canal y separar en última instancia separadas por la demodulación en la terminal. (Por, ejemplo en una aplicación de HSDPA).

WCDMA actualmente utiliza ambas variantes QPSK, QPSK convencional en la dirección del enlace de bajada y QPSK dual en dirección del enlace de subida, así como también QAM en dirección del enlace de bajada para aplicaciones con altas tasas de bits.

Figura 1. 5 Métodos de modulación y sus direcciones en la UTRAN

(36)

Ing. Sonia Jazmín Ponce Rojas 15 puedan ―reunir‖ muchas de las señales de bajo nivel indicativas de la misma transmisión, así ayudando a combinarlas juntas. Esto requiere un tipo de receptor especial. Un ejemplo de esta clase de arreglo se llama RAKE (Este es el nombre real para este tipo de receptor).

El propósito del receptor RAKE es mejorar el nivel de la señal recibida explotando las características de la propagación multitrayectoria de la onda de radio, pues las señales que se propagan a través de diversas trayectorias tienen diversas atenuaciones. Como se muestra en la Figura 1.6, un receptor RAKE básico consiste en un número de dedos (fingers), un combinador, un filtro sintonizado y un ecualizador de retardo. Prácticamente cada dedo puede recibir parte de la señal transmitida, que puede ser de la BS en servicio o de BS vecinas. Diversas ramas de la señal recibida se combinan de una manera tal que las desviaciones de fase y de amplitud de las ramas se compensen, dando por resultado una señal con una fuerza de señal notablemente más alta que la de cualquier rama individual de la señal. Para distinguir una de la otra, las ramas de señal múltitrayectoria, debe haber un retraso (dentro de un rango dado) entre las ramas consecutivas.

Figura 1. 6 Principio básico del receptor RAKE

(37)

permite capturar y combinar diversas ramas de la señal deseada y mejorar la calidad de la última señal o secuencia de datos para el posterior procesamiento.

1.2.1.3 Equipo de Usuario (UE) o Estación Móvil (MS)

El Equipo de Usuario (UE) o Estación Móvil (MS) es el elemento de red más visible del sistema UMTS en lo que al usuario final respecta. Desde el punto de vista de la red, la MS es responsable de aquellas funciones de comunicación que son necesarias en el otro extremo de la interfaz de radio, excepto cualquier solicitud del usuario final. La funcionalidad obligatoria de una MS UMTS se relaciona principalmente con la interacción entre la terminal y la red. [5].

Cada MS cuenta con un USIM (UMTS Suscriber Identity Module; Modulo de Identidad del Abonado a la red UMTS). Esta tarjeta contiene información específica del usuario y la llave de autenticación que le permite al usuario accesar a la red. A partir de que la tarjeta USIM pertenece al operador de la red, existe una relación contractual entre el usuario de la tarjeta y el operador de la red. La tarjeta USIM es insertada en una ranura en la MS.

Así como lo hace el Nodo B, el UE es responsable por el procesamiento de la señal de radio.

Como una contraparte a la RNC, la estación móvil participa en la señalización para el establecimiento de la conexión y su liberación, así como en la ejecución de handovers. Para este propósito, el equipo móvil mide la fuerza del campo recibido de las células vecinas y transmite los valores medidos al RNC. El cifrado y descifrado de comunicación también toma lugar con el RNC en el UE.

(38)

1.3 TIPOS DE

SERVICIO

1.3.1 Servicios Persona a Persona por Paquetes Conmutados

1.3.1.1 Mensajería

Excluyendo el servicio de voz móvil el servicio de mensajes cortos (SMS) es con toda probabilidad el servicio móvil de mayor éxito. Los mensajes de imágenes se desarrollaron en la parte superior de SMS para transmitir simples imágenes de mapa de bits de escala de grises junto con el texto. El servicio de mensajes multimedia (MMS) fue un paso natural de la evolución hacia una rica mensajería persona a persona. Generalmente se trata de una imagen fija tomada con una cámara digital incorporada y un texto descriptivo corto. Un MMS se envía a un servidor donde se almacena hasta que sean obtenidos por el dispositivo del destinatario.

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1.3.1.1.1 Mensajes de Audio

La mensajería de audio es un tipo especial de MMS que consiste únicamente en el componente de audio en una presentación SMIL. A diferencia de correo de voz, los mensajes de audio pueden ser almacenados en el teléfono para escucharse más adelante. También pueden enviarse a otros usuarios con teléfonos habilitados para MMS. La mensajería de audio es fácil de implementar en cualquier red de MMS, porque no requiere ningún hardware o software adicional. Un mensaje de audio de un minuto ocupa sólo 35 kB.

1.3.1.1.2 Mensajes Instantáneos

La mensajería instantánea es un servicio de Internet muy popular que ahora está también disponible para usuarios móviles. Los principales proveedores de servicios de internet como Yahoo, MSN, AOL, ICQ, Jabber y Google ofrecen servicios a los cuales los usuarios pueden acceder con teléfonos inteligentes. También hay soluciones de mensajería móvil que combinan el acceso a todos los servicios antes mencionados en una sola aplicación. Las principales características del servicio de mensajería instantánea son el chat en tiempo real, envío/recepción de imágenes y otros elementos de los medios de comunicación y envío/recepción de documentos.

1.3.1.1.3 Correo Electrónico Móvil

(40)

frente a los contenidos de grandes cantidades de información. En un servicio como correo electrónico móvil no es tan importante el retraso.

1.3.1.2 Servicios de Contenido a Personas

1.3.1.2.1 Búsqueda

Desde la perspectiva del usuario, es crucial que la navegación sea fácilmente accesible y rápida. Los requisitos de rendimiento para la navegación son que el tiempo de descarga de la primera página sea inferior a 10s y la descarga de la segunda página sea más bajo, de 4 a 7s. Otro requisito es que el usuario también debe poder utilizar la navegación sin problemas cuando viaja en coche, tren o autobús. Esto requiere un manejo eficiente de la re selección de células a fin de evitar interrupciones en la conexión. Debido a que WCDMA también utiliza traspaso suave de los datos PS, no hay pausas en una nueva selección de la célula.

La descarga progresiva es una técnica relativamente nueva utilizada para reproducir contenido multimedia, mientras que los medios de comunicación siguen siendo descargados al jugador. Antes de la aplicación de la descarga progresiva, el archivo completo de los medios de comunicación debía ser cargado en la memoria antes de que se jugara. El beneficio de la descarga progresiva es evidente cuando se juega con grandes archivos de medios.

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1.3.1.2.2 Transmisión de Datos en Flujo Constante de Video y Audio

El Multimedia streaming (o transmisión de datos multimedia en flujo constante) es una técnica para transferir datos de manera que pueda tratarse de un flujo regular y continuo. Al igual que con la descarga progresiva, un plug-in de navegador o un reproductor de streaming especial empieza a mostrar los datos después de unos segundos de memoria intermedia. Dado que el contenido no puede ser almacenado y, por tanto, no transmitido y reutilizado, es más fácil ponerse de acuerdo sobre la entrega de contenido multimedia como de los medios de comunicación para descargar.

Además, la memoria de la estación móvil puede limitar el tamaño de las descargas. El usuario que recibe los datos debe ser capaz de recoger los datos y enviarlo como un flujo constante a la aplicación que está procesando los datos y su conversión de sonido o imágenes. Esto también significa que toleran más fluctuaciones en la transmisión, que puede ser fácilmente suavizado por el búfer.

1.3.1.2.3 Descarga de Contenidos

Se permiten las descargas de aplicaciones tales como tonos de llamada, video clips y música en MP3. El tamaño de contenido puede variar en gran medida de unos pocos tonos de llamada kilobytes a archivos de música de varios megabytes. Los tiempos de descarga deben preferentemente ser bajos, lo que pone alto nivel de exigencia en la tasa de bits de radio, especialmente para la descargas de gran tamaño con varios cientos de kilobytes.

1.3.1.3 Servicios de Localización

(42)

(43)

1.4 CONCEPTOS DE

CALIDAD Y

SERVICIO (QoS) EN

UMTS

UMTS está planeado para incluir una variedad de servicios, cada uno con características de calidad y servicio. Las cuatro características de QoS para UMTS son las siguientes:

I. Clase conversacional

II. Clase continua (sin interrupción) III. Clase interactiva

IV. Clase Secundaria

Cuando se definen las clases de QoS en UMTS, estas se refieren a una clase de tráfico, una debe tomar en cuenta las características de la interfaz del aire (por ejemplo, limitaciones de ancho de banda y características de error).

La diferencia principal entre las clases de QoS son los requerimientos de los servicios en tiempo real, y el parámetro que lo define es el retardo. La clase conversacional es definida para tráfico muy sensible a retardos, mientras que la clase menos sensible a estos es la clase secundaria, especialmente definida para aplicaciones que no son en tiempo real. [10].

(44)

dichos retrasos pueden ser neutralizados en el receptor final. Para servicios en tiempo real, la retransmisión de paquetes perdidos o corruptos no es deseable debido a la sensibilidad a los retrasos. Este no es el caso con el control de paquetes para este tipo de aplicación, el cual normalmente utiliza algunos mecanismos de control de transporte (por ejemplo TCP). La clase interactiva es definida para aplicaciones donde el usuario final requiere datos del extremo lejano. Ejemplos de tales servicios son la navegación en la Web, recuperación de bases de datos y acceso al servidor. El retardo de ida vuelta es uno de los atributos clave para la clase interactiva. Las aplicaciones interactivas requieren de un bajo retraso, pero es menos sensible a estos que la clase conversacional. Por otro lado esta clase tiene requerimientos de bajas tasas de bit erróneo, y por lo tanto, se deben aplicar algunos mecanismos de control de transporte (como retransmisión de paquetes perdidos). Finalmente, la clase secundaria es creada para enviar y recibir datos provenientes de una computadora (sin interacción humana directamente ó necesidad de presencia en cada extremo de la comunicación). Ejemplos de esta clase son el correo electrónico, los mensajes de texto cortos, la descarga de bases de datos y la recepción de registros de medición. La Tabla 1.1 muestra los atributos de QoS para cada clase de tráfico.

Tabla 1. 1 Atributos de QoS definidos para cada clase de tráfico en UMTS

Clase de tráfico Conversacional Continua Interactiva Secundaria

Tasa máxima de bit x x x x

Tasa de bit garantizada x x

Orden de entrega x x x x

Tamaño máximo de SDU x x x x

Relación de bit erróneo

residual x x x x

Relación de error SDU x x x x

Retardo en transferencia x x

Prioridad de entrega de

tráfico x

(45)

(46)

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Capitulo 2 Técnica de Acceso al

Medio

MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE

TELECOMUNICACIONES

(47)

2. RESUMEN

En este Capitulo se describe el Acceso Múltiple por División de Código (WCDMA, Wide Code Division Multiple Access), técnica implementada por las redes celulares de tercera generación (3G) para accesar al medio de transmisión.

La información contenida en este Capitulo, describe las características de las técnicas de espectro ensanchado, como lo es WCDMA, así como las ventajas y desventajas que implica su uso.

(48)

2.1 TÉCNICAS DE

ESPECTRO

ENSANCHADO

El espectro ensanchado (también llamado espectro esparcido, espectro disperso, spread spectrum) es una técnica de modulación empleada para la transmisión de datos.

El fundamento básico es el "ensanchamiento" de la señal a transmitir a lo largo de una banda muy ancha de frecuencias, mucho más amplia, de hecho, que el ancho de banda mínimo requerido para transmitir la información que se quiere enviar. No se puede decir que las comunicaciones mediante espectro ensanchado son medios eficientes de utilización del ancho de banda. Sin embargo, rinden al máximo cuando se los combina con sistemas existentes que hacen uso de la frecuencia.

La señal de espectro ensanchado, una vez ensanchada puede coexistir con señales en banda estrecha, ya que sólo les aportan un pequeño incremento en el ruido. En lo que se refiere al receptor de espectro ensanchado, él no ve las señales de banda estrecha, ya que está escuchando un ancho de banda mucho más amplio gracias a una secuencia de código prestablecido. [13].

La traducción del inglés spread spectrum se hace con distintos adjetivos según las fuentes; pueden emplearse indistintamente espectro ensanchado, expandido, difuso o disperso para referirse en todos los casos al mismo concepto.

Todos los sistemas de espectro ensanchado satisfacen dos criterios:

I. El ancho de banda de la señal que se va a transmitir es mucho mayor que el ancho de banda de la señal original.

(49)

Los diseñadores de sistemas de comunicación se interesan a menudo en la eficiencia con la que los sistemas utilizan la energía y el ancho de banda de la señal. En muchos sistemas de comunicación estos son los asuntos más importantes. Sin embargo, en algunos casos existen situaciones en las que es necesario que el sistema resista a las interferencias externas, opere con baja densidad espectral de energía, proporcione capacidad de acceso múltiple sin control externo y un canal seguro e inaccesible para oyentes no autorizados. Por todo esto, a veces es necesario y conveniente sacrificar algo de la eficiencia del sistema. Las técnicas de modulación de espectro ensanchado permiten cumplir tales objetivos.

Los aspectos teóricos de la utilización del espectro ensanchado en un medio con fuertes interferencias se conocían desde hace ya cuarenta años. Lo que sí ha sido muy reciente es su implementación práctica. Inicialmente, las técnicas de espectro ensanchado se desarrollaron para propósitos militares y sus implementaciones eran extremadamente caras. Sólo los nuevos avances tecnológicos tales como el VLSI (Very Large-Scale Integration), es decir, el proceso de colocar miles, o cientos de miles de componentes electrónicos en un solo chip, y las técnicas de procesado de señal avanzadas hicieron posible desarrollar un equipamiento de espectro ensanchado menos caro para uso civil. Las aplicaciones de esta tecnología incluyen teléfonos móviles, transmisión de datos sin cable y comunicaciones por satélite. [4].

Spread Spectrum (“espectro disperso”) es una técnica de comunicación que por los altos costos que acarrea, se aplicó casi exclusivamente para objetivos militares, hasta comienzos de los años noventa. Sin embargo, comienza a surgir lentamente un mercado comercial.

Para poder captar un programa radial hay que sintonizar con un emisor que está en una determinada frecuencia. Emisores diferentes están en diferentes frecuencias. Cada emisor ocupa una pequeña parte de la banda emisora dentro de la cual se concentra la potencia de emisión irradiada.

El receptor se puede sintonizar siempre en una frecuencia. Esa frecuencia es retransmitida por el emisor con un ancho de banda lo más pequeña posible, pero lo suficientemente grande como para transmitir la información deseada. Este tipo de receptores se llama receptores de banda angosta (estrecha).

(50)

mayor de lo que se necesita estrictamente para la transmisión de la información. Este mayor ancho de banda puede obtenerse de dos maneras. La primera es codificar la información con una señal pseudo-aleatoria. La información codificada se transmite en la frecuencia en que funciona el emisor para lo cual se utiliza un ancho de banda mucho mayor que el que se usa sin codificación (secuencia directa). La segunda posibilidad es codificar la frecuencia de trabajo con una señal pseudo-aleatoria, por lo que la frecuencia de trabajo cambia permanentemente. En cada frecuencia se envía una parte de la información (Frequency Hopping; Salto de Frecuencia).

Esta difusión a través del Espectro Disperso puede ser tan grande que un receptor sólo capta un zumbido. Un receptor 'oye', pues, sólo una pequeña parte de la banda de frecuencia. Para poder captar la señal dispersa se necesita receptores con amplitud de banda especial que transformen el zumbido recibido en información. Este receptor de banda ancha tiene que disponer del decodificador apropiado para transformar la señal del emisor en información.

De lo anterior se puede deducir en forma sencilla porqué los militares están tan interesados en esta técnica. A eso se agrega que es difícil interferir un emisor de este tipo. Si se interfiere toda la banda de frecuencia, se vuelve imposible cualquier radiocomunicación.

En el Espectro Disperso las ondas de radio están sumergidas en el zumbido (ruido de fondo), por lo cual el emisor no es fácil de descubrir con la ayuda de los aparatos de detección corrientes.

La expectativa general es que comercialmente se haga cada vez más uso del Espectro Disperso para la transmisión de datos. A causa de que la potencia de emisión se difunde sobre una banda ancha, puede ser usada por encima de bandas de frecuencia existentes, sin interferir la recepción de banda angosta. Por eso es posible admitir más usuarios en una banda de frecuencia.

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2.1.1 Sistemas de Secuencia Directa

La secuencia directa es quizás uno de los sistemas de espectro ensanchado más ampliamente conocido, utilizado y relativamente sencillo de implementar. Una portadora en banda estrecha se modula mediante una secuencia pseudo-aleatoria (es decir, una señal periódica que parece ruido pero que no lo es). Para la secuencia directa, el incremento de ensanchado depende de la tasa de bits de la secuencia pseudo-aleatoria por bit de información. En el receptor, la información se recupera al multiplicar la señal con una réplica generada localmente de la secuencia de código. [21].

2.1.2 Ventajas y Desventajas de las Técnicas de Espectro

Ensanchado

El espectro ensanchado tiene muchas propiedades únicas y diferentes que no se pueden encontrar en ninguna otra técnica de modulación. Para verlo mejor, a continuación se enlistan algunas ventajas y desventajas que existen en los sistemas típicos de espectro ensanchado:

Ventajas:

I. Resiste todo tipo de interferencias, tanto las no intencionadas como las malintencionadas (más conocidas con el nombre de jamming), siendo más efectivo con las de banda estrecha.

II. Tiene la habilidad de eliminar o aliviar el efecto de las interferencias multitrayectoria.

III. Se puede compartir la misma banda de frecuencia con otros usuarios.

IV. Confidencialidad de la información transmitida gracias a los códigos pseudo-aleatorios (multiplexaje por división de código).

Desventajas:

I. Ineficiencia del ancho de banda.

II. La implementación de los circuitos es en algunos casos muy compleja.

(52)

asignar una secuencia pseudo aleatoria dada a un receptor particular, la información se le debe direccionar de forma distinta con respecto a los otros receptores a los que se les ha asignado una secuencia diferente. Las secuencias también pueden escogerse para minimizar la interferencia entre grupos de receptores al elegir los que tengan una correlación cruzada baja. De esta forma, se puede transmitir a la misma vez más de una señal en la misma frecuencia. Como vemos, el direccionamiento selectivo y el acceso múltiple por división de código (CDMA) se implementan gracias a las secuencias pseudo aleatorias.

Otras dos de estas propiedades son la baja probabilidad de intercepción y el anti-jamming (la capacidad para evitar las interferencias intencionadas). Cuando a una señal se la expande sobre varios megaherz del espectro, su potencia espectral también se ensancha. Esto hace que la potencia transmitida también se ensanche sobre un extenso ancho de banda y dificulta la detección de forma normal (es decir, sin la utilización de ninguna secuencia pseudo-aleatoria). Este hecho también implica una reducción de las interferencias. De esta forma, el espectro ensanchado puede sobrevivir en un medio adverso y coexistir con otros servicios en la misma banda de frecuencia. La propiedad anti-jamming es un resultado del gran ancho de banda usado para transmitir la señal. Si recordamos el teorema de Shannon, vemos que la capacidad del canal es proporcional a su ancho de banda y a la relación señal-ruido del canal. De esto se deduce que al expandir el ancho de banda en varios megaherz hay más del ancho de banda suficiente para transportar la tasa de datos requerida, permitiendo contrarrestar los efectos del ruido.

A los sistemas de espectro disperso se les reconocen al menos cinco cualidades importantes en su funcionamiento, debidas a la naturaleza de su señal:

I. Con una ganancia de procesado alta (el cociente entre el ancho de banda de la señal transmitida y el ancho de banda se la señal original) y señales portadoras impredecibles (generadas con las secuencias pseudo aleatorias) se puede conseguir una baja probabilidad de intercepción, siempre que la potencia de la señal se expanda uniformemente por todo el dominio de frecuencias.

(53)

III. Mediante la detección por correlación de señales de banda ancha se consigue una gran resolución temporal. Las diferencias en el tiempo de llegada de la señal de banda ancha son detectables. Esta propiedad puede usarse para eliminar el efecto multitrayectoria e, igualmente, hacer ineficaces los repetidores de los jammers.

IV. Los pares transmisor-receptor que usan portadoras pseudo-aleatorias independientes pueden operar en el mismo ancho de banda con una interferencia entre canales mínima. A estos sistemas se les llama de Acceso Múltiple por División de Código (CDMA, Code Division Multiple Access).

(54)

2.2 TÉCNICA DE

ACCESO AL MEDIO

(WCDMA)

Para el eficiente desarrollo de un sistema de comunicaciones, es importante planear cuidadosamente la asignación de recursos entre los usuarios del sistema, para que ningún espacio de tiempo/frecuencia sea desperdiciado, además de que los usuarios puedan compartir el recurso de una manera equitativa. [18]

Los términos Multiplexaje y Acceso Múltiple se refieren a la compartición de un recurso de comunicaciones. Existe una ligera diferencia entre multiplexaje y acceso múltiple. Con multiplexaje, los requerimientos de los usuarios o planes para la compartición del recurso de comunicaciones son fijos, o por mucho, lentamente cambiantes. La asignación del recurso es asignada a priori, y la compartición es usualmente un proceso que se lleva a cabo dentro de los confines de un sitio local.

El Acceso Múltiple, sin embargo, usualmente involucra la distribución remota de un recurso, como es el caso de las comunicaciones satelitales. Con un esquema de acceso múltiple cambiante dinámicamente, un sistema regulador debe estar consciente de las necesidades de cada usuario del recurso de comunicaciones. [14].

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WCDMA soporta servicios multimedia de muy alta velocidad como video en total movimiento, acceso a internet y videoconferencia. También puede manejar fácilmente aplicaciones que hagan uso intensivo del ancho de banda, como la transmisión de datos e imágenes mediante Internet.

En un sistema de comunicación de acceso múltiple varios usuarios desean acceder al canal al mismo tiempo. Para conseguir la implementación de dicho sistema existen técnicas que permiten que los usuarios compartan el canal. En la técnica de Acceso Múltiple por División de Código los usuarios pueden acceder al canal simultáneamente y compartir el mismo ancho de banda. [13].

Existen tres formas básicas de incrementar el rendimiento en el procesamiento de datos de un recurso de comunicaciones.

La primera forma es incrementar la EIRP (Effective Isotropically Radiated Power; Potencia Isotrópica Radiada Efectiva) o para reducir pérdidas del sistema de modo que la E/N sea incrementada.

La segunda forma es proveer más ancho de banda al canal.

La tercera forma es hacer la asignación del recurso de comunicaciones más eficiente. Esta tercera forma es el campo de las comunicaciones por acceso múltiple. Las formas básicas de distribuir el recurso de comunicaciones son:

I. FD (Frequency Division; División de Frecuencia).- son asignadas sub-bandas de frecuencia especificadas.

II. TD (Time Division; División de Tiempo).- Son asignadas ranuras de tiempo que se repiten periódicamente. En algunos sistemas, los usuarios son provistos de una asignación fija de tiempo. Con otros, los usuarios pueden tener acceso al recurso en tiempos aleatorios.

III. CD (Code Division, División de Código).- Miembros específicos de un conjunto de códigos de espectro disperso ortogonales o cercanamente ortogonales (cada uno usando el total del ancho de banda del canal) son asignados.