Desempeño de redes personales de comunicación WCDMA de tercera generación

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

DESEMPEÑO DE REDES PERSONALES

DE COMUNICACIÓN WCDMA

DE TERCERA GENERACIÓN

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO

DE MAESTRO EN CIENCIAS EN

INGENIERÍA

DE TELECOMUNICACIONES

PRESENTA:

ING. LAURA GARCÍA LÓPEZ

DIRECTORES DE TESIS:

M. en C. MARIO REYES AYALA (UAM-A)

M. en C. SERGIO VIDAL BELTRÁN

RESUMEN

Hoy en día, es ampliamente conocido que hay 3 generaciones de comunicaciones móviles. La primera generación 1G era una red analógica y sólo ofrecía servicios de voz. Debido a que las necesidades de comunicación se han incrementado, los sistemas de comunicación personal evolucionaron a la segunda generación (2G), es una red digital y proporciona servicios de voz, además de SMS, transferencia de datos a baja velocidad, etcétera. Ya que 2G no cumple con los requerimientos de comunicación que se tienen en la actualidad, 2G evoluciona a la tercera generación (3G).

En el presente trabajo de Tesis, se analizó la tercera generación, cuya interfaz de aire es WCDMA. Se explica su arquitectura, su control de potencia, el uso del receptor RAKE, las clases de servicios, entre otros aspectos.

El principal punto de interés dentro de WCDMA que se analiza en este trabajo es el traspaso de llamadas (Handover), debido a que 3G convive, actualmente con una red de segunda generación (GSM), es importante que tengan comunicación entre estas dos redes, además se explican los tipos de traspaso que realiza WCDMA: hard, soft y softer handover.

ABSTRACT

Nowadays, it’s widely known that there are three generations of mobile communications. The first generation (1G) was an analogical network and it was offering only voice services. Because the needs of communication have increased the personal communications systems change to the second generation (2G), it’s a digital network and it provides voice services and SMS too, transference of information at low rates, etc. Since 2G is not enough in comparison with the current requests of communication was necessary change to the third generation (3G).

In the present work of Thesis, the analysis of 3G was carried out; whose air interface is WCDMA. The architecture, the power control, the use of the receiver RAKE, the classes of services, between other aspects, are explained.

The principal aspect of interest in WCDMA that is analyzed in this work is the call transfer (Handover), because 3G coexists, with a network of the second generation (GSM). It is important that they have communication between these two networks, it is explained also the kind of handover that WCDMA does: hard, soft and softer handover.

ÍNDICE

ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABLAS ACRÓNIMOS

OBJETIVO JUSTIFICACIÓN INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LOS SISTEMAS PERSONALES DE COMUNICACIÓN

1.1 Sistemas de radiocomunicación

1.1.1 Diagrama a bloques de un sistema de radio móvil 1.1.2 Objetivos del diseño de un sistema de comunicación 1.1.3 Características de la radio móvil

1.1.4 Ancho de banda reducido

1.2 Concepto Celular 1.2.1 Sectorización 1.2.2 Tipos de celdas 1.2.3 Interferencia

1.2.3.1 Interferencia co-canal 1.2.3.2 Distancia de reuso

1.2.3.3 Interferencia de canal adyacente.

1.3 Generaciones de la telefonía celular 1.3.1 Primera Generación (1G) 1.3.2 Segunda Generación (2G) 1.3.3 Tercera Generación (3G)

CAPÍTULO 2. SISTEMAS DE ESPECTRO DISPERSO QUE EMPLEAN WCDMA

2.1 CDMA

2.1.1 Espectro disperso

2.1.1.1 Técnicas de espectro disperso 2.1.1.2 Ventajas del espectro disperso

2.2 WCDMA

2.2.1 Principales diferencias entre WCDMA y GSM 2.2.2 Control de potencia

2.2.2.1 Propósitos del control de potencia en WCDMA 2.2.2.2 Tipos de control de potencia

2.2.3 Receptor RAKE

2.3 Clases de servicio en UMTS

2.4 Principales parámetros en WCDMA

2.5 Arquitectura de la red de acceso de radio 2.5.1 Sistemas de alto nivel en 0UMTS 2.5.2 Arquitectura de UTRAN

2.6 Canales

2.6.1 Canales lógicos 2.6.2 Canales de transporte

2.6.2.1 Canales de transporte dedicado 2.6.2.2 Canales de transporte común

2.6.3 Proyección de los canales de transporte en los canales físicos

2.7 Estructura de trama

2.8 Codificación

2.8.1 Códigos de canalización

CAPÍTULO 3. TRANSFERENCIA DE LLAMADAS EN WCDMA

3.1 Handover

3.1.1 Motivos para realizar un Handover 3.1.2 Objetivos del Handover

3.1.3 Mediciones y procedimientos de Handover 3.1.4 Procedimiento de Handover

3.1.5 Parámetros en el algoritmo de Handover

3.2 Tipos de handover 3.2.1 Hard Handover

3.2.1.1 Intra-sistema

3.2.1.1.1 Modo comprimido 3.2.1.2 Inter-sistema

3.2.2 Soft Handover 3.2.3 Softer Handover

CAPÍTULO 4. CÁLCULO DEL HANDOVER EN WCDMA

4.1 Interferencia entre celdas 4.1.1 Patrón de reuso

4.2 Modelo de propagación

4.3 Probabilidad de falla

4.3.1 Probabilidad de falla en el Hard Handover 4.3.2 Probabilidad de falla en el Soft Handover

4.4 Factor de interferencia relativo a otras celdas 4.4.1 Factor de interferencia del Hard Handover

4.5 Probabilidad de error

CAPÍTULO 5. ALGORITMO PROPUESTO

5.1 Cálculo del margen y probabilidad de falla para hard y soft handover

5.2 Factor de interferencia relativo a otras celdas (Hard Handover)

5.3 Probabilidad de error

CAPÍTULO 6. IMPLEMENTACIÓN DEL ALGORITMO

6.1 Ventana Principal 6.2 Introducción

6.3 Cálculos

6.4 Probabilidad de Falla 6.5 Factor de Interferencia 6.6 Probabilidad de error

CAPÍTULO 7. RESULTADOS 7.1 Probabilidad de falla 7.2 Factor de Interferencia 7.3 Probabilidad de error

CONCLUSIONES REFERENCIAS

APÉNDICES

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO 1 Página

1.1 Sistema de Radiocomunicación

1.2 Diagrama a bloques de un sistema de comunicación de radio móvil

1.3 Propagación multitrayectoria 1.4 Clúster con 7 celdas

1.5 Sectorización, a)tres sectores, b)seis sectores 1.6 Tipos de celdas

1.7 Distancia de reuso de frecuencia

CAPITULO 2

2.1 Técnicas de acceso al medio 2.2 Reutilización de frecuencia 2.3 DSSS

2.4 Comparación entre sistemas de segunda y tercera generación 2.5 Efecto cerca-lejos

2.6 Principio de máxima combinación para el receptor Rake 2.7 Diagrama a bloques del receptor Rake

2.8 Arquitectura UMTS 2.9 Arquitectura UTRAN 2.10 Canales en WCDMA

2.11 Proyección de canales físicos 2.12 Trama de WCDMA

2.13 Trama del canal físico dedicado 2.14 Códigos

2.15 Árboles de códigos de canalización

CAPITULO 3

3.1 Fases de HO

3.2 Procedimiento de HO 3.3 Tipos de HO

3.4 Procedimiento de HO inter-sistema 3.5 Modo comprimido

3.6 Hard HO Intra-frecuencia 3.7 Hard HO inter-frecuencia 3.8 Soft Handover

3.9 Softer Handover

CAPÍTULO 4

4.1 Patrón de reuso de 4 celdas 4.2 Patrón de reuso de 7 celdas 4.3 Patrón de reuso de 12 celdas 4.4 Patrón de reuso de 19 celdas 4.5 Patrón de reuso de 21 celdas

4.6 Límites y distancia de la celda 4.7 Primer lazo, L=6

4.8 Segundo lazo, L=12 4.9 Tercer lazo, L=18

CAPÍTULO 5

5.1 Diagrama general

5.2 Cálculo del margen y de la probabilidad de falla para el Hard HO 5.3 Cálculo del margen y de la probabilidad de falla para el Soft HO 5.4 Factor de interferencia relativo a otras celdas (Hard HO)

5.5 Selección del número de celdas 5.6 Cluster de 4 celdas

5.7 Cluster de 7 celdas 5.8 Cluster de 12 celdas 5.9 Cluster 19 celdas 5.10 Cluster de 21 celdas 5.11 Probabilidad de error

CAPÍTULO 6

6.1 Ventana principal 6.2 Introducción 6.3 Cálculos

6.4 Probabilidad de falla, hard handover 6.5 Probabilidad de falla, soft handover

6.6 Factor de interferencia con respecto a otra celda 6.7 Factor de interferencia com respecto a otras celdas 6.8 Probabilidad de error

CAPÍTULO 7

7.1 Distancia contra probabilidad en Hard HO 7.2 Distancia contra probabilidad en Soft HO

7.3 Factor de relación de interferencia en relación con otra celda, =3

7.4 Factor de relación de interferencia en relación con otra celda, =4

7.5 Factor de relación de interferencia en relación con otra celda, =5

7.6 Factor de relación de interferencia en relación con otras celda, k=2

7.7 Factor de relación de interferencia en relación con otras celda, k=4

7.8 Factor de relación de interferencia en relación con otras celda, k=7

7.9 Factor de relación de interferencia en relación con otras celda, k=12

7.11 Factor de relación de interferencia en relación con otras celda, k=21

7.12 Probabilidad de error, L=6 7.13 Probabilidad de error, L=12 7.14 Probabilidad de error, L=18

MANUAL DE USUARIO

1 Menú principal 2 Introducción

3 Cálculos

4 Intervalo de distancias 5 Mensaje de error 6 Mensaje de error 7 Distancia

8 Opciones

9 Resultados

10 Gráfica de argen contra distancia 11 Resultados del cálculo de probabilidad 12 Gráfica de la probabilidad de falla

13 Resultados del cálculo del margen para soft handover 14 Selección del factor

15 Resultados del factor de interferencia 16 Opciones

17 Clúster de 4 celdas

18 Factor de interferencia con cuatro celdas 19 Selección de señales interferentes

20 Resultados

21 Menú de cada procedimiento

ÍNDICE DE TABLAS

CAPÍTULO 1

1.1 Generaciones de la telefonía celular

CAPÍTULO 2

2.1 Principales diferencias entre WCDMA y GSM 2.2 Clases de servicio en UMTS

2.3 Arquitectura de UMTS 2.4 Parámetros de WCDMA 2.5 Códigos en WCDMA

2.6 Funcionalidades y características de los códigos scrambling y de Canalización

CAPÍTULO 3

3.1 Mediciones para realizar un handover

CAPÍTULO 7

7.1 Probabilidad y margen para el hard handover 7.2 Probabilidad y margen para el soft handover 7.3 Factor de interferencia en relación con otra celda 7.4 Factor de interferencia en relación con otras celdas 7.5 Probabilidad de error, L=6

7.6 Probabilidad de error, L=12 7.7 Probabilidad de error, L=18

Página

15

23 28 30 38 39 41

46

ACRÓNIMOS

First Generation (Primera Generación) Second Generation (Segunda Generación) Third Generation (Tercera Generación) Third Generation Partnership Project

Advanced Mobile Phone System (Sistema de Telefonía Móvil Avanzado)

Access Network (Acceso de Red)

Broadcast Channel (Canal de Transmisión) Base Station (Estación Base)

Base Station Controller (Controlador de Estación Base)

Code Division Multiple Access (Acceso Múltiple por División de Código)

Tecnología de Segunda Generación basado en CDMA Core Network (Núcleo de Red)

Common Pilot Channel (Canal Piloto Común) Circuit Switched (Conmutación de Circuitos)

Digital Advanced Mobile Phone System (Sistema de Telefonía Móvil Avanzado Digital)

Direct Spread Code Division Multiple Access (Acceso Múltiple por División de Código Dispersión Directa)

Dedicated Channel (transport channel) (Canal dedicado, canal de transporte)

Digital Communications System (Sistemas de Comunicaciones Digital)

Dedicated Physical Control Channel (Canal de Control Físico Dedicado)

Dedicated Physical Data Channel (Canal Dedicado de Datos Físicos )

Downlink Shared Channel (Canal común de enlace de bajada) Direct Sequence Spread Spectrum (Espectro Disperso por Secuencia Directa)

European Telecommunications Standards Institute (Instituto de Estándares Europeo de Telecomunicaciones)

Forward Access Channel (Canal de Acceso Enviado) Frecuency Division Duplex (Doble División de Frecuencia)

Frecuency Division Multiple Access (Acceso Múltiple por División de Frecuencia)

Frequency Hopping Spread Spectrum (Espectro Disperso por Salto de Frecuencia)

Gateway MSC

General Packet Radio System (Sistema de Paquetes de Radio General)

HO IS-136 IF ITU LNA MSC MSC/VLR MT NMTS450 NTT OVSF PCH PCS PDC PLMN PS RACH RAKE RF RNC RRM SFN SGSN SMS SN SNR TACS TDD TDMA TE TN UE UMTS USIM

Comunicaciones Móviles Global)

Handover (Traspaso)

North American TDMA (TDMA en Norteamérica para las bandas de 800 MHz y 1900 MHz)

Intermediate Frecuency (Frecuencia Inermedia)

International Communications Union (Unión Internacional De Comunicaciones)

Low-Noise Amplifier (Amplificador de Bajo Ruido)

Mobile-Services Switching Centre (Centro de Conmutación de Servicios Móviles)

Mobile-Services Switching Centre/Visitor Location Register (Centro de Conmutación de Servicios Móviles/ Registro de Localización Visitantes)

Mobile Terrmination (Terminal Móvil) Nordic Mobile Telephone

Nippon Telegraph and Telephone Corporation

Orthogonal Variable Spreading Factor (Factor de Dispersión Ortogonal Variable)

Paging Channel (transport channel)

Personal Communications Systems (Sistema de Comunicación Personal)

Pacific Digital Cellular Public Land Mobile Network

Packet Switched (Conmutación de Paquetes)

Random Access Channel (Canal de Acceso Aleatorio)

Special Receiver Type used in CDMA (Receptor especial usado un CDMA)

Radio Frecuency (Frecuencia de Radio)

Radio Network Controller (Controlador de Red de Radio) Radio Resource Management

System Frame Number Serving GPRS Support Node

Short Message Service (Servicio de Mensajes Cortos) Sequence Number (Número de Secuencia)

Signal to Noise Ratio (Relación Señal a Ruido)

Total Access Communication System (Total Acceso al Sistema de Comunicación)

Time Division Duplex (Doble División de Tiempo)

Time Division Multiple Access (Acceso Múltiple por División de Tiempo)

Terminal Equipment (Equipo Terminal)

Terminal Node, Transit Network (Nodo Terminal) User Equipment (Equipo de Usuario)

Universal Mobile Telecommunications Services (Servicio de Telecomunicaciones Móvil Universal)

UTRA

UTRAN

VLR WCDMA

WEP Wi-Fi

Subscriptor UMTS)

Universal Terrestrial Radio Access (ETSI) (Acceso de Radio Terrestre Universal)

UMTS Terrestrial Radio Access Network (Red de Acceso de Radio Terrestre UMTS)

Visitor Location Register (Registro de Posición Visitante)

Wide-band Code Division Multiple Access (Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha)

OBJETIVO

Evaluar el desempeño de las redes personales de comunicación WCDMA de tercera generación, mediante los traspasos de llamadas (handover), analizando factores como: la interferencia que produce una celda base hacia otras celdas, teniendo en cuenta la distancia de reuso, de los clusters mas usados (4, 7, 12, 19 y 21); la probabilidad de falla que se presenta en el handover y la probabilidad de error.

JUSTIFICACIÓN

INTRODUCCIÓN

Los requerimientos tecnológicos de la actualidad con respecto a hace dos décadas han crecido en gran medida, rebasando expectativas. La evolución en el modo de vida y la forma de realizar negocios exigían soluciones sustanciales a corto y mediano plazo. Es imposible concebir la vida productiva de un país, de una empresa, o de una persona sin las herramientas tecnológicas de hoy en día.

Es así como las telecomunicaciones con base en la telefonía móvil han logrado su cúspide en la vida diaria de los habitantes del planeta, la concepción de un teléfono celular ha ido más allá que generar y recibir llamadas, se ha proliferado en una valiosa herramienta personal y de trabajo, simplificando tiempos y eliminando distancias, proporcionando servicios de voz, video y datos a altas velocidades a costos accesibles y de gran calidad.

3G, WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) es más que una novedosa arquitectura de capas horizontales, que el transporte, protocolos, interfaces y nodos separando tráfico y señalización, que el provechoso ancho de banda de 5 MHz o el concepto de spreading, es más que los servicios finales ofrecidos en un dispositivo que cuente con USIM, es más que solo una red celular.

WCDMA representa, sin duda, el vasto trabajo organizado y planeado a nivel mundial, advirtiendo el futuro, para desarrollar una red que sea capaz de lograr la flexibilidad en servicios dependiendo de las necesidades de los usuarios y la compatibilidad para ofrecer el servicio en cualquier parte del mundo.

El IMT-2000 tuvo como objetivo principal proveer la directriz de los diferentes desarrollos tecnológicos en cuanto a comunicaciones móviles se refiere, para permitir que todos los sistemas regionales evolucionen hacia sistemas globales.

WCDMA ha sido un eslabón hacia un sistema global de Telecomunicaciones, un plus que en primera instancia no pudo ofrecer DAMPS, GSM o CDMA-2000, ver a WCDMA sólo como un tipo de acceso por código de banda ancha sería un error; la aceleración que ha dado este sistema en el desarrollo de soluciones e implementaciones es importante, la arquitectura en tres capas principales: aplicación, control y conectividad representan no sólo el acceso, sino un universo de circuitos y paquetes conmutados, el transporte (TDM, ATM, IP), los protocolos de interfaces, la flexibilidad y autonomía de los diferentes nodos (Nodo B, RNC, GMSC, MSC Server, SGSNW, etcétera), la interacción con otras redes móviles y fijas (GSM, PSTN), la variación de velocidades en el enlace de bajada dependiendo del servicio solicitado, el control de potencia de 1500 veces por segundo en el enlace de bajada, el alcance implícito que puede tener una terminal móvil o simplemente una video llamada, en fin, la lista es inmensa.

El logro de WCDMA no sólo es poder alcanzar la velocidad de 2 Mbps que proporciona HSDPA al bajar un video a través del celular o una computadora personal, es toda una infraestructura, basada en acuerdos y protocolos internacionales, con el fin de agilizar la comunicación entre personas, de simplificar los procesos laborales, de contar con una herramienta en el mundo a cualquier hora para cualquier persona.

La presente Tesis muestra los resultados de un modelo que evalúa el desempeño de redes celulares WCDMA, tomando en cuenta diferentes patrones de reuso.

El trabajo de Tesis está estructurado en siete capítulos los cuales se detallan a continuación:

interferencia de canal adyacente que se origina cuando un canal de radio interfiere con otro cercano a él. Para finalizar, se comparan las características de las generaciones de la telefonía celular.

En el capítulo 2 se explican las tres técnicas de acceso al medio: TDMA (Time Division Multiple Access), FDMA (Frequency Division Multiple Access) y CDMA (Code Division Multiple Access); esta última de forma más detallada, ya que se mencionan algunas de sus características, tales como seguridad y privacidad, control de nivel de potencia, factor de reutilización de frecuencia, entre otras. Ya que WCDMA es una técnica de espectro disperso, se explica en qué consiste y sus principales ventajas. Todo lo anterior como antecedente de WCDMA.

En la práctica, están conviviendo dos tecnologías GSM (de segunda generación) y WCDMA (tercera generación), por lo cual, en este capítulo se explican algunas diferencias entre las dos tecnologías. Asimismo, se explica el control de potencia de WCDMA, sus principales parámetros y se finaliza el capítulo describiendo la arquitectura de WCDMA.

En el capítulo 3, se aborda el traspaso de llamadas (handover), los motivos para realizar un handover y los objetivos del mismo. También se explican las mediciones y procedimiento necesarios para realizar el handover. Como se mencionó anteriormente, WCDMA se encuentra conviviendo con GSM y los traspasos de llamadas entre ellos tienen que ser soportados. Esto se puede lograr gracias al Hard Handover, que es un tipo de handover que se explica en este capítulo, además de explicar el soft y el softer handover.

En el capítulo 4, se retoma la interferencia entre celdas y el patrón de reuso de frecuencias, se muestran figuras de los clusters más usados, los cuales son para 4, 7, 12, 19 y 21 celdas y se explica además, cómo se calcula la distancia entre las celdas de estos

clusters dentro del modelo propuesto. Y se empieza a hacer el cálculo de la probabilidad de falla (outage) en el hard y en el soft. También se realizan los cálculos del factor de interferencia relativo a otras celdas.

siguieron para llegar a los resultados finales en cada caso. Este algoritmo es la base para el desarrollo de un programa que permite la interacción con el usuario, es decir, el usuario podrá cambiar algunos datos para obtener los resultados que se muestran en los productos obtenidos del desarrollo de esta Tesis.

En el capítulo 6, se muestra la implementación del algoritmo, ésta se realizó en Visual Basic 6 que es un lenguaje de programación de alto nivel, el cual crea aplicaciones compactas y compatibles con los sistemas operativos de Microsoft. La ventaja de realizarlo en este lenguaje de programación, es que el usuario no debe de tener conocimientos sobre la programación en dicho lenguaje, ya que sólo le pedirá datos y el programa desplegará los resultados, para que cualquier persona interesada en el tema, pueda realizar sus propias pruebas.

Y finalmente, en el capítulo 7, mostramos los resultados que fueron obtenidos durante el desarrollo de la Tesis y al implementar el algoritmo que fue propuesto en el capítulo 5.

CAPÍTULO 1.

ESTADO DEL ARTE DE LOS SISTEMAS PERSONALES DE COMUNICACIÓN.

En la actualidad, es muy común encontrarse con personas que hablan por teléfono desde un aparato celular en el supermercado, en un estadio o caminando por la calle. El sistema que posibilita estas transmisiones se ha popularizado en todo el mundo hace menos de una década y tiene sus orígenes en el sistema móvil que ya se usaba en los Estados Unidos a principios del siglo pasado. Para una mejor comprensión del tema, se comenzará por analizar el sistema tradicional que derivó en lo que hoy es la red telefónica celular.

Debido a lo anterior, los Sistemas Personales de Comunicación (PCS) han ido incrementando sus posibilidades y en consecuencia, las dificultades de su implementación. En este capítulo se hace un análisis del estado del arte de los PCS.

1.1 SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIÓN.

En los sistemas de radiocomunicación, las señales se envían desde un transmisor hacia un receptor, en donde son capturadas y convertidas en señales de las mismas características de la fuente, ver figura 1.1.

Figura 1.1 Sistema de Radiocomunicación.

ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio sin guía artificial y cuyo límite superior de frecuencia se fija, convencionalmente, en 300 GHz.

El hecho de que el espectro radioeléctrico sea un recurso muy escaso de naturaleza, unido a la enorme demanda de servicios de radiocomunicación, implican que la asignación de frecuencias a dichos servicios sea un proceso complejo, sujeto a una cuidadosa planificación.

1.1.1 DIAGRAMA A BLOQUES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN DE RADIO MÓVIL.

En el diagrama de la figura 1.2 se muestra el flujo de la señal a través de un DCS (Digital Communication System). Los bloques de arriba –fuente de información, codificación de fuente, encriptamiento, codificación de canal, multiplexaje, modulación, dispersión del espectro- indican la transformación de la señal de la fuente al transmisor. Los bloques de abajo indican la transformación de la señal del receptor al destino.

Figura 1.2 Diagrama a bloques de un sistema de radiocomunicación de espectro disperso.

consiste de una antena, un amplificador de bajo nivel de ruido (LNA) y un convertidor de frecuencia intermedia (IF).

A continuación se describen los bloques de la figura 1.2.

• Formato: Transforma la información de la fuente en símbolos digitales, haciendo a la información compatible con el procesamiento de la señal y con el sistema de comunicación, es decir, convierte del y al formato original.

• Codificación de fuente: Remueve redundancia o la información innecesaria. Este proceso se lleva a cabo con el uso del codificador y decodificador de la fuente. En el extremo transmisor el codificador de la fuente elimina la mayor cantidad posible de información redundante e irrelevante de la fuente original. El resultado es una disminución en la tasa de bits y una reducción en los requerimientos de ancho de banda de transmisión. En el extremo receptor se inserta (aproximadamente) la información eliminada y se recupera la información en su forma original. Los algoritmos que llevan a cabo los procesos anteriores se denominan técnicas de compresión y sus objetivos fundamentales son:

Optimizar la cantidad de información a eliminar, de tal forma que el receptor no pueda identificar las diferencias entre la señal descomprimida y la de la fuente original.

Reducir la razón de bits de información, para disminuir los requerimientos de ancho de banda de transmisión.

• Encriptamiento y decodificación: Las dos razones principales para codificar y decodificar en comunicaciones son:

Privacidad, para prevenir que personas no autorizadas extraigan información del canal.

• Codificación de canal: La transmisión de la señal modulada por el medio radioeléctrico es afectada por diversos factores (ruido, interferencia, desvanecimiento, etcétera) que provocan que la señal digital de bandabase sea detectada con errores (un “1” interpretado como un “0” y viceversa). Para un índice de datos dada, puede reducir la probabilidad de error (PE) o

reducir la relación señal a ruido (SNR) requerida, pero sacrificando ancho de banda o aumentando la complejidad en el decodificador y viceversa. El objetivo de la codificación de canal es reducir la probabilidad de error de bit (PB) o reducir la Eb/N0, el costo es un mayor ancho de banda que el que

usualmente se necesitaría.

• Modulación: Es el proceso por el cual los símbolos son convertidos a formas de onda que son compatibles con el canal de transmisión. En el caso de modulación en banda base, esas formas de onda son pulsos; pero en el caso de modulación pasabanda, la señal de información deseada es modulada por una forma de onda senoidal llamada onda portadora o simplemente portadora. Para transmisión de radio la portadora se convierte en un campo electromagnético (EM) que se propaga hacia el destino. La transmisión de este campo a través del espacio se logra con el uso de antenas. La modulación puede ser usada para minimizar los efectos de la interferencia y para hacer un uso racional del espectro. Otro uso consiste en colocar una señal a una banda de frecuencia donde los requerimientos del diseño tales como filtrado y amplificación, los cuales se pueden lograr fácilmente. Por ejemplo, en la radio frecuencia (RF) las señales se convierten a una frecuencia intermedia (IF) en el receptor.

• Dispersión de frecuencia: Puede producir una señal que es menos vulnerable a interferencias (intencional o natural) y se puede usar para aumentar la privacidad de la comunicación.

Sincronización de símbolo y de fase: Son similares porque ambos se refieren a producir en el receptor una réplica o una porción de la señal transmitida. Para la sincronización de fase se necesita una portadora sinusoidal. Para sincronización de símbolo la réplica es una onda cuadrada, que puede pasar a de cero simultáneamente con la señal de llegada entre símbolos.

Sincronización de trama: Se requiere cuando la información se organiza en bloques o mensajes de algún número uniforme de símbolos. La sincronización de trama es equivalente a generar una forma de onda cuadrada en tasa de trama, con el cero coincidiendo con la transmisión de una trama a la siguiente.

Algunos sistemas de comunicación que usan modulación coherente necesitan los tres niveles de sincronización: fase, símbolo y trama. Los sistemas que usan modulación no coherente regularmente utilizan sincronización de trama y de símbolo; pero como es modulación no coherente, requieren sincronización de frecuencia, que difiere de la sincronización de fase, en que la réplica de la portadora que se genera en el receptor puede tener una constante arbitraria de compensación de fase de la portadora recibida.

1.1.2 OBJETIVOS DEL DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN. Los objetivos del diseño son:

• Maximizar la transmisión de la tasa de bits, Rb.

• Minimizar la probabilidad de error de bit, PB.

• Minimizar la potencia requerida o equivalentemente la energía de bit a densidad de ruido requerida, Eb/N0.

• Minimizar el ancho de banda del sistema, B.

• Minimizar la complejidad del sistema, carga computacional y los costos del sistema.

1.1.3 CARACTERÍSTICAS DE LA RADIO MÓVIL.

Fundamentalmente son dos las características diferenciales del canal de radio móvil frente a la red fija: las altas tasas de error y el ancho de banda reducido.

Tasas altas de error

La información enviada a través del canal de radio resulta, inevitablemente, deteriorada. Algunas de las causas de este deterioro son:

• Los obstáculos reducen el nivel de la señal captada por el receptor y crea una gran cantidad de trayectorias al receptor. Este fenómeno, inherente al canal de radio, es conocida como desvanecimiento lento o ensombrecimiento (shadow fading o shadowing). La reducción en el nivel de la señal por causa de este desvanecimiento es transitoria si el emisor o bien, el receptor están en movimiento. La duración de la pérdida de señal puede durar unos pocos milisegundos o incluso, prolongarse varios segundos dependiendo de factores como la naturaleza del obstáculo o la velocidad del móvil.

Figura 1.3 Propagación multitrayectoria

• Las interferencias procedentes de transmisiones concurrentes pueden degradar la relación señal/interferencia.

• La limitación de la potencia transmitida por los terminales móviles, debida tanto a la necesidad de minimizar las interferencias como a consideraciones relacionadas con su alimentación mediante baterías contribuye, también, a la presencia de altas tasas de error en los enlaces de radio.

• El ruido de ambiente es inevitable en un entorno abierto y frágil como el canal de radio. En núcleos urbanos, este factor es especialmente influyente.

Además, hay que tener en cuenta, que el efecto combinado de los mecanismos generadores de errores en la mayoría de canales es tal, que éstos se producen en forma de ráfagas. Esto significa que los canales sufren períodos erráticos durante los cuales toda comunicación a través de ellos resulta inviable. Existe, por tanto, cierta dependencia estadística en la ocurrencia de los errores. En estas condiciones no se puede suponer independencia de probabilidad de error.

interferencias. Durante los periodos de ráfaga, la terminal (o la estación base) recibe sólo una señal muy débil, de manera que todos los intentos de transmisión de datos resultan fallidos con muy alta probabilidad.

1.1.4 ANCHO DE BANDA REDUCIDO

El ancho de banda disponible para la comunicación entre el móvil y la estación base es, siempre limitado, en el caso de los sistemas personales. Por lo tanto, un aspecto primordial en el diseño de los sistemas móviles debe ser el uso eficiente del ancho de banda disponible.

1.2 CONCEPTO CELULAR.

En los sistemas celulares, el área de cobertura de un operador está dividida en celdas. Célula o celda es el área en el cual un sitio de transmisión particular es el más probable de servir las llamadas telefónicas móviles. Una celda corresponde a una zona cubierta por un transmisor o una pequeña colección de transmisores. El tamaño de la celda depende de la densidad de usuarios por unidad de área.

El concepto de reuso de frecuencias (frequency reuse) se refiere al uso de las mismas frecuencias portadoras, para cubrir distintas áreas separadas por una distancia suficientemente grande para evitar la interferencia co-canal. En lugar de cubrir una área desde un único sitio de transmisión con alta potencia y altura considerable, el proveedor de servicios puede subdividir el área en sub-áreas, zonas, células o celdas en donde cada una necesita un transmisor de menor potencia.

Con el fin de trabajar apropiadamente un sistema celular se deben cumplir dos condiciones:

• Celdas vecinas no pueden compartir los mismos canales. Con el fin de reducir la interferencia las frecuencias pueden ser re-usadas siguiendo ciertas reglas.

Un sistema podría estar diseñado con células en forma de cuadrados o triángulos equiláteros pero, por razones de dibujo y relaciones geométricas los diseñadores de sistemas de los Laboratorios Bell adoptaron la forma de hexágono. En este caso, en una matriz de celdas no existe solapamiento ni espacios vacíos. Al área formada por K celdas adyacentes que utilizan canales diferentes, se le llama cluster. Tal como se muestra en la figura 1.4.

Figura 1.4 Clúster con 7 celdas.

1.2.1 SECTORIZACIÓN

La sectorización puede lograrse dividiendo una celda en tres sectores de 120° cada uno, y la sectorización en 6, se logra dividiendo la celda en 60°, como se muestra en la figura 1.5:

a) b)

Figura1.5 Sectorización a) tres sectores, b) seis sectores 6

3 7

1

4 5

Cada sector es tratado como una celda, se usan antenas direccionales para cada sector. Debido al ancho del haz de la antena, los canales se repiten con más frecuencia cuando dividimos la celda en 6 sectores, aumentando así su capacidad.

1.2.2 TIPOS DE CELDAS.

Para poder implementar adecuadamente la cobertura de la red de telefonía móvil existen diversos tipos de celdas en función de la magnitud del área a cubrir que van desde las macroceldas utilizadas para cobertura suburbana y rural, las microceldas para entorno urbano y las picoceldas para entornos residenciales o interiores.

• Macroceldas: Son celdas con un radio amplio, normalmente hasta 20 km. Se caracterizan por dirigirse a una densidad de tráfico de baja a media. Suelen estar situadas en entornos rurales o suburbanos sin excesivos elementos que interfieran en la señal de radio transmisión.

• Microceldas: Estas celdas son usadas para áreas densamente pobladas.

Dividiendo las zonas en pequeñas áreas, el número de canales disponibles aumenta y por lo tanto la capacidad de las celdas. El nivel de potencia de los transmisores usados en estas celdas es menor, reduciendo la posibilidad de interferencia entre celdas vecinas. Varían entre 50 a 1000 m.

• Picoceldas: El radio de la celda varía entre 5 m a 50 m y se maneja una potencia extremadamente baja. Generalmente sus aplicaciones son para interiores y áreas de muy alta densidad de usuarios.

Figura 1.6 Tipos de celdas

1.2.3 INTERFERENCIA.

La interferencia es el principal factor que limita el desarrollo de los sistemas celulares. Las fuentes de interferencias incluyen a otras estaciones móviles dentro de la misma celda, o cualquier sistema no celular que de forma inadvertida introduce energía dentro de la banda de frecuencia del sistema celular. Las interferencias en los canales de voz causan el "cross-talk", consistente en que el abonado escucha interferencias de fondo debidas a una transmisión no deseada. Sobre los canales de control, las interferencias conducen a llamadas perdidas o bloqueadas debido a errores en la señalización digital. Las interferencias son más fuertes en las áreas urbanas, debido al mayor ruido de radio frecuencia y al gran número de estaciones base y móviles. También son las responsables de la mayoría de las llamadas entrecortadas.

Los dos tipos principales de interferencias generadas por sistemas son las interferencias co-canal y las interferencias entre canales adyacentes. Aunque las señales de interferencia se generan frecuentemente dentro del sistema celular, son difíciles de controlar en la práctica (debido a los efectos de propagación aleatoria). Pero las interferencias más difíciles de controlar son las debidas a otros usuarios de fuera de la banda (de otros sistemas celulares, por ejemplo), que llegan incidentalmente debido a los productos de intermodulación intermitentes o a sobrecargas de la terminal de otro abonado. En la práctica, los transmisores de portadoras de sistemas celulares de la competencia, son frecuentemente una

Picocelda

Microcelda

fuente significativa de interferencias de fuera de banda, dado que la competencia frecuentemente coloca sus estaciones base cerca, para proporcionar una cobertura comparable a sus abonados.

1.2.3.1 INTERFERENCIA CO-CANAL.

El reuso de frecuencias implica que en un área de cobertura dada existan varias celdas que usen el mismo conjunto de frecuencias. Estas celdas son llamadas celdas co-canales y la interferencia entre las señales de estas celdas es llamada interferencia co-canal.

Al contrario del ruido térmico que se puede reducir incrementando la relación señal a ruido (SNR Signal to Noise Ratio), la interferencia co-canal no se puede disminuir, simplemente aumentado la potencia de la portadora de transmisión; ya que si se incrementa esta potencia, se incrementaría la interferencia hacia celdas co-canales vecinas.

Para reducir esta interferencia, las celdas que usen las mismas frecuencias deben estar separadas físicamente una distancia mínima para proveer suficiente atenuación entre ellas.

1.2.3.1.1 DISTANCIA DE REUSO.

La mínima distancia que permite reutilizar la misma frecuencia depende de muchos factores, tales como el número de celdas co-canales en la vecindad de la celda central, la característica geográfica del terreno circundante, la altura de la antena, y la potencia transmitida en cada celda.

La distancia de reuso de frecuencia puede ser determinada mediante:

3

D

N

R = (1.1)

D es la distancia de reuso de frecuencia, m. R es el radio de la celda, m.

N es el número de celdas por cluster o patrón de reuso de frecuencia mostrado en la siguiente figura:

Figura1.7 Distancia de reuso de frecuencia.

1.2.3.2 INTERFERENCIA DE CANAL ADYACENTE.

La interferencia de canal adyacente ocurre cuando un canal de radio interfiere con otro cercano a él. Cada canal de radio tiene un ancho de banda limitado, pero parte de la energía se transmite fuera de esta banda.

También puede ser causada por la inhabilidad del teléfono móvil para filtrar las frecuencias de canales adyacentes de sitios cercanos. Esta interferencia ocurre más frecuentemente en pequeños clusters.

1.3 GENERACIONES DE LA TELEFONÍA CELULAR.

1.3.1 PRIMERA GENERACIÓN (1G).

La 1G de la telefonía móvil hizo su aparición en 1979 y se caracterizó por ser analógica y estrictamente para voz. La calidad de los enlaces era muy baja, tenían baja velocidad (2,400 bauds). En cuanto a la transferencia entre celdas, era muy imprecisa ya que contaban con una baja capacidad (basadas en FDMA, Frequency Division Multiple Access) y, además, la seguridad no existía. La tecnología predominante de esta generación es AMPS (Advanced Mobile Phone System).

1.3.2 SEGUNDA GENERACIÓN (2G).

La 2G arribó hasta 1990 y a diferencia de la primera se caracterizó por ser digital. EL sistema 2G utiliza protocolos de codificación más sofisticados y se emplea en los sistemas de telefonía celular actuales. Las tecnologías predominantes son: GSM (Global System for Mobile Communications); IS-136 (conocido también como TIA/EIA136 ó ANSI-136), CDMA (Code Division Multiple Access) y PDC (Personal Digital Communications), éste último utilizado en Japón.

Los protocolos empleados en los sistemas 2G soportan velocidades de información más altas por voz, pero limitados en comunicación de datos. Se pueden ofrecer servicios auxiliares, como datos, fax y SMS (Short Message Service). La mayoría de los protocolos de 2G ofrecen diferentes niveles de codificación. En Estados Unidos y otros países se le conoce a 2G como PCS.

1.3.3 TERCERA GENERACIÓN (3G).

A continuación se muestra un cuadro comparativo de las generaciones de la telefonía celular.

Tabla 1.1 Generaciones de telefonía celular

1G 2G 3G

Analógico Digital Digital

Técnica de acceso FDMA TDMA CDMA

Servicios Voz Voz, SMS

Aplicaciones audio y video en tiempo real, videoconferencia, acceso rápido a Internet,

Sistema AMPS, NMTS450,

TACS, NTT

D-AMPS, GSM, IS-136, CDMAone,

PDC

UMTS, WCDMA

Los sistemas de tercera generación deberán proveer soporte para aplicaciones como:

• Voz en banda estrecha a servicios multimedia en tiempo real y banda

ancha.

• Apoyo para datos a alta velocidad para navegar por la World Wide Web,

entregar información como noticias, tráfico y finanzas por técnicas de empuje y acceso remoto inalámbrico a Internet e intranets.

• Servicios unificados de mensajes como correo electrónico multimedia. • Aplicaciones de comercio electrónico móvil, que incluye operaciones

bancarias y compras móviles.

• Aplicaciones audio/video en tiempo real como videoteléfono,

videoconferencia interactiva, audio y música, aplicaciones multimedia especializadas como telemedicina y supervisión remota de seguridad.

3GPP (Third Generation Partnership Project) es un foro formado por diferentes países para la elaboración de especificaciones técnicas de UMTS.

Entre todas las tecnologías consideradas para la interfaz de aire de UMTS, ETSI eligió en enero de 1998 la nueva tecnología WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access).

CAPÍTULO 2.

SISTEMAS PERSONALES DE ESPECTRO DISPERSO QUE EMPLEAN WCDMA

Como vimos en el capítulo 1, los sistemas personales de comunicación están basados en tres técnicas de acceso al medio: TDMA (Time Division Multiple Access), FDMA (Frequency Division Multiple Access) y CDMA (Code Division Multiple Access). La figura 2.1 muestra una comparación entre las tres técnicas de acceso al medio mencionadas. La principal diferencia entre ellas es: en FDMA, cada usuario utiliza una frecuencia, todo el tiempo que la requiera; en TDMA, el usuario utiliza toda la banda de frecuencia un tiempo determinado; y en CDMA el usuario utiliza toda la banda de frecuencia, todo el tiempo que la necesita debido a que los usuarios, se distinguen por códigos, como se puede observar en la figura 2.1. En este capítulo se explicará la técnica CDMA, ya que WCDMA está basado en esta técnica.

Figura 2.1 Técnicas de acceso al medio, a) FDMA, b) TDMA, c) CDMA.

a) _b)

2.1 CDMA

CDMA es un término genérico que define una interfase de aire inalámbrica basada en la tecnología de espectro disperso (spread spectrum).

Los sistemas de comunicación digital son diseñados para maximizar la capacidad de utilización. Del principio de capacidad del canal de Shannon, expresado en la ecuación (2.1), se ve que la capacidad del canal puede ser aumentada incrementando el ancho de banda del canal.

(

)

2

log 1

C=B +S N (2.1)

donde

B es el ancho de banda, Hz

C es la capacidad del canal, bits/s

S es la potencia promedio de la señal, W N es la potencia promedio de ruido, W

Así para una relación señal a ruido (S/N), la capacidad se incrementa si el ancho de banda usado para transmitir información también se incrementa. Como lo mencionamos anteriormente, CDMA es una tecnología que expande la señal original sobre un ancho de banda dado, antes de que sea transmitida.

En CDMA, a cada usuario se le asigna un único código de secuencia pseudoaleatoria (código de dispersión) que es usado para extender la señal de información a una señal de banda ancha antes de que sea transmitida. El receptor conoce la secuencia de código para cada usuario y puede decodificarlo para recuperar los datos originales. Más adelante se explicará detalladamente el espectro disperso.

• Seguridad y privacidad

La técnica de espectro disperso es muy utilizada para aplicaciones militares donde la seguridad de las conversaciones y protección de los datos es importante. Diseñado con alrededor de 4.4 billones de códigos, CDMA virtualmente elimina la clonación de dispositivos y es muy difícil capturar y descifrar una señal.

• Control del nivel de potencia

Empleando técnicas de procesamiento de señales, corrección de error, etcétera, CDMA supera el problema de la potencia con una serie de ciclos de retroalimentación. Con un control automático de la ganancia en las terminales y una supervisión constante del nivel de la relación señal a ruido y tasas de error en la radio base, se regulan picos en el nivel de potencia con circuitos electrónicos, que ajustan la potencia a una razón de 800 veces en un segundo. Esto tiene gran repercusión en el ajuste dinámico del tamaño de las celdas. En una celda congestionada, la potencia de todas las terminales se elevaría creando interferencia mutua. En el margen, las transmisiones a alta potencia inundarían a las celdas vecinas, donde éstas podrían ser tomadas por la radio base adyacente. En una celda con poca densidad, la potencia es tan baja que la celda se reduce efectivamente, transmitiendo sin interferencia hacia las celdas vecinas mejorando el desempeño de las mismas.

• Resistencia a la interferencia, ruido del ambiente y multitrayectorias

tiempo ocasionan que éstas interfieran a las ranuras adyacentes haciendo que se interfieran las llamadas y se caigan.

• Factor de reutilización.

Pueden utilizarse las mismas frecuencias en una célula y en la adyacente, como se muestra en la siguiente figura.

a) b)

Figura 2.2 Reutilización de frecuencia a) factor de 1, b) factor de 3.

• Traspaso con continuidad.

Permite realizar un traspaso de una célula a otra de tal manera que no existan micro-cortes.

• Capacidad.

CDMA tiene mayor capacidad que los sistemas basados en FDMA o TDMA, en un sistema multicelular.

• Capacidad celular.

2.1.1 ESPECTRO DISPERSO.

El ancho de banda de las señales transmitidas es mucho mayor que el mínimo necesario para transportar la información.

2.1.1.1 TÉCNICAS DE ESPECTRO DISPERSO.

Espectro disperso de secuencia directa(Direct Sequence Spread-Spectrum DSSS): Se basa en la multiplicación de la secuencia de bits original por una secuencia digital (chips) de velocidad mayor. El código de expansión expande la señal por una gran banda de frecuencias. La expansión es proporcional al número de bits usados. Esta técnica es la más usada y es la base de WCDMA.

Figura 2.3 DSSS

Espectro disperso por salto de frecuencia (Frecuency Hopping Spread-Spectrum FHSS): Se basa en que la frecuencia de la portadora cambia con el tiempo según una secuencia de código preestablecida. El orden de frecuencias seleccionadas por el transmisor es dictado por la secuencia de código. El receptor sigue la pista a estos cambios y produce una señal IF constante. Con esta técnica, los receptores no sincronizados sólo escuchan ‘beeps’ y cuando se producen intentos de saturar un canal, sólo se bloquean unos cuantos bits.

2.1.1.2 VENTAJAS DEL ESPECTRO DISPERSO

• Se mejora la inmunidad frente a distintos tipos de ruido y distorsión multitrayectoria.

• Se puede usar para encriptar señales. La señal recibida sólo se puede decodificar si se conoce el código del usuario.

• Distintos usuarios pueden usar independientemente el mismo ancho de banda con muy poca interferencia.

• Capacidad de acceso múltiple: Asignándole a distintos usuarios distintos códigos, es posible transmitir multiplexadas varias comunicaciones. Para evitar problemas, es importante que los códigos de los distintos usuarios tengan una baja correlación.

• Rechazo de interferencias: Al realizar una correlación entre la señal recibida y el código de usuario, se pueden corregir errores producidos por interferencias

2.2 WCDMA.

En foros de estandarización, la tecnología WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) ha emergido como la tecnología más adoptada como interfase de aire para la tercera generación. Esta especificación ha sido creada en la 3GPP (Third Generation Partnership Project). Con 3GPP, WCDMA es llamado UTRA (Universal Terrestrial Radio Access).

2.2.1 PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE WCDMA Y GSM

Los sistemas de segunda generación se diseñaron principalmente para proveer servicios de voz en macro celdas. La Tabla 2.1 muestra una comparación entre WCMA y GSM, mostrando las principales diferencias entre ellos.

Tabla 2.1 Principales diferencias entre WCDMA y GSM

WCDMA GSM

Espaciamiento de

portadora 5 MHz 200 kHz

Factor de reuso de

frecuencia 1 1-18

Control de potencia de

frecuencia 1500 Hz 2Hz o menos

Control de calidad Manejo de algoritmos _{de recursos de radio} Planificación de red (Planificación de frecuencia)

Diversidad de frecuencia diversidad de multitrayectoria con el Ancho de banda de 5MHz, dada la

receptor Rake Salto de frecuencia

En contraste con la segunda generación de los sistemas de banda estrecha CDMA, WCDMA no requiere una sincronización con las estaciones base, es decir, que no requiere que cada estación base sea capaz de realizar una recepción GPS (Global Positioning System).

La siguiente figura muestra una comparación entre sistemas de segunda generación que utilizan TDMA y WCDMA sistema de tercera generación.

b) WCDMA

Figura 2.4 Comparación entre sistemas de segunda y tercera generación, a)TDMA, b)WCDMA.

2.2.2 CONTROL DE POTENCIA

El efecto cerca lejos (near-far) es un factor determinante en la capacidad de la celda, ya que la terminal más cercana a la estación base podría bloquear al resto de las terminales. En la figura 2.5 se muestra el efecto cerca-lejos. Este efecto se presenta en el enlace de subida (uplink) debido a que las atenuaciones en las señales de/hacia los usuarios de estaciones base cercanas son más fuertes que las señales de/hacia usuarios localizados más lejos. Y en el enlace de bajada (downlink) debido a la atenuación natural en el límite de las celdas los usuarios experimentan interferencia más grande que los usuarios cerca de la estación base. Estos usuarios experimentan interferencias de distintas estaciones base.

2.2.2.1 PROPÓSITOS DEL CONTROL DE POTENCIA EN WCDMA Algunos de los propósitos son:

• Remover el efecto cerca-lejos. • Atenuar el fading.

• En el uplink, hace que la potencia de las señales de diferentes usuarios cercanos sea igual para maximizar la capacidad total de la celda.

• En el downlink, conserva la potencia al nivel mínimo requerido para disminuir la interferencia de los usuarios en otras celdas.

2.2.2.2 TIPOS DE CONTROL DE POTENCIA.

• Control de potencia de lazo cerrado. La estación base mide la potencia recibida y por un canal de bajada envía comandos que hacen incrementar o disminuir la potencia que transmite el móvil. La velocidad con que se envían los comandos debe ser mayor que la velocidad de variación del canal. El móvil transmite de manera continua por un canal de subida.

• Control de potencia de lazo abierto. El receptor no informa al transmisor del nivel de calidad con el que está recibiendo la señal. El móvil conoce la potencia transmitida por el canal piloto, mide la potencia recibida y por tanto estima la atenuación del trayecto y decide la potencia a transmitir. La estación base envía una señal piloto. El nivel de potencia es muy importante porque si es mayor del necesario, podría causar interferencia a otros receptores, y si el nivel de potencia es demasiado bajo resultará en una mala calidad. WCDMA actualiza los niveles de potencia 1500 veces cada segundo.

2.2.3 RECEPTOR RAKE.

Las acciones que toma WCDMA para minimizar el fading son:

• El retraso de las señales se combinan utilizando los fingers del receptor Rake (receptores de correlación) localizados en los puntos donde llega la energía.

• Se utiliza el control rápido de potencia y la recepción por diversidad inherente del receptor Rake.

• El canal puede rotar la señal en fase y amplitud.

En la siguiente figura, se observa cómo se combinan los fingers de un receptor Rake.

Figura 2.6 Principio de máxima combinación con el receptor Rake.

Figura 2.7 Diagrama a bloques del receptor Rake.

2.3 CLASES DE SERVICIO EN UMTS.

Las redes UMTS son diseñadas para el inicio de varios tipos de servicios, donde cada nuevo servicio no requiere una optimización en particular de la red. Las clases de servicios son:

a) Conversacional

b) Streaming o flujo de información c) Interactivo

d) Background o de fondo

La Tabla 2.2 muestra una comparación los cuatro clases de servicios que ofrece UMTS.

Tabla 2.2 Clase de servicio en UMTS.

Servicio Conversacional Streaming Interactivo Background

Características -Retardo bajo (80ms) -Pequeñas variaciones de retardo -Tasa de bit garantizado (arriba de los 2 Mbps) -Retardo moderado (250ms) y variaciones -Conserva la relación del tiempo entre entidades de información - Tasa de bit garantizado (arriba de los 2 Mbps) -Variaciones moderadas de retardo -Requiere patrón de respuesta -Conserva la integridad de los datos

-Destino (aplicación de usuario final) no requiere de

respuesta en un cierto tiempo -Requiere alta integridad de datos

Aplicaciones Voz, video _conferencias Streaming_{streaming audio} video, Internet o web _browsing Descarga de datos, _e-mail

2.4 PRINCIPALES PARÁMETROS EN WCDMA

WCDMA es un sistema de Acceso Múltiple por División de Código de banda ancha de secuencia directa (DS-CDMA): los bits de información son propagados sobre un gran ancho de banda, multiplicando los datos de usuario con una secuencia de bits aleatorios (llamados chips) derivados de códigos de dispersión de CDMA.

La tasa de chip de 3.84 Mcps usa una portadora de aproximadamente 5 MHz de ancho de banda. El espaciamiento actual entre portadoras puede ser seleccionado entre aproximadamente 4.4 y 5 MHz dependiendo de la interferencia entre portadoras.

WCDMA soporta dos modos básicos de operación: FDD y TDD.

• FDD: División de Frecuencia Duplex (Frequency Division Duplex). Se usa la frecuencia de separación entre portadoras de 5 MHz para uplink y downlink, respectivamente.

• TDD: División de Tiempo Duplex (Time Division Duplex). Sólo se utiliza una portadora de 5 MHz para uplink y downlink.

WCDMA está diseñado para ser usado junto con GSM. Por lo tanto, handovers entre WCDMA y GSM son soportados para sostener la cobertura GSM para la introducción de WCDMA.

2.5 ARQUITECTURA DE LA RED DE ACCESO DE RADIO

Parte del núcleo de red del sistema UMTS, está fundado en la red GSM que ha evolucionado de la conmutación de circuitos para una red de voz a una plataforma mundial para servicios de datos, tales como mensajes cortos. A continuación se explica la arquitectura de UMTS.

2.5.1 SISTEMAS DE ALTO NIVEL EN UMTS

La siguiente figura muestra los diferentes dominios de UMTS.

Figura 2.8 Arquitectura UMTS

Tabla 2.3 Arquitectura de UMTS.

Equipo Móvil

Consiste de:

-Equipo terminal (TE Terminal Equipment) contiene las aplicaciones finales.

-Terminal móvil (MT Mobile Termination) realiza la transmisión de radio y funciones relacionadas.

Equipo de usuario

USIM El módulo de identidad de servicios de usuario (Services Identity Module) contiene datos para la identificación USIM User y seguridad del usuario.

Acceso a la red (AN Access Network)

Consiste de la capa física que maneja los recursos para el acceso a la red y provee los mecanismos para acceder al núcleo de red.

Infraestructura

Núcleo de red (CN Core

Network)

Consiste de la capa física que proporciona el soporte de las características de la red y servicios de telecomunicaciones; es decir, manejo de la información de la localización de usuarios, control de las características y servicios de la red.

Incluye:

- Red Sirviendo (SN Serving Network) representa los puntos de acceso al núcleo de red de los usuarios locales y los cambios de localización cuando esta en movimiento.

- Red Local (HN Home Network) representa los puntos de acceso de los usuarios locales permanentes. El USIM está subscrito al HN.

- Red transitoria (Transit Network)

2.5.2 ARQUITECTURA DE UTRAN.

Los elementos de la red son agrupados dentro de la red de acceso de radio (RAN Radio Access Network, UMTS Terrestrial RAN=UTRAN) que maneja todas las funciones relacionadas con el acceso de radio, y el núcleo de red, el cual es responsable de la conmutación, el ruteo de llamadas y conexiones de datos a redes externas. La figura 2.9 muestra la arquitectura de UTRAN.

A continuación se describe cada uno de los elementos de UTRAN:

• Nodo B, estación base (Node B, Base Station): Las funciones que realiza están relacionadas con la capa física (codificación de canal, modulación, spreading, etcétera) y algunas funciones de la administración de los recursos de radio (RRM Radio Resource Management) como el control de potencia. Corresponde a la estación base en GSM.

• RNC, controlador de la red de radio (Radio Network Controller): controla a un grupo de Nodos B. Es equivalente al controlador de estaciones base (BSC Base Station Controller) de GSM. Es el punto de acceso para todos los servicios proporcionados por CN, por ejemplo, administración de conexiones al UE.

• MSC/VLR, centro de conmutación de servicios móviles/Registro de localización visitante (Mobile Services Switching Centre/Visitor Location Register) es el switch entre MSC y la base de datos VLR que sirve al UE en su ubicación actual para el servicio de conmutación de circuitos (CS Circuit Switched). El MSC se usa para conmutar las operaciones de CS y la función VLR tiene una copia del servicio de usuario visitante. La parte de la red que se accesa por MSC/VLR es referida como el dominio CS.

• SGSN, servicio GPRS (Serving GPRS (General Packet Radio Services) Support Node). Funcionalmente es similar a MSC/VLR pero se usa para servicios de conmutación de paquetes (PS Packet Switched). La parte de la red que es accesada por SGSN es frecuentemente referida como el dominio PS.

Ahora se definirán las interfases entre los elementos de la red: • Cu. Es la interfase eléctrica entre USIM y ME.

• Uu. Es la interfase de radio a través de la cual la UE accede a las partes fijas del sistema y es probablemente la interfase abierta más importante de UMTS.

• Iu. Conecta a UTRAN con CN

• Iub. Conecta al nodo B con una RNC

• Iu CS (Iu para conmutación de circuitos) para conectar UTRAN a conmutación de circuitos (CS) en CN.

• Iu PS (Iu conmutación de paquetes) para conectar UTRAN a conmutación de paquetes (PS) en CN.

2.6 CANALES

La organización de canales usados en WCDMA consiste de tres capas: canales lógicos, canales de transporte y canales físicos, como se muestra en la figura 2.10. Los canales lógicos describen el tipo de información a transmitirse, los canales de transporte indican cómo los canales lógicos se transfieren y los canales físicos son el medio de transmisión proporcionada por la plataforma de radio.

Figura 2.10 Canales en WCDMA

2.6.1 CANALES LÓGICOS

2.6.2 CANALES DE TRANSPORTE

En UTRA los datos generados en las capas más altas son llevados sobre el aire con canales de transporte, los cuales son mapeados en la capa física a diferentes canales físicos. Se requiere la capa física para soportar canales que transportan velocidades de bits variables para ofrecer servicios de ancho de banda sobre demanda, y para habilitar el multiplexaje de varios servicios a una conexión.

Existen dos tipos de canal de transporte: canales dedicados y canales comunes. La principal diferencia entre ellos es que el canal común es una fuente dividida entre todos o un grupo de usuarios en una celda, mientras que una fuente de canal dedicado, identificado por un cierto código o una cierta frecuencia, es reservado para un solo usuario.

2.6.2.1 CANAL DE TRANSPORTE DEDICADO

Lleva toda la información destinada para un usuario dado llegando de capas arriba de la capa física, incluyendo datos del servicio actual así como la capa alta de control información. El contenido de la información transportada sobre el DCH (Dedicated Transport Channel) no es visible para la capa física, así el control de información de la capa alta y los datos de usuario se manejan en la misma forma. Naturalmente los parámetros de la capa física asignados por UTRAN pueden variar entre control y datos.

El canal de transporte dedicado se distingue por ciertas características tales como control rápido de potencia, alta tasa de velocidad de datos y la posibilidad de transmisión a una cierta parte de la celda o sector con variaciones en el peso de las antenas con sistemas de antenas adaptativas. El canal dedicado soporta soft handover.

2.6.2.2 CANALES DE TRANSPORTE COMÚN

ejemplo, transmisión de paquetes de datos sobre el canal común y la parte del canal de downlink para transmisión de paquetes de datos. Los canales comunes no soportan soft handover pero algunos de ellos pueden tener control rápido de potencia.

• Canal de transmisión (BCH Broadcast Channel) es un canal de transporte usado para transmitir información específica a la red de UTRA o para una celda dada. La necesidad más común de datos en cada red es el acceso aleatorio de códigos disponible y acceso de ranura en la celda o el tipo de métodos de diversidad de transmisión usados con otros canales para esa celda. Como la terminal (UE) no puede registrar a la celda sin la posibilidad de decodificar el canal de transmisión, este canal tiene la necesidad de transmisión con alta potencia relativa con el fin de alcanzar todos los usuarios con la intención de cubrir el área. Se transmite siempre en toda la celda.

• Canal de acceso de transmision (FACH Forward Access Channel) es un

canal de transporte de downlink que transforma el canal de control a terminales conocidas a la ubicación en la celda dada. Puede haber más de un FACH en una celda. Uno de estos canales puede tener un índice de bit bajo y puede recibirse en todas las terminales del área de la celda. Cuando hay más de un FACH, los canales adicionales pueden tener una velocidad alta de datos. El FACH no usa control rápido de potencia, y los mensajes transmitidos necesitan incluir información de identificación en banda para asegurar su correcta recepción. Puede ser transmitido sobre toda la celda o sólo en una parte, utilizando arreglos de antenas adaptativas.

• Canal de búsqueda (PCH Paging Channel) es un canal de transporte de