ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
“Análisis del diseño del enlace para sistemas
1xEV-DO”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
P R E S E N T A N:
Cabrera Galicia Aurora
González Hernández Laura
Hernández Farfán Oscar
Asesores:
M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna
Ing. Juanita Nancy Mondragón Medina
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER ELTITllLO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
POR LA OPCIÓN DE TITULACrÓN TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL
DEBERA(N) DESARROLLAR C. AURORA EDELMIRA CABRERA GALICIA e. LAURA GONZÁLEZ HERNÁNDEZ
C. oseAR HERNÁNDEZ FARFÁN
"ANÁLISIS DEL DISEÑO DEL ENLACE PARA SISTEMAS IxEV-Dü"
• CONOCER LOS REQUERIMIENTOS ESTABLECmOS PARA LOS ESTANDARES DE TERCERA GENERACIÓN DE TELEFONÍA MÓVIL
• CONOCER EL PRINCIPIO DE ESPECTRO DISPERSO Y COMPRENDER LA IMPORTANCIA DE SUS APLICACIONES EN LA TELEFONÍA CELULAR
• CONOCER LA ARQUITECTURA DEL ESTÁNDAR CDMA2000, ASÍ COMO EL IMPACTO DE LOS PARÁMETROS QUE INTERVIENEN
• DESARROLLAR UNA HERRAMIENTA QUE PERMITA REALIZAR EL DISEÑO DEL ENLACE PARA SISTEMAS CDMA2000 y IxEVDO
l. ANTECEDENTES DE LOS SISTEMAS 3G 2. CDMA2000
3. SERVICIO DE DATOS IxEVDO
4. ANALISIS DEL DISEÑO DEL ENLACE
MÉXICO D.F. A 03 DE FEBRERO DE 2011
ASESORES
M. EN C. SALVADO ｒｉｃａｾｉｲｂＱＧｾｾ
JEFE DEL ｄｅｐａｒｔａｍｅｎｾｾｾｾｾ］
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO i
AGRADECIMIENTOS
Esta tesis curricular si bien ha sido resultado de esfuerzo y dedicación por parte de mi equipo de trabajo y de nuestro asesor. No habría sido posible su finalización sin el apoyo desinteresado de las personas que estuvieron conmigo durante este trabajo en momentos de angustia y desesperación.
Primero que nada quiero agradecer a mi familia quienes a pesar de no estar todo el tiempo conmigo siempre procuraron mi bienestar y me apoyaron en cada paso a las dediciones que tomé.
A mis compañeras de trabajo Aurora y Laura que mostraron siempre perseverancia y fortaleza ante el desarrollo del trabajo por lo que me siento muy orgulloso de haber hecho un trabajo con personas como ellas y también por compartir muchos momentos de compañerismo y apoyo personal.
Quiero agradecer sobre todo a Itzel V. Sánchez García quien se mantuvo conmigo en todo momento y me dio motivación y fortaleza para concluir esta tesis pese a muchas dificultades que en su momento se presentaron y siempre tuve su compañía, le agradezco también a ella y a su familia el apoyo recibido el día de la presentación de la tesis ya que fue un momento de satisfacción que me llenó de alegría, estaré siempre agradecido por sus palabras que siempre me impulsaron y que ahora puedo decir que valió la pena. Gracias Itzel por hacerme una mejor persona.
Gracias a mi asesor de tesis Jaime Pedro Abarca por compartirnos sus conocimientos y por el apoyo que tuvo durante el desarrollo de la tesis, y a trabajar disciplinados y sobre todo por darnos la confianza de sentirnos orgullosos de lo que hacíamos.
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO ii
A mi madre por toda la fortaleza de su persona con la que tantas veces me ha impulsado a seguir adelante, porque durante este año y durante todo mi existir jamás me ha faltado su amor y su apoyo. Me has enseñado tantas cosas mamá… a construir trayectorias con esfuerzo y dedicación, a seguir siempre adelante, a tener visiones y opiniones diferentes y por supuesto a luchar por ellas y cuando me he equivocado siempre has encontrado la forma de darme segundas oportunidades. Tú lo sabes, mis triunfos también son tuyos.
A mi padre que me ha enseñado a encontrarle el lado bueno a la vida, por nuestras largas platicas en las que siempre he obtenido cosas invaluables entre ellas a perseverar, a soñar, a sonreír, pero sobre todo a tomar riesgos, a buscarlos, a conquistarlos y he aquí donde el camino me ha llevado, y ahora tengo un millón de satisfacciones guardadas, que en un principio tan solo eran tus palabras confiando en mi.
A mi hermano por sus características innatas con las que miles de veces me ha hecho reír, cuando ya no me quedaban ganas. Tu sola presencia me asegura que todo va a estar bien, eres mi fuente inagotable de felicidad y orgullo.
A mis compañeros de tesis Oscar y Laura por jamás renunciar por más difíciles que se pusieran las cosas, fue un verdadero placer trabajar, platicar, reír... simplemente vivir un año a lado de ustedes. Tienen un lugar muy especial en mi corazón.
A nuestro asesor de tesis el M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna por las horas incontables que nos dedico para poder culminar este trabajo, durante las cuales también forjo muchos aspectos de nuestra personalidad. Mi eterno agradecimiento y admiración por no solo compartir su conocimiento con nosotros, sino también por enseñarnos a buscarlo e inculcarnos el gusto del saber, por el saber mismo.
A la Ing. Nancy Mondragón por el apoyo que me brindo en este último año.
A mis amigas que tanto quiero Estrella, Nancy, Angélica, Polet y Mayra, no se imaginan de qué forma fueron mi apoyo por esas épocas.
A Gabriel Hernández Elizondo, tu sabes lo mucho que te quiero y que tu amistad ha sido de las cosas más maravillosas que he encontrado en esta ciudad... gracias por que en tu compañía siempre encontré la forma de relajarme, respirar y volver a empezar.
Y finalmente dedico este trabajo a mi abuelita la señora Aurora Badillo de la Rosa, que aunque ya no esta presente físicamente, aun podemos sentirla cerca, basta con mirarnos a nosotros mismos y reconocer la arquitecta precisa y elocuente que formó nuestra familia. A usted le agradezco la sabiduría de sus palabras y el refugio que siempre encontré en sus brazos.
A todos ustedes que han sido mi mayor fortaleza y mi mayor debilidad Mil gracias!!!
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO iii
Agradezco a mi madre por que ella ha sido siempre una fuente de inspiración en mi vida su ejemplo de una mujer fuerte y perseverante me ha hecho llegar hasta la culminación de mis logros profesionales, doy gracias a sus consejos y a su apoyo incondicional porque en momentos de desesperación y de querer desistir ella siempre ha tenido las palabras adecuadas que me ayudaron a seguir adelante, también le agradezco que se haya preocupado por mi bienestar y sobre todo por el amor que me demuestra día con día.
A mi padre le agradezco tantas cosas, el hecho de que siempre ha estado a mi lado ha sido muy importante, porque siempre ha hecho un gran esfuerzo porque sea mejor persona, el me ha ayudado a forjar mi carácter en muchos aspectos y por haber dado siempre lo mejor de si en todo momento para brindarme la motivación que me ayudo a conseguir una de mis metas.
Gracias a mi hermano que durante esas platicas de desvelo me hicieron reflexionar y valorar muchas de las cosas que tengo y que no me había dado cuenta de no ser por el, porque siempre eh visto en el a una persona con gran sabiduría que siempre le encuentra el lado bueno a la vida y me contagia con su buena vibra.
A mi equipo de trabajo Oscar y Aurora que no hicieron que perdiera la confianza en que terminaríamos este trabajo, por su gran esfuerzo y dedicación que a pesar de todas las dificultades que tuvimos ese ultimo año siempre se mantuvieron con una actitud positiva por sacar el trabajo adelante.
A mi amigo Eduardo Mulato Jiménez le agradezco todos los consejos y momentos de alegría, no imaginas cuanto me han servido tus palabras, eres uno de mis amigos más importantes que siempre supiste como decirme las cosas para darme esa fortaleza y sobre todo gracias porque hiciste que confiara en mi.
A mis amigas(os) Liliana Ayala, Tania Mora, José Manuel Hernández y Jesús Delgado gracias por estar conmigo en todo momento por brindarme su apoyo incondicional en el aspecto emocional, por todos esos momentos de alegría, por su amistad sincera y mas que nada por siempre levantarme el animo.
Y por supuesto no podía faltar el agradecimiento a mi asesor M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna, gracias por compartirnos sus conocimientos, le agradezco mucho el consejo que me dio al finalizar el examen profesional lo estoy poniendo en practica y fue de gran ayuda como llevo el trabajo de tesis ya que nos hizo valorar nuestro esfuerzo y así forjar una actitud mas responsable hacia el trabajo.
Gracias a todos los que estuvieron conmigo a lo largo de la realización de este trabajo que sin más siempre confiaron en mí y me dieron su apoyo incondicional.
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO iv
OBJETIVOS.
Conocer los requerimientos establecidos para los estándares de tercera generación
de telefonía móvil.
Conocer el principio de espectro disperso y comprender la importancia de sus
aplicaciones en la telefonía celular.
Conocer la arquitectura del estándar CDMA2000, así como sus principales
características.
Estudiar la arquitectura del servicio de datos 1xEVDO.
Comprender la importancia del diseño del enlace, así como el impacto de los
parámetros que intervienen.
Desarrollar una herramienta que permita realizar el diseño del enlace para
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO v
CONTENIDO
Pág.
AGRADECIMIENTOS………..i
OBJETIVOS. ... ivv
CONTENIDO ... v
INTRODUCCIÓN. ... viiiiii
Capítulo 1. Antecedentes de los sistemas 3G. 1.1. IMT-2000. ... 1
1.1.1. Características. ... 1
1.1.2. Requerimientos. ... 2
1.1.3. Servicios. ... 2
1.1.4. Estándares propuestos para 3G. ... 3
1.2. Espectro disperso. ... 4
1.2.1. Secuencias de dispersión. ... 6
1.2.1.1. Secuencias PN. ... 6
1.2.1.2. Secuencias Gold... 8
1.2.1.3. Secuencias Kasami. ... 10
1.2.1.4. Secuencias Walsh. ... 11
1.2.2. Técnicas de espectro disperso. ... 12
1.2.2.1. Secuencia Directa (DS). ... 13
1.2.2.2. Salto de Frecuencia (FH). ... 14
1.3. Acceso múltiple. ... 16
1.3.1. FDMA. ... 17
1.3.2. TDMA. ... 17
1.3.3. CDMA. ... 17
Referencias. ... 19
2.1. Arquitectura. ... 21
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO vi
2.2.1. Físicos. ... 24
2.2.2. Lógicos. ... 26
2.3. Control de Potencia. ... 26
2.3.1. Control de potencia en el enlace de bajada de lazo cerrado. ... 28
2.3.1.1. Lazo externo y lazo interno. ... 28
2.3.2. Control de potencia en el enlace de subida. ... 30
2.3.2.1. Control de potencia de lazo abierto. ... 30
2.3.2.2. Control de potencia de lazo cerrado. ... 31
2.4. Transferencia de llamada. ... 32
2.4.1. Algoritmo de transferencia de llamada. ... 35
Referencias. ... 40
Capítulo 3. Servicio de datos 1xEVDO. 3.1 Introducción 1xEVDO. ... 42
3.2. Pila de protocolos. ... 48
3.2.1. Capa de aplicación. ... 51
3.2.2. Capa de flujo... 53
3.2.3. Capa de sesión. ... 53
3.2.4. Capa de Conexión... 53
3.2.5. Capa de seguridad. ... 55
3.2.6. Capa MAC. ... 55
3.3. Enlace de bajada. ... 56
3.3.1. Capa MAC. ... 57
3.3.1.1. Protocolo MAC para el canal de tráfico. ... 58
3.3.1.2. Protocolo MAC para el canal de control. ... 59
3.3.1.3. Canal MAC. ... 59
3.3.2. Capa física. ... 60
3.3.2.1. Canal piloto. ... 61
3.3.2.2. Canal de tráfico y canal de control. ... 61
3.4. Enlace de subida. ... 62
3.4.1. Capa MAC. ... 62
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO vii
3.4.1.2. Protocolo MAC para el canal de acceso. ... 63
3.4.2. Capa física. ... 64
3.4.2.1. Canal de tráfico. ... 65
3.4.2.2. Canal de acceso. ... 67
3.5. Modulación y codificación adaptable. ... 67
3.6. Calendarización. ... 68
Referencias. ... 71
Capítulo 4. Análisis del diseño del enlace 4.1. Objetivo del diseño del enlace. ... 73
4.2. Parámetros que intervienen en el diseño del enlace. ... 74
4.2.1. . ... 74
4.2.2. Densidad espectral de ruido térmico. ... 79
4.2.3. Márgenes de desvanecimiento. ... 81
4.2.4. Diversidad. ... 84
4.2.5. Pérdidas y ganancias entre transmisor y receptor. ... 86
4.2.6. Factor de carga. ... 90
4.3. Análisis de IS-95 y CDMA2000-1xRTT para servicio de voz. ... 91
4.3.1. Enlace de subida. ... 91
4.3.2. Enlace de bajada. ... 97
4.4. Análisis para datos en CDMA2000-1xRTT... 105
4.4.1. Enlace de subida. ... 105
4.4.2. Enlace de bajada. ... 111
4.5. Análisis para 1xEVDO. ... 119
4.5.1. Enlace de subida. ... 119
4.5.2. Enlace de bajada. ... 123
Referencias. ... 131
CONCLUSIONES. ... 132
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO viii
INTRODUCCIÓN.
Con la llegada de las tecnologías inalámbricas se hizo posible que uno o más dispositivos
pudieran comunicarse sin la necesidad de una conexión por cable, y en vez de esto
solamente se usaban frecuencias de radio como un medio para la transmisión de datos.
Durante el transcurso de los años estas tecnologías fueron pasando por procesos de
mejora y finalmente llegamos al panorama actual, donde se ha dado la adopción en
masa de los sistemas de tecnología inalámbrica trayendo consigo que más de 2.5 billones
de personas alrededor del mundo se encuentren en comunicación constante, cambiado
así la forma de interacción de la gente. Ahora es más fácil el poder mantenernos en
contacto con la familia y amigos a través de las ciudades y de los continentes, también se
ha visto un cambio en la forma en que los negocios se conducen. Son estas razones las
que nos permiten decir que la telefonía inalámbrica ha ayudado a hacer de este mundo
un lugar más pequeño.
El siguiente gran paso en esta evolución está ocurriendo ahora. La gente se encuentra
incrementando de manera acelerada el uso de las redes de datos inalámbricas para
conectarse a internet y conectarse entre ellos, los mensajes cortos han sido un éxito
rotundo, el poder mandar e-mails desde tu celular y los servicios de localización se están
volviendo muy populares, así como la descarga de música, la cual se espera que en un
futuro supere las descargas en redes fijas.
El sector de las radiocomunicaciones tiene claro que los servicios de banda ancha, son
tanto para redes fijas y móviles, la dirección hacia el futuro. Es por esto que los
operadores se encuentran diversificando sus ofertas para poder competir en un mercado
donde los usuarios no perciben ninguna diferencia entre los servicios que están
recibiendo. Esta es la razón por la cual observamos una tendencia de los operadores de
implementar nuevas tecnologías inalámbricas de mayor ancho de banda, así como
arquitecturas de red sobre IP (Internet Protocol).
Conforme ha evolucionado la tecnología de los sistemas de comunicaciones
inalámbricos, también se ha desarrollado la capacidad de transmisión de datos por medio
de estos sistemas, lo cual resulta muy conveniente para los usuarios y las empresas.
CDMA2000 es una tecnología de 3G ampliamente desarrollada la cual ofrece servicios
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO ix
CDMA2000-1x y para el tráfico de datos como EVDO. CDMA2000 cuenta con más de
300 operadores dando servicio a 465 millones de subscriptores de los cuales 112 millones
ya usan servicios de banda ancha EVDO.
CDMA2000-1xEVDO es la primera tecnología de banda ancha móvil de alta velocidad,
la cual proporciona a los operadores los medios para mejorar la capacidad de la red. La
migración de esta se ha dado por medio de las revisiones 0, A, B y C, y comercialmente
se ha logrado desplegar hasta la revisión A.
El realizar un diseño del enlace permite determinar las perdidas máximas que un enlace
de comunicaciones puede soportar y así poder establecer los radios de cobertura para una
celda dada. Para llevar a cabo este análisis del enlace fue necesario partir desde el estudio
de los conceptos básicos de la telefonía celular, que se encuentran organizados en este
trabajo de la siguiente forma.
En el capítulo uno, se describen las características, requerimientos y servicios que fueron
establecidos por la Unión Internacional de Telecomunicaciones para los sistemas de 3G,
así como los estándares que fueron propuestos para dar solución a dichas
especificaciones. Después seguimos con la definición de lo que es el espectro disperso, el
cual es un concepto sumamente importante, ya que en este se fundamenta la tecnología
de CDMA, dentro de este tema se estudiaran las secuencias y las técnicas que permiten
dispersar el espectro, finalmente en este capítulo se mencionan las técnicas de acceso
múltiple.
En el capítulo dos se describe el estándar CDMA2000, primero se muestra la arquitectura
de dicho estándar, cuales son las capas que lo conforman y las funciones que realizan.
Así como los canales y las responsabilidades de cada uno de ellos, la mejora de los ya
existentes y la adición de nuevos canales que hacen al sistema más robusto. Como se dijo
antes, este estándar brinda conformidad con los requerimientos de 3G por lo tanto, se
presentan los procedimientos principales de los cuales, dependerá en gran medida la
capacidad y la calidad del sistema, como son el control de potencia y la transferencia de
llamada sin interrupciones, que en este capítulo se tratan de explicar de la mejor manera
posible.
En el capitulo tres, se aborda con detalle el servicio de datos 1x EVDO, se describe la
arquitectura para después presentar los protocolos contenidos en ambos enlaces y se
Análisis del diseño del enlace para sistemas 1xEVDO x
ofrecer tasas de datos más altas, estos esquemas son la modulación y codificación
adaptable y la calendarización de los recursos.
En el capítulo 4 se presenta el análisis del enlace para servicios de datos 1xEVDO. Como
se explico en el capitulo tres, el sistema puede soportar diversas tasas de datos, por lo
tanto este análisis se realizo para todas estas tasas, de donde tomamos los resultados
para así poder obtener los radios de cobertura de la celda y los complementamos con
una representación grafica de la distribución de los radios calculados, para finalmente
Capítulo
1
Antecedentes
de
los
sistemas
3G
1.1. IMT-2000.
Las redes móviles de tercera generación (3G) surgieron alrededor del año 2000, la Unión
Internacional de Telecomunicaciones en su sector de radiocomunicaciones, estableció las
especificaciones IMT-2000 (Internacional Mobile Telecommunication System for year 2000).
Bajo IMT-2000, fueron desarrollados los estándares de 3G, que hacían posible una
infraestructura global de redes inalámbricas que contemplaban los sistemas terrestres y
satelitales así como el acceso fijo y móvil para redes públicas y privadas.
Su propósito es facilitar la introducción de nuevas capacidades y una evolución integral
con los sistemas móviles de segunda generación (2G) que se encuentran instalados.
IMT-2000 permite a un usuario comunicarse a cualquier parte del mundo de manera
inalámbrica, con una cobertura global que es provista mediante la combinación de
estaciones terrestres y satelitales, así como también el poder trasladarse de un lugar a otro
y seguir recibiendo servicios comparables con los ofrecidos por las redes fijas.
Se pensó en un espectro común para todo el mundo que facilitaría el roaming global y podría contribuir a disminuir el impacto en la economía, favoreciendo el escalamiento
para las estaciones móviles y las estaciones base.
1.1.1. Características.
Como se menciono con anterioridad IMT-2000 permite la convergencia de nuevas
tecnologías inalámbricas de acceso fijo y móvil, con las tecnologías ya existentes. Sus
principales características son [1]:
Alto grado de homogeneidad en el diseño mundial.
Compatibilidad de servicios entre IMT-2000 y las redes fijas.
Alta calidad.
Terminales pequeñas para el uso mundial.
Capacidad de roaming en todo el mundo.
Capacidad para aplicaciones multimedia y una amplia gama de servicios y
terminales.
Dentro de los sistemas 3G, estos puntos antes mencionados son soportados por el
manejo eficiente del espectro, se ocupan una combinación de duplexaje por división de
tiempo y de frecuencia (TDD y FDD). FDD soporta una gran área de cobertura
principalmente para servicios simétricos, mientras que TDD es más adecuado para
servicios asimétricos.
1.1.2. Requerimientos.
Las principales motivaciones para los sistemas móviles de tercera generación resultan ser
requerimientos emergentes mucho más ambiciosos que su generación antecesora, como
son tasas más altas en los servicios de datos, una mejor eficiencia espectral, entre otros.
Los objetivos de IMT-2000 se pueden generalizar en los siguientes puntos [2]:
Cobertura y movilidad de 144 Kbps en ambientes vehiculares y 384 Kbps para
ambientes exteriores – interiores.
Cobertura y movilidad de 2 Mbps para ambientes interiores y pico celdas.
Servicios de conmutación de circuitos y conmutación de paquetes para tráfico
simétrico y asimétrico.
Alta eficiencia espectral comparada con los sistemas ya existentes.
Alta flexibilidad para la introducción de nuevos servicios.
El hecho de que estos requerimientos se encuentren tan bien delimitados, nos permite
visualizar, un mayor aprovechamiento de la red. Esto debido a la homogenización de las
tecnologías que proveen servicio a los dispositivos móviles. Así, el usuario final podrá
seguir recibiendo servicio sin importar en que parte del mundo se encuentre y que su
proveedor actual no sea el mismo al que pertenece, sin embargo maneja una tecnología
compatible haciendo posible que el usuario, siga haciendo uso de la red.
1.1.3. Servicios.
Las aplicaciones de los sistemas de tercera generación no solamente pueden ofrecer
servicios totalmente nuevos, sino que también mejoran los servicios ya existentes, esto
mediante sus nuevas capacidades, tales como servicios simultáneos, tasa variable de
datos y un menor tiempo de retardo [3].
Internet. Hoy en día internet nos proporciona servicios tales como: compras en línea,
ubicación de lugares, servicios bancarios, redes sociales, mensajería instantánea, descarga
de música y videos, periódicos, revistas y enciclopedias electrónicas, así como la
posibilidad, no solo de descargar, sino también de subir a la red casi cualquier tipo de
información que deseemos. Todos estos aspectos son sumamente atractivos para el
CDM A TDM A FDM A
IMT-DS WCDMA (UMTS)
IMT-FT FDMA/TDMA
IMT-SC Portadora simple
TDMA EDGE/IS-136 IMT-TDD
UTRA TDD Y TD-SCDMA
IMT-MC Multi-portadora
CDMA2000 1X & 3X
IM T-2000
puede ofrecer al usuario acceso a internet desde un dispositivo móvil, sin importar su
ubicación.
Video. El concepto de proveer video en un dispositivo móvil, es uno de los previstos para
las aplicaciones de IMT-2000, así como la videoconferencia y la videotelefonía entre dos
o más usuarios finales.
Con este servicio es posible transmitir simultáneamente diferentes tipos de información,
como voz, datos y video. Las redes de tercera generación ofrecen diferentes portadoras
de transmisión para los diferentes tipos de servicios.
1.1.4. Estándares propuestos para 3G.
El desarrollo de 3G se debe al rápido crecimiento en la demanda de servicios de datos,
principalmente IP, a las altas tasas de transmisión y a la limitación del espectro 3G. El
desarrollo de las especificaciones de 3G inician en ITU TG8/1 (Internacional Mobile
Telecommunication Union Task Group 8/1) para FPLMTS (Future Public Land Mobile
Telecommunication Systems) y en SMG5 (Special Mobile Group 5) un subcomité técnico de
ETSI (European Telecommunications Standards Institute) para UMTS (Universal Mobile
Telecommunication Systems)[1]. El nombre de FPLMTS fue cambiado por IMT-2000. En
IMT-2000 se especifican las plataformas tecnológicas o metodologías para alcanzar los
objetivos de los sistemas 3G.
[image:16.595.105.526.499.746.2]Las plataformas que componen IMT-2000 son diferentes y es posible que no se obtenga
armonía hasta 4G o más allá. El camino que elija un operador es una decisión difícil y de
ello depende el éxito futuro.
Cuando la ITU solicitó soluciones para cubrir los requerimientos de IMT-2000, grupos
encargados de realizar los estándares propusieron varias tecnologías, entre ellas: TDMA
(Time Division Multiple Access) y CDMA (Code Division Multiple Access), también FDD
(Frequency Division Duplex) y TDD (Time Division Duplex). ETSI propuso una tecnología
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) con FDD, en Japón la propuesta fue
WCDMA con TDD y FDD, en Corea hubo dos soluciones, una parecida a la de Europa
y Japón, y la otra similar a la de Estados Unidos (CDMA2000). Era claro que las
propuestas de los grupos eran similares. Esto permitió la creación de dos grupos: 3GPP
(3rd Generation Partnership Project) y 3GPP2. El primero enfocado a UMTS (WCDMA) y
el segundo a CDMA2000 [2].
1.2. Espectro disperso.
Es una técnica en la cual el ancho de banda utilizado para transmitir es mucho mayor al
mínimo requerido para enviar información. La dispersión del espectro se logra utilizando
un código de dispersión el cual será independiente de los datos.
Se considera un sistema de espectro disperso cuando cumple con las siguientes
características:
1. La señal ocupa un ancho de banda muy superior al ancho de banda mínimo
necesario para enviar la información.
2. La dispersión se realiza por medio de un código de dispersión, el cual será
independiente de los datos.
3. En el receptor, la recuperación de los datos se realiza mediante la correlación de la
señal dispersada con una réplica sincronizada del código de dispersión utilizado
para dispersar la información [4].
En la figura 1.2 se observa a) una señal de banda estrecha antes de ser perturbada con el
jamming, posteriormente se observa como b) la señal al ser perturbada por el jamming se dispersa y la densidad de potencia de ruido se distribuirá uniformemente sobre la señal
dispersada.
Un aspecto importante de espectro disperso es que ofrece protección contra señales de
interferencia (jammer) que tienen potencia finita y son generadas externamente, ya que
inicialmente este sistema fue desarrollado como una aplicación militar para permitir
comunicaciones seguras ante el enemigo porque al dispersar la señal de información que
es transmitida adquiere una apariencia similar al ruido, de manera que la señal enviada
se propaga por el canal sin ser detectada o interceptada fácilmente.
Sus principales beneficios se describen a continuación:
Resistencia a las interferencias y a los efectos antijamming.
La interferencia intencional o no intencional y las señales de perturbación son
rechazadas porque no contienen el código de dispersión, solo la señal deseada
tiene el código, el cual lo tendrá el receptor cuando se recuperan los datos.
Seguridad y privacidad entre usuarios. Tiene baja probabilidad a la intercepción lo
cual ofrece seguridad entre usuarios porque los “oyentes” no autorizados no
tienen el código que es utilizado para dispersar la señal original y por lo tanto no
podrán decodificar la información la cual verán como ruido o como una
interferencia.
Se reduce la interferencia debido a la propagación por trayectorias múltiples.
Permite acceso múltiple. Esto es posible mediante la técnica denominada CDMA
la cual asigna un código a cada usuario permitiéndolo utilizar el espectro
disponible de manera simultánea.
Ganancia de procesamiento. Es el parámetro que expresa la ventaja de
rendimiento de un sistema de espectro disperso con respecto a un sistema de Figura 1.2. a) Señal de banda estrecha sin dispersar, b) Señal dispersada después de aplicar el jamming.
W G( f )
J’0=J/W
f Antes de la dispersion
Después de la dispersión
Gss( f ) J0=J/Wss=J’0(W/Wss)
Wss
f a)
banda estrecha y esta dado por la relación del ancho de banda de espectro
disperso (ancho de banda total que utiliza la técnica de dispersión) que es
aproximadamente la tasa de chip Rch entre el ancho de banda mínimo de los datos
Wmin que es la tasa de datos R, dando: [4].
1.2.1. Secuencias de dispersión.
Uno de los aspectos de espectro disperso es que se requiere de un código o secuencia de
dispersión para incrementar significativamente el ancho de banda de la señal a transmitir,
estas secuencias deben cumplir con características específicas como el que su tasa de bit
debe ser mucho mayor que la tasa de bit de datos, además de aparentar ser secuencias
totalmente aleatorias. Sin embargo esto no es posible en la práctica debido a que se
requiere de sincronización en el receptor y por eso es necesario utilizar secuencias de
Pseudo Noise (PN), que en apariencia tiene características muy similares al ruido de ahí el
nombre de Pseudo Noise, estas secuencias son totalmente determinísticas y periódicas,
pero se verán como ruido solo ante los “oyentes” no autorizados.
1.2.1.1. Secuencias PN.
Una secuencia de Pseudo Noise es entonces una secuencia binaria periódica con su forma
de onda muy similar al ruido que se genera con un registro de corrimiento
retroalimentado, este registro consta de n flip-flops que son las etapas de memoria de dos
estados y de un circuito lógico (un sumador módulo 2) los cuales se interconectan en un
circuito retroalimentado, el diagrama a bloques de este circuito se ilustra en la figura 1.3.
Figura 1.3. Diagrama a bloques del registro de corrimiento retroalimentado.
Cada etapa del registro de corrimiento se controla con un reloj temporizador, las
secuencias binarias se desplazan a través del registro de corrimiento en respuesta a los
impulsos del reloj; con cada pulso de reloj el circuito lógico calcula una función booleana
X1 X2 X3 ... Xn
Sumador Módulo 2
de los estados de las etapas que se realiza con una operación XOR, el resultado de esta
operación se retroalimenta a la entrada y se hacen los desplazamientos correspondientes
dependiendo del número de etapas del registro.La secuencia de salida obtenida es la que
se encuentra contenida en la última etapa [5]. Las secuencias dependen del número de
etapas del registro de corrimiento, de las conexiones de retroalimentación y de las
condiciones iníciales, las conexiones se muestra en la tabla 1.1
Tabla 1.1 Conexiones de retroalimentación para generar secuencias de máxima longitud [6].
Las secuencias a la salida se pueden clasificar en secuencias de máxima longitud y de no
máxima longitud. Las secuencias de máxima longitud generadas a la salida del registro
de corrimiento son periódicas; su periodo es de , donde n es el número de
etapas del registro de corrimiento. Para las secuencias que tienen un periodo menor a
son clasificadas como secuencias de no máxima de longitud.
Las secuencias de máxima longitud deben satisfacer las siguientes propiedades: balance,
corridas o sucesiones y correlación, a continuación se describen cada una de estas
propiedades:
Propiedad de balance. Para cada periodo de una secuencia de máxima longitud, el
número de unos es siempre uno más que el número de ceros.
Propiedad de corridas o sucesiones. Entendemos por una corrida que será el
número de dígitos iguales consecutivos. Cuando aparece un digito alterno en la
secuencia quiere decir que hablamos de una corrida nueva, la longitud de cada
corrida es el número total de dígitos en la corrida. En promedio las corridas de
unos y ceros en cada periodo, es conveniente que aproximadamente la mitad de
Longitud del registro de corrimiento, n
Conexiones de retroalimentación
2 (2,1)
3 (3,1)
4 (4,1)
5 (5,2), (5,4,3,2), (5,4,2,1)
6 (6,1), (6,5,2,1), (6,5,3,2)
7 (7,1), (7,3), (7,3,2,1), (7,4,3,2), (7,6,4,2), (7,6,3,1), (7,6,5,2), (7,6,5,4,2,1), (7,5,4,3,2,1)
las corridas de cada tipo, la mitad sean de longitud 1, una cuarta parte de longitud
2, una octava son de longitud 3 y así sucesivamente.
Propiedad de correlación. Este concepto nos sirve para determinar que tanta
similitud hay entre un conjunto de secuencias y otro. La correlación es el
resultado de comparar chip a chip (un chip es cada pulso de la secuencia PN, los
chips no contienen información) dos diferentes secuencias de código al realizar un
desplazamiento en una de las secuencias, y viene dada por la ecuación 1.1. [4, 6]:
Donde:
CC: Es el número de coincidencias de chips entre secuencias.
NCC: Es el número de no coincidencias de chips entre secuencias.
1.2.1.2. Secuencias Gold.
Las secuencias Gold son obtenidas a partir de dos registros de corrimiento de n-etapas
cada uno, esto se observa en la figura 1.4, a la salida de cada registro se tiene una
secuencia de máxima longitud, los códigos Gold se construirán a partir de estas dos
secuencias por medio de un sumador módulo 2 (operación XOR).
Figura 1.4. Diagrama de un generador de secuencias Gold.
La primera secuencia obtenida se mantiene fija, y a la segunda se le irá haciendo un
desplazamiento cíclico realizando por cada desplazamiento la operación XOR. El
resultado de esta operación genera una secuencia Gold. El periodo para las secuencias
Gold es de y el número de secuencias obtenidas será , donde n es
el número de etapas de cada registro de corrimiento [7].
X1 X2 X3 X4 X5
X1 X2 X3 X4 X5
Secuencia de salida Secuencia m1
La correlación de las secuencias Gold está dada por un conjunto de tres valores
– donde t(n) esta expresada en la ecuación 1.2:
– Para
Por ejemplo; utilizando dos secuencias de máxima longitud generadas a partir de dos
registros de corrimiento de 5 etapas con un periodo de =31,
m1=1011101110011000101001110100001y m2=1111000100111000110111001000011 generar un
conjunto de secuencias Gold.
1011101110011000101001110100001 1111000100111000110111001000011 0100101010100000011110111100010 1011101110011000101001110100001 1111100010011100011011100100001 0100001100000100110010010000000 1011101110011000101001110100001 1111110001001110001101110010000 0100011111010110100100000110001 1011101110011000101001110100001 0111111000100111000110111001000 1100010110111111101111001101001
Sec. Gold 0
Sec. Gold 1
Sec. Gold 2
Sec. Gold 3
1011101110011000101001110100001 0011111100010011100011011100100 1000010010001011001010101000101 1011101110011000101001110100001 0001111110001001110001101110010 1010010000010001011000011010011 1011101110011000101001110100001 0000111111000100111000110111001 1011010001011100010001000011000 1011101110011000101001110100001 1000011111100010011100011011100 0011110001111010110101101111001
Sec. Gold 4
Sec. Gold 5
Sec. Gold 6
Sec. Gold 7
1011101110011000101001110100001 0100001111110001001110001101110 1111100001101001100111111001111 1011101110011000101001110100001 0010000111111000100111000110111 1001101001100000001110110010110 1011101110011000101001110100001 0110111001000011111100010011100 1101010111011011010101100111101 1011101110011000101001110100001 0011011100100001111110001001110 1000110010111001010111111101111 1011101110011000101001110100001 0001101110010000111111000100111 1010000000001000010110110000110 1011101110011000101001110100001 1000110111001000011111100010011 0011011001010000110110010110010 1011101110011000101001110100001 1100011011100100001111110001001 0111110101111100100110000101000 1011101110011000101001110100001 1110001101110010000111111000100 0101100011101010101110001100101 1011101110011000101001110100001 0111000110111001000011111100010 1100101000100001101010001000011 1011101110011000101001110100001 0011100011011100100001111110001 1000001101000100001000001010000 1011101110011000101001110100001 1001110001101110010000111111000 0010011111110110111001001011001 1011101110011000101001110100001 0100111000110111001000011111100 1111010110101111100001101011101
Sec. Gold 8
Sec. Gold 9
1011101110011000101001110100001 1001000011111100010011100011011 0010101101100100111010010111010 1011101110011000101001110100001 1100100001111110001001110001101 0111001111100110100000000101100 1011101110011000101001110100001 1110010000111111000100111000110 0101111110100111101101001100111 1011101110011000101001110100001 0111001000011111100010011100011 1100100110000111001011101000010 1011101110011000101001110100001 1011100100001111110001001110001 0000001010010111011000111010000 1011101110011000101001110100001 1101110010000111111000100111000 0110011100011111010001010011001 1011101110011000101001110100001 0010011100011011100100001111110 1001110010000011001101111011111 1011101110011000101001110100001 0001001110001101110010000111111 1010100000010101011011110011110 1011101110011000101001110100001 1000100111000110111001000011111 0011001001011110010000110111110 1011101110011000101001110100001 1100010011100011011100100001111 0111111101111011110101010101110 1011101110011000101001110100001 1100010011100011011100100001111 0111111101111011110101010101110 Sec. Gold 10 Sec. Gold 11 Sec. Gold 12 Sec. Gold 13 Sec. Gold 14 Sec. Gold 15 Sec. Gold 26 Sec. Gold 27 Sec. Gold 28 Sec. Gold 29 Sec. Gold 30 1011101110011000101001110100001 1110001001110001101110010000111
0101100111101001000111100100110 Sec. Gold 31
La correlación de las secuencias Gold con periodo de N=31, es la siguiente: n= 5 es
impar y es el número de registros de corrimiento.
Entonces tenemos que , por lo tanto los valores de correlación del
ejercicio anterior caen dentro del conjunto de: .
1.2.1.3. Secuencias Kasami.
Las secuencias Kasami son de los tipos de secuencias binarias más importantes esto es
debido a que su correlación es muy baja.
Las secuencias Kasami se generan a partir de una secuencia-m “a” de periodo
, la secuencia a se va decimar mediante y se obtiene una secuencia a‟ con
periodo de . Luego la secuencia a‟ se concatena N veces hasta completar la
longitud de la secuencia a se tiene entonces una secuencia b de la misma longitud de la
secuencia. Para obtener una secuencia Kasami se realiza una operación XOR con las
secuencias a y b, el resultado es una secuencia Kasami con periodo de ,
para obtener las siguientes secuencias se realiza un desplazamiento cíclico a la secuencia
a‟ y se realiza el procedimiento anterior [1, 7].
Los valores de correlación para las secuencias Kasami son los que están dados por el
conjunto en la ecuación 1.4:
1.2.1.4. Secuencias Walsh.
Las secuencias Walsh algunas veces son referidas como códigos Walsh o códigos
Hadamard. La matriz Walsh (MWalsh) es una matriz cuadrada (con igual número de filas y columnas) de elementos binarios „0‟ y „1‟. La dimensión de la matriz es siempre
potencia de 2.
Por definición, la matriz Walsh de primer orden (una fila y una columna, es decir de un
solo elemento) es representada con „0‟. Las matrices Walsh son generadas usando una
forma recursiva que sigue la siguiente regla:
Donde:
: Matriz Walsh de orden N, es decir de N filas y N columnas. : Complemento binario de la Matriz .
: Matriz Walsh de orden 2N.
En la figura 1.6 se presentan matrices Walsh de orden 2,4 y 8 generadas por la ecuación
1.5.
Figura 1.5. Matrices Walsh de orden 2, 4 y 8.
La primera fila y columna son siempre formadas por „0‟. La nomenclatura usada para
describir las filas está dada por la forma , donde „m‟ indica la longitud de la matriz e
„i‟ el número de fila. Las filas son numeradas de arriba abajo, de „0‟ a „m –1‟ [7].
Siguiendo este concepto las secuencias o códigos Walsh indicado por representa la
segunda fila (fila número 1) de una matriz de orden 8. Este código Walsh también puede
ser representado en términos de la amplitud de su señal, como se ilustra en la figura 1.6,
código Walsh puede ser representado en términos de la amplitud de su señal y queda
como [0 1 0 1 0 1 0 1].
Una de las principales características de los códigos Walsh es que tanto las filas como las
columnas de la matriz son mutuamente ortogonales, por lo tanto el resultado de la
correlación es cero. Considerando una matriz de orden N se tiene que la correlación será
el número de bits de coincidencia menos el número de bits de no coincidencias al
comparar dos códigos Walsh es siempre N/2. Por ejemplo comparamos el código
con se observa que cuatro de los bits coinciden y los otros cuatro no coinciden.
La correlación está dada por la ecuación 1.1, entonces para el ejemplo anterior tenemos
que, la Correlación=CC - NCC= 4 – 4=0. Por lo tanto la correlación entre dos
desplazamientos de fase idéntica del mismo código es igual a „0‟ [1,5].
1.2.2. Técnicas de espectro disperso.
Existen varias técnicas de espectro disperso como son: Salto de tiempo TH (Time
hopping), MC CDMA (Multi Carrier-CDMA), salto de frecuencia FH (Frequency Hopping) y
Secuencia Directa DS (Direct Sequence). Estas técnicas pueden combinarse o utilizarse por
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 +1 -1 1
1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 0
separado. Para nuestro estudio nos centraremos en las técnicas principales y más
comúnmente empleadas que son secuencia directa (DS) y salto de frecuencia (FH) [5].
1.2.2.1. Secuencia Directa (DS).
La técnica de secuencia directa (Direct Sequence) es la más empleada en los sistemas de
espectro disperso debido a su fácil implementación. En esta técnica la señal de
información se modula de forma directa por medio de un código de dispersión, con lo
cual se obtiene el espectro disperso. Esta técnica ocupa toda la banda de frecuencias
disponibles de forma continua.
La secuencia directa obtenida consistirá en un número de bits codificados llamados chips
los cuales no contienen información, la velocidad del código de dispersión tendrá que ser
mucho mayor que la velocidad de la señal de información. En el receptor la recuperación
de los datos se hace mediante dos pasos; el primer pasó es la contracción y se realiza
mediante la correlación de la señal recibida con una réplica sincronizada del código de
dispersión, el segundo paso es la demodulación de los datos. En la figura 1.7 se
representa el diagrama a bloques de un sistema de secuencia directa, se observa cómo se
va a llevar a cabo el proceso de la dispersión de la señal en el transmisor y como se hace
la recuperación de la información en el receptor. Las formas de onda asociadas a cada
bloque del diagrama se ilustran en la parte inferior [4, 5].
Bits de informacion Modulación Generador de Secuencias PN
Demodulacion informaciónBits de
Generador de Secuencias PN 1.25MHz Bits de información Código de dispersión Señal dispersada Modulación Demodulación de Banda base
Señal dispersada Código de dispersión Bits de información 1 2 3 4 6 7 8 9 1 2 3 6
4 5 5
7
8
9
Portadora de Banda ancha
5 5
En el sistema de secuencia directa la ganancia de procesamiento utiliza una sola
frecuencia portadora. El ancho de banda necesario para transmitir la información es
idéntico a la tasa de información, por lo tanto la ganancia de procesamiento puede ser
definida por la ecuación 1.6.
Donde:
: Tasa de chip. : Tasa de datos.
1.2.2.2. Salto de Frecuencia (FH).
En esta técnica la frecuencia de la portadora cambia en intervalos regulares de tiempo.
Las frecuencias se seleccionan de un grupo predeterminado dentro del espectro
disponible y los saltos de frecuencia son definidos por la secuencia pseudoaleatoria o
también llamada secuencia PN.
En esta técnica se requiere de un sintetizador de frecuencia; la secuencia PN controla el
sintetizador de frecuencias que es utilizado para la generación de las portadoras; en la
figura 1.8. se observa cómo es que el generador de secuencias va a controlar al
sintetizador el cual va a generar las frecuencias de las portadoras y en conjunto con el
generador de secuencias definirá el orden en que se darán los saltos.
Bits de informacion
Modulacion de banda
base
Generador de Secuencias
PN
Demodulacion
de banda base informaciónBits de
Generador de Secuencias
PN Sintetizador
de frecuencias
Bits de información
Sintetizador de frecuencias
Frec. Frec. t1 t2 t3 t4 t5
Señales transmitidas usando
salto de frecuencia Señales recibidas usando salto de frecuencia
Como el salto de frecuencia no cubre instantáneamente el espectro disperso completo,
nos obliga a considerar la tasa a la cual ocurren los saltos; por lo tanto consideramos dos
categorías, dependiendo de la tasa del salto:
Salto de Frecuencia Lento (Slow Frequency Hopping SFH). Se transmiten varios
símbolos en cada salto de frecuencia.
Salto de Frecuencia Rápido (Fast Frequency Hopping FFH). La frecuencia de la
portadora cambiará o saltará durante la transmisión de un símbolo [5].
En el caso del sistema de secuencia directa el ancho de banda fue igual a la tasa de
chip, en el sistema de salto de frecuencia la ganancia de procesamiento se define como la
banda de frecuencias disponibles sobre las que el sistema puede saltar que, y por lo tanto
a esta banda de frecuencias se le llamará Whopping, está expresada por la siguiente ecuación
1.7:
Donde:
: Banda de frecuencias disponibles para realizar los saltos.
: Tasa de datos.
En la figura 1.9 representa los dos tipos de saltos de frecuencia a) en el salto de frecuencia
rápido se realizan cuatro saltos por bit, aquí será mayor el número de saltos para cada bit
en el b) salto de frecuencia lento por lo contrario son un varios bits en un solo salto en la
1.3. Acceso múltiple.
En los sistemas de telefonía es fundamental compartir los recursos disponibles del canal y
principalmente el ancho de banda, a partir de esta necesidad surgieron diversas técnicas
de acceso múltiple.
Las técnicas de acceso múltiple se utilizan para permitir a múltiples usuarios compartir
de manera simultánea y eficiente una cantidad limitada del espectro radioeléctrico. La
frecuencia y el tiempo de separación, fueron elegidos como el comienzo de la generación
de acceso múltiple. Ya que dividiendo el espectro de frecuencias se tienen un número de
canales de frecuencia asignando un canal a cada usuario a esta técnica se le conoce como
FDMA (Frecuencia Division Multiple Access), y con el mismo concepto se divide ahora el
eje del tiempo en porciones o ranuras de tiempo a lo que se le conoce como TDMA. Figura 1.9. a) Salto de frecuencia rápido, b) Salto de frecuencia lento.
1 0
Duracion de chip 5 ms Intervalo de símbolo 20 ms
Banda de saltos de frecuencia
Tiempo Bits
a)
1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0
Duracion de chip 5 ms
Intervalo de símbolo 20 ms Banda de
saltos de frecuencia
Tiempo
Bits
Debido a la demanda de usuarios y que FDMA y TDMA tienen un número limitado de
usuarios surge CDMA que en este caso; se utilizaran diferentes códigos no
correlacionados por cada usuario, debido a esto es posible enviar información a varios
usuarios sobre el mismo espectro de frecuencias sin mayor dificultad en la detección de la
señal deseada en el receptor, ya que el código de dispersión asignado es único y solo es
conocido por el receptor.
FDMA, TDMA y CDMA son las principales técnicas de acceso múltiple que se usan
para compartir el ancho de banda disponible en un sistema de comunicación
inalámbrica, a continuación se describe cada una de estas técnicas.
1.3.1. FDMA.
Esta técnica asigna una banda de frecuencia única o de canal por cada usuario, esto se
ilustra en la figura1.10. donde se observa que se divide el espectro en varios canales lo
que representa que solo serán para un número limitado de usuarios. Estos canales están
asignados en demanda a los usuarios que soliciten el servicio. Durante el periodo
solicitado no se comparte el canal con ningún otro usuario. Si un canal no está en uso,
entonces se encuentra inactivo y no puede ser utilizado por otros usuarios para aumentar
la capacidad de compartir, esto esencialmente es un despilfarro de recursos.
1.3.2. TDMA.
En TDMA se hace uso del espectro radioeléctrico en intervalos de tiempo, para cada
intervalo o ranura se tendrá un solo usuario al cual se le permite transmitir o recibir
información durante este lapso. En la figura 1.10 se puede observar que cada usuario
ocupa un espacio de tiempo en función del ciclo de repetición, por lo que un canal puede
ser pensado como un espacio de tiempo particular. En TDMA se comparte una
portadora para varios usuarios, donde cada uno hace uso de las ranuras de tiempo las
cuales no se traslapan. El número de ranuras de tiempo dependerá de varios factores,
tales como la técnica de modulación y el ancho de banda disponible [8].
1.3.3. CDMA.
En los sistemas CDMA, la señal de mensaje de banda estrecha es multiplicada por una
señal de ancho de banda mayor llamada código de dispersión. El código de dispersión
es una secuencia PN que tiene una tasa de chip de mayor magnitud que la tasa de datos
1.10, tienen la misma frecuencia portadora y pueden transmitir simultáneamente. Cada
usuario tiene su propio código los cuales son ortogonales. Para la detección de la señal
del mensaje, el receptor necesita saber el código utilizado por el transmisor [8].
Frecuencia
Tiemp
o FDMA
C
an
al
1
C
an
al
2
C
an
al
3
...
C
an
al
N
Canal 2 Canal 3
Canal N
Canal 1 Frecuencia
Tiemp o
TDMA
Canal N Canal 3 Canal 2 Canal 1
CDMA
...
Código
Frecuencia
Tiemp o
a) b) c)
Referencias.
[1] Vijay K. Garg, Wireless Network Evolution 2G to 3G, Prentice-Hall, 2002.
[2] C. Smith and D.Collins, 3G Wireless Networks, McGraw-Hill,2001.
[3] Tero Ojanpera, Ramjee Prassad, Wideband CDMA for Third Generation Mobile
Communications, Artech House, 1998.
[4] Bernard Sklar, Digital communications fundamentals and applications, Prentice Hall, 2001.
[5] Leonhard Korowajczuk, Bruno de Souza Abreu Xavier, Arlindo Moreira Fartes
Filho, Leila Zurba Ribeiro, Cristine Korowajczuck, Luiz A. Da Silva, Designing
CDMA2000 Systems, Wiley, 2004.
[6]Simon Haykin, Sistemas de Comunicación, Limusa Wiley,2002.
[7] L.Hanzo, M. Münster, B.J. Choi and T.Keller, OFDMA and MC-CDMA for broadband
Multi user Communications,WLAN’s and broadcasting, John Wiley & Sons, 2003.
[9] Theodore S. Rappaport, Wireless Communications Principles and Practice, Pretince Hall,
Capítulo
2
CDMA2000
Enlace de subida: codificación y modulación Enlace de bajada: demodulación y decodificación
2.1. Arquitectura.
CDMA2000 puede introducir servicios de 3G en espectros que ya eran utilizados por los
sistemas de segunda generación, así como también tiene compatibilidad con su antecesor
IS-95, ya que utiliza distintas portadoras, con anchos de banda de 1.25 MHz y 3.75 MHz
[1]. Es esta compatibilidad la que le brinda dos ventajas importantes. La primera es que
CDMA2000 aprovecha la infraestructura ya existente y así solo requiere inversiones más
pequeñas para poder proveer servicios de 3G, la segunda es que al ser una evolución de
IS-95 existe un conocimiento previo del manejo de la red, por lo tanto los riesgos de
fallas por una mala administración serán menores.
Una diferencia muy notable entre el estándar CDMA2000 y el estándar IS-95 es que
CDMA2000 define de manera explícita cuatro capas de protocolo diferentes. Estas capas
son la capa física, la subcapa de control de acceso al medio, la subcapa de control de
acceso al enlace de señalización y las capas superiores. La figura 2.1. muestra la
estructura para CDMA2000 [4].
En la figura 2.1. se ilustran tres capas diferentes (capa 1, 2 y 3), las dos subcapas (MAC y
LAC), así como las entidades contenidas en la MAC que son SRBP y RLP, SRBP sirve
como una interface entre el canal común y la capa LAC, y RLP también sirve como una
interface pero entre el canal dedicado y las capas superiores.
Se muestran las unidades de datos que son unidades lógicas de señalización que son
intercambiadas entre las entidades SRBP/RLP y las entidades de las capas superiores,
existen dos tipos de unidades de datos, las PDU (Payload Data Unit) y las SDU (Service
Data Unit). Las PDU sirven como un medio de comunicación entre la capa LAC y las
capas superiores, mientras que las SDU también sirven como un medio de comunicación
pero entre la entidad RLP y las capas superiores [1,2].
Las capas de la arquitectura de CDMA2000 se describen a continuación:
Capa física. La capa física es la responsable de la transmisión y de la recepción de bits,
los cuales se encuentran organizados en tramas, sobre el medio físico. Para la telefonía
inalámbrica este medio físico es el espacio libre entonces, la capa tendrá que convertir
bits en formas de onda para poder hacer posible el envió de datos a través del espacio
libre. Además de hacer esta modulación, la capa física también realiza funciones de
codificación para la detección y corrección de errores.
También lleva a cabo la función de canalización, mediante la cual, podemos distinguir
entre usuarios diferentes que se encuentren en el sistema, para esto se utilizan códigos
ortogonales y casi ortogonales [1, 2].
Subcapa MAC. La subcapa MAC sirve como una interface entre la capa física y las
capas superiores, esta se encarga de llevar a cabo las siguientes funciones [3, 4]:
Controla el acceso de las capas superiores al medio físico el cual es compartido
entre varios usuarios, esto lo lleva a cabo mediante la calendarización de los
recursos (scheduling resources) y así poder asegurar una utilización eficiente del
ancho de banda disponible. Donde los recursos son los códigos de dispersión,
buffers, códigos convolucionales, entre otros.
También se encarga de multiplexar los canales lógicos y asignarlos a diferentes
canales físicos, del mismo modo demultiplexa los canales físicos y los asigna a
diferentes canales lógicos. Esto se lleva a cabo por las dos entidades contenidas
Protocol). RLP maneja paquetes de información de usuario, mientras que SRBP se
encarga de la señalización contenida en los canales comunes.
Subcapa LAC. La subcapa LAC es la responsable de la fiabilidad de los mensajes de
señalización que son intercambiados. Esta realiza un conjunto de funciones que aseguran
la entrega confiable de dichos mensajes [5].
Cada tipo de tráfico proveniente de las capas superiores tiene diferentes requerimientos
en cuanto a la calidad de servicio, la calidad de servicio se puede evaluar en términos de
variación de retardos, y tasas de errores. La función de la LAC es asegurarse, que estos
tipos de tráfico sean transportados a través del espacio libre, de acuerdo a sus
requerimientos de QoS (Quality of Service).
Los protocolos que son usados para mantener los requerimientos correspondientes,
en la capa de enlace de datos son ARQ (Automatic Repeat Request), ACK/NACK
(Acknowledgment/Negative Acknowledgment) [1].
Capas superiores. Las capas superiores se encargan del control total del sistema
CDMA2000, mediante la transición de estados que se especifican en el estándar de
CDMA2000 [6].
Además controla y ejecuta las funciones necesarias para establecer, mantener y terminar
una llamada.
Son en estas capas donde todo es procesado y se originan nuevos mensajes de
señalización.
La razón por la cual la arquitectura en capas es ahora usada para CDMA2000 es debido
a que brinda al sistema conformidad con la estructura establecida en IMT-2000.
2.2. Canales.
Además de la especificación de las capas, otros elementos importantes de la arquitectura
del protocolo son los canales. Los canales que ahora se encuentran disponibles en las
redes de CDMA2000, realizan funciones más especializadas que los que se encontraban
disponibles en IS-95 [4].
El canal común contenido en la capa MAC, es el que se encarga de realizar la asignación
los canales físicos comunes. Por otro lado el canal dedicado es el que realiza la
asignación entre los canales lógicos dedicados (canales que están dedicados a usuarios
específicos) y los canales físicos dedicados.
Los canales dedicados pueden ser usados para datos de señalización y datos de usuarios,
mientras que los canales comunes solo son usados para señalización.
2.2.1. Físicos.
Los canales físicos son el medio de comunicación entre la capa física y los canales
comunes y dedicados que se encuentran en las capas superiores. Podemos decir que los
canales físicos son los encargados de transportar la señalización y la información de
usuario a través del medio.
Los canales físicos son designados por letras mayúsculas. En la designación la primera
letra representa el enlace, F para el enlace de bajada (forward link) y R para el de subida
(reverse link).
En CDMA2000, el canal piloto transmite continuamente una portadora modulada, así la
estación móvil logra una sincronización inicial con la celda. El móvil mide la potencia de
la señal recibida y reporta a la estación base el resultado de la medición que realizo, esto
con la finalidad de iniciar un proceso de transferencia de llamada.
En CDMA2000 hay un canal piloto auxiliar, el cual permite extender la cobertura,
incrementar la capacidad, y proveer tasas de datos más altas, entre otras cosas.
Un canal de sincronización, que se encarga de la transmisión de los mensajes de
sincronía, así el móvil que se encuentre dentro del área de cobertura de una determinada
estación base, puede adquirir sincronización.
El canal de voceo es usado para transmitir al móvil, mensajes de cabecera y de voceo, en
el área de cobertura de la estación base correspondiente.
El canal de broadcast, se encarga de enviar los mensajes de cabecera.
El canal común de control se utiliza para mandar mensajes provenientes de la subcapa
MAC y de las capas superiores, a la estación móvil.
El canal fundamental se usa, para la transmisión de voz, señalización y tasas de datos
más bajas.
El canal suplementario provee tasas de datos más altas. El enlace de bajada soporta uno
o dos canales suplementarios. El listado de los nombres de los canales físicos del enlace
de bajada, se muestran en la tabla 2.1 [4].
Designación del canal
F-SCH Canal suplementario
F-SCCH Canal de código suplementario
F-FCH Canal fundamental
F-DCCH Canal dedicado de control
F-CCCH Canal común de control
F-BCCH Canal de control de broadcast
F-CPCCH Canal común de control de potencia
F-CACH Canal común de asignación
F-SYNCH Canal de sincronización
F-PICH Canal piloto
F-TDPICH Canal piloto de diversidad de transmisión
F-APICH Canal piloto auxiliar
F-ATDPICH Canal piloto auxiliar de diversidad de transmisión
Tabla 2.1 Canales físicos para el enlace de bajada de CDMA2000
El listado de los nombres de los canales físicos del enlace de subida en la tabla 2.2 [4].
Designación del canal
R-SCH Canal suplementario
R-SCCH Canal de código suplementario
R-FCH Canal fundamental
R-DCCH Canal dedicado de control
R-ACH Canal de acceso
R-EACH Canal mejorado de acceso
R-CCCH Canal común de control
R-PICH Canal piloto
2.2.2. Lógicos.
En todo sistema celular se necesitan ciertas funciones como son, establecer, liberar y
mantener las conexiones. Primero la estación móvil adquiere sincronización proveniente
de la red, de esta forma es como obtiene la información necesaria del sistema, como es, la
identificación de las celdas, códigos de dispersión, canales de acceso y listas de celdas
vecinas. Después de la sincronización, la estación móvil inicia una conexión que se
establece mediante canales de tráfico, durante esta conexión, se transmite información de
control.
Los canales lógicos se pueden dividir en canales de control y en canales de tráfico. Un
canal de control puede ser común o dedicado. Un canal común es un canal de control
punto a multipunto, mientras que un canal dedicado establece una conexión
bidireccional punto a punto. Un canal de tráfico lleva consigo una gran variedad de
información de usuario.
Se puede decir, que los canales lógicos son los medios de comunicación entre los canales
comunes y dedicados y las capas superiores.
Los canales lógicos están designados por letras minúsculas. La primera letra hace
referencia al enlace de bajada, f (forward link) o al enlace de subida r (reverse link).
Una lista de los nombres de los canales lógicos, se muestran en la tabla 2.3 [4].
Enlace de bajada Enlace de subida
Designación del canal Designación del canal
f-csch Canal común de señalización r-csch Canal común de señalización
f-dsch Canal dedicado de señalización r-dsch Canal dedicado de señalización
f-dtch Canal dedicado de trafico r-dtch Canal dedicado de trafico
Tabla 2.3 Canales lógicos para CDMA2000.
2.3. Control de Potencia.
El control de potencia es en general uno de los principales requerimientos para un
sistema CDMA2000, pues de este dependerá en gran medida la capacidad y la calidad
del sistema.
La necesidad de utilizar control de potencia se debe a que los usuarios de una celda
potencia de transmisión de cada móvil debe ser controlada, para limitar la interferencia.
Otro de los motivos se debe a que el usuario se está moviendo continuamente y por lo
tanto las condiciones del medio ambiente afectaran la potencia de la señal, ya que se
presentan desvanecimientos rápidos, obscurecimientos, interferencias externas y otros
factores del medio [7].
El objetivo del control de potencia, será entonces, limitar la potencia de transmisión en
los enlaces de bajada y subida manteniendo la calidad del enlace bajo todas las
condiciones.
En los sistemas CDMA2000 el control de potencia es necesario para reducir el efecto
cerca-lejos, en la figura 2.2 se ilustra este problema, consideremos una celda con dos
usuarios, para el caso del enlace de subida el usuario A se encuentra más cerca de la
estación base que el usuario B ambos usuarios transmiten a la misma potencia PT, debido
a la diferencia en distancia, la potencia que recibe el usuario A (PA) será más grande que
la potencia que recibe el usuario B (PB),ocasionando que el usuario A interfiera con el
usuario B, a esto se le conoce como el efecto cerca-lejos.
Por esto la finalidad del control de potencia es asegurar que todos los móviles logren
mantener el mismo nivel de potencia en la estación base. El nivel de potencia recibida
debe ser el mínimo necesario para cumplir con los objetivos de rendimiento (BER, FER, capacidad, disminución de la tasa de llamada y cobertura) [7].
d2 d1
Usuario B Usuario A
Potencia recibida PRAes
mayor (cerca)
Potencia recibida PRBes
menor (lejos)
PRA > PRB
PTA =PTB
Figura 2.2. Efecto cerca – lejos.
BER. Bit Error Rate.
