ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS CPICH, RSCP Y Ec/Io EN REDES 3G

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS CPICH,

RSCP Y Ec/Io EN REDES 3G

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

P R E S E N T A

LETICIA CANO OSORNIO

ASESOR: M. EN C. SERGIO VIDAL BELTRÁN

(2)

(3)

DEDICATORIA

Quiero dedicarle el presente trabajo

a mi padre

que me acompaño y

ayudo a la realización

(4)

I

ÍNDICE

ÍNDICE ... I

ÍNDICE DE FIGURAS ... V

ÍNDICE DE TABLAS ... VII

OBJETIVO ... VIII

INTRODUCCIÓN ... IX

1 EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES ... 1

1.1 CONCEPTO CELULAR ... 2

1.1.1 TIPOS DE CÉLULAS ... 3

1.1.1.1 MACROCÉLULAS ... 4

1.1.1.2 MICROCÉLULAS ... 4

1.1.1.3 PICOCÉLULAS ... 4

1.1.1.4 FEMTOCÉLULAS ... 5

1.1.2 HANDOVER ENTRE CÉLULAS ... 5

1.1.3 FUNCIONAMIENTO ... 6

1.2 ESQUEMAS DE ACCESO MULTIPLE... 6

1.2.1 FDMA ... 6

1.2.2 TDMA ... 7

1.2.3 CDMA ... 8

1.2.4 OFDMA ... 8

1.3 GENERACIÓN DE LA TELEFONÍA CELULAR ... 9

1.3.1 PRIMERA GENERACIÓN (1G) ... 9

1.3.2 SEGUNDA GENERACIÓN (2G) ... 10

1.3.2.1 GSM ... 11

1.3.2.2 IS-54 – TDMA ... 11

1.3.2.3 PDC ... 11

(5)

II

1.3.3 GENERACIÓN 2.5 (2.5G) ... 12

1.3.3.1 HSCSD ... 13

1.3.3.2 GPRS ... 13

1.3.3.3 EDGE ... 13

1.3.4 TERCERA GENERACIÓN (3G) ... 14

1.3.5 CUARTA GENERACIÓN (4G) ... 15

2 FUNDAMENTOS DE WCDMA ... 16

2.1 CARACTERISTICAS ... 17

2.2 3GPP (3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT; ASOCIACIÓN DE PROYECTOS DE 3ª GENERACIÓN) ... 18

2.3 BANDAS DE OPERACIÓN ... 18

2.4 MODOS DE OPERACIÓN ... 19

2.4.1 MODO DE OPERACIÓN TDD ... 19

2.4.2 MODO DE OPERCIÓN FDD ... 20

2.4.3 ENSANCHADO (SPREADING) Y DESENSANCHADO (DESPREADING) PARA WCDMA ... 20

2.4.3.1 CÓDIGO DE ENSANCHAMIENTO (SPREADING CODE) ... 21

2.4.3.2 FACTOR DE ENSANCHAMIENTO... 22

2.5 MODULACIÓN... 22

2.5.1 QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION; MODULACIÓN POR AMPLITUD EN CUADRATURA) ... 22

2.5.2 PSK (PHASE SHIFT KEYING; MODULACIÓN POR DESVIACIÓN DE FASE) 23 2.5.2.1 BPSK (BINARY PHASE SHIFT KEYING; MODULACIÓN POR DESVIACIÓN DE FASE BINARIA) ... 23

2.5.2.2 QPSK (QUADRATURE PHASE SHIFT KEYING; MODULACIÓN POR DESVIACIÓN DE FASE CUATERNARIA) ... 24

2.6 ESTRUCTURA DE LA TRAMA ... 24

2.7 ARQUITECTURA DE LA RED TERRESTRE UMTS ... 26

2.7.1 CN (CORE NETWORK; RED PRINCIPAL) ... 28

2.7.1.1 MSC (MOBILE SWITHING CENTER; CENTRO DE CONMUTACIÓN MÓVIL) 28 2.7.1.2 GMSC (Gateway MSC) ... 28

(6)

III

VISITANTE) ... 29

2.7.1.5 SGSN (SERVING GPRS SUPPORT NODE; NODO DE APOYO GPRS PARA SERVICIO) ... 29

2.7.1.6 GGSN (GATEWAY GPRS SUPPORT NODE; NODE DE APOYO PARA GATEWAY) ... 29

2.7.1.7 GR (GPRS REGISTER; REGISTRO GPRS) ... 30

2.7.2 UTRAN (TERRESTRIAL RADIO ACCESS NETWORK; RED DE ACCESO DE RADIO TERRESTRE DE UMTS) ... 30

2.7.2.1 RNC (RADIO NETWORK CONTROLLER; CONTROLADOR DE RADIO DE LA RED) 31 2.7.2.2 ESTACIÓN BASE O NODO B ... 31

2.7.3 UE (EQUIPO DE USUARIO) O MS (ESTACIÓN MÓVIL) ... 32

2.7.4 INTERFACES DE DEL SISTEMA UMTS ... 32

2.8 CANALES DE WCDMA ... 33

2.8.1 CANALES LÓGICOS ... 33

2.8.2 CANALES DE TRANSPORTE ... 34

2.8.2.1 CANAL DE TRASPORTE DEDICADO ... 34

2.8.2.2 CANALES DE TRASPORTE COMUN ... 34

2.8.3 CANALES FÍSICOS ... 35

2.8.3.1 CANAL FISICO PARA EL ENLACE DE SUBIDA ... 35

2.8.3.2 CANAL FISICO PARA EL ENLACE DE BAJADA ... 36

2.9 GSM VS WCDMA ... 37

2.10 MULTITRAYECTORIA ... 38

2.11 PARÁMETROS DE DESEMPEÑO ... 39

2.11.1 CPICH (COMMON PILOT CHANNEL; CANAL PILOTO COMÚN) ... 40

2.11.2 RSCP (RECEIVE SIGNAL CODE POWER; CÓDIGO DE POTENCIA DE SEÑAL RECIBIDA) ... 41

2.11.3 Ec/Io (ENERGY CHIP TO INTERFERENCE; RELACIÓN ENERGÍA DE CHIP A INTERFERENCIA) ... 41

3 METODOLOGÍA DEL PROCESO DE LA INFORMACIÓN ... 43

3.1 CARACTERISTICAS DEL EQUIPO DE MEDICIÓN ... 44

3.2 CONFIGURACIÓN DE MEDICIÓN... 46

(7)

IV

3.4 GENERACIÓN DE MAPAS DE COBERTURA EMPLEANDO EASYKRIG ... 51

3.4.1 MÉTODO DE KRIGE ... 51

3.4.1.1 TIPOS DE MODELO DE KRIGE ... 54

3.4.1.2 PROPIEDADES GENERALES DEL MODELO DE KRIGE ... 54

3.4.1.3 ENTORNOS Y PUNTOS OBSERVADOS PARA LA ESTIMACIÓN DE VECINDARIOS ... 55

4 RESULTADOS EXPERIMENTALES ... 62

CONCLUSIONES ... 91

REFERENCIAS ... 94

ABREVIATURAS ... 95

(8)

V CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES

Figura 1.1 Elementos que Conforman el Concepto Celular. ... 2

Figura 1.2 Rehúso de Frecuencias. ... 3

Figura 1.3 Jerarquía de Células. ... 3

Figura 1.4 Handover entre Células. ... 5

Figura 1.5 Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA). ... 7

Figura 1.6 Acceso Múltiple por División en Tiempo (TDMA). ... 7

Figura 1.7 Acceso Múltiple por División de Código (CDMA). ... 8

Figura 1.8 Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal (OFDMA). ... 9

Figura 1.9 Generaciones de Telefonía Celular ... 15

CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE WCDMA Figura 2.1 Ancho de Banda de WCDMA. ... 17

Figura 2.2 Asociación de Proyectos de 3ª Generación. ... 18

Figura 2.3 Modos de Operación a) FDD y b) TDD. ... 20

Figura 2.4 Ensanchado y Desensanchado de una Señal en WCDMA. ... 21

Figura 2.5 Constelaciones de las Variantes de QAM. ... 23

Figura 2.6 Constelación BPSK. ... 23

Figura 2.7 Constelación QPSK. ... 24

Figura 2.8 Estructura de las Transmisiones de Acceso Aleatorio. ... 25

Figura 2.9 Estructura de la Trama para las Partes de Control y Datos del Enlace de Subida del PCPCH. ... 25

Figura 2.10 Estructura de la Trama para el Enlace de Bajada DPCH. ... 26

Figura 2.11 Arquitectura General de un Sistema UMTS. ... 27

Figura 2.12 Elementos de un Sistema UMTS. ... 27

Figura 2.13 Arquitectura General UTRAN. ... 30

Figura 2.14 Propagación por Multitrayectoria. ... 38

Figura 2.15 Diagrama Receptor RAKE. ... 39

CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA DEL PROCESO DE LA INFORMACIÓN Figura 3.1 Spectrum Master MS2713E, Anritsu. ... 44

Figura 3.2 Vista del Panel Frontal. ... 45

Figura 3.3 Vista Superior. ... 46

Figura 3.4 Modo de Operación. ... 46

Figura 3.5 Medición CPICH. ... 47

Figura 3.6 Medición RSCP. ... 48

Figura 3.7 Posición del Analizador para Realizar Mediciones a través del Aire. ... 49

Figura 3.8 Programa Mater Software Tools. ... 49

(9)

VI

Figura 3.10 Hoja de Datos en Excel. ... 51

Figura 3.11 Interfaz EasyKrig v3.0. ... 57

Figura 3.12 Archivo de Texto Cargado en el Software. ... 58

Figura 3.13 Variograma. ... 59

Figura 3.14 Validación de los Datos. ... 59

Figura 3.15 Mapa de Cobertura. ... 60

Figura 3.16 Programa Google Earth. ... 60

Figura 3.17 Superposición del Mapa de Cobertura. ... 61

CAPÍTULO 4. RESULTADOS EXPERIMENTALES Figura 4.1 Área de Medición y Nodos B del Primer Escenario de Prueba “Lindavista”. ... 65

Figura 4.2 Distribución de los Niveles de Potencia para CPICH. ... 66

Figura 4.3 Mapa Georeferenciado de los Niveles de Potencia de CPICH Lindavista. ... 67

Figura 4.4 Cantidad de Scrambling Code en CPICH. ... 68

Figura 4.5 Distribución de los Niveles de Potencia para CPICH del SC 377. ... 69

Figura 4.6 Mapa Georefenciado de Niveles de Potencia para CPICH del SC 377. ... 70

Figura 4.7 Distribución de los Niveles de Potencia de Ec/Io. ... 72

Figura 4.8 Mapa Georeferenciado de los Niveles de Potencia de Ec/Io Lindavista. ... 72

Figura 4.9 Distribución de los Niveles de Potencia para RSCP. ... 74

Figura 4.10 Mapa Georeferenciado de los Niveles de Potencia de RSCP Lindavista. ... 74

Figura 4.11 Cantidad de Scrambling Code en Lindavista para RSCP. ... 75

Figura 4.12 Distribución de los Niveles de Potencia para RSCP para el SC 377. ... 77

Figura 4.13 Mapa georeferenciado de los niveles de potencia para RSCP para el SC 377. ... 77

Figura 4.14 Área de Medición y Nodos B del Segundo Escenario de Prueba “Polanco”. ... 78

Figura 4.15 Distribución de los Niveles de Potencia para CPICH. ... 79

Figura 4.16 Mapa Georeferenciado de los Niveles de Potencia de CPICH de Polanco. ... 80

Figura 4.17 Cantidad de Scrambling Code de CPICH en Polanco. ... 81

Figura 4.18 Distribución de los Niveles de Potencia para CPICH del SC 82. ... 82

Figura 4.19 Mapa Georefenciado de Niveles de Potencia para CPICH del SC 377. ... 83

Figura 4.20 Distribución de los Niveles de Potencia para Ec/Io. ... 84

Figura 4.21 Mapa Georeferenciado de los Niveles de Potencia de Ec/Io de Polanco. ... 85

Figura 4.22 Distribución de los Niveles de Potencia para RSCP. ... 86

Figura 4.23 Mapa Georeferenciado de los Niveles de Potencia de RSCP de Polanco. ... 87

Figura 4.24 Cantidad de Scrambling Code de RSCP en Polanco. ... 88

Figura 4.25 Distribución de los Niveles de Potencia para RSCP del SC 82. ... 89

(10)

VII CAPÍTULO 1. EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES

Tabla 1.1 Sistemas Celulares de Primera Generación. ... 10

Tabla 1.2 Sistemas Celulares de Segunda Generación. ... 12

CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE WCDMA Tabla 2.1 Bandas de Frecuencia para WCDMA en Base al 3GPP. ... 19

Tabla 2.2 Valores RSCP [8]. ... 41

Tabla 2.3 Valores de Ec/Io [9]. ... 41

CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA DEL PROCESO DE LA INFORMACIÓN Tabla 3.1 Parámetros de Configuración. ... 47

CAPÍTULO 4. RESULTADOS EXPERIMENTALES Tabla 4.1 Características de las Zonas Medidas. ... 63

Tabla 4.2 Valores y Características del Equipo de Medición. ... 64

Tabla 4.3 Valores de Desempeño. ... 64

Tabla 4.4 Resultados Obtenidos de CPICH Lindavista. ... 65

Tabla 4.5 Incidencias por Scrambling Code. ... 68

Tabla 4.6 Resultados de CPICH para el SC 377. ... 69

Tabla 4.7 Resultados Obtenidos de Ec/Io Lindavista. ... 71

Tabla 4.8 Resultados Obtenidos de RSCP Lindavista. ... 73

Tabla 4.9 Incidencias por Scrambling Code para RSCP. ... 76

Tabla 4.10 Resultados de RSCP para el SC 377. ... 76

Tabla 4.11 Resultados Obtenidos de CPICH Polanco. ... 79

Tabla 4.12 Incidencias por Scrambling Code para CPICH en Polanco. ... 81

Tabla 4.13 Resultados de CPICH para el SC 82. ... 82

Tabla 4.14 Resultados Obtenidos de Ec/Io Polanco. ... 84

Tabla 4.15 Resultados Obtenidos de RSCP Polanco. ... 86

Tabla 4.16 Incidencias por Scrambling Code para RSCP en Polanco. ... 88

Tabla 4.17 Resultados de RSCP para el SC 82. ... 89

CONCLUSIONES Tabla I Resultados de CPICH de Lindavista y Polanco. ... 91

Tabla II Resultados de RSCP de Lindavista y Polanco. ... 92

(11)

VIII

OBJETIVO



Analizar experimentalmente los parámetros de desempeño CPICH,

(12)

IX

INTRODUCCIÓN

En los últimos años las nuevas tecnologías han demostrado mejorar el rendimiento de gobiernos y empresas alrededor del mundo, actualmente las comunicaciones van más allá de una simple línea telefónica, han transformado nuestras vidas y creado nuevas necesidades conforme estas se desarrollan y en algunas ocasiones necesidades que ni siquiera son primordiales.

Hoy en día la comunicación es parte esencial en nuestras vidas como la televisión, radio, computadoras, teléfonos celulares, entre otros aparatos que hacen que el acceso a la información sea más fácil. El teléfono celular es el que mayor demanda ha tenido últimamente debido al desarrollo que ha presentado en los últimos años, ya que no solo es usado para realizar llamadas, ahora las personas tienen acceso a los mensajes de texto, correo electrónico, redes sociales, entre otras aplicaciones.

La evolución de los sistemas de telefonía celular ha tenido avances importantes, iniciando como un servicio analógico, hasta transformarse a un servicio digital. El servicio analógico de telefonía celular no permitía que muchos usuarios pudieran establecer una comunicación a la misma estación base, lo cual generaba que fallara el intento de realizar una llamada.

Actualmente la demanda de servicios ha llevado a la búsqueda de mejoras en la transmisión de datos y en la calidad en el servicio, esta mejora se puede observar en el caso de las redes de tercera generación denominadas 3G, las cuales han permitido aumentar el número de usuarios conectados dentro de una misma estación base, así como el incremento de la velocidad de transmisión de datos y los múltiples servicios el cual nos ofrece.

(13)

CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES

1

CAPÍTULO 1

1 EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES

(14)

2

1.1 CONCEPTO CELULAR

Un sistema de telefonía móvil es aquel en donde los usuarios pueden tener comunicación desplazándose de un lugar a otro, servidos por una estación base, este sistema también es conocido como sistema de telefonía celular. Los elementos que intervienen en el concepto celular son: estación base, estación móvil y reutilización de frecuencia, ver Figura 1.1.

Figura 1.1 Elementos que Conforman el Concepto Celular.

Una célula o celda es el un área de servicio en la cual los usuarios pueden recibir y realizar llamadas mediante sus móviles. Cada célula cuenta con una estación base. El tamaño de la célula depende de la cantidad de usuarios en un área. Un conjunto de células se le conoce como cluster. Un cluster se encuentra conectado a una central de conmutación móvil (MSC,

Mobile Switching Center).

(15)

3

Figura 1.2 Re-uso de Frecuencias.

1.1.1 TIPOS DE CÉLULAS

De acuerdo a la capacidad y cobertura que se requiere en el área de influencia de la red, su diseño implicara la utilización de células de diferentes radios y las antenas de las radiobase presentaran diferentes alturas y potencias de transmisión. Los diferentes tipos de células utilizadas son: macrocélulas, microcélulas, picocélulas y femtocélulas. Figura 1.3.

(16)

4 1.1.1.1 MACROCÉLULAS

Las macrocélulas son las más usadas para la operación celular. El rango de cubrimiento de estas se encuentran entre 1 y 10 Km., por lo que son usadas para el manejo de tráfico originado por usuarios que se encuentran en movimiento a gran velocidad, disminuyendo de esta forma el número de hand-off y aumentando de esta manera la calidad del servicio, al reducir la probabilidad de caída de llamada. Antenas utilizadas: Omnidireccionales 360º y Sectoriales 3 x 120º.

1.1.1.2 MICROCÉLULAS

Las microcélulas cuentan con un rango que cubre entre 100 y 1000 metros, incrementando la capacidad de la red, debido a que permite hacer un mayor manejo de tráfico y asiendo posible la utilización de potencias de transmisión muy bajas. Antenas utilizadas: Sectoriales.

Desde el punto de vista del operador, esto se traduce en ventajas adicionales como una mejor cobertura, bajos costos de la red por suscriptor y mayor eficiencia en la operación del sistema.

Los edificios pueden, a su vez, interferir con el envío de las señales entre las células que se encuentren más lejanas, por lo que algunos edificios tienen su propia “microcélula”, como

es el caso de un subterráneo.

1.1.1.3 PICOCÉLULAS

(17)

5 1.1.1.4 FEMTOCÉLULAS

La demanda de transmisión de datos en la red móvil, involucra un aumento de tráfico significativo, lo cual deriva la aparición de las femtocélulas. En la femtocélula se plantea proporcionar un enlace vía radio desde cualquier ubicación en su entorno doméstico y proporciona conectividad a través de una conexión ADSL (Digital Subscriber Line Asymetric, Línea de Abonado Digital de tipo Asimétrico). Las femtocélulas pueden hacer uso de las bandas de frecuencia más altas al tener asociadas coberturas limitadas.

1.1.2 HANDOVER ENTRE CÉLULAS

Un sistema celular se diseña de manera que las células adyacentes trabajen con distintas frecuencias. El problema se presenta cuando el equipo móvil cruza de una célula a otra. El sistema de control tiene que detectar de modo automático que esto sucede y realizar la conmutación con un canal libre de la célula adyacente. A este proceso se le denomina handover o handoff. Figura 1.4.

Cada sistema tiene una solución para llevar a cabo este proceso, generalmente mediante mensajes de control (señalización) que se intercambian los terminales móviles y la estación de control.

(18)

6 1.1.3 FUNCIONAMIENTO

Por sofisticados que sean los teléfonos celulares no dejan de ser radiotransmisores. Siendo un sistema de comunicación telefónica totalmente inalámbrica, los sonidos se convierten en señales electromagnéticas, que viajan a través del aire, siendo recibidas y transformadas nuevamente en mensaje a través de antenas repetidoras o vía satélite.

Un teléfono celular es un dispositivo dual, esto quiere decir que utiliza una frecuencia para hablar, y una segunda frecuencia aparte para escuchar, este puede utilizar hasta 1664 canales. Estos operan con células y pueden alternar la célula usada a medida que el teléfono es desplazado, dándole a los teléfonos un mayor rango de movilidad.

1.2 ESQUEMAS DE ACCESO MULTIPLE

En los sistemas de comunicaciones móviles múltiples usuarios tienen acceso a los diversos recursos para comunicarse con otros usuarios. Un esquema de acceso múltiple es aquel en el cual varios usuarios comparten un recurso común para transmitir y recibir información.

Existen diferentes métodos de acceso múltiple, pero los más comunes son: acceso múltiple por división de frecuencia, FDMA (Frequency Division Multiple Access); acceso múltiple por división de tiempo, TDMA (Time Division Multiple Access); acceso múltiple por división de código, CDMA (Code Division Multiple Access); y acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal, OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access). A continuación se presenta una descripción de cada uno de estos esquemas.

1.2.1 FDMA

(19)

7

Figura 1.5 Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA).

1.2.2 TDMA

TDMA es el esquema en el cual cada canal es dividido en intervalos de tiempo que se

denominan “ranuras de tiempo” las cuales son fijas y sincronizadas, a cada usuario se le

puede asignar una o varias ranuras de tiempo durante las cuales puede transmitir su información. Al agrupar varias ranuras de tiempo se forma una trama.

Se puede agregar un período o tiempo de guarda entre ranuras de tiempo, de modo que la información de los usuarios no se traslape. En la Figura 1.6 se observa este esquema.

(20)

8 1.2.3 CDMA

A los sistemas que utilizan este esquema se les denomina “sistemas de espectro disperso”.

En este se asigna un código a cada usuario y simultáneamente todos los usuarios pueden ocupar todo el ancho de banda disponible al mismo tiempo. A diferencia de TDMA y FDMA, en CDMA se emplean códigos matemáticos para distinguir a cada usuario. La Figura 1.7 muestra este esquema.

En el lado del transmisor a cada usuario se asigna una secuencia de código única para dispersar la información. El receptor, conociendo las secuencias de código del usuario, descifra la señal recibida y recupera los datos originales.

Figura 1.7 Acceso Múltiple por División de Código (CDMA).

1.2.4 OFDMA

(21)

9

Para conseguir una mayor eficiencia, el sistema se realimenta con las condiciones del canal, adaptando continuamente el número de subportadoras asignadas al usuario en función de la velocidad que éste necesita y de las condiciones del canal. Si la asignación se hace rápidamente, se consigue cancelar de forma eficiente las interferencias co-canal y los desvanecimientos rápidos. Figura 1.8.

Figura 1.8 Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal (OFDMA).

1.3 GENERACIÓN DE LA TELEFONÍA CELULAR

La demanda en la telefonía celular de una mayor cobertura, mayor ancho de banda, mayor velocidad de descarga, así como servicios adicionales en los celulares, han hecho que exista una evolución a lo largo de los años.

1.3.1 PRIMERA GENERACIÓN (1G)

(22)

10

Las redes más destacadas, fueron el teléfono nórdico móvil NTM (Nordic Mobile Telephone) y el sistema de servicio de telefonía móvil avanzado AMPS (Advanced Mobile Phone Service), el sistema de comunicaciones de acceso total TACS (Total Access Communication System) y ETACS (Extended TACS).

En la siguiente Tabla 1.1 se muestra una comparación de los sistemas de primera generación.

Tabla 1.1 Sistemas Celulares de Primera Generación.

SISTEMA AMPS NMT TACS ETACS

Banda de

frecuencia 824-894 MHz 890-960 MHz 860-925 MHz 900 MHz Esquema de

acceso múltiple FDMA FDMA FDMA FDMA

Año de

introducción 1983 1986 1988 1985

Esquema de

modulación FM FM FM FM

1.3.2 SEGUNDA GENERACIÓN (2G)

A finales de los años ochenta la integración a gran escala y la tecnología de procesamiento de señales maduraron, preparando el terreno para la era digital, dando pasó a que se formara los sistemas de segunda generación. Haciendo uso de la tecnología TDMA y FDMA.

El énfasis para 2G estaba sobre la transparencia internacional y compatibilidad; el sistema debería ser regional o semiglobal y los usuarios del sistema deberían ser capaces de tener acceso a ello básicamente en todas partes de la región, las redes 2G fueron capaces de proporcionar algunos servicios de datos como mensajes de texto (SMS).

(23)

11 1.3.2.1 GSM

El sistema GSM nace dentro de las estaciones de la Comunidad Europea con el fin de estandarizar un sistema de comunicaciones móviles celulares destinado a un mercado potencial de unos 10 millones de usuarios.

La diferencia fundamental entre una terminal de usuario GSM y una estación móvil de otro sistema, es la SIM (Subscriber Identity Module; Módulo de Identificación del Suscriptor). Con el fin de garantizar la privacidad de las comunicaciones GSM emplea mecanismos de autentificación y cifrado.

La interfaz de radio GSM emplea una combinación entre FDMA y TDMA en un espectro de 25 MHz. FDMA divide los 25 MHz en 124 portadoras de frecuencia de 200 KHz cada una. Cada canal de 200 KHz es dividido en 8 ranuras de tiempo utilizando TDMA, bajo este esquema puede soportar velocidades de hasta 9.6 Kbps.

GSM utiliza las frecuencias de 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz y 1900 MHz dependiendo de la región en la cual se encuentra operando.

1.3.2.2 IS-54 – TDMA

IS-54 significa Interim Standard-54, es una ampliación digital de AMPS y por eso es ampliamente conocida como Digital AMPS.

Emplea un espaciado de canales de 30 KHz y las bandas de frecuencia (824-849 y 869-894 MHz). Cuenta con una tasa de transmisión de 48.6 Kbps con canales de 30 KHz, para dar una eficiencia de ancho de banda de 1.62 bits/Hz. Este valor es 20% mejor que GSM. La tasa de codificación de la voz es de 7.95 Kbps, que logra una calidad reconstruida similar a la de los sistemas analógicos AMPS.

1.3.2.3 PDC

(24)

12

PDC ofrece dos tipos de alternativas; 9.6 Kbps en su totalidad los canales de tasa o 5.6 Kbps en la media canal de tipo. La calidad de la voz a lo largo de una conexión de 5.6 Kbps es significativamente menor que la conexión estándar 9.6 Kbps.

1.3.2.4 IS-95 – CDMAONE

El sistema de telefonía celular IS-95 se convierte en un estándar americano de telefonía móvil de segunda generación a mediados de los años noventa. Está diseñado para transmitir voz, señalización de llamadas y datos en forma limitada, usando FDD/FDMA/CDMA.

Varios usuarios pueden tener acceso al espectro de 1.25 MHz que utiliza CDMA. La separación entre usuarios se realiza usando códigos ortogonales que se eliminan al ser multiplicados entre sí. Soporta servicios de datos en conmutación de circuitos a velocidades de 9.6 Kbps a 14.4 Kbps.

En la Tabla 1.2 se muestran las características más importantes de estos sistemas de segunda generación.

Tabla 1.2 Sistemas Celulares de Segunda Generación.

SISTEMA GSM IS-54 PDC IS-95

Banda de

frecuencia 890-915 MHz 850 MHz 1850-1910 MHz 824-849 MHz Esquema de

acceso múltiple TDMA/FDMA TDMA/FDMA TDMA/FDMA CDMA Tasa de datos 13 Kbps 7.95 Kbps 9.6 Kbps 14.4 Kbps

Año de

introducción 1990 1992 1993 1993

Esquema de

modulación GMSK /4 DQPSK /4 DQPSK

QPSK

1.3.3 GENERACIÓN 2.5 (2.5G)

(25)

13 1.3.3.1 HSCSD

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) nace con el objetivo de proporcionar mejores prestaciones a los servicios móviles de datos. Soporta velocidades comprendidas entre 14.4 Kbps y 115.2 Kbps, mediante el cambio de la codificación del canal.

La ventaja de HSCSD para el usuario es que, al estar basado en conmutación de circuitos, garantiza un ancho de banda mínimo a cada usuario. Sin embargo, el usuario pagará la conexión durante todo el tiempo que dure la comunicación.

1.3.3.2 GPRS

GPRS (General Packet Radio Service) mejora de GSM, es una técnica de transmisión de paquetes, con ella se tienen tasas de datos de 40 Kbps hasta 115 Kbps y a velocidades comprendidas entre los 9.5 y 171 Kbps.

GPRS procura utilizar la infraestructura de red de GSM en la medida que sea posible. Sin embargo, deben introducirse nuevos elementos y actualizar algunos de los ya existentes con el fin de soportar la conmutación de paquetes.

1.3.3.3 EDGE

Enchanced Data rates for GSM Evolution soporta tasas binarias reales de 384 Kbps, aunque el limite teórico se encuentra en los 473.6 Kbps. Para ello introduce nuevos esquemas de modulación y codificación, que junto con técnicas de control del enlace, pueden emplearse tanto en servicios de conmutación de circuitos (voz) como en servicios de conmutación de paquetes (datos).

(26)

14 1.3.4 TERCERA GENERACIÓN (3G)

La idea fundamental de la tecnología en 3G consiste en preparar una infraestructura universal que soporte los servicios ya existentes y otros futuros.

Las características de un sistema de tercera generación se describen en el estándar IMT-2000, el cual es una norma mundial para la tercera generación (3G) de comunicaciones inalámbricas, definida por un conjunto de recomendaciones interdependientes de la ITU (International Telecommunication Union; Unión Internacional de Telecomunicaciones).

Las exigencias dentro de IMT-2000 para un sistema de tercera generación son:

 Proporcionar acceso a servicios como: audio, video, voz, datos, multimedia, roaming y seguridad.

 Alta velocidad en la transmisión de datos, con tasas de 144 Kbps, 384 Kbps y 2 Mbps.

 Servicios simétricos y asimétricos.

 Calidad de voz comparable con los sistemas de comunicaciones fijos.  Compatibilidad con sistemas de segunda generación.

 Alta eficiencia espectral.

 Servicio de paquetes de datos de alta velocidad.

 Conmutación de paquetes y conmutación de circuitos [1].

El espectro para los servicios móviles 3G fue desinado por la ITU, la cual atribuyó las bandas de frecuencia 1885-2025 MHz, 1980-2010 MHz y 2170-2200 MHz.

En el servicio de 3G se han desarrollado nuevos servicios como correo electrónico, transferencia de datos de alta velocidad, video llamada, servicios multimedia e Internet móvil. Adopta las técnicas de acceso múltiple CDMA y mayor ancho de banda para proporcionar capacidades mayores.

(27)

15 1.3.5 CUARTA GENERACIÓN (4G)

4G se pretende que sea la fusión de las tecnologías celulares e inalámbricas incluyendo la integración de tecnologías, será la solución IP donde voz, datos y multimedia estarán disponibles a los usuarios, con una velocidad mayor a la actual. Habilita tecnologías relacionadas a la codificación, la modulación y el acceso múltiple, los esquemas de codificación avanzados, la modulación adaptable, la señalización de banda ultra ancha.

Se desarrolla con el propósito de brindar servicios de calidad y satisfacer las necesidades de velocidades de transmisión de la información. Entre las tecnologías a usar se encuentran WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) y LTE (Long Term Evolution), ambos haciendo uso de la técnica de acceso OFDMA (Orthogonal Frecuency Division Multiple Access).

En la Figura 1.9 se muestra las diferentes generaciones de la telefonía celular.

(28)

16

CAPÍTULO 2

2 FUNDAMENTOS DE WCDMA

(29)

CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA

17

2.1 CARACTERÍSTICAS

WCDMA es una tecnología de tercera generación detrás del estándar UMTS (Universal Mobile Telecommunications System; Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles) que está ligado con el estándar GSM. WCDMA incrementa las tasas de transmisión de datos, forma parte de las tecnologías de espectro ensanchado (Spread Spectrum) la cual expande la señal sobre un ancho de banda de 5 MHz (Figura 2.1), teniendo la capacidad de portar voz y datos simultáneamente.

Algunas de las características de WCDMA son:

 Emplea acceso múltiple por división de código de secuencia directa de banda ancha (DS-CDMA), donde la información del usuario se dispersa sobre un ancho de banda mayor para transmitir, ofreciendo tasas de transmisión de hasta 2 Mbps.

 Los datos transmitidos son dispersados usando un código el cual se efectúa a una tasa de 3.84 Mchips.

 Soporta dos modos de operación FDD y TDD. El modo FDD utiliza portadoras de 5 MHz, en las bandas de 2110 MHz – 2170 MHz en el enlace de bajada y 1920 MHz -1980 MHz en el enlace de subida. TDD utiliza una sola portadora para

ambos enlaces, las bandas de frecuencia que utiliza son de 1900 MHz - 1920 MHz y 2010 MHz – 2025 MHz.

 Opera en modo asíncrono.

 Emplea detección coherente en ambos enlaces, por medio de un canal piloto [2].

(30)

18

2.2 3GPP (3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT; ASOCIACIÓN DE PROYECTOS DE 3ª GENERACIÓN)

El 3GPP es un organismo de normalización mundial de las redes de tercera generación, conformada por varias organizaciones de estandarización internacionales como son: el ARIB/TTC (Associaton of Radio Industries and Businesses / Telecommunication Technology Committee), ETSI (European Telecommunicatios Standars Institute), TTA (Telecommunication Technology Association), T1 (Standarisation Committee T1 - Telecommunications) y CWTS (China Wireless Telecommunication Standard). El objetivo del 3GPP es hacer global aplicaciones de telefonía móvil de tercera generación. Figura 2.2.

Los sistemas 3GPP están basados en la evolución de los sistemas GSM, actualmente conocidos como sistemas UMTS. El 3GPP desarrolla especificaciones técnicas, las cuales una vez completadas son aprobadas como una técnica estándar aplicable en cada país o región por las autoridades a cargo.

Figura 2.2 Asociación de Proyectos de 3ª Generación.

2.3 BANDAS DE OPERACIÓN

(31)

19

Tabla 2.1 Bandas de Frecuencia para WCDMA en Base al 3GPP.

BANDA DE OPERACIÓN NOMBRE 3GPP ESPECTRO TOTAL ENLACE ASCENDENTE (MHz) ENLACE DESCENDENTE (MHz) REGIÓN

Banda I 2100 2 x 60 MHz 1920 - 1980 2110 - 2170 Banda principal WCDMA

Banda II 1900 2 x 60 MHz 1850 - 1910 1930 - 1990 Banda PCS América

Banda III 1800 2 x 75 MHz 1710 - 1785 1805 - 1880 Europa, Asia y Brasil

Banda IV 1700/2100 2 x 45 MHz 1710 - 1755 2110 - 2155 Nueva banda 3G en EU y América

Banda V 850 2 x 25 MHz 824 - 849 869 - 894 EU, América y Asia

Banda VI 800 2 x 10 MHz 830 - 840 875 - 885 Japón

Banda VII 2600 2 x 70 MHz 2500 - 2570 2620 - 2690 Nueva banda 3G

Banda VIII 900 2 x 35 MHz 880 - 915 925 - 960 Europa y Asia

Banda IX 1700 2 x 35 MHz 1750 - 1785 1845 - 1880 Japón

Banda X 1700/2100 2 x 60 MHz 1710 - 1770 2110 - 2170 Extensión banda IV

2.4 MODOS DE OPERACIÓN

WCDMA cuenta con dos modos de operación FDD (Frecuency Division Duplex) y TDD (Time Division Duplex). Estos modos ofrecen plataformas de tercera generación, de tal manera que soportan los servicios móviles avanzados. Figura 2.3.

2.4.1 MODO DE OPERACIÓN TDD

(32)

20 2.4.2 MODO DE OPERCIÓN FDD

Los enlaces de las transmisiones de subida (uplink) y de bajada (downlink) emplean dos bandas de frecuencia separadas para este método a dos caras. Un par de bandas de frecuencia con una separación especificada se asigna para cada enlace. Puesto que diversas regiones tienen diversos esquemas de asignación de la frecuencia, la capacidad de funcionar en modo de FDD o TDD permite la utilización eficiente del espectro disponible.

Figura 2.3 Modos de Operación a) FDD y b) TDD.

2.4.3 ENSANCHADO (SPREADING) Y DESENSANCHADO (DESPREADING) PARA WCDMA

WCDMA básicamente funciona de la siguiente manera: los datos a transmitir se multiplican por un código, el resultado produce una señal de mayor ancho de banda la cual es de 3.84 MHz, la cual representa el ancho de banda asignado para la transmisión en modo FDD, a esto se le denomina Spreading.

(33)

21

El Spreading y Despreading son realizados por la estación base (también llamado Nodo B) y el teléfono móvil, la información transita en ambos sentidos, desde el teléfono hacia el Nodo B (Uplink) y desde el Nodo B al teléfono (Downlink).

2.4.3.1 CÓDIGO DE ENSANCHAMIENTO (SPREADING CODE)

El código de de ensanchamiento se utiliza para distinguir los datos de cada usuario en el trayecto en una misma banda de frecuencia, la red asigna el código al usuario antes de la transmisión de manera que ambos conocen el código y lo utilizan para la separación de datos.

Este código de ensanchamiento está compuesto de un código de aleatorio y un código de canalización. Figura 2.4.

(34)

22 2.4.3.2 FACTOR DE ENSANCHAMIENTO

El factor de ensanchamiento es el número de chips por cada símbolo utilizado para el ensanchamiento de la señal. Los factores de ensanchamiento en WCDMA varían desde 4 hasta 256, permitiendo velocidades de símbolos transmitidas entre 960 ksímbolos/s y 15 ksímbolos/s en un solo código. El factor de ensanchamiento se expresa de la forma:

= (2.1)

2.5 MODULACIÓN

WCDMA emplea la modulación QPSK o QAM para el enlace de bajada y BPSK para el enlace de subida.

2.5.1 QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION; MODULACIÓN POR AMPLITUD EN CUADRATURA)

QAM es una modulación digital que transporta datos, mediante la modulación de la señal portadora de información, tanto en la fase como en la amplitud.

(35)

23

Figura 2.5 Constelaciones de las Variantes de QAM.

2.5.2 PSK (PHASE SHIFT KEYING; MODULACIÓN POR DESVIACIÓN DE FASE)

La modulación PSK es de forma angular, la cual varía la fase de la portadora, cada fase representa cada símbolo de la señal modulada. Con PSK la señal de entrada es una señal digital binaria y son posibles un número limitado de fases de salida.

2.5.2.1 BPSK (BINARY PHASE SHIFT KEYING; MODULACIÓN POR DESVIACIÓN DE FASE BINARIA)

Consta de la modulación de desplazamiento de fase de 2 símbolos, con un bit de información cada uno (Figura 2.6). Los símbolos tienen un valor de salto de fase de 0º para el 1 y 180º para el 0, su velocidad de transmisión es más baja de las modulaciones de fase.

(36)

24 2.5.2.2 QPSK (QUADRATURE PHASE SHIFT KEYING; MODULACIÓN POR

DESVIACIÓN DE FASE CUATERNARIA)

Desplazamiento de fase de 4 símbolos, QPSK puede codificar dos bits por cada símbolo, desplazados entre sí 90º. Normalmente se usan valores de salto de fase 45º, 135º, 225º y 315º. Con dos bits, existe cuatro posibles condiciones: 00, 01, 10 y 11. Figura 2.7.

Figura 2.7 Constelación QPSK.

2.6 ESTRUCTURA DE LA TRAMA

En los enlaces ascendente y descendente la transmisión se encuentra organizada en el dominio del tiempo en tramas. Una trama tiene una duración de 10 ms y es dividida en 15 ranuras de tiempo, las cuales hacen 2560 chips/ranura de tiempo.

(37)

25

Figura 2.8 Estructura de las Transmisiones de Acceso Aleatorio.

Figura 2.9 Estructura de la Trama para las Partes de Control y Datos del Enlace de Subida del PCPCH.

2560 chips

10 ms

DATA

PILOT TFCI FBI TPC

0 1 2 3 . . . 14

Trama de radio de 20 ms Trama de radio de 10 ms

4096 chips

PREÁMBULO PREÁMBULO

PREÁMBULO PARTE DEL

MENSAJE

(38)

26

Figura 2.10 Estructura de la Trama para el Enlace de Bajada DPCH.

2.7 ARQUITECTURA DE LA RED TERRESTRE UMTS

La red UMTS (Universal Mobile Telecommunications System; Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles) está conformada por los siguientes elementos:

 El equipo de usuario, UE (User Equipment) o estación móvil, que relaciona al usuario y a la interfaz de radio Uu.

 La red de radio de acceso terrestre, UTRAN (UMTS Terrestrial Radio-Access Network), la cual maneja todas las funciones relacionadas al radio.

 La red principal, CN (Core Network), responsable de la conmutación y ruteo de las llamadas y conexiones de datos a las redes externas.

La arquitectura general incluye dos interfaces: la interfaz lu que se localiza entre la UTRAN y la red principal y la interfaz Uu que se encuentra entre la UTRAN y la estación móvil. Los protocolos sobre las interfaces Uu y lu son divididos en dos estructuras: en el plano de usuario y en el plano de control, en la Figura 2.11 se muestra la arquitectura general UMTS.

RANURA

2560 chips

10 ms

TFCI DATA 2 PILOT

0 1 2 3 . . . 14

DATA 1 TCP

(39)

27

Figura 2.11 Arquitectura General de un Sistema UMTS.

Tanto el UE como la UTRAN se componen de protocolos basados en las necesidades de la nueva tecnología de radio WCDMA, a diferencia de la Red Principal que es basada de la tecnología GSM.

Cada uno de los elementos tiene una arquitectura interna que les permite comunicarse dentro y fuera de ellos. Figura 2.12.

(40)

28 2.7.1 CN (CORE NETWORK; RED PRINCIPAL)

La red principal CN es una entidad que cubre todos los elementos de red necesarios para el control de abonado y la conmutación, la red principal es dividida en dos dominios: conmutación de circuitos y conmutación de paquetes. Es responsable de cambiar y enrutar llamadas y conexiones de datos a redes externas.

Maneja los procedimientos específicos de servicio, incluyendo la dirección de movilidad y el control de llamada. Transporta la información del usuario a su destino. La CN incluye bases de datos usadas para el manejo de la movilidad de direcciones del usuario. También contiene una gran cantidad de sistemas de conmutación así como gateways hacia otras redes, como Internet o la ISDN (Integrated Service Digital Network, Red Digital de Servicios Integrados).

En la red principal existen cinco entidades las cuales son: el centro de conmutación móvil (MSC, Mobile Switching Center), puerta de enlace al centro de conmutación móvil (GMSC, Gateway Mobile Switching Center), el registro de locación (HLR, Home Location Register), el nodo de apoyo al servidor GPRS (SGSN, Serving GPRS Support Node), puerta de enlace al nodo de apoyo GPRS (GGSN, Gateway GPRS Support Node).

2.7.1.1 MSC (MOBILE SWITHING CENTER; CENTRO DE CONMUTACIÓN MÓVIL)

Es un nodo de conmutación que soporta conexiones mediante circuitos conmutados, también tiene que soportar la movilidad del usuario. Si un usuario se cambia de área mientras mantiene una conexión, el MSC envía la conexión sobre los RNCs y Nodo B adecuados al área de ubicación del usuario (Handover). El MSC también participa en los mecanismos para la autenticación del usuario así como la encriptación de la información del usuario. El MSC es el elemento central de la parte de circuitos conmutados de la CN.

2.7.1.2 GMSC (Gateway MSC)

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29 2.7.1.3 HLR (HOME LOCATION REGISTER; REGISTRO DE UBICACIÓN BASE)

El HLR contiene los datos del usuario, cada perfil de información de usuario y las autorizaciones asociados y sus llaves se almacenan en una base de datos llamada HLR. La información del usuario entra en el HLR cuando este hace una suscripción y permanece almacenada mientras la suscripción se encuentre activa.

2.7.1.4 VLR (VISITOR LOCATION REGISTER; REGISTRO DE UBICACIÓN DE VISITANTE)

El VRL es una base de datos similar a HLR, contiene información de todos los usuarios activos en esa área y almacena una copia local de la información de HLR. La información de VLR es dinámica, tan pronto como un usuario cambia su área de ubicación, la información es actualizada.

2.7.1.5 SGSN (SERVING GPRS SUPPORT NODE; NODO DE APOYO GPRS PARA SERVICIO)

El SGSN es el elemento central en la conmutación de paquetes similar a la de los nodos MSC y VLR en la parte de conmutación de circuitos. La posición actual de un usuario es almacenada en el SGSN de modo que un paquete de información entrante puede ser ruteado al usuario. El SGSN contiene dos tipos de información: de suscriptor y de localidad, este se conecta a la UTRAN mediante la interfaz LuPs.

2.7.1.6 GGSN (GATEWAY GPRS SUPPORT NODE; NODE DE APOYO GPRS PARA GATEWAY)

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30 2.7.1.7 GR (GPRS REGISTER; REGISTRO GPRS)

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

2.7.2 UTRAN (TERRESTRIAL RADIO ACCESS NETWORK; RED DE ACCESO DE RADIO TERRESTRE DE UMTS)

La UTRAN es el sistema de acceso radioeléctrico de UMTS [1]. Se encarga de toda la funcionalidad relacionada con la red principal, consiste de radio controladores de red (RNC, Radio Network Controllers) y la estación base, juntas estas dos entidades forman un subsistema de radio (RNS, Radio Network Subsystem). La principal tarea de la UTRAN es la de crear y mantener Portadores de Acceso por Radio para comunicación entre el Equipo de Usuario y la red principal [4].

Las interfaces internas de la UTRAN son: la interfaz lub y la interfaz lur. La interfaz lub conecta a la estación base con el RNC, la interfaz lur es un enlace entre dos RNC. Figura 2.13.

(43)

31 2.7.2.1 RNC (RADIO NETWORK CONTROLLER; CONTROLADOR DE RADIO DE

LA RED)

El controlador de red es el elemento de control de la UTRAN, es el punto de acceso para todos los servicios, RNC está localizado entre las interfaces lub y lu. El RNC controla una o más estaciones base, manejo del tráfico de los canales comunes, macrodiversidad, modificaciones a los conjuntos activos, manejo del tráfico de los canales compartidos, control de potencia y control de admisión.

El RNC es responsable de lo siguiente:

 Control de admisión de llamada.  Gestión de los recursos de Radio.  Asignación de Código.

 Control de Potencia.  Handover.

 Reubicación de RNC de servicio.  Cifrado.

 Conversión de Protocolo.  Conmutación ATM.

2.7.2.2 ESTACIÓN BASE O NODO B

Este nodo corresponde a la BTS (Base Tranceiver Station; Transceptor de la Estación Base) en GSM. El Nodo B tiene como tarea fundamental realizar la transmisión y recepción de la señal de radio, filtrado de la señal, amplificación, modulación y demodulación de la señal y ser una interfaz hacia el RNC [5].

La estación base se localiza entre la interfaz Uu y la interfaz lub, sus principales tareas son: efectuar la implementación física de la interfaz Uu; la estación base implementa los canales físicos y transfiere la información de canales de transporte a los canales físicos.

(44)

32

Cada célula posee un SC (Scrambling Code; Código de Mezclado), y la estación móvil reconoce una célula mediante dos valores: SC (al iniciar sesión en una célula) y el número de identificación de la célula (para la topología de la red de radio).

2.7.3 UE (EQUIPO DE USUARIO) O MS (ESTACIÓN MÓVIL)

La estación móvil es la terminal del sistema, esta contiene dos entidades: el equipo móvil (ME) que es empleado para la comunicación sobre la interfaz Uu; y el módulo de identidad de suscriptor, USIM (UMTS Subscriber Identity Module; Modulo de Identidad del Abonado a la red UMTS).

La MS es el elemento de red más visible del sistema UMTS en lo que al usuario final respecta. Desde el punto de vista de la red, la MS es responsable de aquellas funciones de comunicación que son necesarias en el otro extremo de la interfaz de radio, excepto cualquier solicitud del usuario final. La funcionalidad obligatoria de una MS UMTS se relaciona principalmente con la interacción entre la terminal y la red [2].

2.7.4 INTERFACES DEL SISTEMA UMTS

Las interfaces que contiene un sistema UMTS son las siguientes:

Interfaz Uu. Es la interfaz por la cual la estación móvil tiene acceso a la parte fija del sistema, y es por lo tanto probablemente la interfaz más importante en UMTS.

Interfaz lu. Es una interfaz abierta que conecta la red principal con la UTRAN. Puede tener dos casos diferentes, lu-CS (Circuit Switching) y lu-PS (Packet Switching). La lu-CS conecta la UTRAN a un centro de conmutación móvil (MSC). La interfaz lu-CS conecta la UTRAN al SGSN.

Interfaz lub. Se sitúan entre el RNC y la estación base en la UTRAN. Algunas funciones que realizan son: dirigir los recursos de transporte, maneja la información del sistema, manejo del tráfico de los canales comunes, compartidos y especiales.

(45)

33

2.8 CANALES DE WCDMA

El radio acceso WCDMA asigna el ancho de banda para los usuarios, el ancho de banda asignado y sus funciones de control se manejan utilizando el término canal. Para el transporte y gestión a través de la interfaz de aire de distintos tipos de tráfico, el 3GPP define tres canales; teniendo cada canal un papel específico en el establecimiento y duración de las sesiones en las redes de acceso UMTS, canales lógicos, canales de transporte y canales físicos.

Los canales lógicos, describen el tipo de información que deberá transmitirse, los canales de transporte describen como los canales lógicos se transfieren y los canales físicos son los medios de transmisión proporcionando la plataforma de radio a través de la cual la información es realmente trasferida.

2.8.1 CANALES LÓGICOS

Los canales lógicos proporcionan servicios de transferencia de datos de la capa MAC. Los canales lógicos dependiendo del tipo de información que transportan, se distinguen en dos tipos: de control, utilizados para transferir información en el plano de control y los de tráfico, utilizados para transferir información de usuario.

Los distintos Canales de Control Lógicos son:

 BCCH (Broadcast Control Channel; Canal de Control de Difusión). Canal de enlace de bajada que controla información relacionada con la celda que identifica la red.

 PCCH (Paging Control Channel; Canal de Control de Búsqueda). Canal utilizado en el enlace de bajada para la transmisión de información de voceo.

 CCCH (Common Control Channel; Canal de Control Común). Canal bidireccional para la transmisión de información de control entre la red y la estación móvil.

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34

Los Canales de Tráfico Lógicos son:

 DTCH (Dedicated Traffic Channel; Canal de Tráfico Dedicado). Dedicado a solo una estación móvil, para la transferencia de información de usuario.

 CTCH (Common Traffic Channel; Canal de Tráfico Común). Canal unidireccional punto a multipunto utilizado en la trasmisión de información de usuario dedicada para todos o un grupo específico.

2.8.2 CANALES DE TRANSPORTE

El canal de transporte es unidireccional y cuenta con las características para transportar los datos a través de la interface de aire. Se cuenta con dos tipos de canales de transporte: canales de trasporte dedicados, los cuales son un recurso específicamente para un solo usuario y los canales de trasporte comunes, el cual es compartido con todos o un grupo de usuarios dentro de una célula.

2.8.2.1 CANAL DE TRASPORTE DEDICADO

El DCH (Dedicated Channel; Canal Dedicado) es el único canal de transporte dedicado. Este es un canal bidireccional, el cual se encarga de llevar los datos y control de información de las capas superiores, como: voz, video, datos, control de potencia, cambio rápido de tasa de datos.

2.8.2.2 CANALES DE TRASPORTE COMUN

El canal de transporte común cuenta con varios canales para desempeñar una acción particular, pretendiendo regular la carga del sistema, ya que en ocasiones no todas las acciones que involucran la transferencia de datos son realizadas al mismo tiempo. Los canales de transporte comunes son los siguientes:

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35

 FACH (Forward Access Channel; Canal de Acceso de Bajada). Canal de enlace de bajada, el cual transmite información de control a la terminal móvil localizada en una célula [5].

 PCH (Paging Channel; Canal de Voceo). Canal de transporte de enlace de bajada el cual es transmitido a toda la célula, llevando los datos necesarios para el procedimiento de voceo.

 RACH (Random Access Channel; Canal de Acceso Aleatorio). Canal de transporte de enlace de subida, el cual es recibido de toda la célula con un riesgo de colisión. Utilizado para llevar información de control desde la estación móvil hasta la estación base.

 CPCH (Common Packet Channel; Canal de Paquete Común). Canal de transporte de enlace de subida, envía paquetes de información a la red, utilizando un procedimiento más ordenado para evitar las colisiones producidas por el acceso de usuarios.

 DSCH (Downlink Shared Channel; Canal Compartido de Enlace de Bajada). Canal de transporte de enlace de bajada el cual es compartido por varios equipos móviles, el cual transporta información del usuario y control.

2.8.3 CANALES FÍSICOS

Los canales físicos son el medio que se utiliza para enviar la información tanto de control y de usuario. Se caracterizan por la portadora de frecuencia, los códigos de scrambling, los códigos de canalización, el tiempo de inicio y parada de transmisión y en el enlace de subida.

2.8.3.1 CANAL FISICO PARA EL ENLACE DE SUBIDA

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36

DPDCH (Dedicated Physical Data Channel; Canal Físico de Datos Dedicado). Canal en el cual se realiza la función de la transmisión de los datos de usuario y control de la información.

DPCCH (Dedicate Physical Control Channel; Canal Físico de Control Dedicado). Canal que transmite símbolos piloto para la recepción coherente y transmite bits de señalización para control de potencia [6].

2.8.3.2 CANAL FISICO PARA EL ENLACE DE BAJADA

Este canal cuenta con varios canales para el desempeño de acciones específicas.

 DDPCH (Downlink Dedicad Physical Channel; Canal Físico Dedicado del Enlace de Bajada). Consta de dos canales dedicados uno para el canal DPDCH y un canal de control, el cual es el canal físico de control dedicado, DPCCH. Utiliza el multiplexaje en tiempo para enviar los datos de usuario provenientes de capas superiores.

 CPICH (Common Pilot Channel; Canal Piloto Común). Canal que transmite una portadora que es usada para estimar los parámetros de canal. Es empleado para el control de potencia, transmisión y detección coherente, la estimación de canal y medición de celdas adyacentes, los canales piloto también sirven para obtener el código scrambling de la célula.

 PCCPCH (Primary Common Control Physical Channel; Canal Físico Primario de Control Común). Es usado para llevar el canal de Broadcoast (BCH). Se encarga de llevar información de control por toda la celda.

 SCCPCH (Secondary Common Control Physical Channel; Canal Físico Secundario de Control Común). Canal que transmite la información de los diferentes canales de transporte, FACH y PCH.

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37

 PDSCH (Physical Dedicated Shared Channel; Canal Físico Compartido del Enlace de Bajada). Tiene como objetivo la trasferencia de paquetes de datos en tiempo no real.

 PRACH (Physical Accesses Chanel; Canal Físico de Acceso Aleatorio). Canal usado para transportar el RACH (Random Access Channel) en enlace de subida.

 CPCH (Common Packet Channel; Canal Físico de Paquetes Comunes). Canal de transporte de enlace de subida, es asignado utilizando el multiplexaje de tiempo, es usado por varios usuarios y utiliza el control de potencia.

 PICH (Paging Indicator Channel; Canal Indicador de Voceo). Canal físico de velocidad fija, utiliza un factor de dispersión de 256 bits, que se utiliza para transportar el indicador de voceo. El PICH está asociado con el SCCPCH [6].

2.9 GSM VS WCDMA

Las diferencias más importantes entre GSM y WCDMA son los siguientes:

 GSM utiliza TDMA como esquema de acceso múltiple, mientras que WCDMA utiliza CDMA.

 GSM fue creado principalmente para aplicaciones de voz. WCDMA soporta voz, paquetes de datos alta velocidad y aplicaciones multimedia.

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38

2.10 MULTITRAYECTORIA

La mayoría de los sistemas de comunicaciones no operan en entornos de espacio libre, lo cual provoca que en la propagación de las ondas de radio tengan múltiples reflexiones, difracciones y atenuaciones de la energía de la señal. Las cuales son provocadas por los diversos obstáculos como edificios, árboles, montañas, etc., causando el fenómeno de propagación por multitrayectoria. Figura 2.14.

El entorno de propagación entre el transmisor y el receptor cambia de manera continua y arbitraria. De modo que las ondas llegan de distintas direcciones, múltiples copias, con atenuaciones y defasadas.

Figura 2.14 Propagación por Multitrayectoria.

Para disminuir los efectos de la multitrayectoria en un enlace es usado el receptor Rake.

El receptor Rake está conformado por varios receptores levemente retrasados capaces de rastrear los rápidos cambios de amplitudes y fases provenientes del fenómeno de desvanecimiento, cada uno de ellos recibe una trayectoria que es decodificada y recuperada. Las salidas de los diferentes receptores son alineadas en tiempo, en la última etapa lleva a cabo la suma de las trayectorias, con el objeto de tener el máximo provecho de cada una. Figura 2.15.

(51)

39

Figura 2.15 Diagrama Receptor RAKE.

2.11 PARÁMETROS DE DESEMPEÑO

La cobertura de una red es importante para saber que esperar como usuarios del servicio. Al igual que en GSM, en WCDMA existen diferentes puntos para una conexión exitosa del teléfono móvil.

 Inicio de sesión en la red.  Inicio de una llamada.

 Mantener una llamada iniciada.

 Llegar a una velocidad de datos específica en la transmisión de datos.

Si la calidad de recepción va disminuyendo, los efectos observados son los siguientes.

 Disminuye la velocidad de datos.

 Desconexión de la llamada en curso (llamada pérdida).  No se puede iniciar una nueva llamada.

 El equipo está desconectado de la red (desconexión de la red).  El equipo no se puede iniciar sesión en la red.

SEÑAL DE ENTRADA

Q I

TIMING (FINGER ALLOCATION)

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40

La velocidad de datos de usuario no solo depende de la calidad de recepción, sino también del número de usuarios activos en una célula, si los usuarios tienen derecho a altas velocidades de datos, entre otros factores. Por lo cual la velocidad de datos disponible no es un buen indicador de calidad de recepción y cobertura.

La capacidad de conectarse a la red es un requisito absoluto para utilizar cualquiera de los servicios que proporciona la red, por lo cual es el indicador más adecuado para medir la cobertura de la red. Una vez que el equipo está conectado a la red, se puede iniciar las llamadas y mantenerse, incluso si temporalmente la calidad de recepción disminuye aún más.

Por lo cual, es necesario establecer uno o más valores de los parámetros técnicos que permiten que el equipo pueda iniciar sesión en la red. El acceso a la red son los criterios adecuados para decidir si una zona tiene cobertura o no.

2.11.1 CPICH (COMMON PILOT CHANNEL; CANAL PILOTO COMÚN)

El canal CPICH transmite una portadora usada para estimar los parámetros del canal es la referencia física para otros canales. Se emplea para:

 Control de potencia.  Transmisión.

 Detección coherente.  Estimación de canal.

 Medición de celdas adyacentes.

 Obtención del código de mezclado (Scrambling Code).

La medición “sobre el aire” permite determinar el número de sectores que están transmitiendo en un punto de un área determinada, así como, conocer la Dominancia del Piloto (PD, Pilot Dominance), el cual representa la fuerza del piloto más fuerte comparado con el siguiente piloto de mayor fuerza en el mismo canal.

(53)

41 2.11.2 RSCP (RECEIVE SIGNAL CODE POWER; CÓDIGO DE POTENCIA DE

SEÑAL RECIBIDA)

RSCP es el valor de la energía de RF con que el móvil percibe al Nodo B después del proceso de correlación/decodificación, generalmente está dada en dBm. Denota la potencia medida por un receptor en un canal físico de comunicaciones en particular. Debe ser medido para cada código específicamente.

RSCP se utiliza como:

 Indicador de la intensidad de la señal.

 Criterio de entrega en el control de enlace descendente de energía.  Cálculo de pérdidas por trayectoria.

 Criterio para juzgar la calidad de la recepción.

La Tabla 2.2 muestra los valores a considerar de RSCP encontrados en pruebas de laboratorio.

Tabla 2.2 Valores RSCP [8].

RSCP ≥ -88dBm Bueno

-95dB ≤ RSCP < -88dBm Aceptable

RSCP < -95dBm Malo

2.11.3 Ec/Io (ENERGY CHIP TO INTERFERENCE; RELACIÓN ENERGÍA DE CHIP A INTERFERENCIA)

Ec/Io es la relación de la energía recibida por chip y el nivel de interferencia, definida únicamente por el canal piloto, usualmente dada en dB. Se mide antes del desensanchamiento. En la Tabla 2.3 se muestra los valores de Ec/Io encontrados en pruebas de laboratorio.

Tabla 2.3 Valores de Ec/Io [8].

Ec/Io ≥ -9dB Bueno

-14dB ≤ Ec/Io < -9dB Aceptable

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42

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CAPÍTULO 3 METOLOGÍA DEL PROCESO DE LA INFORMACIÓN

43

CAPÍTULO 3

3 METODOLOGÍA DEL PROCESO DE LA INFORMACIÓN

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44

3.1 CARACTERISTICAS DEL EQUIPO DE MEDICIÓN

El equipo utilizado para las mediciones de potencia es el Spectrum Master MS2713E que se muestra en la Figura 3.1, fabricado por Anritsu.

Figura 3.1 Spectrum Master MS2713E, Anritsu.

Algunas de las opciones de medición que permite el equipo son:

 LTE, TD-LTE (20 MHz B/W).  CDMA, EV-DO.

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El equipo cuenta con diversas teclas para ejecutar cada una de sus funciones, siendo de uso fácil al usuario, permitiendo la realización de las mediciones. A continuación se muestra una vista del panel frontal en la Figura 3.2.

Figura 3.2 Vista del Panel Frontal.

Cuenta con almacenamiento local de tipo USB (Universal Serial Bus; Bus Universal en Serie) clase A permitiendo guardar las mediciones directamente a una memoria flash USB.

Antes de encender el equipo es necesario colocar una antena que opere en el rango de frecuencias deseada en el puerto RF In (Radio Frecuency; Radiofrecuencia) mostrado en la Figura 3.3. En nuestro caso se utilizó una antena omni-direccional que opera en la banda de frecuencia de 870 a 960 MHz, conectada en el puerto RF In.

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Figura 3.3 Vista Superior.

3.2 CONFIGURACIÓN DE MEDICIÓN

Antes de comenzar con las mediciones, es necesario verificar la configuración del equipo. Se debe de seleccionar el modo WCDMA Signal Analyzer haciendo uso de las flechas de arriba abajo dentro del menú desplegado por el equipo, como se muestra en la Figura 3.4.

Figura 3.4 Modo de Operación.

El análisis se hizo utilizando la medición de “sobre del aire” para realizar la identificación

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Tabla 3.1 Parámetros de Configuración.

PARÁMETRO VALOR / CARACTERÍSTICAS

Frecuencia de Portadora 887.5 MHz

Banda de Trabajo

Banda V – Canal Adicional de los Sistemas UMTS para el Enlace

Descendente

Canal 1087

Frecuencia de Trabajo de la

Antena 870 a 960 MHz

Tipo de Antena Omnidireccional

En la Figura 3.5 se muestra la pantalla que el Spectrum Master despliega en la medición de potencia de CPICH.

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La pantalla del equipo muestra barras las cuales representan la potencia de los SC (Scrambling Codes) detectados. Además de que expone los parámetros de potencia de Ec/Io, Ec, CPICH y piloto dominante, correspondiente a cada SC detectado.

Para la medición de RSCP nos exhibe los parámetros del número de multitrayectorias, Tau, Tau (chips), Distancia, nivel de potencia de RSCP y Potencia Relativa. En la Figura 3.6 se muestra la pantalla que el Spectrum Master despliega en la medición de referente a RSCP.

Figura 3.6 Medición RSCP.

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Figura 3.7 Posición del Analizador para Realizar Mediciones a través del Aire.

3.3 PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN

Las mediciones realizadas en el Spectrum Master son extraídas mediante una memoria flash USB, para posteriormente ser manipuladas mediante una computadora que tenga

instalado el software “Master Software Tools”. Figura 3.8.

Figura 3.8 Programa Mater Software Tools.

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Figura 3.9 Procesamiento de Archivo.

El formato de archivo *.csv aun no nos permite procesar las mediciones, lo cual es necesario hacer una conversión a *.txt (delimitado por tabulaciones), siendo modificados mediante el programa Microsoft Excel. Posteriormente se reúnen todas las mediciones en un solo archivo, mediante un programa en C++, nos genera un archivo con los parámetros de interés (Longitud, Latitud, CPICH y RSCP).

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Figura 3.10 Hoja de Datos en Excel.

3.4 GENERACIÓN DE MAPAS DE COBERTURA EMPLEANDO EASYKRIG

3.4.1 MÉTODO DE KRIGE

La mayoría de los métodos de interpolación da lugar a resultados semejantes cuando existe una gran cantidad de datos. Sin embargo, cuando estos escasean, las suposiciones que se realizan, sobre la variación del atributo en los lugares observados y la elección del método apropiado, son críticas, si se desea evitar unos resultados pobres.