Estudio de técnicas para eficientar la transmisión de servicios multimedios en sistemas de comunicaciones móviles de la tercera generación.Study of techniques to improve efficiency of the transmission of multimedia services in systems of mobile communicat

_-=¦-;;=-.-:\\\\;..;¦.-...;-;-_..__=;-;¿-

Y APROBADA POR EL SIGWE COMITÉ

At

TESLS DEF¡;NDlDA POR

Arlette Graciela Alvarez Quiñones

,¬-

Í

IVLC. Jorge Enri 'do Velasco

' 11111.7 V 111 \

Director del A-.\ omíté

'L

M.C. Raúl Tmfì/'ayo Fernández Dr. 3/osé Luis Medina Monroy

Miembro del Comité Miembro del Comité

,;z. L .

IVLC. José Luis Briseño Cervantes

Miembro del Comité

7.

V V V Í *V V/ .i of t « /V J

Dr. Jísé Luis Medina Monroy Dr. Federico Greåi/Zfehl

Jefe del Departamento de Electrónica y Director de Estudios de Posgrado

Telecomunicaciones

DE EDUCACIÓN SUPERIOR DE ENSENADA

A

CICGSG

DIVISIÓN DE FISICA APLICADA

DEPARTAMENTO DE

ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

ESTUDIÓ DE TÉCNICAS PARA EFICIENTIZAR LA

TRANSMISIÓN DE SERVICIOS MULTIMEDIÓS EN

sIsTEMAs DE CÓMUNICACIÓNES MÓVILES DE

LA TERCERA GENERACIÓN

C

TESIS

que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtener

el grado de MAESTRO EN CIENCIAS presenta:

ARLETTE GRACIELA ALVAREZ QUIÑONES

-RESUMEN de la Tesis de Arlette Graciela Alvarez Quiñones, presentada como requisito parcial para la Obtención del grado de MAESTRO EN CIENCIAS en ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. Ensenada, Baja California, México.

Diciembre de 1999; E

ESTUDIO DE TECNICAS PARA EFICIENTIZAR LA TRANSMISIÓN DE

SERVICIOS MULTIMEDIOS EN SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES

DE LA TERCERA GENERACIÓN.

Resumen aprobado por: I

M.C. Jor ado Velasco.

Director esis.

En los últimos años, el gran crecimiento de los sistemas de comunicaciones móviles ha ocasionado la saturación del espectro de frecuencias, de manera que entonces se proponen diferentes técnicas para maximizar el transporte de la información minimizando los requerimientos de espectro de los servicios de comunicaciones personales inalámbricos futuros. Además, las limitaciones de los sistemas existentes, han propiciado el desarrollo de los conceptos de un sistema móvil de tercera generación. Planeados para iniciar su operación en el siguiente milenio, los sistemas de tercera generación están actualmente sujetos a investigación y el desarrollo de su estandarización, la cual es realizada por la ITU (International Telecommunications Union) y otros organismos. De esta forma, aparecen el UMTS (Universal Mobiie Telecommunications System) y el IMT-2000 (International Mobile Telecommunications at year 2000). UMTS integrará, en una estructura única, todos los servicios ofrecidos por los Sistemas actuales; al mismo tiempo, hará disponible en “cualquier lugar” y en “cualquier tiempo” más servicios de los existentes en sistemas actuales con una comunicación de calidad comparable a la de las redes alámbricas. El principal reto es en la interfaz de radio más adecuada para transportar la información que satisfaga un amplio intervalo de requerimientos en donde el análisis se enfoca en la adopción de la técnica de acceso CDMA.

la capacidad del sistema y manteniendo a la vez una calidad de servicio aceptable.

Palabras clave: UMTS, IMT-2000, interfaz de radio, DS-CDMA, sectorización

ABSTRACT of the Thesis of Arlette Gracieia Alvarez Quiñones, presented as a partial requirement to obtain the degree of MASTER IN SCIENCES in ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS. Ensenada, Baja California, Mexico. December of 1999.

STUDY OF TECHNIQUES TO IMPROVE EFFICIENCY OF TI-IE TRANSMISSION OF MULTIIVIEDLA SERVICES IN SYSTEMS OF

MOBILE COMMUNICATIONS FOR THIRD GENERATION

In the last years, the growth of mobile communications systems has caused the frequency spectrum saturation, so that different approaches has been studied to maximize the transport of the information while minimizing the spectrum requirements for future wireless personal communications services. In addition, the limitations of the existing systems have led to develop concepts for a third generation mobile system. Planned to begin operation at the beginning of the next milleniurn, third generation systems are currently the subject of research, development and standardization by organisms as the International Telecommunications Union (ITU). Recently there are Universal Mobile Telecormnunications System (UMTS) and Intemational Mobile Telecommunications at year 2000 (IMT-2000). UMTS will offer "anywhere" and "anytime" services integrating voice, data and video in a Imique structure with a comparable quality of services (QOS) as in a Wired network. The main challenge is to adapt the radio interface to transport the information which satisfies a wide range of requirements. This 'thesis work focus in the DS-CDMA access technique. The feasibility to transmit multimedia services in wireless communication networks was analyzed , using DS-CDMA in third generation mobile communications system. The performance of DS-CDMA system in terms of user capacity was analyzed, using directional antennas at the base station, considering the effects of an imperfect Sectorization, voice activity monitoring, and imperfect power control in order to decrease the interference power, as well as the intra and inter cell interference in order to model the total interference present in a real system. From the results obtained, it is observed that the previous techniques are widely desirable to improve the performance of DS-CDMA system in the context of third generation systems increasing the system capacity and Simultaneously keeping an acceptable quality of service. A

A mis papitos:

Mario y Enoé

Por el amor y cariño que durante toda mi vida me han brindado, sin el cual no habría sido posible lograr ésta y

otras tantas metas que he fij ado en mi vida. Gracias. Los quiero mucho.

A mis hermanos:

Mario y Gibran Enrique

Por ser tan queridos para mi.

A Juan Zitlalpopoca B.

AGRADECIMIENTOS

A mi director de tesis, M.C. Jorge Preciado V., por las facilidades y apoyo brindados, sin los cuales este trabajo de tesis no habría sido posible.

A los miembros de mi comité de tesis: M.C. Raúl Tamayo F., Dr. José Luis Medina M. y M.C. José Luis Briseño C., por las aportaciones y comentarios a esta tesis, sin su apoyo no sería posible presentar este trabajo.

A mis maestros, por contribuir a mi formación profesional.

A mi adorado Juan Zitlalpopoca B., por sus aportaciones a este trabajo; y antes que cualquier cosa, por el enorme amor, apoyo y comprensión que me ha brindado desde que lo conocí; ha sido maravilloso compartir nuestras ilusiones, gracias amor por tanta felicidad.

A mi abuela Jael Zárate L. y a todas mis tias, por todo el cariño manifestado desde pequeña.

Las quiero mucho. `

A la querida Eriquita Ruiz I., por el apoyo, buen humor y cariño que siempre demostró, que han significado mucho en mi vida.

A Julio C. Cruz M., Gerardo de la Fuente T., Plácido Zaca M., Francisco Domínguez C., por los momentos tan agradables que vivimos en estos años de estancia en el CICESE.

A mis compañeros de CICESE, por su amistad.

A Edith García C., por las palabras de aliento que siempre tuvo para mí.

A Julián Delgado J., por sus valiosas aportaciones al trabajo de simulación; a Silvia Camacho L., por su apoyo en la solución de problemas durante el mismo.

A1 CICESE, por brindarme la oportunidad de continuar mis estudios profesionales.

Al CONACYT, por el apoyo económico otorgado para la realización de mis estudios de maestría.

CONTENIDO

1

INTRODUCCIÓN

I.l Objetivos _ . . . _ . _ . . . . _ . . . _ . . . _ . _ _ . _ _

1.2 Alcances de la tesis . . . _ . . . . _ _ _ . . . . _ . _ . . . _ . . _.

I.3 Organización del trabajo _ . _ . . . _ . . . _ . . . _ _

II COMUNICACIONES MÓVILES INALÁMBRICAS

II.1 Introducción . . . _ . . . _ . _ _ . _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . . _ . . _ . . . _ _ . . _ _

II_2 Evolución de los sistemas de telecomunicaciones _ _ _

página

1

. - . . . . - - . . - › . . - - ¢ . - . . . - .-4 . . - . - ¢ - . . - - . . . - ¢ . - . . . .-4 . . . - . . - . › . . . . « « - . . -.S

6

. . . _ _ . . . _ _ _ . . . ..6 . . . _ _ _ . _ . _ . . ..6

II.3 Sistemas de Comunicaciones Móviles de la Tercera Generación _ _ _ . . _ _ . _ _ _ . _ _ 8

II_3.l II.3.2 H.-4 UMTS II.-4.1 II.4.2 ' II.4_3 II.4_4 II.4.5

PCS . _ . . . _ _ _ _ . . . _ . . . _ . . . _ _ _

IMT-2000 _ . _ . . _ _ . . _ . . . . _ . . _ . . . . _ . . . _ _ . . _.

Actividades de estandarización europea. _ _

Objetivos de UMTS . . _ . _ . _ _ . _ _ . . _ . . . . _ . _ _

Ambientes de UMTS . . . _ . _ . . _ _ _ . . _ _ . . . _ _ _

Tipos de celdas . _ . . . _ _ _ . _ . . . _ _ . . . _ . . . ._

Interfaz de radio . _ _ _ . . _ . . . _ _ . . . _ _ . . . . _ . _ _ _

H.4.5.1 Sistema CODIT . . . _ _ . _ . _ _

III ESQUEMA DE ACCESO MÚLTIPLE CDMA

III.l Introducción . . _ . . . . _ . . . _ _ . . _ . _ _ . . _ _ . . _ _ . . . _ _ . . _ _

III.2 Espectro Esparcido _ . . _ _ _ . . . _ . _ _ . _ . _ . . . _ . . _ . . . . _ _

III_2.l CDMA en secuencia directa (DS-CDMA) _ IlI.2. 1.1 Ganancia de esparcimiento . . . . _.

IH.2_l _2 Codificación del enlace de bajada

lII.2.l.3 Codificación del enlace de subida

. . . - › ¢ - . › . - . . - . ¢

_ . . . _ . _ _ . . . _ _ _. 13 . . _ _ _ . . . . _ _ . _ . _ _ _ _ . . . _. 13

. _ _ _ _ . . . _ . . _ _ . . . _ . . _. l5 . . _ . _ _ _ . . . _ . _ . . . ._ 16 _ . . . _ . _ . . _ . . . _ _ . . . _. l7 _ . . . _ . . _ . _ . _ _ . . . _. 18

_ . . . . _ . . . . _ _ . _ _ . . . _ . _ . _ ._9

. . . _ . . _ . _ . . . _ _ . . __ 10

.._._11

22

III_2.2 III_2_3

III_3

III.3.l IIl.3_2

III.4

IlI_4_l

III.4_2

III.4_3 HI.4.4

III.4.s

Códigos

ii

CDMA con saltos en frecuencia (FH-CDMA) _ . . . _ . . . _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ 29

CDMA con saltos en tiempo (TH-CDMA) . _ . _ . . . . _ . . . _ . _ . _ _ 30

_ . . _ . . _ . . _ _ . _ . . . _ _ _ _ _ . _ . . . . _ . _ _ . . . _ _ . _ . . . _ . _ _ . . . _ . _ _ 31

Códigos seudoaleatorios _ . . _ . . . _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ . _ . . _ . _ _ . _ . _ _ _ . . . _ . __ 32

Códigos ortogonales . . . . _ _ _ . . _ _ . . _ _ . _ _ . . . _ _ . . . . _ . _ _ . _ . _ . . _ . . . _ . __ 34

Técnicas para mejorar el desempeño de DS-CDMA _ . . . _ _ . _ _ _ . . . _ _ _ _ _ 36

Control de potencia _ _ . _ . . . _ . _ . _ _ _ _ _ . . . _ _ _ . _ . . _ . _ . . _ _ 36

[lI.4.l.l Control de potencia de lazo abierto y de lazo cerrado en el enlace de subida _ _ _ . . . _ . . . _ _ _ _ . . . _ _ . . . _ . _ _ . . . _ . . _ _ 38

llÍI.4. l .2 Control de potencia en el enlace de bajada _ _ . . _ . _ . _ . . . _ _ 40

Sectorización _ _ . . . _ _ _ . . . _ . _ . . _ . _ . . . _ . _ _ . . _ _ _ . . _ . . _ _ . . . _ _ 40

IlÍ[.4.2.l Directividad de la antena y ganancia . . . _ _ _ . . . _ . . _ . _ _ . _ _ _ 42

Ill_4.2_2 Ancho de haz de la antena. ._ _ .V_ . . . . _ . . _ . . _ _ _ _ . . . _ . . . _ _ _ 42

III_4_2.3 Razón frente-atrás (front-to-back) dela antena . . . _ . _ _ _ 43

Interferencia inter-celda . . . _ . _ . . . _ _ _ . . _ _ . . . _ _ _ . . _ . _ . . _ . . . _ _ 43

Monitoreo de actividad de voz . _ _ _ _ . . _ . . _ _ _ _ _ . _ _ . . _ _ . _ . _ . . . _ . . . _ _ 45

Procesamiento de la llamada . . . _ . . _ _ . _ _ . . . . _ . . _ _ _ . _ _ _ . . . _ . . . . _ . _ _ 45

III.4_5.l 'Transferencia más suave de llamada (sofier handofi) _ _ _ _ _ 48

MODELO MATEMÁTICO PARA EL SISTEMA PROPUESTO

50 IDS-CDMA

IV. l Introducción . _ . . _ _ _ . . _ . . . _ . . . _ _ . _ _ . _ _ . . _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . . . _ _ _ . . . _ _ . _ . . _ . _. 50

IV2 Patrón de la antena direccional _ . . . _ . . . _ . . _ . . . _ . _ _ _ _ . _ . . _ . _ . _ _ . . . . _ _ 51

IV3 Capacidad de la celda DS-CDMA . _ _ . _ . . _ . _ _ . . _ . . _ . . _ . _ _ _ _ . . . _ . . _ _ . . . . _ _ _ 54

IMPLEMENTACIÓN DE Los MonELos DE SIMULACIÓN

59

Vl Introducción _ . . . _ . _ . _ . _ _ . . _ . . _ _ _ . . _ _ _ _ _ . . _ _ . . _ _ _ _ _ . _ . . _ . _ _ _ . _ _ . . . _. 59

V2 Modelo de red . . _ . _ _ . _ _ _ _ . . . _ _ . _ _ _ . _ . . . _ _ _ _ _ _ . . . _ _ . . _ . . . _ _ . . . _ . _ _ . . _ _ _ . __ 60

V3

V3.l

Modelo de nodo _ . . . _ . . _ _ _ _ . . . _ _ _ . . . _ . . . _ _ _ _ _ _ . . . _ . . _ _ _ . . _ . . _ . _ . _ _ 63

\Z3_2 \¿3_3 \/Í3_4 \(3_5 V3_6 V3.7 V3.8 V3_9 V3_l0 VÍ3_ll V3.l2

v3.13

Modelo de nodo para la estación base _ _ . . _ . _ _ . . _ . _ _ _ _ _ . . _ . . . _ _ _ 65

Modelos de proceso _ . . _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ . _ . _ . _ _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ 67

Modelo de proceso: genera tráfico en la estación móvil __ _ _ _ . . . _ _ _ _ 68

Modelo de proceso: asigna código en la estación móvil _ . _ _ _ . _ _ _ . _ _ 69

Modelo de proceso: detecta voz en la estación móvil _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ 70

Modelo de proceso: acceso al canal en la estación móvil . . _ _ _ _ . _ . _ _ 71

Modelo de proceso: apuntador de antena en la estación base _ _ _ . _ _ _ 73

Modelo de proceso: correlación de códigos en la estación base. _ _ _ _ 74

Modelo de proceso: asigna un sector en la estación base _ _ _ . _ . . _ _ _ _ 75

Modelo de proceso: filtra paquete en la estación base _ _ . . _ . _ _ _ . . _ _ 78

Modelo de proceso: recibe paquete en la estación base . _ _ . _ _ _ _ _ _ _. 79

Modelo de proceso: genera estadísticas en la estación base _ _ . _ . _ _ _ 80

V4 Modelo de parámetros _ _ _ _ _ . . _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . . _ . _ . _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ . . _ _ _ _ __ 81

V4_l \l4_2

SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE Resumnos

Modelo del patrón de las antenas direccionales . _ . . _ _ _ _ . _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ 83

Modelo de la tabla de modulación _ . _ . _ . _ _ _ _ . _ . . . _ _ _ _ _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ S6

'sv

VI.l Introducción . _ _ _ . _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . . _ . _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ '87

VI_2 Análisis de desempeño del enlace de subida de un sistema sectorizado y

de un sistema sin sectorización_ _ . _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ . _ . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ 88

VI_3 Análisis de desempeño del sistema sectorizado . . . _ . _ . _ _ . _ _ _ . _ . . _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ 92

VI.3_l

Vl.3.2

VI_3.3 VI_3_4

Directividad del haz de radiación de las antenas direccionales de la estación base _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ . _ . . . _ . _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ . . . _ . _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _. 92

Tasa de bit erróneo (BER) del sistema sectorizado _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ 97

VI.3_2_l Desempeño del sector uno _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ . . . _ _ _ . . _ . . _ . _ _ _ _ __ 98

VI_3.2.2 Desempeño del sector dos _ _ _ . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . _ _ . _ _ _ _ . . _ . ._ 100

Vl_3_2_3 Desempeño del sector tres . _ _ _ . . _ . . _ . . . _ . _ . _ _ _ _ _ . _ _ . _ __ 103

Relación portadora a interferencia (C/1) del sistema sectorizado _ _ _ 107

iv

VI_3.5 Tasa de bit erróneo (BER) con control de potencia del sistema

sectorizado . . . _ _ _ _ . . . . _ . _ _ _ . . . _ _ _ _ . . . _ . . . _ _ _ _ _ . _ _ . _ . . . _ _ . _ _ . _ _ 113

VI.4 Análisis de desempeño del sistema sin sectorización _ . _ _ . . . _ . _ _ . . _ _ _ _ _ _ . _ _ 118

^ VI.4_l Comparación de la tasa de bit erróneo (BER) del sistema sectorizado y del sistema sin sectorización . _ _ _ _ . _ _ _ . _ _ _ _ . . . _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . . _ _ 118

VI_4_2 Comparación de la relación portadora a interferencia (C/I) del sistema sectorizado y del sistema sin sectorización _ _ . _ _ _ . _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ 121

VI_5 Capacidad del sistema DS-CDMA _ _ _ _ _ . _ . . . . _ _ . . . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . _ . _ _ _ _ . . ._ 123

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 127

VII_l Conclusiones _ . _ _ _ _ . . . . _ _ _ _ . . _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ . _ . . _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ . . _ _ . . ._ 127

VlI_2 Recomendaciones _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ . _ . _ _ . . _ _ _ . _ _ . . . _ _ _ _ . _ . . _ _ . _ _ __ 129

Figura página

I. Localización de UMTS _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ . . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _

2. Ambientes de operación de UMTS _ _ _ _ . _ _ _ _ . . _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ . . _ _ _ . . . _ _

14 15

3. Esquema de transmisión y recepción de espectro esparcìdo _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ . . _ _ _ 23

4. CDMA en secuencia directa (DS-CDMA). _ _ _ _ . _ . _ . _ . _ _ _ . _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . _ _ _ _ _ _ 25

5. Diagrama a bloques del transmisor DS-CDMA _ . . _ _ _ . . _ _ . . _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 25

6. Generación de una señal de espectro esparcìdo. _ _ . _ . _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ 26

7. Diagrama a bloques del receptor DS-CDMA. _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ . _ _ . _ _ . _ . _ _ 27

8 Ocupación de frecuencia/ tiempo de las señales FH-CDMA _ _ _ . _ _ _ _ . _ . _ _ . . . _ _ _ _ _ 30

9. TH~CDMA_ _ _ _ _ _ . _ _ _ . _ . _ _ _ . . _ . _ _ _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ 31

10. Registro de conimiento con retroalimentaciónlineal con cuatro etapas_ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ 33

11. Efecto cercanía-lejanía. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ . _ _ . _ . _ _ _ _ . _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _. 37

12. Control de potencia en el enlace de subida. Mostrando que cada móvil controla _ su propia potencia _ _ . _ _ _ _ . _ _ . _ . _ _ . _ . _ _ . . _ _ . . . _ _ . . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . . _ _ _ . _ _ _ _ 39

13. Sectorización_ Configuración de tres sectores_ _ _ _ _ _ _ . . _ . _ _ _ _ _ . . . _ . . _ . _ _ _ . _ _ _ _ . _ ._ 41

14. Ancho de haz de la antena. . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . . _ . _ . _ _ . _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 42

15. Relación frente-atrás de la antena. _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 43

16. Interferencia en el sistema DS-CDMA _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . . . _ _ 44

l7 _ Mecanismo de transferencia dura de llamada. _ _ . _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . _ _ . _ _ 46

18. Mecanismo de transferencia suave de llamada en CDMA. _ _ . _ . . _ . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ 48

19. -Patrón de antena direccional. _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ . _ _ . . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ 52

20. Geometría usada para el sistema bajo estudio _ _ _ _ _ . _ _ _ . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ 55

21. Modelo de red para el sistema multicelular DS-CDMA_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . _ . . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ 62

22. Modelo de nodo para la estación móvil_ _ _ _ _ . _ _ _ . . _ . _ . _ _ . _ _ . . _ . _ _ _ _ . . . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ 65

23. Modelo de nodo para la estación base. _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 66

24. Modelo de proceso para generar tráfico en la estación móvil_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ 68

vi

LISTA DE FIGURAS (Continuación)

Figura 8 Página

26. Modelo de proceso detecta voz en la estación móvil ___________________________________________________ _. 71

27. Modelo de proceso de acceso al canal en la estación móvil. _ _ __________________________________ __ 72 28. Modelo de proceso aptmtador de antena en la estación base. _ ___________________________________ __ 74 29. Modelo de proceso correlación de códigos en la estación base. _________________________________ __ 75

30. Modelo de proceso asigna sector en la estación base. ________________________________________________ ._ 76 31. Modelo de proceso filtra paquete de la estación base__________________________________________________ __ 78

32. Modelo de proceso recibe paquete de la estación base________________________________________________ __ 79 33. Modelo de proceso genera estadisticas en la estación base_________________________________________ __ 80 34. Patrón de una de las antenas direccionales con valores de ganancia para el plano

¢=0° _____________________________________________________ _; ____________________________________________________________________________ ._ 84

35. Patrón de una de las antenas direccionaies con valores de ganancia para dos

planos_________________________________________________________________________________________________________________________________ __ 85 36. Tabla de modulación QPSK______________________________________________________________________________________ __ 86 37. Patrones de antena utilizados en la simulación. __________________________________________________________ __ 89

38. Niveles de SNR en los tres sectores de la celda. _________________________________________________________ __ 96 39. BER de los servicios de voz y datos en el sector uno variando la densidad de

usuarios _______________________________________ _____________________________________________________________________________________ __ 99 40. BER de los servicios de voz y datos en el sector uno. ______________________________________________ __ 100

41. Tasa de bit erróneo para los diferentes servicios en el sector dos variando la

densidad de usuarios________________________________________________________________________________________________________ __ 102

42. Tasa de bit erróneo de los servicios de voz, datos y video en el sector dos _______________ __ 103 43. Tasa de bit erróneo para los diferentes servicios en el sector tres variando la

LISTA DE FIGURAS (Continuación)

Figura Página

45. Relación portadora a interferencia de los servicios de voz, datos y video en los

tres sectores de la celda____________________________________________________________________________________________________ __ 109

46. SNR detectada en cada uno de los tres sectores de la celda cuando se aplica

control de potencia____________________________________________________________________________________________________________ __l 12

47. Tasa de bit erróneo en los tres sectores aplicando control de potencia _____________________ __ 115 48. Tasa de bit erróneo para un sector aplicando control de potencia. ___________________________ __ 116

49. BER para el servicio de datos en el sistema sectorizado y el sistema sin

sectorización_____________________________________________________________________________________________________________________ _. 1 19

50. BER para el servicio de voz en el sistema sectorizado y el sistema sin

sector-ización.._'_ _________________________________________________________________________________________________________________ __ 120

51. BER para el servicio de video en el sistema sectorizado y el sistema sin

sectorización_____________________________________________________________________________________________________________________ ._ 121

' viii

LISTA DE TABLAS

Tabla página

I. II. III.

IV V

VI. VII. VIII

IX.

Servicios de UMTS y sus características. _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . _ _ . . _ _ _ _ _ . _ _ 14

Tasa de transmisión maxima soportada para los diferentes ambientes de UMTS. _ _ _ 16

Tipos de celdas utilizadas en UMTS _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ . _ _ _ _ _ _ . . _ _ . _ _ _ _ _ . . . _ . . _ _ _ _ _ _ _ 17

Tasas de chip propuestas en el sistema CODIT_ . _ _ . _ . _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . . . _ _ _ _ _ 18

Parámetros de los servicios ofrecidos_ . _ . _ _ . . . . _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ 87

Grado de servicio a cumplir _ _ _ . . . . _ _ . . . _ _ _ _ . . _ . _ _ . _ _ _ _ . . . _ _ _ . _ _ _ _ . . _ . . _ . _ _ _ . . _ _ 88

Parámetros de las corridas de simulación _ _ . _ . . _ _ . . _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _' _ _ _ . . . _ _ _ _ _ . _ _ 88

Predicción de la capacidad de la celda para una celda aislada con G¡,=25 dB,

dependiendo del E1, /No mínimo. _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 124

TRANSMISION DE SERVICIOS MULTIMEDIOS EN

sIsTEMAs DE COMUNICACIONES MOVILES DE LA

TERCERA GENERACIÓN

1

INTRODUCCION

En los últimos años, el gran crecimiento de los sistemas de comtmicaciones móviles

ha ocasionado la saturación del espectro de frecuencias. Por esta razón, se han propuesto

diferentes aproximaciones para maximizar el transporte de la infonnación minimizando

los requerimientos de espectro de los servicios de comunicaciones personales inalámbricos

futuros. El obj etivo entonces, es encontrar una forma de optimizar la utilización del espectro

disponible.

Una manera de incrementar la capacidad sin ocupar parte del espectro adicional, es

reducir el tamaño de las celdas [Lee, 1991]. Esto ha dado lugar a que los tamaños de las

celdas en sistemas de comunicaciones celulares emergentes sean mucho más pequeños que

los tamaños empleados por los sistemas móviles diseñados anteriormente. Más aún, para

maximizar la capacidad de los sistemas celulares, se propone el empleo del esquema de acceso

múltiple CDMA (Code Division Multiple Access), DS-CDMAl(Direct Sequence CDMA),

ya que en este sistema la banda de frecuencias es compartida por todos los usuarios y es

reutilizada en cada celda. Se utilizan códigos para ensancha: la señal sobre todo el ancho de

banda lo que provee la ganancia de esparcimiento a cada usuario en el sistema. El arreglo

2

reutilización de frecuencias, sino que su diseño está limitado por la interferencia acumulada

de los otros usuarios transmitiendo, en la misma celda y en las celdas vecinas, de manera que

la interferencia afecta el diseño de la celda, y la capacidad es más pequeña si esta interferencia

se extiende más allá de una fila de celdas vecinas.

Si la interferencia se puede controlar en el sistema DS-CDMA, puede lograrse una

mayor capacidad de la celda. En consecuencia, se estudian técnicas que permitan disminuir el

nivel de interferencia del sistema. Las técnicas utilizadas en DS-CDMA son: la sectorización,

utilizando antenas direccionales en cada sector en que se divide la celda; el monitoreo de

actividad de voz, para detectar los tiempos de silencio del usuario; y el control de la potencia,

que controla la potencia de transmisión de los usuarios en la celda. Estas tres aproximaciones

tienen como obj etivo minimizar la interferencia en el sistema, lo que da lugar a un incremento

en la capacidad de»usuarios_

Los sistemas de comunicaciones móviles son el sector más creciente en la industria de

las telecomunicaciones a raiz de la implementación de los sistemas de segunda generación

que tuvieron una rápida aparición en todo el mundo. Las limitaciones tanto de técnicas

como de espectro de los sistemas de segunda generación, han propiciado el desarrollo

de los conceptos de un sistema móvil de tercera generación. Planeados para iniciar su

operación en el siguiente milenio, los sistemas de tercera generación están actualmente

sujetos a investigación y el desarrollo de su estandarización, la cual es realizada por la ITU

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) o el referido por la terminología ITU,

IMT-2000 (International Mobile Telecommunications at year 2000).

UMTS inte ará, en una estructura única, todos los servicios de los sistemas de rimera81' P

y segunda generación que actualmente son ofrecidos por varios sistemas. Al mismo tiempo,

permitirá en “cualquier lugar” y en “cualquier tiempo” un amplio intervalo de servicios

con tasas de transmisión mayores que las ofrecidas por los sistemas de primera y segunda

generación así como calidad de servicio, sean alcanzables por los usuarios. En particular,

UMTS soportará servicios de datos de hasta 2 Mbps [Barberis y Berruto, 1997].

El principal reto entonces, es definir la interfaz de radio más adecuada para transportar

la información. Esta interfaz de radio para los sistemas móviles de tercera generación, no sólo

debe reemplazar todos los sistemas móviles actualmente en operación, sino que también debe

ser extremadamente versátil y adaptable para satisfacer las demandas de tráfico y servicio

presentes y futuras. En consecuencia, el sistema debe estar basado en unainterfaz de radio

que satisfaga un amplio intervalo de requerimientos [Barberis y Berruto, 1997].

La selección de un esquema de acceso múltiple jugará un papel preponderante para

lograr una gran capacidad y alto desempeño. Existen dos aproximaciones: TDMA (Time

Division Multiple Access) y CDMA, las cuales se propusieron como las interfaces de

radio de UMTS. Después de emplear criterios cualitativos y cuantitativos, cada uno de

los esquemas mostró ciertas ventajas, sin embargo, CDMA aparenta ser el esquema de

acceso más adecuado para satisfacer los requerimientos de los sistemas de tercera generación

4

Particularmente, en el proyecto CODIT (COde Division Testbed) [Barberis y Berruto, 1997],

se realizó el análisis para que UMTS adapte la interfaz de radio CDMA.

Este trabajo de tesis se enfoca al estudio del esquema de acceso CDMA como la

interfaz de radio para los sistemas de tercera generación, considerando las técnicas para

incrementa la capacidad, como son la sectorización, el monitoreo de actividad de voz, y

el control de potencia, para posteriomrente mediante simulación, determinar el desempeño

del sistema que pemrita alcanzar una máxima capacidad.

I.1

Objetivos

Realizar investigación sobre técnicas y modelos de red que permitan eficientizar la

transmisión de servicios multimedios en sistemas de comunicaciones móviles de la tercera

generación y utilizando el simuìador de redes OPNET proponer un modelo que ofrezca las

mejores características de desempeño. “

I.2

Alcances de la tesis

Simular el esquema de acceso DS-CDMA como interfaz de radio de UMTS, haciendo

uso de las técnicas que permiten efìcientizar la trasmisión de servicios multimedios,como son

la sectorización, el monitoreo de actividad de voz y el control de potencia. En lo que respecta

a la sectorización, se requiere simular y analizar primero el comportamiento de las antenas

Analizar ei desempeño del sistema DS-CDMA en términos del número de usuarios

considerando ias técnicas antes mencionadas, al tiempo que se pone interes en que dicho

sistema satisfaga la calidad de servicio requerida

Analizar el efecto de la transferencia más suave de llamada (softerhandofi) en el

sistema DS«CDMA.

Comparar el desempeño de un sistema CDMA sectorizado y de un sistema

DS-CDMA sin sectorización.

1.3

Organización del trabajo

En ei capítulo II se describen los sistemas de tercera generación, su objetivo,

caracteristicas principales y ambiente de operación. E1 capítulo III explica el esquema de

acceso múltiple por división de código (CDMA) debido a que es una técnica que se adapta _a los

requerimientos de los sistemas de tercera generación. Además se describen las técnicas que

permiten eficientizar la transmisión de servicios multimedios. En el capítulo IV se formula

un modelo matemático que permite medir el desempeño del sistema DS~CDMA_ El capítulo

V describe los modelos de red, de nodo y de proceso desarrollados para la simulación, su

implementación y parámetros. En el capítulo VI se establecen las condiciones en que se

llevaron al cabo las simulaciones en OPNET_ Los resultados se analizan en el capítulo VII,

mientras que las conclusiones y recomendaciones, consecuencia de este trabajo de tesis se

II

COMUNICACIONES MóvILEs

INALÁMBRICAS

II.1

Introducción

Actualmente la tecnologia GSM (Global System for Mobile Communications) está

siendo aplicada en los sistemas de telefonia inalámbrica en Europa. Sin embargo, GSM

emplea el esquema de. acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), en el cual una alta tasa

de transmisión provoca problemas de multitrayectorias que causan interferencia intersímbolo_

Varias técnicas están bajo consideración para ia siguiente generación de sistemas

digitales, las cuales permiten mejorar la capacidad de la celda, presentan inmunidad a las

multitrayectorias y además proporcionan flexibilidad. Una de ellas es CDMA, que puede

tener diversas aplicaciones; asimismo, por sus propiedades, esdeseabie para los sistemas de

comunicaciones móviles de la tercera generación (3G)_

II.2

Evolución de los sistemas de telecomunicaciones

La era celular móvil comenzó en la década de los 80”s_ Las comunicaciones móviles

han tenido cambios significativos y han experimentado un enorme crecimiento desde aquel

entonces.

La primera generación de sistemas móviles se caracterizan por el empleo de técnicas de

acceso múltiple simples como FDMA (Frequency Division Multiple Access) y transmisión

estándares: AMPS (Advanced Mobile Phone Service) en los Estados Unidos; 'DXCS (Total

Access Communication System) en el Reino Unido, NTT (Nippon Telephone and Telegraph)

en Japón, y otros más.

Estos sistemas tienen baja capacidad de usuarios y problemas de seguridad debido a

la interfaz de radio simple utilizada.

La segunda generación de sistemas que utiliza transmisión digital, se introdujo a

finales de la década de los 80”s. Estos sistemas ofrecen alta eficiencia espectral, mejores

servicios de datos y una cobertura más amplia que los sistemas de primera generación. GSM,

PDC (Personal Digital Cellular), IS-136 (Digital-Al\/IPS) y IS-95 (CDMA en Estados Unidos)

pertenecen ala segunda generación. Los servicios que ofieccn estos sistemas son transmisión

de voz y datos de baja velocidad. i

Los sistemas de segtmda generación están evolucionando hacia los sistemas de tercera

generación para ofrecer servicios más avanzados con velocidades de transmisión más altas,

mayor flexibilidad y servicios múltiples para el usuario con distintos requerimientos de

calidad [Ojanpera y Prasad, 1998].

En la tercera generación de los sistemas de comunicaciones móviles, las

comunicaciones serán personales, móviles y universales. Se espera que la capacidad del

sistema incremente alrededor de 10 veces la capacidad de los sistemas de primera generación.

Esto podrá realizarse empleando técnicas de acceso múltiple complejas, como CDMA o una

8

II.3

Sistemas de Comunicaciones Móviles de la Tercera

II

Generacion

La expansión del empleo de redes digitales ha llevado a la necesidad de diseñar redes

de comunicaciones de más alta capacidad. La demanda de sistemas celulares en Europa se

predice de alrededor de 15 a 20 millones de usuarios para el año 2000 [Swales y Beach,

1994], siendo en los Estados Unidos ya de 30 millones [Rappaport, l996]. Los servicios

inalámbricos han estado creciendo a una tasa mayor al 50% por año [Rappaport, 1996], y con

el sistema GSM actual se espera que pueda atenderse la capacidad predecida para inicios del

año 2000.

Por otro lado, ia industria de las telecomunicaciones está cambiando, demandando un

intervalo más amplio de servicios, como video conferencia, servicios de Internet, redes de

datos y servicios multimedios. Esta demanda para redes de más alta capacidad ha dado lugar

al desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles de la tercera generación (3 G).

Uno de los sistemas propuestos para la tercera generación es el UMTS, cuyo objetivo es

proveer mayor flexibilidad, más alta capacidad y servicios mejor integrados. Otros sistemas

están desarrollándose alrededor del mundo, sin embargo se espera que todos se combinen en

UMTS.

El WWW (World 'Wide Web) ha venido a ser un importante medio de comunicación,

tanto que su utilización ha incrementado dramáticamente en los últimos años. Esto ha

ocasionado una mayor demanda de los servicios de redes de computadoras, el acceso a Internet

localidades residenciales [Livingston, 1995], donde el ancho de banda es limitado, lo que evita

la posibilidad detener audio y video en tiempo real. Este crecimiento demanda la integración

de más servicios que requieren tasas de datos más altas y una interfaz universal para una gran

variedad de servicios. La conectividad requerida deber ser ofrecida en “cualquier lugar” y en

“cualquier tiempo”, dando lugar a un incremento en la demanda de sistemas inalámbricos.

Esta demanda ha dado lugar a la necesidad de desarrollar los sistemas de comunicaciones

móviles con mayor capacidad y fiabilidad.

El desarrollo y despliegue de los sistemas de tercera generación tiene el propósito de

resolver algunas fallas de los sistemas inalámbricos actuales para ofrecer alta capacidad y la

integración de servicios. Importantes investigaciones y desarrollos en el mundo convergen

a esta evolución. En los Estados Unidos surgen los PCS (Personal Commmunications

Systems), 1a*ITU viene proponiendo los sistemas IMT-2000 y similarmente en Europa se

está desarrollando el UMTS. Estos sistemas son semejantes en conceptos, caracteristicas y

objetivos [Raj, 1995] y preveen implementarse comercialmente a inicios del siglo XXI.

Con la finalidad de denotar el marco de referencia en que se desenvuelve este trabajo,

en el siguiente apartado se abunda en los sistemas de comunicaciones móviles de la tercera

generación.

II.3.1 PCS

Según la definición de la FCC (Federal Communications Commision), PCS es un

10

hora, en cualquier lugar, a través de algún tipo de dispositivo y utilizando un número único.

Según la TIA (Telecommunications Industry Association), los PCS están definidos como un

conjunto de capacidades que permite la combinación de servicios de movilidad de terminal y

movilidad personal. Los PCS pueden incluir varios servicios de acceso inalámbricos como:

telefonia celular, fijo (cordless), redes de datos, sistemas de radiobúsqueda (paging) etc.,

pero con énfasis en servicios que son aplicados dentro del nuevo espectro de frecuencia al

que fiieron destinados los PCS. Gran parte de las ventajas de los sistemas PCS radican en

que es posible su interconexión a redes heterogéneas como CATY ISDN, redes celulares

tradicionales, favoreciendo la movilidad de los usuarios. En los Estados Unidos, la FCC

destinó 3 MHz del espectro de radio cercano a los 900 MH1 para PCS de banda angosta

(narrowband PCS) y 120 MHZ próximo a los 2 GHZ para PCS de banda ancha (broadband

Pcs).

^

'

113.2

IMT-2000

IMT-2000 es un sistema global de tercera generación que pretende unificar los diversos

sistemas de hoy, posicionados dentro de un ambiente de radio y empleando una infraestructura

que es capaz de ofrecer una amplia gama de servicios con calidad comparable a la red de

telecomunicaciones fijas para el año 2000.

El potencial de IMT-2000 radica en la utilización de una misma banda de fiecuencias

para una interfaz de radio global, io que también ofrece un fuerte incentivo para trabajar

en dirección de una norma global ITU, si se van a simplificar los equipos móviles para la

básicas de telecomunicaciones en regiones menos desarrolladas del mundo optando por

soluciones de costo/beneficio favorables a sus economías [Callendar, 1994].

II.4

UMTS

La tercera generación de sistemas de 'comunicaciones móviles desarrollándose

actuahnente en Europa está destinada a integrar los diferentes 'servicios de la segimda

generación y cubrir una amplia gama de nuevos servicios de banda ancha (voz, datos, video,

multimedios) en una forma coherente y compatible con las tecnologias actuales de redes de

telecomunicaciones fijas [ Schward DaSilva y Fernandes, 1995].

Algunos atributos que caracterizan a los sistemas de comunicaciones móviles de la

tercera generación son servicios que requieren velocidades de transmisión más altas y una

mejor eficiencia espectral. En la ITU, los sistemas de tercera generación son llamados

IMT-2000, mientras que en Europa la ETSI (European Telecommunications Standard Institute), los

denomina UMTS. Desde 1985, la ITU ha estado desarrollando IMT-2000 yq la ETSI comenzó

la estandarización en 1990 cuando se estableció el sub-comité técnico SMG5 [Ojanpera y

Prasad, 1998].

Las actividades de investigación europeas para los sistemas de tercera generación se

dirigen hacia el desarrollo de los estándares, y pueden dividirse en 3 fases principales: estudios

básicos, desarrollo de conceptos del sistema y la comparación/consolidación. También la

Comisión Europea fundó los programas de investigación RACE (Research of Advanced

12

and Services). El programa RACE I, lanzado en 1988 y que finalizó en 1992, fue el que

inició las actividades de investigación. Los principales estudios de RACE I se concentraron

en tecnologías individuales como estudios de propagación, manejo de canales, codificación,

etc. Muchas de estas tecnologías se emplearon después como base para el desarrollo del

programa RACE ll

Entre 1992 y 1995, en el programa RACE II, se desarrollaron los proyectos CODIT y

ATDMA (Advanced TDMA) como propuestas para la interfaz de radio y se probaron como

accesos de radio para UMTS. Se realizaron pruebas de laboratorio para ambos sistemas y

después pruebas de campo para CODIT Un grupo de interés en RACE II, el SIG5 comparó

las interfaces de radio CODIT y ATDMA utilizando criterios cualitativos y cuantitativos

[Pizarroso y Jiménez, 1995]. Dependiendo del ambiente de radio seleccionado y escenario

de servicio, cada uno de los esquemas mostró ventajas, sinembargo, no se decidió a favor de

ninguno como el candidato principal para UMTS. ,

El programa ACTS fue lanzado a finales de 1995 para soportar investigación móvil

colaborativa. Dentro de ACTS, el proyecto FRAMES (Future Radio Wideband Multiple

Access System) investigó tecnologías de acceso múltiples híbridas con el fin de seleccionar

la mejor combinación para tener el mejor sistema de acceso de radio en UMTS.

Además de los programas RACE y ACTS, varios proyectos industriales han

desarrollado tecnologias para UMTS e IMT-2000. Desde 1992 a 1995, un concepto de CDMA

de banda amplia reportado en [Ojanpera y Rikkinen, et al. 1996; Westman y I-lolrna, 1997]

de 1992 a 1995 con capacidades de transmisión hasta de 128 Kbps para aplicaciones de video

[Pajukoski y Savusalo, 1997].

lI.4.1

Actividades de estandarización europeas

La gran aceptación del sistema GSM impactará fuertemente la estandarización de los

sistemas de tercera generación en Europa, por lo que se intenta desarrollarlos como una

evolución del sistema GSM y ofrecer así una transición suave de los sistemas de segunda

hacia los sistemas de tercera generación.

Dentro de la ETSI, el Comité Técnico SMG lleva a cabo la estandarización para

UMTS, y dentro de SMG existen varios sub-comités para la estandarización técnica detallada

de UMTS. El sub-comité SMG2 responsable de la estandarización del sistema UMTS, inició

la definición de UMTS UTRA (Terrestrial Radio Access) en 1996 [Ojanpera y Prasad, 1998].

II.4.2 Objetivos de UMTS

Los principales objetivos de UMTS son proveer una alta capacidad de red unificada

en ambientes alánibricos e inalámbricos. UMTS permitirá que convergan los servicios

inalámbricos y fijos. Habrá tres tipos de conexiones principales: una tasa móvil de 144

Kbps, una tasa portátil de 384 Kbps y una tasa de interiores a 2 Mbps [Livingston, 1995].

UMTS necesitará, en base ala demanda, proveer asignación variable de ancho de banda. Así

14

Se han identificado muchos servicios para UMTS, que pueden ser categorizados en

base a los requerimientos de tasa de transmisión y calidad de servicio (fiabilidad y tasa de

bit erróneo). La figura l muestra la localización UMTS con respecto a otras tecnologías

inalámbricas existentes así como los ambientes en donde operará.

Møvilidad

Møviule li,

I D

0.1 1 10 100

Tasa de transmision [Mbps]

Figura l. Localización de UMTS.

Cada uno de los servicios tiene características diferentes en términos de tolerancia a

retardos y tasa de bit erróneo permitible. La tabla I muestra las características de algunos de

los servicios de UMTS [LaWrey, 1997].

Tabla I. Servicios de UMTS y sus caracteristicas.

ll

Servicios _tí Tasa de transmisión requerida M Calidad de servicio nïjuerida M

% CUaj=r(±io Kbps) ip M >lto BER í

lífifmail

[I

Voz _É U7aja (4-zo Kbps)

M ElajqBER(<i›r1o 3) ;=l

É

L an aim comøpgea pgìiüè (>1o Kbps-1oo1<bps

1%

C no BER (<1›r1o_9)>1

M

í <ldeoconferencia

ei

>-1Ita (100 Kbps-l Mbps) M

caro BER C

K

M

M IP M

Ita 7(lt)0~300 Kbps)

> _í ã _M

M

udio de alta calidad

Acceso a bases de datos _É Media (>30 Kbps) _É

caro si-:R p

Las características de los datos detenninarán los métodos de transmisión. Los tipos de

datos asociados con cada servicio determinarán el tipo de ambiente en el que el servicio será

soportado.

II.4.3

Ambientes de UMTS

El objetivo de los sistemas UMTS es proveer servicio en “cualquier lugar” y en

“cualquier tiempo”, así el ambiente de operación variará dependiendo de la localización del

usuario. El ambiente en que opera el sistema inalámbrico, afecta su capacidad asi como los

eden ofrecerse. La figura 2 muestra los ambientes de operación de tipos de servicios que pu

mm

UMTS.

UMTS I IMT2000

16

La tabla ll muestra algunos de los ambientes en los cuales UMTS ofrecerá cobertura

[Lawrey, 1997].

Tabla Il. Tasa de transmisión maxima soportada para los diferentes ambientes de UMTS.

Ambiente ; Tasa de transmisión *

máxima (Kbps) W,

Negocios (interior) WW KC

Liu

Sub-urbano_ (interior-exterior)

l Vehicular urbano (exterior) 144

Pedestre urbano (exterior) W 'W144

, rijoairrerior) pg 1441334 1

Local (exterior) 2000

La tasa de transmisión soportada para cada ambiente determinará el tamaño de celda

requerido para prover una adecuada cobertura en determinado ambiente.

II.4.4

Tipos de celdas

Se requiere una red celular para asegurar que UMTS ofrezca una red de alta capacidad

y cobertura total. En un sistema celular, la capacidad total de la red depende del tamaño de la

celda empleada. Si las celdas son más pequeñas, hay una mayor capacidad total. Sin embargo,

el tamaño de la celda está limitada por la cantidad de infraestructtna que debe establecerse.

El tamaño de la celda también determina la máxima capacidad de canal para cada celda y los

efectos de propagación de la señal tales como multitrayectorias y desvanecimientos, obligan

a que las celdas más grandes manejen tasas de transmisión más pequeñas. Para optimizar la

red celular se utilizan tres tipos de celdas: pico-celdas, micro-celdas y macro-celdas. Los tres

ofrecidos. La tabla III muestra los tres tipos de celdas propuestas en UMTS y algunas de sus

características [Lawrey, 1997].

' Tabla III. Tipos de celdas utilizadas en UMTS.

Picocelda _ Microcelda i Macrocelda

Radio de la celda < 10 mts. i < 1000 mts. V < 20 Kms. Ñ

i Antena Montaje en azoteaopared * Montaje a una altura por Montaje a una altura por `

debajo de azotea arriba de azotea

i Ambiente/aplicaciones Interior/exterior. Negocios? (interior), fijo Í Areas de baja densidad, t - En edificios y centros de 1 (exterior). Areas de ciudad áreas urbanas y suburbanas

l

ciudad i muy densas y fijo (exterior)

Servicios/tasa de bit Todos los servicios (hasta 2 Limitado (hasta 384 Kbps.) 1 Limitado (hasta 144 Kbps.) 1

' Mbps.)

El tamaño y tipo de cobertura de cada tipo de celda determina los probiemas de

propagación que pueden encontrarse, lo que entonces, determinará la técnica de transmisión

más deseable a utilizar.

II.4.5

Interfaz de radio

Uno de los objetivos identificados para UMTS es ofrecer una interfaz inalámbrica

comparable a la ofrecida por las conexiones alámbricas. Los requerimientos para ofi'ecer

servicios con tasas de transmisión de 2 Mbps con asignación de ancho de banda flexible en

base a la demanda, así como una determinada tasa de transmisión solicitada para im amplio

intervalo de ambientes, generan una revolución en las técnicas de acceso de radio que se

18

La interfaz de radio está actualmente bajo una investigación sustancial, estudiandose

el desempeño de CDMA y TDMA [Swain, 1995]. Actualmente, CDMA aparece como el

candidato más apropiado para soportar las tasas altas de transmisión requeridas.

II.4.5.l Sistema CODIT

Dentro del programa RACE, el proyecto CODIT Lleva al cabo el estudio detallado

del concepto de la interfaz de radio del sistema DS-CDMA, intentando satisfacer todos

los requerimientos de un sistema de comunicación móvil avanzado. En CODIT, se han

establecido tres tasas de chip, que se muestran en la tabla IV [Barberis y Berruto, 1997], para

las cuales se requiere una interfaz de radio con múltiples múltiples tasas capaz de soportar el

intervalo amplio de servicios UMTS [Barberis y Berruto, 1997].

Tabla IV Tasas de chip propuestas en el sistema CODIT.

,im

* Tasas de chip D

1 O23 Mclups/

5 ll5 Mchlps/s

.1.

mmm-20 46 Mchlps/s

Estas tasas corresponden a anchos de banda de 1 MHZ (canal angosto), 5 MHZ (canal

medio) y 20 Mi-Iz (canal amplio). Durante la fase de establecimiento de la llamada, tan pronto

como se conozca el servicio requerido, un manejador fuente ejecutará una “transformación”

de la tasa de bit de información a la tasa de “chip” más apropiada para satisfacer los

En CODIT, los canales físicos son organizados en períodos de tiempo de 10 ms,

llamados tramas CDMA. Cada 10 ms, dependiendo de las necesidades, se transmiten

diferentes tamaños de bits de infonnación en una t:rama llamada PDCH (Physical Data

Channel). El PDCH es el canal físico obtenido por el ensanchamiento del canal DICH

(Dedicated Information Channel), que es el canal lógico resultante de multicanalizar en

tiempo el canal de tráfico TCH (Traffic Channel) que lleva el tráfico de usuario y el

canal de control dedicado DCCH (Dedicated Control Channel) que maneja el tráfico de

señalización. En paralelo al canal PDCH, un canal PCCH (Physical Control Channel) se

transmite continuamente para prover al usuario final de la información fimdamental de la tasa

de bit actuaì [Barberis y'Bern1to, 1997].

Control de potencia

Para garantizar que cada estación base reciba ias señales del usuario en el nivel

deseado, se adopta el control de potencia de lazo cerrado y lazo abierto. En la estación base,

la potencia recibida de cada PCCH en el enlace de subida se compara con el umbral deseado

y entonces se envían a la estación móvil los mandos de corrección apropiados por el canal

PCCH. En CODIT, la información del control de potencia se transmite sobre el canal PCCH

cada 0.5 ms.

Serial de ensanchamiento

El ensanchamiento de las señales en los sistemas CDMA puede ejecutarse adoptando

dos aproximaciones: el ensanchamiento sincrono (basado en códigos cortos) y el

20

El empleo de códigos cortos permite el diseño de un conjunto de códigos ortogonales y

ei control de la interferencia mutua; la desventaja, consiste en la necesidad de un buen manejo

de los códigos debido a que el número de éstos es corto.

La utilización de secuencias largas tiene la ventaja de que el número es virtualmente

infinito, haciendo innecesario cualquier manejo de funcionalidad de códigos, además de que

no requieren ninguna forma de sincronización y presentan una buena flexibilidad con respecto

a las tasas de transmisión variables para los servicios.

En CODIT, se han adoptado las secuencias cortas y largas en los canales de acceso

aleatorio, de sincronización y piloto, mientras que los códigos largos se emplean para los

canales restantes PDCH, PCCH, Paging, etc. Los códigos largos se obtienen proporcionando

diferentes desplazamientos de fase a una secuencia PN con período 241-I.

Una de las características importantes de ios sistemas DS-CDMA es la seguridad.

El proceso de ensanchamiento ejecutado por medio de ia secuencia seudoaleatoria que

no es conocida por usuarios no autorizados, provee automáticamente un cierto nivel de

confidencialidad [Barberis y Benuto, 1997].

Cobertura de la celda, transferencia de llamada

Debido a que en DS-CDMA los usuarios transmiten al mismo tiempo asignándoseles

un código único, ios sistemas celulares 'DS-CDMA no requieren pianeación de fiecuencia,

siendo un punto muy fuerte de DS-CDMA, pues los sistemas futuros como UMTS en este

más de lo esperado, se podrán agregar estaciones base sin ejecutar la planeación de frecuencias

como en otros sistemas [Barberis y Berruto, 1997].

Otro aspecto importante, es la fácil implementación de la transferencia de llamadas.

Durante el movimiento entre celdas, la comunicación se mancjará de una estación base a

otra sin más cambio que el de un código seudoaleatorio, lo que se denomina transferencia

suave de llamada (sofihandoft). Al mismo tiempo, la reutilización de frecuencias permite la

recepción simultánea de la señal de la estación móvil por más de ima estación base (recepción

con macrodiversidad). La macrodiversidad es la situación cuando una estación móvil se

conecta a más de una estación base al mismo tiempo. Esta técnica permite reducir los efectos

de desvanecimientos y ensombrecimientos debido a la automática transferencia de llamada

de CDMA. La estación móvil monitorea continuamente el nivel de ,potencia recibido de

los canales pilotos de las estaciones base vecinas de manera que cuando el nivei detectado

está arriba de un mnbral predefinido, la estación base correspondiente entra al “conjunto

activo” (el conjunto de las estaciones base que se comunican con el mismo móvil en el modo

macrodiversidad), del mismo modo, las estaciones base “malas” se remueven dei “conjunto

activo”.

Si el movimiento es entre sectores de la celda, no se requiere un cambio de frecuencia,

ni de código seudoaleatorio, y se conoce como la transferencia más suave de llamada (sofier

III

ESQUEMA DE ACCESO MÚIIFIPLE CDMA

III.1

Introducción

Lo básico para diseñar la interfaz de radio es definir como compartir el medio de

transmisión entre los usuarios, esto es, el esquema de acceso múltiple.

En los últimos años se han llevado al cabo extensas investigaciones para la aplicación

del sistema de acceso múltiple por división de codigo DS-CDMA, como un esquema de acceso

para la interfaz de radio de los sistemas de tercera generación IMT-2000/UMTS, siendo

entonces el candidato más fuerte para los sistemas de comunicaciones móviles de la tercera

generación.

Por las razones mencionadas en el capítulo II, en este trabajo se analiza el esquema

de acceso DS-CDMA que hay que utilizar para la interfaz de radio del sistema de tercera

generación por proponer. ' ›

IIL2

Espectro Esparcido

_ Las técnicas de espectro esparcìdo han sido desarrolladas para superar la interferencia

y evitar la intercepción de la señal, ya que transmiten la información a nivel del ruido de piso.

Algunas de las propiedades de los sistemas de espectro esparcìdo son:

1 La señai contiene componentes no predecibles o seudoaleatorios.

una copia generada del componente seudoaleatorio.

Una característica clave de espectro esparcìdo es que se incrementa el ancho de banda

de la señal transmitida en una razón mayor que el ancho de banda de la señal original. El

receptor de espectro esparcìdo debe reconstruir la señal original de la señal de ancho de

banda esparcida con un proceso llamado correlación (0 des-ensanchamiento), como se puede

observar en la figura 3.

Señal deseada

Interferencia y

ruido esparcìdo

Banda base

sefia| Destwés

g* de|fi|±fo

interferencia É;

Figura 3. Esquema de transmisión y recepción de espectro esparcìdo.

El ambiente de radio no sólo incluye la señal deseada del transmisor en el receptor,

sino también señales de interferencia (las cuales pueden ser otros usuarios en la misma

banda), como se observa en la figura 3a). Cuando el receptor recibe una mezcla de señales,

24

o interferencia), la señal deseada es extraída en un ancho de banda angosto por medio de

un des-ensanchamiento, pero las señaies de interferencia que no fueron ensanchadas por el

mismo código, no se reducen en ancho de banda por el receptor.

El hecho de que la interferencia pennanezca esparcida en el gran ancho de banda

permite al receptor filtrar mejor la señal, seleccionando sólo el ancho de banda necesario

para la señal deseada que si es des-ensanchada, como se ilustra en la figura 3b). Por lo tanto,

la interferencia se reduce por el proceso de ensanchamiento de espectro esparcido. Debido a

que en el receptor es posible filtrar la interferencia, la razón del ancho de banda esparcìdo al

ancho de banda de la tasa de transmisión describe la ganancia de esparcimiento del sistema de

espectro esparcìdo, la cual es un parámetro clave del desempeño. Esta ganancia describe la

cantidad por la cual las señales de interferencia son atenúan en comparación con un sistema

convencional, el cual no tiene ensanchamiento. Entre mayor sea la ganancia de esparcimiento,

es menor la proporción de señales de interferencia que se mantienen en la señal en banda ,base

(des-ensanchada).

Existen varias formas de clasificar los esquemas de espectro esparcido. La principal se

basa en el método de modulación que se emplea para obtener la señal. Esta división da lugar a

trestipos de CDMA, en secuencia directa (DS Direct Sequence), con saltos en frecuencia (FH

III.2.1

CDMA en secuencia directa (DS-CDMA)

En un sistema DS-CDMA, todos los usuarios transmiten en la misma frecuencia y

lo hacen simultáneamente utilizando el ancho de banda completo. La figura 4 muestra la

utilización del espectro en DS-CDMA.

Tiempo

Potencia

Ffecuencia

Figura 4. CDMA en secuencia directa (DS-CDMA).

En DS-CDMA, la señal de información se modula por una señal de código digital. La

señal de datos puede ser analógica o digital, en la mayoría de los casos es una señal digital.

En este caso, la señal de datos se multiplica por la señal de código y la señal resultante mochila

una portadora para su transmisión. La figura 5 muestra el diagrama a bloques del transmisor

DS-CDMA.

DIIDI x

26

Cada usuario tiene asignada una secuencia de código (código de ensanchamiento),

que se utiliza para codificar la señal de información. Esta secuencia consiste de un número de

bits de código llamados “chips” cuyos valores son +1 ó -l. Para obtener el ensanchamiento

deseado, la tasa de “chip” del código necesita ser mucho más grande que la tasa de transmisión

de la señal de información. Un “chip” denota un símbolo al referirnos a la señal de código.

Cada bit de información es codificado por un número de “chips”. El número de “chips”

utilizados para codiñcar cada bit de información depende de la tasa de “chip” deseada. En la

figura 6, se transmiten 8 “chips” de código por im bit de información (la tasa de “chip” de

código es 8 veces la tasa de los datos), existiendo una ganancia de esparcimiento igual a 8. A

la señal generada se le llama señal de espectro esparcido. _

, Periodo de hit ; Perindgüde chip

Datos

› 1 1 ›

| - 1 1 ›

1 1 › ›

› _ 1 › u

i I I I I I Datos x Código

Figura 6. Generación de una señal de espectro esparcido.

Para la modulación pueden utilizarse varias técnicas, donde las más usuales son algmia

forma de modulación por desplazamiento de fase, ya sea binaria BPSK Ušinary Phase Shift

Keying), cuaternaria QPSK (Quatemary Phase Shift Keying), entre otras.

Después de la transmisión, el receptor des-ensancha la señal empleando ima secuencia

necesita conocer la secuencia de código utilizada para ensanchar la señal, sino que los códigos

de la señal recibida y los códigos generados locahnente deben estar sincronizados. Esta

sincronización se inicia en la recepción y debe mantenerse hasta que se haya recibido la

señal completa. Esta operación la ejecuta el bloque de sincronización. Después del

des-ensanchamiento resulta una señal modulada, que al demodularse, permite recobrar los datos

originales. La figura 7 muestra un diagrama a bloques del receptor DS-CDMA.

z.,;..¿.;;.e....;..e.,.;;

¡

f

=›-«›-1

“Im”

Figura 7. Diagrama a bloques del receptor DS-CDMA.

Debido ala codificación y al gran ancho de banda resultante, las señales de espectro

esparcìdo tienen propiedades que difieren de las propiedades de las señales de banda angosta.

Algunas de estas propiedades son las siguientes: _

i 1 Capacidad de acceso múltiple.

2 Protección contra la interferencia multitrayectoria.

3 Privacidad.

28

5 Baja probabilidad de intercepción.

III.2.1.1 Ganancia de esparcimiente

Uno de los conceptos más importantes requeridos para entender DS-CDMA es la

ganancia de esparcimiento. La ganancia de esparcimiento indica la mejora en la ganancia

o señal a ruido exhibida por el sistema espectro esparcìdo debido a la naturaleza del proceso

de ensanchamiento. La ganancia de esparcimiento del sistema de espectro esparcìdo es la

razón del ancho de banda de transmisión Bu, y la tasa de transmisión de información R y

puede ser escrito como la ecuación (l):

B

G = _”

_P

_R

'

₍₁₎

III.2.1.2 Codificación del enlace de bajada

El enlace de bajada, de la estación base a la estación móvil en el sistema DS-CDMA,

utiliza secuencias ortogonales que son secuencias seudoaleatorias especiales, llamadas

códigos Walsh que se emplean para separar a los múltiples usuarios en el mismo canal

[LaWrey, .1997].

III.2.1.3i Codificación del enlace de-subida

En el enlace se subida, de la estación móvil a la estación base, se originan señales

de diferentes fuentes, las cuales provienen de los usuarios en el sistema. La transmisión de

cada usuario arribará en diferentes tiempos debido al mecanismo de propagación y errores

seudoaleatorias que no están correlacionadas y no son ortogonales. Ya que el enlace de subida

no es ortogonal, existe la interferencia inter~usuario. Por esta razón, el enlace de subida

establece la capacidad del sistema [Lawrey, 1997].

III.2.2

CDMA con saltos en frecuencia (FH-CDMA)

En este tipo de CDMA, la frecuencia portadora de la señal de información no es

constante, sino que cambia periódicamente. Durante los intervalos de tiempo T, la frecuencia

portadora es la misma, pero después de cada intervalo de tiempo la frecuencia salta a otra

(0 posiblemente la misma) frecuencia. El patrón de saltos se decide por el código de

ensanchamiento, y el conjunto de frecuencias de salto disponibles es igual ala ganancia de

ensanchamiento. Por ejemplo, si la ganancia de esparcimiento es de 30 dB, existirán 1000

fiecuencias disponibles donde la portadora puede saltar.

La frecuencia de ocupación de unsisterna FH-CDMA difiere de un DS-CDMA

considerablemente. Un sistema DS-ocupa el ancho de banda completo cuando un usuario

transmite, mientras que el sistema FH usa solo una parte del ancho de banda, cuya localización

difiere en el tiempo dependiendo del código, como se muestra en la figura 8. V

En FH-CDMA se realiza ima distinción basada en el salto de la portadora. . Si el

número de saltos es mucho más grande que la tasa de transmisión de los datos, se consideran

saltos rápidos en frecuencia (F-FH). En este caso, la frecuencia portadora cambia varias veces

durante ia transmision de tm bit de información, así que un bit es transmitido en diferentes

30

Palencia

Frecuencia

señal deseada sala de una -ne-P. hccueneia a olla

Figura 8. Ocupación de frecuencia/ tiempo de las señales FH-CDMA

datos, se les llama saltos lentos en frecuencia (S-FH). En este caso se transmiten múltiples

bits en la misma frecuencia.

III.2.3,

CDMA con saltos en tiempo (TH-CDMA)

En el esquema espectro esparcìdo con saltos en tiempo (TI-I-CDMA), la señal de datos

se transmite en ráfagas rápidas a intervalos de tiempo determinados por el código asignado al

usuario. El eje del tiempo se divide en marcos y cada marco a su vez, en ranuras de tiempo.

Durante cada marco, el usuario transmitirá en una de las ranuras de tiempo, en cual ranura

transmite un usuario depende de la señal de código asignada.

En la figura 9 se observa que en TH-CDMA un usuario utiliza el ancho de banda

Potencia

Tiempo

Frecuencia

Figura 9. TH-CDMA.

III.3

Códigos

Es importante que los códigos asignados a cada usuario tengan buenas propiedades de

correlación con el objetivo de que el receptor pueda distinguir a cada usuario en el sistema sin

problema. La autocorrelación de los códigos es muy importante, ya que establece la buena

sincronización de la secuencia de código recibida con la generada localmente.

Las secuencias de código utilizadas para los sistemas CDMA 'deben cmnplir las

siguientes propiedades:

-l Fáci-l generación

2 Periodicidad larga

3 Tener ortogonalidad

32

Las familias de códigos utilizadas en los sistemas CDMA son: códigos ortogonales,

entre los cuales están los códigos Walsh, y las secuencias PN, a las que pertenecen los códigos

de máxima longitud (ML), códigos Gota y códigos Kasami.

HI.3.1

Códigos seudoaleatorios

Las secuencias de ruido seudoaleatorias (PN) se emplean extensamente en los sistemas

de comunicaciones digitales para codificar datos debido a sus propiedades aleatorias. Estas

secuencias son periódicas, generadas por tm registro de corrimiento con retroalimentación

[Faruque, 1996]. Un registro de conimiento con retroalimentación consiste de una memoria

de dos estados o etapasde ahnacenamiento y una lógica de retroalimentación. Lassecuencias

binarias se desplazan a través del registro de corrimiento en respuesta a pulsos de reioj. Los

contenidos de las etapas se combinan lógicamente para producir la entrada de la primera

etapa. El contenido inicial de las etapas y lógica de retroalimentación determinan el contenido

sucesivo de las etapas. A un registro de corrimiento se le llama lineal cuando la lógica de

retroalimentación consiste completamente de sumadores en módulo 2 [Garg y Smolik, et al;

1997].

I

' La figura 10 muestra un registro de conimiento con retroalimentación que tiene

cuatro etapas para almacenar y desplazar, un sumador en módulo 2 y una trayectoria de

retroalimentación sumada a la entrada del registro. La operación del registro se controla por

una secuencia de pulsos de reloj. En cada pulso de reloj, el contenido de cada etapa en el