SISTEMA CDMA2000 1xEV-DO

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“SISTEMA CDMA2000 1

xEV-DO

”

TESIS

PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN

COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

Adelaida Flores Espinoza

Marisol Guzmán Robles

Asesores:

M. en C. José Ernesto Rojas Lima

M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna

Agradezco profundamente:

A mi madre Virginia:

En especial a ella por que siempre me ha motivado a salir adelante en todo lo que me propongo. Y ha soportado mis derrotas, mis ausencias, mis victorias, mis desordenes y mis temores. Te agradezco mamá por que gracias a ti soy lo que soy.

Mis hermanos Mauricio y Adriana:

Que también me han apoyado y me han impulsado a ser mejor persona, han estado a mi lado apoyándome en cada momento de mi vida, dándome ánimos para no dejarme vencer.

A mi padre Mauricio:

Por que me ha demostrado que antes de ser mi padre es mi amigo, que puedo contar con el y ha colaborado en mi formación académica, aunque no este cerca de mi.

A mi abuela Celia:

Por que siempre me brindó su cariño y comprensión. Y se que este donde este en estos momentos me protege y acompaña siempre velando por mi bienestar.

A mis amigos Adriana, Memo, Carnal, Lugo, Carby, Marisol y Josué:

Ya que son unas personas increíbles; que han estado al pendiente de mi demostrándome su amistad guiándome cuando hago algo malo y haciéndome recapacitar para bien, me han dado el apoyo y los consejos en los momentos mas difíciles y grandiosos de mi vida para no dejarme vencer nunca, han colaborado conmigo y han dejado una huella muy importante en mi vida.

A los profesores Ernesto y Pedro:

Por todos los conocimientos compartidos, la paciencia, sus regaños y consejos para la culminación de este proyecto, ya que sin sus enseñanzas no hubiera sido posible. Me dio mucho gusto haberlos tenido como profesores y gracias por enseñarme que siempre se puede dar más de lo que uno piensa.

Agradezco profundamente:

A mis padres Reynaldo e Ignacia:

Por darme la oportunidad de estudiar, por haberme permitido llegar hasta este punto de mi carrera, gracias por todos sus desvelos, sus preocupaciones y principalmente el apoyo que me brindaron durante todo este tiempo.

A mis hermanas Maribel, Anallely y Vero:

Por que en ellas siempre encuentro a tres grandes amigas, por alentarme en los momentos en que más lo he necesitado, gracias por su apoyo.

A los profesores José Ernesto y Jaime Pedro:

Por todo su apoyo durante todo este año, por su paciencia, regaños y conocimientos, por que los dos son extraordinarios profesores que recompensaron el trabajo en conocimientos y que gracias a ellos, se logro llevar la finalización de esta tesis.

A Marco Antonio:

Por ayudarme y apoyarme en los momentos más difíciles de esta carrera, por estar conmigo en las buenas y en las malas, gracias por preocuparte siempre por mi.

A mi fiel compañera y amiga Adelaida:

Por haber realizado este trabajo juntas, gracias por estar conmigo desde tercer semestre pasando adversidades, finalmente llegamos al término de esta carrera realizando este trabajo, haciendo equipo siempre, gracias por tu apoyo y amistad.

Al grupo de Liturgia:

Por encontrar ahí grandes amigos, gracias por apoyarme y aconsejarme.

Objetivos

Conocer los conceptos básicos de Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) como una de las aplicaciones de las técnicas de espectro disperso.

Conocer e identificar las generaciones de los sistemas celulares así como sus características principales.

Conocer las características de diseño así como los servicios y aplicaciones de un sistema CDMA2000 1XEV-DO.

Agradecimientos. i

Objetivos. iii

Contenido. iv

Introducción. vi

CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN A CDMA 1

1.1 Concepto de Espectro Disperso. 1 1.1.1 Características de un sistema de Espectro Disperso. 1 1.1.2 Beneficios y aplicaciones 2 1.2 Códigos de dispersión 3 1.2.1 Secuencias de Pseudo-Ruido (PN) 4 1.2.2 Códigos Walsh 7 1.2.3 Códigos ortogonales de longitud variable 10 1.2.3.1 Códigos Walsh en los sistemas IS-95 10 1.2.3.2 Códigos Walsh en los sistemas CDMA2000 11 1.3 Técnicas de espectro disperso. 12 1.3.1 Secuencia Directa (DS). 12 1.3.2 Salto en Frecuencia (FH). 13 1.3.3 Ganancia de procesamiento (PG) 14

1.3.3.1 Ganancia de procesamiento en Sistemas de Salto de Frecuencia 15 1.3.3.2 Ganancia de Procesamiento para sistemas de Secuencia Directa 15 1.4 Acceso Múltiple por División de código basado en Secuencia Directa. 16 1.4.1 Dispersión y contracción de la señal DS-CDMA. 16

Referencias 21

CAPÍTULO 2 .- GENERACIONES DE LOS SISTEMAS CELULARES 22

2.1. Sistemas de Primera Generación 22 2.2. Sistemas de Segunda Generación 23 2.2.1. Sistemas TDMA 25 2.2.2. Sistemas CDMA 26 2.2.2.1. CDMAOne: IS-95A 26 2.3. Evolución hacia la Tercera Generación o 2.5G 27 2.3.1. Sistemas TDMA 28 2.3.2. Sistemas CDMA 29 2.4. Sistemas de Tercera Generación 29 2.4.1. Sistemas CDMA: W-CDMA 31 2.4.2. Sistemas CDMA: CDMA2000 31 2.4.2.1. CDMA 2000-1x 32 2.4.2.2. 1xEV-DO 32 2.4.2.3. 1XEV-DV 33 2.4.2.4. CDMA 2000-3x 33 2.4.2.5. Redes inalámbricas 34 2.5. Sistemas de Cuarta Generación 36

Referencias 39

CAPÍTULO 3 .- SISTEMA CDMA 2000 1xEV-DO 40

3.3.3. Enlace de Bajada 1xEV-DO. 44 3.3.3.1. Canal del enlace de bajada compartido. 45 3.3.3.2. Estructura del canal del enlace de bajada. 46 3.3.3.3. Modulación adaptable del enlace de bajada. 48 3.3.4. Algoritmos de Calendarización. 49 3.3.5. Enlace de subida 1xEV-DO. 51 3.3.5.1. Estructura del canal del enlace de subida. 52 3.3.5.2. Modulación de enlace de subida. 53 3.3.6. Solicitud de Retransmisión Automática Hibrida (H-ARQ) 53 3.3.7. Señalización 1xEV-DO. 54 3.3.7.1. Capa Física. 55 3.3.7.2. Capa MAC. 55 3.3.7.3. Capa de Seguridad. 56 3.3.7.4. Capa de Conexión. 56 3.3.7.5. Capa de Sesión. 57 3.3.7.6. Capa de Flujo. 58 3.3.7.7. Capa de Aplicación. 58 3.3.8. Transferencia de llamada (Handoff) en 1xEV-DO 58

Referencias 61

CAPÍTULO 4 .- ANÁLISIS PARA EL DISEÑO DEL ENLACE EN SISTEMAS

BASADOS EN CDMA2000 1XEV-DO 62

4.1. Introducción. 62 4.2. Análisis para el diseño del enlace. 62 4.3. Consideraciones para el diseño del enlace del canal de tráfico de bajada. 64 4.3.1. Geometría. 64 4.3.2. Tasa útil del usuario en el enlace de bajada. 66 4.3.3. Canal con desvanecimiento. 67 4.3.4. Ganancia por diversidad multiusuario. 67 4.3.5. Ganancia por diversidad en la recepción. 68 4.4. Cálculo del diseño del enlace. 71

Referencias 76

Conclusiones. 77

Introducción

A partir de los años 80 la gente veía a los celulares como un artículo de lujo; debido a que a penas se comenzaba con esta tecnología por lo que eran muy costosos, además solo estaban diseñados para servicios básicos de voz. Al mismo tiempo eran unos aparatos muy grandes, y la mayoría de las veces no se le proporcionaba al cliente una buena cobertura, o en algunos casos la calidad en la voz era deficiente. Pero hoy en día con la evolución de estos sistemas, se permite a los usuarios una gran movilidad, acceso a Internet de gran velocidad, mensajes multimedia con color y sonido, además de comunicación con otros dispositivos, por ello mucha gente los considera elementales en su vida cotidiana.

En este trabajo se analizan, las características de diseño del sistema 1xEV-DO, los requerimientos básicos para formar una red con este sistema y describiremos cada uno de estos puntos.

En el capítulo 1 se describe espectro disperso como una técnica de transmisión de la señal, en la cual, la señal ocupa un ancho de banda que es mucho mayor al mínimo requerido para enviar la información. En las técnicas de espectro disperso se emplean códigos o secuencias de dispersión para realizar la expansión del espectro de la señal en la transmisión y la contracción del espectro en la recepción. También se describen las técnicas de acceso múltiple, empleadas en los sistemas celulares, de las cuales las más comunes son Acceso Múltiple por División de Frecuencias (FDMA) el cual asigna una cantidad discreta de ancho de banda al usuario, Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) asigna ranuras de tiempo a cada usuario y Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) como una aplicación de las técnicas de espectro disperso, que permite a varios usuarios compartir el mismo ancho de banda de manera simultánea utilizando códigos de dispersión. Los sistemas CDMA emplean varios tipos de códigos, como son las secuencias de Pseudo-Ruido (PN: Pseudo-Noise) y los códigos ortogonales, cada uno con características específicas. Las secuencias de Pseudo-Ruido (PN), son secuencias binarias, periódicas, con características aleatorias como el ruido, las cuales cumplen con tres propiedades: balance, sucesión y correlación. Los códigos Walsh son códigos ortogonales y pueden ser de longitud fija y de longitud variable y finalmente se describen dos técnicas principales de espectro disperso, que son: Salto de Frecuencia en la cual la frecuencia portadora cambia en intervalos de tiempo regular de manera pseudoaleatoria y Secuencia Directa la cual se obtiene al aplicar una suma modulo 2 de los datos con un código de dispersión.

generación los estándares característicos fueron: Servicio de Telefonía Móvil Avanzado (AMPS: Advanced Mobile Phone Services) en Estados Unidos y el Sistema de Comunicación de Acceso Total (TACS: Total Access Communication System) en el Reino Unido. Los Sistemas de Segunda Generación (2G) se desarrollaron en la década de los ochenta con tecnología digital, permiten el uso de las técnicas de acceso múltiple por división de tiempo y/o frecuencia como alternativa para separar a los usuarios; el acceso múltiple por división de código también fue considerado para ser implementado en los sistemas de segunda generación sin embargo solo Qualcomm lo implementa en el desarrollo de IS-95-A que es uno de los estándares representativos de esa generación al igual que el Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM: Global System for Mobile Communications) los cuales además de los servicios de voz incluían mensajes de texto. Un paso intermedio entre los sistemas de segunda generación y los sistemas de tercera generación fue 2.5G, en la que se mejoraron los sistemas de 2G. Los sistemas de la generación 2.5G se desarrollaron para permitir una transición gradual hacia la tercera generación (3G). La característica esencial de los sistemas 2.5G es la introducción de conmutación de paquetes, con lo cual se logra una utilización más eficiente de los recursos, los sistemas más significativos de la generación 2.5G son el Servicio General de Radio por Paquetes (GPRS: General Packet Radio Service) así como el sistema IS-95-B para CDMA. Los Sistemas de Tercera Generación (3G) se desarrollaron en la década de los noventa y su desarrollo se debió al rápido crecimiento en la demanda de servicios de datos, principalmente del Protocolo de Internet (IP: Internet Protocol), a altas tasas de transmisión y a la limitación del espectro. Estos sistemas incluyen mejor calidad de servicio de voz, mayor capacidad, servicios simultáneos, así como las técnicas de conmutación de paquetes y circuitos para los servicios de datos.

subida (RRI: Reverse Rate Inicator); indica la tasa del canal de tráfico del enlace de subida y control de tasa de datos (DRC: Data Rate Control) indica la tasa y el sector del cual el móvil quiere recibir canales de tráfico. Las aplicaciones que existen de este sistema son: aplicaciones de datos de banda ancha, por ejemplo internet de banda ancha, descarga de música MP3, juegos 3D y descarga de video.

En el capítulo 4 se proporcionan algunas pautas prácticas para la planeación de las redes de radio acceso CDMA2000 1xEV-DO, además de que se describen las suposiciones y los parámetros a considerar para realizar el análisis del diseño del enlace. Un diseño del enlace determina las pérdidas por trayectoria máximas permitidas de un enlace de comunicaciones dado. Para los sistemas inalámbricos, esto es simplemente la diferencia entre la Potencia Isotrópica Efectiva Radiada (EIRP: Effective Isotropic Radiated Power) y la sensibilidad del receptor, más la ganancia de la antena receptora, menos el margen de desvanecimiento, pérdidas por penetración en edificios y las pérdidas debidas a la orientación del cuerpo, así como las pérdidas por cables dependiendo del enlace. Es decir si el enlace es de la estación base a la terminal de usuario se consideran las pérdidas por cables, si el enlace es de la terminal de usuario a la estación base se consideran las pérdidas debidas a la orientación del cuerpo. El diseño del enlace para 1xEV-DO se compara con el diseño en IS-95-A en este caso para el enlace de bajada.

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN A CDMA

1.1 Concepto de Espectro Disperso.

Espectro disperso (SS: Spread Spectrum), es la técnica en la cual, el ancho de banda de transmisión de la señal empleado es mucho mayor que el ancho de banda mínimo requerido para transmitir la información.

A continuación se describen las características de un sistema de espectro disperso.

1.1.1 Características de un sistema de Espectro Disperso.

Decimos que un sistema es de espectro disperso si cumple los siguientes requisitos:

1. La señal dispersada ocupa un ancho de banda mucho mayor que el ancho de banda necesario para enviar la información.

2. El ancho de banda de transmisión es dependiente de la razón de dispersión. 3. En el receptor, la contracción del espectro se realiza por la correlación de la señal

dispersada recibida con una replica sincronizada de la señal de dispersión que se usa para dispersar la información [1].

Los sistemas de espectro disperso están basados en la Ley de Hartley-Shannon que calcula la capacidad de transmisión asintótica en un canal perturbado por Ruido Blanco Aditivo Gaussiano (AWGN: Additive White Gaussian Noise), la cual se define mediante la siguiente ecuación:

SNR

x

B

C

log

1

Donde:

CSh: Capacidad de transmisión del canal asintótico en bps.

BRF: Ancho de banda del canal en Hertz.

De acuerdo a esta ley, los sistemas que emplean un mayor ancho de banda, requieren una SNR mas baja que los sistemas con menor ancho de banda con la misma capacidad de transmisión en bits por segundo (bps) [2].

1.1.2 Beneficios y aplicaciones

Debido a la cantidad finita de espectro de radio asignado para los sistemas inalámbricos, la industria de las telecomunicaciones desarrolló técnicas de acceso múltiple para permitir que los usuarios múltiples compartan los recursos de comunicación disponibles eficientemente. Las técnicas de acceso múltiple más comunes son:

Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA: Frequency Division Multiple Access): Asigna una cantidad discreta de ancho de banda a cada usuario.

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

Asigna ranuras de tiempo únicas a cada usuario, es decir, cada usuario tiene intervalos de tiempo específicos para transmitir la información.

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

Todos los usuarios comparten la misma banda de frecuencia todo el tiempo. Un código único asignado a cada usuario permite que sea distinguido de otros usuarios.

En la Figura 1.1 se muestran las principales técnicas de Acceso Múltiple empleadas en los sistemas celulares.

Figura 1.1. Técnicas de Acceso Múltiple

Acceso múltiple sobre una sola portadora de frecuencia, al mismo tiempo o de manera simultánea.

Reducción de la interferencia debido a la propagación por trayectorias múltiples. Privacidad entre usuarios. Esto es posible ya que la información transmitida en el

sistema solo puede ser entendida por el receptor previsto, de esta forma, los receptores no autorizados tienen una probabilidad baja de interceptar la información.

1.2 Códigos

de

dispersión

Los códigos y secuencias de dispersión se emplean en las técnicas de espectro disperso para realizar la expansión del espectro de la señal en la transmisión y la contracción del espectro en la recepción.

Los sistemas de espectro disperso emplean varios tipos de códigos, cada uno con características específicas, para permitir que múltiples usuarios se comuniquen de manera simultánea. Los códigos identifican de manera única a los usuarios de modo que puedan transmitir la información simultáneamente además de que limitan la interferencia mutua o entre usuarios. Las estaciones base (BS: Base Stations) y las estaciones móviles (MS: Mobile Stations) generan códigos y secuencias específicas que permiten encriptar, multiplexar, dispersar y contraer las señales transmitidas. Dichos códigos contribuyen a la privacidad de los sistemas CDMA y definen su capacidad en términos de los usuarios que pueden soportar de manera simultánea [2].

La sincronización tiene un papel fundamental en los procesos contracción y demultiplexaje de las secuencias de dispersión, porque permite que las secuencias correlacionadas sean recuperadas mientras que las secuencias sin correlación queden dispersadas, comportándose como ruido. La sincronización entre las secuencias de dispersión implica recuperar la información original utilizando dos funciones XOR (OR-exclusiva) ó una suma módulo 2, una en el transmisor y otra en el receptor, como se observa en la figura 1.2.

Estos códigos son configurados y sincronizados en cierto modo para asegurar una

alineación perfecta entre las secuencias transmitidas por la estación base y la generada localmente en la estación móvil y viceversa. Si las secuencias son diferentes o no están sincronizadas entre la estación base y la estación móvil, la información recuperada presenta errores.

Los sistemas celulares basados en CDMA tales como IS-95 y CDMA2000 utilizan dos clases de códigos de dispersión: las secuencias de pseudo-ruido (PN: Pseudo-Noise) y los códigos Walsh. En la siguiente sección se describen cada uno de los códigos de dispersión.

1.2.1 Secuencias de Pseudo-Ruido (PN)

Las secuencias PN se utilizan para dispersar la señal, dándole características similares a las del ruido térmico, mientras que es totalmente previsible, ya que estas secuencias se generan mediante reglas matemáticas precisas y cada valor que toma puede ser determinado haciendo uso de dicha expresión, además de que son secuencias binarias y periódicas. Se utiliza el término pseudo-ruido porque estas secuencias no son completamente deterministicas ni verdaderamente aleatorias. Es decir, en el primer caso permitiría que cualquiera pudiera entender la información dispersada por la secuencia mientras que el segundo caso evitaría que incluso el receptor previsto para ese caso pudiera entender algo. La idea de una secuencia de PN es parecer aleatoria para que los receptores involuntarios mientras que es conocida tanto por el transmisor como por el receptor destinados para ese caso.

Las secuencias PN se clasifican principalmente en: Secuencias de longitud máxima (MLS: Maximal Length Sequences) y Secuencias de longitud no máxima (NMLS: Non-Maximal Length Sequences).

Las secuencias de longitud máxima, se generan por un circuito llamado registro de desplazamiento con retroalimentación lineal (LFSR: Linear Feedback Shift-Register), donde las secuencias de un registro LFSR con n etapas son periódicas, por que el número máximo de posibles combinaciones binarias que podemos obtener es 2n_{, y por lo}

tanto podemos observar que el periodo no debe ser mayor de 2n_{, debido a que si se}

alcanzara la condición de que todos sean ceros, no habría cambios en el registro de corrimiento, entonces siempre estaríamos en el mismo estado. Por lo tanto, el número máximo de estados posibles esta dado por [2,3]:

= 2_{− 1 ℎ (1.2)}

Cada pulso fundamental de la secuencia de PN se le conoce como “chip” o símbolo

Donde:

n es el número de etapas del registro de desplazamiento. P es el periodo de la secuencia

.

Por ejemplo, si tenemos un generador de secuencias PN con n=4 (4-etapas) como el de la figura 1.3 con un estado inicial de 1 0 0 0, obtendremos la siguiente secuencia PN:

Figura 1.3. Registro de desplazamiento lineal con retroalimentación de 4 etapas

En cada pulso de reloj la sucesión en los registros de desplazamiento se puede observar en la tabla 1.1.

Tabla 1.1. Sucesión en los registros de desplazamiento

1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0

Después de 15 pulsos de reloj, el estado inicial en los registros de desplazamiento se repite, esto quiere decir que la longitud de la secuencia es 24_{-1=15. Con todo esto}

tenemos que la secuencia de salida S generada en un periodo es igual a:

= 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1

Una representación de la secuencia mediante una forma de onda se muestra en la figura 1.4.

Las secuencias de PN poseen tres propiedades, las cuales son [1,2]:

1. Propiedad de balance: En un periodo completo P= 2n_{-1 de una secuencia de PN,}

el número de unos difiere del número de ceros al menos por un dígito. Esta propiedad se observa en el ejemplo de la secuencia anterior, donde el número de unos es igual a 8 mientras que el número de ceros es igual a 7.

2. Propiedad de sucesión (run): En cada periodo se tienen sucesiones de 1s ó 0s, donde el tamaño total de la sucesión se determina; mediante ₂−1, y es deseable que ½ de las sucesiones sean de longitud 1, ¼ de longitud 2, 1_/

8 de longitud 3 y así

sucesivamente. En el ejemplo, para n=4 hay un total de 24-1_{=8 sucesiones de 1s y}

0s, de las cuales 24-2_{=4 son de longitud 1 (dos sucesiones de 1 y dos sucesiones}

de 0), 24-3_{=2 de longitud 2 (una sucesión de 1 y una de 0). El restante puede ser}

de cualquier longitud (observamos que hay una sucesión de tres 0s consecutivos y una sucesión de cuatro 1s consecutivos).

3. Propiedad de correlación: Si el periodo de una secuencia se compara bit a bit con un desplazamiento cíclico del mismo, se requiere que el número de las posiciones donde coinciden difiera del número de posiciones donde no coinciden por no más de uno.

La función de correlación Rxx() de una señal periódica x(t), con periodo To esta dada

por la ecuación 1.3 en su forma normalizada:

() = 1 1

()( +) −∞<< ∞

2

−

2

(1.3)

Donde:

=1

2₍₎ /2

−/2

(1.4)

x(t) es una señal periódica que representa la secuencia de PN. Para una secuencia de PN con una duración de chip unitaria y un periodo de P “chips”, la función de

autocorrelación normalizada puede expresarse como:

() =1

ú −

Para el ejemplo anterior, aplicando la ecuación 1.5 tenemos:

0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1

(= 0) =

1

15(15 − 0) = 1

Ahora realizamos un desplazamiento cíclico:

0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1

(= 1) =

1

15(7 − 8) = − 1 15

Realizamos otro desplazamiento cíclico:

0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1

(= 2) =

1

15(7 − 8) = − 1 15

Continuando con este proceso se puede demostrar que:

() =

1 = , = 0, ±1, ±2, …

−1 (+ ) = ()

La representación gráfica de Rxx() se muestra en la figura 1.5.

FIGURA 1.5. Función de autocorrelación de una secuencia PN

1.2.2 Códigos Walsh

cuadrada de elementos binarios, ‘0s’ y ‘1s’. El orden de la matriz es siempre potencia de

2, es decir que solamente es posible formar matrices Walsh de orden 2x _[2,4].

Por definición, la matriz Hadamard de primer orden (una fila y una columna) se

representa como ‘0’. Las otras matrices Hadamard se crean utilizando un patrón recursivo

de acuerdo a la siguiente ecuación:

= "

!

####$ (1.6)

!=Matriz Hadamard de orden N, es decir N filas y N columnas

!

####=Complemento binario de la matriz _!

2!=Matriz Hadamard de orden 2N

Una matriz Hadamard se genera de manera sistemática y recursiva. En la figura 1.6 podemos observar algunos ejemplos de matrices Hadamard de orden 2, 4 y 8 creadas a partir de la ecuación 1.6 [5,6].

= " 0 0

_{0 1 $}

=

⎣

⎢

⎢

⎡ 0 0

_{0 1}

0 0

_{0 1}

0 0

0 1

1 1

1 0 ⎦

⎥

⎥

⎤

=

⎣

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎡ 0 0

_{0 1}

0 0

_{0 1}

0 0

0 1

1 1

1 0

0 0

0 1

0 0

0 1

0 0

0 1

1 1

1 0

0 0

0 1

0 0

0 1

0 0

0 1

1 1

1 0

1 1

1 0

1 1

1 0

1 1

1 0

0 0

0 1 ⎦

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎤

Figura 1.6. Matrices Hadamard de orden 2,4 y 8

En las matrices Hadamard, la primera fila y la primera columna siempre están

compuestas por ‘0s’. La nomenclatura utilizada para describir las filas tiene el siguiente

formato :, donde m indica la longitud de la matriz mientras que i indica el número de la fila. Las filas son numeradas desde el inicio hasta el final, de 0 hasta m-1, es decir, si tenemos la secuencia o código Walsh _:18 nos estamos refiriendo a la segunda fila de una matriz de orden 8. Este código Walsh cuyos elementos son [0 1 0 1 0 1 0 1], también se

puede representar en términos de la amplitud de la señal, es decir los bits ‘0’ se pueden

representar como una señal de amplitud ‘+1’ y los bits ‘1’ como ‘-1’, es decir en términos

Figura 1.7. Códigos Walsh de longitud 8 en términos de amplitud

Una de las principales características de estos códigos es que son mutuamente ortogonales el uno del otro dentro de la misma matriz, es decir que la función de correlación cruzada (CCF: Cross-Correlation Function) es constante e igual a 0. En una matriz de orden N, el número de bits de coincidencia y el número de bits de no coincidencia cuando se comparan dos códigos es siempre N/2. Por ejemplo, si comparamos el código _:18 con _:58 observamos cuatro bits de coincidencia y cuatro bits de no coincidencia:

:18 ; 1: 0 1 0 1 0 1 0 1

:58 ; 5: 0 1 0 1 1 0 1 0

Por lo tanto, tenemos que la función de correlación cruzada es:

??@ = ?? − !?? (1.7)

Donde:

Continuando con el ejemplo anterior, tenemos:

??@ = 4 − 4 = 0

1.2.3 Códigos ortogonales de longitud variable

Estos códigos son tomados de un árbol de códigos como el que se muestra en la Figura 1.8. Cada nivel en el árbol corresponde a un cierto factor de dispersión. Cada nodo del nivel k representa un factor de dispersión variable ortogonal (OVSF: Orthogonal Variable Spreading Factor) [5,6].

Los códigos ortogonales de longitud variable se emplean en CDMA2000, siguiendo un comportamiento recursivo, como se muestra en la figura 1.8. Estos códigos tienen la característica de que son ortogonales entre si dentro del mismo nivel [3]. Además de que si se asigna un código, por ejemplo el código C2,1=(1,1) ya no se podrán asignar los

códigos antecesores (código C1,1) y los sucesores (códigos C4,1 y C4,2).

Figura 1.8. Diagrama de árbol de los códigos Walsh de longitud variable

1.2.3.1 Códigos Walsh en los sistemas IS-95

a) Enlace de bajada

bajada, debido a la ortogonalidad mutua es posible asignar un código a cada canal lógico (figura 1.9) [2,3].

Figura 1.9. Códigos Walsh empleados en canalización

b) Enlace de subida

Los códigos Walsh en los sistemas IS-95 se utilizan también en el enlace de subida con una longitud de 64. Estos códigos se emplean en la modulación ortogonal 64-aria.

1.2.3.2 Códigos Walsh en los sistemas CDMA2000

a) Enlace de bajada

Los sistemas CDMA2000 utilizan códigos Walsh de longitud variable según la tasa de dispersión (SR: Spreading Rate), la tasa de bits de información para la transmisión y el canal en uso. La tabla 1.2 muestra las configuraciones de radio (RC: Radio Configurations) empleadas en los sistemas CDMA2000 [2,3].

Tabla 1.2. Configuraciones de radio para CDMA2000 (Rel A)

SR Enlace de bajada _{RC Tasa base, Tasa máxima} Tasas de datos (Kbps) Enlace de subida _{RC Tasa base, Tasa máxima} Tasas de datos (bps)

SR1

RC1 9.6 RC1 9.6

RC2 14.4 RC2 14.4

RC3 9.6, 153.6 RC3 9.6, 307.2

RC4 9.6, 307.2

RC5 14.4, 230.4 RC4 14.4, 230.4

SR3

RC6 9.6, 307.2 RC5 9.6, 614.4

RC7 9.6, 614.4

RC8 14.4, 460.8 RC6 14.4, 1036.8

RC9 14.4, 1036.8

b) Enlace de subida

1.3 Técnicas de espectro disperso.

Hay dos técnicas principales de espectro disperso: Secuencia Directa (DS: Direct Sequence) y Salto de Frecuencia (FH: Frequency Hopping), las cuales se pueden observar en la figura 1.10.

Figura 1.10. Técnicas de espectro disperso más empleadas.

1.3.1 Secuencia Directa (DS).

La técnica de Secuencia Directa es la más usada en los sistemas de espectro disperso, y esto se debe a su relativa facilidad de implementación. Esta técnica no requiere un circuito de alta velocidad en el sintetizador de frecuencias como en los sistemas de Salto de Frecuencia. Como el nombre lo indica, la dispersión del espectro se obtiene de una modulación directa con la secuencia de PN. La técnica ocupa toda la banda de frecuencia disponible. En la práctica, el esquema de modulación mas empleado es la modulación por cambios de fase, como BPSK, QPSK y sus variantes. Otros esquemas de modulación distintos y más eficientes, como 8-PSK, 16-QAM y 64-QAM, se han propuesto en evoluciones recientes de los estándares para CDMA con la finalidad de alcanzar capacidades más altas en la transmisión [2].

Para realizar la dispersión del espectro de la señal de información (bits), por ejemplo la voz digitalizada, se suma módulo 2 a una secuencia de PN. La suma módulo 2, equivale a una operación OR-exclusiva (XOR).

La Figura 1.11 muestra un diagrama del proceso de dispersión mediante secuencia directa usando un código particular de PN, designado C1.

Figura 1.11. Diagrama funcional de una Secuencia Directa.

De la Figura 1.11 se observa que la tasa de la secuencia de PN es mucho mayor que la tasa de información. Por ejemplo, para una tasa de información de 10 Kbps, se aplica una tasa de dispersión de 1 Mcps (Mega Chips por Segundo), produciendo una señal de espectro disperso a una tasa de 1Mcps. En este caso, la función OR-Exclusiva usa 100 chips del código C1, para procesar cada bit de información [3].

1.3.2 Salto en Frecuencia (FH).

En esta técnica, la frecuencia portadora cambia en intervalos de tiempo regular. Las frecuencias son seleccionadas por un grupo predeterminado dentro del espectro disponible y estas cambian en un orden definido por una secuencia de PN.

La secuencia PN controla un sintetizador de frecuencias que es usado para la generación de las portadoras. Los códigos PN definen la secuencia de los saltos {f1, f2,

f3,..., fn} que son generados por un sintetizador de frecuencias para la transmisión a través

de la interfaz de radio.

La modulación, transmisión, recepción y desmodulación solo suceden si ambos generadores de secuencias de PN son compatibles y están sincronizados. El número de frecuencias usadas es variable. Hay otras implementaciones posibles para los sistemas FH, sin embargo, los sistemas FH se clasifican en dos categorías, dependiendo de la tasa de saltos:

Salto de Frecuencia Lento (SFH: Slow Frequency Hopping), la tasa de salto es menor que la tasa de bit de la señal de banda base.

Entre mayor sea la privacidad y la protección de la interferencia, mayor es la tasa de salto y el número de frecuencias requeridas [2].

1.3.3 Ganancia de procesamiento (P

)

La ganancia de procesamiento se define como la relación entre la tasa de dispersión (Ws) y la tasa de transmisión de datos (Rd), como se ve en la Ecuación 1.8.

d g

R Ws P

(1.8)

Cuando la tasa de datos es baja, Pg es grande y la interferencia se suprime debido a la relación Eb/No y es posible alcanzar una tasa de bit erróneo (BER: Bit Data Rate) baja. Por otro lado, para un servicio con tasa alta ocurre lo contrario.

En los sistemas de espectro disperso, la señal transmitida se contrae en el receptor, para regresarla a su ancho de banda original. Esto se logra a través de una correlación, entre la señal recibida y la secuencia PN generada localmente. Para contraer y cubrir la señal, el receptor debe identificar y generar localmente la secuencia PN transmitida de tal manera que ambas secuencias PN tienen que ser idénticas. La energía de estas señales se reduce en la banda del filtro después del proceso de correlación.

El proceso de contracción extrae la señal deseada en relación con otras señales. Esto se define como el cociente de la SNR en la salida y la SNR en la entrada del procesador de señal (ver Figura 1.12).

Figura 1.12. Cálculo de la PG (lineal).

Si el valor esta expresado en dB, la Ganancia de Procesamiento PG se define por la

siguiente expresión:

dB

SNR

dB

SNR

dB

De acuerdo con la Ecuación 1.9, un procesador de señal con una SNRout de 10 dB y

SNRin de 4 dB, tiene una ganancia de procesamiento de 6 dB.

1.3.3.1 Ganancia de procesamiento en Sistemas de Salto de Frecuencia.

La ganancia de procesamiento para los sistemas de Salto de Frecuencia, se define como el número de frecuencias disponibles para los saltos.

freq G

N

P

O, en dB:

G

N

P

10

log

De acuerdo a las ecuaciones previas, la ganancia de procesamiento incrementa con el número de frecuencias disponibles. La disponibilidad de más frecuencias para los saltos también reduce la interferencia en cada frecuencia específica, es decir, se reduce la densidad espectral de energía, suponiendo que la energía de interferencia se dispersa sobre el ancho de banda total.

1.3.3.2 Ganancia de Procesamiento para sistemas de Secuencia Directa.

La técnica de secuencia directa usa una sola frecuencia portadora. El ancho de banda requerido para transmitir la información es idéntico al de la tasa de información, gracias a la eficiencia espectral de los esquemas de modulación; la ganancia de procesamiento puede definirse mediante la siguiente expresión:

Info PN G

R

R

P

Donde:

PN

R

Info

R

G

R

R

P

10

log

De acuerdo con la Ecuación (1.13), para una tasa de dispersión (RPN) de 1 Mcps y una

1.4 Acceso múltiple por división de código basado en secuencia directa.

1.4.1 Dispersión y contracción de la señal DS-CDMA.

La Figura 1.13 ilustra el concepto de transmisión de DS-CDMA. Todos los usuarios comparten simultáneamente la misma banda de frecuencia para la comunicación, debido a esto no es posible distinguir uno del otro filtrando en el domino de tiempo o de la frecuencia, como en FDMA ó TDMA, respectivamente.

En los sistemas celulares con CDMA, los códigos se asignan a cada usuario permitiendo la distinción de cada uno. Un diseño adecuado de los códigos de dispersión permite reducir al mínimo la interferencia entre usuarios múltiples.

Figura 1.13. Espectro Disperso en sistemas DS-CDMA.

La Figura 1.13 y 1.14 muestran que cada señal transmitida si(t) se dispersa por un

código ci(t). Todas las señales codificadas, que corresponden a los símbolos de la

modulación muestran que la amplitud y la ganancia de la información, se combinan en banda base. El resultado de esta operación modula la portadora, como se ilustra en la ecuación 1.14.

t

c

t

s

t

c

t

s

t

c

t

A

w

t

s

t

c

t

A

w

t

s

t

S

n

i

i i c

n n

TX

...

cos

cos

1 2

2 1

1

Donde:

si(t)=señal del usuario número i.

ci(t)=número de código i ( Código Walsh o Secuencia PN asociada al usuario i )

Figura 1.14. Transmisor DS-CDMA.

La antena transmite una serie de canales apilados, modulando la misma portadora de RF. La antena del receptor captura la misma señal, aunque esté atenuada, todavía lleva todos los canales apilados, como se muestra en la Figura 1.15.

La Figura 1.15 muestra los procesos contracción y la desmodulación usados para recuperar la señal de un solo usuario del canal de comunicación. La desmodulación simultánea de varios canales se representa por este diagrama en varios tiempos, usando muchos códigos cn(t) como el número de usuarios activos [7].

La señal recibida siempre consiste de la suma de todos los canales de comunicaciones en uso, dentro de la misma portadora de RF. En el dominio de la frecuencia, o en el dominio del tiempo, los canales de la transmisión CDMA aparecen de una manera traslapada.

Para la contracción de un canal dado, los dos códigos ci(t) generados por el

transmisor y por el receptor requieren estar sincronizados. La contracción se lleva a cabo a través de la multiplicación de la señal recibida por el código asociado con el canal deseado, como se ilustra de la Ecuación (1.14) a la Ecuación (1.18) [8].

t

c

t

s

t

c

t

s

t

c

t

s

t

c

t

A

w

t

c

t

S

...

'

cos

t

c

t

s

t

c

t

s

t

c

t

A

w

t

c

t

S

1

'

cos

Por lo tanto:

t

c

t

s

t

c

t

c

t

A

w

t

s

t

c

t

A

w

t

S

n

i

i i

RX

'

cos

'

cos

2 1 1

1 t c t

c y

c

t

c

t

1

Figura 1.16. Pasos del proceso de un sistema CDMA.

Cuando i es diferente de 1, tenemos:

t

c

t

s

t

c

t

c

t

A

w

t

s

t

A

w

t

S

n

i

i i

RX

'

cos

'

cos

2

1

1

(1.18)

Si los códigos generados por el transmisor y el receptor están sincronizados, la contracción de la señal deseada (incluyendo la información de la amplitud) se realiza y la señal es desmodulada al ancho de banda original. Otras señales usan diferentes códigos permaneciendo dispersas en el espectro. El filtro pasa bandas, se muestra en la Figura 1.16, el cual rechaza la mayoría de la energía de las señales de interferencia.

Los canales que permanecen dispersados se consideran como interferencias para el usuario 1 y determina la SNR en la salida del correlador.

Como un ejemplo, consideremos una tasa de datos máxima de 9.6 Kbps y una tasa de dispersión de 1.2288 Mcps. La ganancia de procesamiento, en este caso es 21 dB, o 128 veces en escala lineal. Considerando que una SNROUT de 7 dB para garantizar que la

calidad de la comunicación sea adecuada, entonces se puede obtener una SNRin de -14

dB a partir de la Ecuación 1.9.

Referencias

[1] Bernard Sklar, Digital communications: Fundamentals and Applications, Prentice-Hall, 2001.

[2] Leonhard Korowajczuk, Bruno de Souza Abreu Xavier, Arlindo Moreira Fartes Filho, Leila Zurba Ribeiro, Cristine Korowajczuk, Luiz A. Da Silva, Designing CDMA2000 Systems, Wiley, 2004.

[3] Kamran Etemad, CDMA2000® Evolution: System Concepts and Design Principles, Wiley, 2004.

[4] Jhong Sam Lee, Leonard E. Miller, CDMA Systems Engineering Handbook, Artech House, 1998.

[5] Samuel C. Yang, CDMA RF Systems Engineering, Artech House, 1998.

[6] Vijay K. Garg, Kenneth Smolik, Joseph E. Wilkes, Applications of CDMA in Wireless/Personal Communications, Prentice-Hall, 1997.

[7] A.J. Viterbi, CDMA Principles of Spread Spectrum Communications, Addison-Wesley, 1995.

[8] W. C. Y. Lee, “Overview of Cellular CDMA”, en IEEE Transaction on Vehicular Technology, vol.

CAPÍTULO 2

GENERACIONES DE LOS SISTEMAS

CELULARES

Este capítulo proporciona una breve descripción sobre la evolución que han tenido los sistemas celulares desde sus inicios hasta el estado actual, ya que en los años 80 la gente veía a los celulares como un artículo de lujo; debido a que se comenzaba a desarrollar esta tecnología por lo que eran muy costosos, además solo estaban diseñados para servicios básicos de voz. Al mismo tiempo eran unos aparatos muy grandes y la mayoría de las veces no se le proporcionaba al cliente una buena cobertura, o en algunos casos la calidad en la voz era deficiente. Pero hoy en día con la evolución de estos sistemas, se permite a los usuarios una gran movilidad, acceso a Internet de gran velocidad, mensajes multimedia con color y sonido, además de comunicación con otros dispositivos, por ello mucha gente los considera elementales en su vida cotidiana.

1.1. Sistemas de Primera Generación

Los sistemas de primera generación se caracterizaban por ser analógicos. En 1946 comienza a operar el primer Servicio de Telefonía Móvil publico (MTS: Mobile Telephone Service) colocando un transmisor potente en un edificio alto y asignando teléfonos móviles a un único canal permanente para enviar y recibir vía oprimir-para-hablar (push-to-talk), este empezó su funcionamiento en 25 ciudades de Estados Unidos. En 1960 se le hizo una mejora a este sistema, surgiendo el Sistema de Telefonía Móvil Internacional (IMTS: International Mobile Telephone System) que añade canales duales (full-dúplex) para enviar y recibir de manera simultánea [1,2].

Un descubrimiento muy valioso para la evolución de esta tecnología es la invención del microprocesador en 1971, ya que proporcionaba la capacidad de un procesamiento que era requerido en aquella época para seguir innovando esta tecnología.

También se incorporaron dos elementos básicos del concepto celular: la reutilización de frecuencias y la partición de celdas para poder separar a los usuarios. En la Figura 2.1 se muestran estos elementos básicos del concepto celular [3], en una red celular, el área de cobertura está dividida en celdas, normalmente hexagonales, cada una es atendida por una radio base, la cual restringe su zona de cobertura a la misma celda. A su vez estas celdas se agrupan en conjuntos y el número de canales de radio disponibles se distribuye en el grupo, de tal manera que esta distribución se repite en toda la zona de cobertura. Así, el espectro de frecuencias se reutiliza en cada nuevo grupo de celdas, cuidando evitar las interferencias ente las celdas próximas.

De igual manera el primer sistema celular comercial en Estados Unidos apareció en 1983 con el nombre de Servicio de Telefonía Móvil Avanzado (AMPS: Advanced Mobile Phone Services), este sistema ofrecía 832 canales de FM full dúplex, con ancho de banda de 30 KHz, en la banda de los 800 MHz. Los europeos también lanzaron su primer sistema celular en 1981 en Escandinavia, con el nombre de Telefonía Móvil Nórdica (NMT: Nordic Mobile Telephone), soportando 1000 canales de FM, con un ancho de banda de 25 KHz, operando en la banda de los 900 MHz.

Figura 2.1. Disposición de la celda que ilustra a) La Reutilización de Frecuencia, b) Celda original y c) División de la celda.

En 1982 y 1985 comienzan a operar en el Reino Unido el Sistema de Comunicación de Acceso Total (TACS: Total Access Communication System) y Sistema de Comunicación de Acceso Total Extendido (ETACS: Extended TACS) con una semejanza muy grande frente a AMPS. Sin embargo, el espectro de frecuencia utilizado era insuficiente para soportar la calidad de servicio que se requería.

1.2. Sistemas de Segunda Generación

de Señales (DSP: Digital Signal Processor), así como a el uso de de Circuitos Integrados para Aplicaciones Especificas (ASIC´s: Application-Specific Integrated Circuit); logrando con esto que los teléfonos celulares disminuyeran su tamaño y tuvieran al mismo tiempo características importantes de procesamiento. Sus servicios básicos son: voz y mensajes de texto. La segunda generación llegó al inicio de los 90´s y a diferencia de la primera se caracterizó por su naturaleza digital (primeros en emplear técnicas de codificación, tanto de bloques como convolucionales) para la detección y la corrección de errores en los canales de tráfico; ofreciendo con esto mejor calidad de voz.

Además de la naturaleza digital de los sistemas de segunda generación, estos permiten el uso de las técnicas de acceso múltiple por división de tiempo y/o frecuencia como alternativa para separar a los usuarios. Excluyendo el sistema cdmaOne el cual esta basado en CDMA, la técnica TDMA fue incorporada con FDMA para separar a los usuarios dentro de las bandas de frecuencia señaladas.

La segunda generación fue diseñada para operar en la banda celular de los 810 a 960 MHz. Estos sistemas operan por medio de conmutación de circuitos, y así garantizan el enlace de las llamadas telefónicas con mayor eficiencia. CDMA también fue considerado una alternativa para la implementación de los sistemas de segunda generación, sin embargo solamente Qualcomm al desarrollar el sistema de cdmaOne la adoptó como implementación de acceso múltiple.

Subsecuente a la introducción de TDMA se adicionaron modulaciones digitales tales como Modulación por Desplazamiento Gaussiano Mínimo (GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying) y PSK Cuaternario (QPSK: Quaternary Phase Shift Keying). Aunque los investigadores sabían las ventajas de CDMA en ese momento decidieron no integrarlas completamente a los sistemas 2G por dos razones:

La tecnología CDMA no fue estandarizada hasta 1993, que era casi el mismo tiempo en que otros sistemas de segunda generación se estaban implementando o instalando.

Las arquitecturas basadas para TDMA eran bastante maduras en ese momento y por lo tanto se les podía desarrollar con el auge requerido.

1.2.1. Sistemas

TDMA

Groupe Special Mobile (GSM): Este sistema se desarrolla en Europa, emergiendo de

Conference Europeenne Postes des et Télécommunication (CEPT), se introdujo comercialmente hasta 1991. Pero en 1992 este estándar tuvo que ser renombrado a Sistema Global para Comunicaciones Móviles (GSM: Global System for Mobile Communications) debido a que el mercado que ocupaba GSM se había extendido más allá de las fronteras de Europa. GSM utiliza FDMA y TDMA, y para proveer canales bidireccionales emplea transmisión bidireccional por división de frecuencia (FDD: Frequency Division Duplexing). En el caso de la transmisión del enlace de bajada (FL: Forward Link) opera en la banda de los 935-960 MHz, y para el enlace de subida (RL: Reverse Link) opera en la banda de los 890-915 MHz [4].

En la práctica, emplea un ancho de banda de 25 MHz el cual es dividido en 124 canales de 200 KHz con una banda de guarda de 100 KHz en los extremos superior e inferior del espectro, como se muestra en la Figura 2.2. El esquema de modulación requerido para este sistema es GMSK, que es una forma de modulación digital que reduce los lóbulos laterales para con esto reducir la interferencia de canal adyacente lo cual aumenta la capacidad del canal [5].

Figura 2.2. Estructura de trama TDMA/FDMA en GSM.

AMPS Digital (DAMPS: Digital AMPS): El desarrollo de este sistema es la

principio AMPS, al mismo tiempo que ambos sistemas comparten las frecuencias, las estaciones base y el plan de reutilización de frecuencias.

Al igual que GSM utiliza TDMA con FDMA como técnica de acceso múltiple, así como también FDD. Exactamente divide los 25 MHz que tiene asignados en el espectro, en canales de 30 KHz, que son divididos en el dominio del tiempo en seis ranuras; tres para ofrecer la tasa máxima, o seis para las mismas condiciones pero con la mitad de usuarios. IS-54 usa modulación FSK para los canales de control del enlace de bajada y el enlace de subida como AMPS; sin embargo los canales de voz utilizan QPSK diferencial (D-QPSK: Diferential QPSK), con una tasa del canal de 48.6 Kb/s [5].

Celular Digital Pacífico (PDC: Pacific Digital Cellular): Otro sistema grande de

segunda generación es PDC también conocido como Celular Digital Japonés (JDC: Japanese Digital Cellular) o Celular Digital Personal. Este sistema se desarrollo en 1991, empezando a operar en Japón en el año de 1993 remplazando a NTT y JTACS que eran sistemas analógicos, y al igual que los sistemas mencionados anteriormente utiliza TDMA con FDMA para poner o acomodar a múltiples usuarios. Utiliza canales de 25 KHz y soporta una tasa de datos de 42 Kb/s [6].

1.2.2. Sistemas

CDMA

Los Servicios de Comunicación Personal (PCS: Personal Communication Service) afrontan siempre un número creciente de usuarios que comparten una cantidad limitada del espectro.

Para poder hacer frente a este aumento en los servicios de comunicación, los proveedores deben aumentar la capacidad del sistema sin degradar la calidad del servicio a un nivel inaceptable. Un enfoque para atender esta demanda creciente de usuarios es la utilización de CDMA.

1.2.2.1. CDMAOne: IS-95A

CDMAOne: También se le conoce con el nombre de IS-95A y es el único sistema de

segunda generación que usa CDMA de banda angosta. El estándar IS-95A fue liberado en 1996, este permite comunicaciones de manera simultánea en la misma banda de frecuencia debido a CDMA, ya que todas las celdas utilizan el mismo canal de 1.25 MHz. CDMA es producto del uso de Espectro Disperso de Secuencia Directa (DS-SS) que es una técnica para dispersar espectralmente la señal, y que fue discutida en el capítulo 1.

9.6kb/s, pero también existe una tasa que aumenta este valor a 14.4Kb/s. La señal dispersada se modula utilizando BPSK [7].

Es importante mencionar que IS-95 es un estándar que opera en modo dual (CDMA/AMPS), por lo tanto es posible la transferencia de llamada (Handoff) de modo digital a modo analógico. El desarrollo adicional de IS-95 hacia servicios más avanzados se inició en 1996. Esto condujo a la formación del estándar IS-95B en 1998. Mientras que el estándar IS-95A utilizaba solamente un código para separar el canal del tráfico, IS-95B puede concatenar hasta ocho códigos para la transmisión [8]. En la tabla 2.1 se pueden apreciar, algunas características principales del estándar IS-95A.

Tabla 2.1. Características de CDMAOne

Tecnología TIA/EIA-95A/B

Rango de frecuencias: (BS)= Estación base (MS)= Estación móvil

824 a 849 MHz (MS: US, Corea) 869 a 849 MHz(BS: US, Corea)

887 a 925 MHz(MS: Japón) 832 a 870 MHz(BS: Japón) 1850 a 1910 MHz(MS: US) 1930 a 1990 MHz(BS: US) 1750 a 1780 MHz(MS: Corea) 1840 a 1870 MHz(BS: Corea) Celular: 800 MHz (México)

PCS: 1900 MHz(México)

Tecnología de Acceso Múltiple. CDMA

Separación del canal. 1.23 MHz(banda celular)

1.25 MHz(otras bandas)

Razón de Dispersión 1.2288 Mcps

1.3. Evolución hacia la Tercera Generación o 2.5G

Esto se propicia debido a las limitantes de 2G, ya que era insuficiente para transmitir cantidades mas elevadas de datos; por ejemplo mensajes multimedia, entonces los diseñadores comienzan a desarrollar el camino hacia la tercera generación. El estándar para las Telecomunicaciones Móviles Internacionales–2000 (IMT–2000: Internacional

Por lo tanto se empezaron a desplegar sistemas intermedios a finales de los 90´s, es

por esto que mucha gente los conoce como sistemas 2.5G o “Hacia 3G”, como IS-95B y

GPRS.

En la Figura 2.3 se muestra la evolución de los sistemas celulares hacia la tercera generación.

Figura 2.3. Evolución de los sistemas celulares desde 2Ga 3G

1.3.1. Sistemas

TDMA

Datos por Conmutación de Circuitos de Alta Velocidad (HSCSD: High Speed Circuit Switched Data): Este sistema fue la primera mejora que se le realizaba a GSM, en realidad esta innovación se hizo solo en el software, logrando con ello que se pudieran alcanzar tasas de datos de 115.2 Kb/s.

La Tabla 2.2 muestra las tasas datos máximas para varios sistemas basados en GSM.

Tabla 2.2. Comparación de la tasa de datos para sistemas basados en GSM

Sistema Teórico máximo Real

GSM >40 Kbps 9.6 Kbps

HSCSD 115.2 Kbps 28.8 Kbps

GPRS 171.2 Kbps 40 Kbps

EDGE 384 Kbps 60-70 Kbps

UTRA FDD (UMTS) 2 Mbps 100 Kbps

Servicio General de Radio por Paquetes (GPRS: General Packet Radio Service):

Evolución de GSM para Tasas de Datos Mejoradas (EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution): De igual forma se elaboró este sistema para aumentar la tasa de

datos respecto a GSM/GPRS, y en la actualidad sigue distribuyéndose en todo el mundo. Este estándar ofrece tasas de transmisión de datos de 384 Kbps; y al igual que los sistemas anteriores funciona vía conmutación de paquetes [4].

1.3.2. Sistemas

CDMA

IS-95B: Este estándar fue publicado por primera vez en 1995 (dos años después de IS-95A) y se une con IS-95A, así como con ANSI-JSTD-008 (un estándar de la industria para CDMA en la banda PCS1900) y TSB-74 (una variante de IS-95A que aumenta la tasa a 14.4 Kb/s). Como GPRS, IS-95B ofrece una tasa de transferencia de datos alta usando conmutación de paquetes. Específicamente, IS-95B ofrece datos que superan los 115.2 Kbps adicionales a los servicios de voz [6,9].

1.4. Sistemas de Tercera Generación

La definición más exacta de lo que son los sistemas de tercera generación se encuentra dentro del estándar IMT-2000, que fue creado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones sector Radiocomunicaciones (ITU-R: Internacional Telecommunication Union-Radiocommunication) con el propósito de unificar todos los sistemas inalámbricos (celular, redes de área local inalámbricas (WLAN: Wireless Local Area Network), redes satelitales y enlaces inalámbricos fijos) en las mismas bandas de frecuencias.

Las redes fijas y WLAN pronto fueron descartadas de la visión de IMT-2000, puesto

que las redes fijas inalámbricas operan mejor en frecuencias mas altas, y las WLAN’s,

pueden alcanzar tasas de datos más altas dentro de las bandas sin licencia. Por lo tanto el estándar IMT-2000 esta basado en los componentes celulares y satelitales. La parte satelital, también llamado Servicio Móvil Satelital (MSS: Mobile Satellite Service), esta diseñado para proporcionar servicios de comunicación cuando un usuario esta fuera del área de cobertura de cualquier estación base terrestre. En la tabla 2.3 se hace una comparación entre los sistemas 2G y 3G resaltando algunas de sus características más importantes [3].

Tabla 2.3. Comparación entre los sistemas 2G y 3G

Características 2G 3G

Servicios Voz, bajas tasas de

datos

Voz, datos y servicios multimedia

Tasas de datos Hasta 14.4 Kbps Hasta 2 Mbps

Método de conmutación

Conmutación de circuitos

En junio de 1996 la ITU-R decidió aceptar propuestas con la finalidad de plantear el concepto de tercera generación para celular y satélite; con el único objetivo de que todas las redes fueran globales, pero se observó que era muy difícil o más bien casi imposible, debido a que la ITU-R recibió 15 propuestas para llevar a cabo la operación de los sistemas de tercera generación.

Pero no fue hasta el año 2000 que se dió a conocer la recomendación final ITU-R M.1457 para 2000 que presentó cinco modos de operación los cuales son: IMT-Dispersión Directa (IMT-DS: IMT-Direct Spread), IMT-Portadoras Múltiples (IMT-MC: IMT- Multi-Carrier), IMT-Tiempo-Código TC: IMT-Time Code), IMT-Portadora Única (IMT-SC: IMT- Single Carrier) y IMT-Frecuencia-Tiempo (IMT-FT: IMT-Frequency Time).

De los cinco modos, tres usan CDMA (DS/MC/TC) y dos usan TDMA (SC/FT). En la figura 2.4 se muestran los estándares de tercera generación según lo definido dentro de IMT-2000.

Figura 2.4. Estándares de tercera generación según lo definido dentro de IMT-2000

GSM. Mientras que el Proyecto de la Sociedad de Tercera Generación 2 (3GPP2: Third Generation Partnership Project 2) maneja las especificaciones de los sistemas que aplican conceptos de CDMA2000 y son construidos sobre el núcleo de la red ANSI/TIA/EIA-41 [10, 11].

Desde una perspectiva de acceso múltiple, se requiere que los sistemas de tercera generación soporten una mayor cantidad de usuarios de manera simultánea, y que a cada uno se le proporcione una tasa de transferencia alta. Para lograr esto se requieren utilizar

técnicas de CDMA y CDMA de “banda ancha” para ofrecer este soporte a una mayor

cantidad de usuarios.

1.4.1. Sistemas

CDMA:

W-CDMA

El primer modo de operación de IMT-2000, conocido como IMT-DS para la dispersión del espectro, utiliza los conceptos de W-CDMA para el acceso múltiple. Este estándar de tecnología inalámbrica de tercera generación WCDMA (UMTS) implementado por operadores que necesitan migrar sus redes 2G basadas en GSM/GPRS a 3G, ofrece las velocidades de transmisión de datos más altas que ofrecen conectividad inalámbrica a los consumidores y profesionales de muchos mercados del mundo. Por lo tanto WCDMA y UMTS son en realidad sinónimos. WCDMA puede soportar voz, datos, imágenes y video conferencias con velocidades de hasta 2 Mb/s (área local) o de 384 Kb/s (área amplia), en un ancho de banda de 5 MHz (figura 2.5) y al igual que CDMA los usuarios pueden utilizar el canal de manera simultánea [12].

Figura 2.5. Ancho de banda de WCDMA

1.4.2. Sistemas

CDMA:

CDMA2000

En el año 2000 CDMA2000 se dividió en dos estándares o normas: IS-2000, que continúo el desarrollo actual de las comunicaciones de voz y datos, y el estándar IS-856, que se centro en la transmisión de datos de una manera más eficiente.

Después de la revisión C, IS-2000 se denomina como 1xEV-DV (Evolución 1x-Datos y Voz), y la revisión D se publicó en Marzo del 2004. Mientras que el estándar IS-856 se le conoce también como 1xEV-DO (1x Evolución-Solo Datos). 1xEV-DO también hace referencia a Datos por Paquetes de Alta Tasa (HRPD: High Rate Packet Data) [3, 7, 13]. En el capítulo 3 se describirá con mayor detalle el sistema 1xEV-DO, ya que es el tema central de nuestra tesis.

1.4.2.1. CDMA 2000-1x

CDMA2000-1x se considera el primer sistema de tercera generación construido sobre el núcleo de la red ANSI-41, a pesar del hecho de que no proporciona tasas de datos de 2 Mb/s para usuario fijos; contiene todas las características de los sistemas de tercera generación (tabla 2.4) a excepción de la tasa de datos ya mencionada. Este sistema forma parte del estándar IS-2000.

Tabla 2.4. Principales características de CDMA2000-1x [1]

Parámetros CDMA2000-1x

Ancho de banda 1.25 MHz

Acceso múltiple CDMA

Tasa de chips 1.2288 Mcps

Código de dispersión Walsh de longitud fija y variable, códigos PN

Modulación Enlace de bajada: QPSK

Enlace de subida: BPSK

Duración de la trama 5 ms, 10 ms, 20 ms

Tasa de datos máxima 153.6 Kbps (Rel 0)

307.2 Kbps (Rel A)

Hay numerosas ventajas en cuanto a ambos enlaces en CDMA2000-1x respecto a IS-95. Una de ellas es que con un nuevo canal suplementario se proporcionan tasas de datos de hasta de 153.6 Kb/s (en el enlace de bajada y el de subida), la cual es mayor que los 64 Kb/s disponibles en IS-95B, otra de las ventajas de este sistema es el control de potencia; que realiza actualizaciones de potencia mas rápidas para optimizar la tasa de transmisión [3, 6, 7, 13].

1.4.2.2. 1xEV-DO

portadora separada solo para datos, proporcionando tasas de datos de hasta 2.5 Mbps (Rel 0) ó 3.1 Mbps (Rel A) en el enlace de bajada y 153.6 Kbps (Rel 0) ó 1.8 Mbps (Rel A) en el enlace de subida. Un aspecto clave que permite altas tasas de datos en 1xEV-DO es el uso del protocolo de Petición de Retransmisión Automática Hibrida (HARQ: Hybrid Automatic Repeat-Request). CDMA2000-1x utiliza el protocolo de enlace de radio (RLP: Radio Link Protocol) en la capa de enlace para decidir cuando los paquetes requieren retransmisión. HARQ reproduce los procesos que se llevan a cabo en el protocolo RLP en la capa física para 1xEV-DO. Además de usar modulación y codificación adaptables al medio [3, 7, 13].

1.4.2.3. 1XEV-DV

Después de que fuera publicada la revisión C de CDMA2000-1x, el estándar IS-2000 fue renombrado como 1xEV-DV. 1xEV-DV combina el funcionamiento de la transferencia de datos de 1xEV-DO (3.1 Mb/s en el enlace de bajada) con servicios tradicionales de voz utilizando un nuevo canal llamado Canal de Paquetes de Datos de Bajada (F-PDCH: Forward Packet Data Channel). F-PDCH es un canal de altas tasas de datos que se comparte en un esquema por división de tiempo entre los usuarios, empleando modulación y codificación dinámicas de acuerdo a las condiciones del canal. La revisión D fué publicada en el 2004 e introduce un nuevo canal de alta velocidad para paquetes de datos para el enlace de subida (1.8 Mbps) y transferencia de voz [3, 7, 13].

1.4.2.4. CDMA 2000-3x

CDMA2000-3x fue aprobado por la ITU, como estándar de IMT-2000, es parte de lo que se ha llamado IMT-2000 CDMA-MC, ya que este sistema utiliza tres portadoras de CDMA-1x (3x1.25 MHz=3.75 MHz) para proporcionar velocidades de datos del orden de 2 Mbps o mayores. Este sistema también forma parte del estándar IS-2000, pero no esta en operación debido a que se le resto importancia por el auge hacia los sistemas 1xEV-DO. Hay dos opciones para CDMA2000 3xRTT las cuales se pueden apreciar en la figura 2.7 [3, 7, 13]:

a) CDMA2000-3x Dispersión directa:

Para este caso se emplean portadoras de 3.75 MHz en el enlace de bajada y el de subida, usando una tasa de dispersión de 3.6864 Mcps (3x1.2288 Mcps), tres veces mayor que la que se emplea en los sistemas CDMA2000-1x [6, 7, 13].

b) CDMA2000-3x Portadoras Múltiples:

Figura 2.6. CDMA2000-3x. Dispersión directa y portadoras múltiples

1.4.2.5. Redes inalámbricas

Algunos de los estándares IEEE 802, hacen mención a algunas tecnologías inalámbricas, como lo son: Fidelidad Inalámbrica (Wi-Fi: Wireless Fidelity), Interoperabilidad Mundial de Acceso por Microondas (Wi-Max: Worldwide Interoperability for Microwave Access) y Fidelidad Móvil (Mobile-Fi: Mobile Fidelity) [14, 15].

El estándar IEEE 802.11 también conocido como Wi-Fi, es un estándar para redes inalámbricas de área local desarrollado en 1990 por Ia IEEE, define la capa de Control de Acceso al Medio (MAC: Medium Access Control) y las variantes que describen la capa física, para las cuales se han desarrollado las siguientes versiones: 802.11a, 802.11b y 802.11g. La tabla 2.5 muestra algunas de las principales características de dichas versiones.

Tabla 2.5. Principales rasgos de Wi-Fi

Rasgos 802.11a 802.11b 802.11g

Fecha de aprobación Julio 1999 Julio 1999 Junio 2003

Espectro Banda de 5GHz Banda de 2.4

GHz

Banda de 5 GHz

Tasa de datos máxima 54 Mbps 11 Mbps 54 Mbps