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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 MÉXICO, D.F. 2014 http://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.esimeazc.ipn.mx/Identidad/EscudoNoNormalizado.jpg&imgrefurl=http://www.esimeazc.ipn.mx/Identidad/index.html&h=340&w=360&sz=75&hl=es&start=3&tbnid=ll4O2BTtD5KC-M:&tbnh=114&tbnw=121&prev=/images?q=esime&gbv=2&hl=es DEDICATORIA Quiero dedicarle el presente trabajo a mi padre que me acompaño y ayudo a la realización de las mediciones. 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 1.3.2.4 IS-95 – CDMAONE .............................................................................................. 12 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 2.7.1.3 HLR (HOME LOCATION REGISTER; REGISTRO DE UBICACIÓN BASE) 29 III 2.7.1.4 VLR (VISITOR LOCATION REGISTER; REGISTRO DE UBICACIÓN DE 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 3.3 PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN ...................................................................... 49 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 GLOSARIO ....................................................................................................................................... 98 V ÍNDICE DE FIGURAS 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 Figura 3.9 Procesamiento de Archivo. ............................................................................................. 50 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 Figura 4.26 Mapa georeferenciado de los niveles de potencia para RSCP para el SC 82. .............. 90 VII ÍNDICE DE TABLAS 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 Tabla III Resultados de Ec/Io de Lindavista y Polanco. ................................................................... 92 VIII OBJETIVO Analizar experimentalmente los parámetros de desempeño CPICH, RSCP y Ec/Io, en redes de tercera generación en entornos urbanos. 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. En esta tesis, se realiza un análisis de los parámetros de desempeño dentro de una red 3G de manera experimental en entornos urbanos, analizando los niveles de potencia de CPICH (Common Pilot Channel; Canal Piloto Común), RSCP (Received Signal Code Power; Código de Potencia de Señal Recibida) y Ec/Io (Energy Chip to Interference; Relación Energía de Chip a Interferencia). CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 1 CAPÍTULO 1 1 EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS MÓVILES En este capítulo se presenta el concepto de celular y los diferentes tipos de células utilizadas, así como un panorama general del desarrollo de las diferentes generaciones de la telefonía móvil a lo largo de la historia. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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). La reutilización de frecuencias se refiere a la aplicación de canales de radio sobre la misma frecuencia portadora, para cubrir las diversas áreas que son separadas por una cierta distancia una de otra, evitando que la interferencia entre canales sea lo más baja posible. Figura 1.2. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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. Figura 1.3 Jerarquía de Células. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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 La disminución de tamaño involucra un aumento en su capacidad de tráfico, por lo que estas son utilizadas para ofrecer cobertura en áreas con muy alto tráfico, tales como los centros de negocios ó comerciales, donde los usuarios tienen un patrón de comportamiento de baja movilidad y se encuentran en un ambiente cerrado. Las picocélulas poseen un recubrimiento menor a 100 metros. Antenas utilizadas: Sectoriales. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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 automáticoque 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. Figura 1.4 Handover entre Células. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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 El espectro de frecuencia disponible es dividido de tal manera que a cada usuario se le asigna un canal de frecuencia con el mismo ancho de banda. Existe una banda de guarda entre canales para reducir la interferencia de canal adyacente. Es habitual que a cada usuario se le asigne un par de canales uno para el enlace de bajada y otro para el enlace de subida. La Figura 1.5 muestra el esquema de acceso múltiple. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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. Figura 1.6 Acceso Múltiple por División en Tiempo (TDMA). CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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 OFDMA es una combinación de FDMA y TDMA, un usuario tiene asignado un número de subportadoras (FDMA), las asignaciones de subportadoras de usuarios cambian en el tiempo (TDMA), las señales moduladas resultantes en cada subportadora son ortogonales entre sí. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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) En la década de los ochenta aparece la primera generación de telefonía celular, teniendo un modo de transmisión analógico y presentando servicio únicamente para voz. El enlace en la llamada era de baja calidad, baja velocidad (2400 bauds). Basada en FDMA (Frequency Division Multiple Access; Acceso Múltiple por División de Frecuencia) a fin de aislar cada canal y conversación en una única frecuencia, la seguridad no existía. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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). Fueron cuatro los principales estándares para los sistemas de 2G: el sistema global para comunicaciones móviles GSM (Global System for Mobile communications), el sistema digital AMPS (D-AMPS), el estándar IS-95A o CDMAONE (Code Division Multiple Access ONE). CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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 tiempoutilizando 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 PDC (Personal Digital Cellular) utilizada en Japón. Funciona en la banda de 800 MHz y 1500 MHz, lo que hace un uso muy eficiente del ancho de banda disponible. PDC es la más espectralmente eficiente de las tecnologías TDMA, con seis tarifa de media (o tres tarifa completa) los canales posibles están en un espacio de 25 KHz de frecuencia. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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) Como incremento la popularidad de las comunicaciones móviles, los sistemas de segunda generación como IS-95 o GSM, eran incapaces de satisfacer la demanda de mayor capacidad de transmisión. Los sistemas más sobresalientes desarrollados para 2.5G son: HSCSD, GPRS, EDGE. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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). Una de las principales ventajas es su reducido impacto sobre la infraestructura de la red, es decir, que el operador que desee mejorar las prestaciones de su red GSM/GPRS podrá hacerlo con una inversión y un riesgo mínimos. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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. WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) es una tecnología que incrementa las tasas de transmisión de datos. Permite una tasa de datos de 384 Kbps y una velocidad de transferencia en el enlace de bajada de 2 Mbps y velocidades promedio de 220-320 Kbps, operando con 5 MHz. CAPÍTULO 1 EVOLUCIÓN DE LOS SITEMAS MÓVILES 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. Figura 1.9 Generaciones de Telefonía Celular CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 16 CAPÍTULO 2 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA En este capítulo se presenta las características y arquitectura de WCDMA, se da una descripción de los elementos que conforman la red UMTS, al igual se muestra los parámetros de desempeño de una red. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 17 2.1 CARACTERÍSTICAS WCDMA es una tecnología de tercera generación detrás del estándarUMTS (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]. Figura 2.1 Ancho de Banda de WCDMA. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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 El 3GPP ha creado especificaciones para las bandas de frecuencia en la cual debe de operar WCDMA (Tabla 2.1). Estas frecuencias se basan en el tipo de enlace ascendente o descendente, así como la región del mundo en la cual se encuentre operando. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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 En este método bidireccional, las transmisiones del enlace ascendente y del descendente son transportadas en la misma banda de frecuencia usando intervalos de tiempo (slots de trama) de forma síncrona. Así las ranuras de tiempo en un canal físico se asignan para los flujos de datos de transmisión y de recepción. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. El receptor capta la señal ensanchada y utiliza el mismo código de transmisión para sincronizarla, dando como resultado la información transmitida más algunos armónicos de alta frecuencia que pueden ser filtrados con facilidad, a esto se le denomina Despreading. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. Figura 2.4 Ensanchado y Desensanchado de una Señal en WCDMA. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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: 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑛𝑐𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑝𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 (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. La modulación QAM consiste en modular por desplazamiento en amplitud (ASK, Amplitude Shift Keying) de forma independiente, dos señales portadoras que tienen la misma frecuencia pero que están desfasadas entre sí 90º. La señal modulada QAM es el resultado de sumar ambas señales ASK. Estas pueden operar por el mismo canal sin interferencia mutua porque sus portadoras al tener tal desfase, se dice que están en cuadratura [3]. Figura 2.5. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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 representacada 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. Figura 2.6 Constelación BPSK. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. Dentro de cada ranura hay una estructura multiplexada en tiempo para la señal, en una sola trama se encuentran los símbolos de datos, la información de señalización física y los símbolos piloto. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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 3 2 . . . 14 Trama de radio de 20 ms Trama de radio de 10 ms 4096 chips PREÁMBULO PREÁMBULO PREÁMBULO PREÁMBULO PREÁMBULO PARTE DEL MENSAJE PREÁMBULO PARTE DEL MENSAJE CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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 3 2 . . . 14 DATA 1 TCP DPDCH DPCCH DPDCH DPCCH CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. Figura 2.12 Elementos de un Sistema UMTS. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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) El GMSC es un centro de conmutación móvil que se localiza entre las redes externas como la ISDN y el otro MSC en la red. Su función es dirigir las llamadas entrantes al MSC. Todas las conexiones entrantes y salientes de CS pasan a través del GMSC. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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) Se encarga de dirigir el tráfico saliente, también recibe información del HLR y del SGSN. Los Gateways a otras redes de paquetes de datos, como internet, son conectados el GGSN. Paquetes de datos entrantes son encapsulados en un contendor especial por el GGSN y enviados al SGSN. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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 sistemade 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. Figura 2.13 Arquitectura General UTRAN. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. Un Nodo B puede atender varias celdas, también llamados sectores dependiendo de la configuración y tipo de antena. Las configuraciones más comunes incluyen celda omni (360º), 3 sectores (3 x 120º), 6 sectores (3 sectores de 120º de traslape amplio con tres sectores de diferente frecuencia). CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. Interfaz Lur. Es una interfaz abierta que conecta a dos radio controladores de red, lleva tanto la información de tráfico como de señalización. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. DCCH (Dedicated Control Channel; Canal de Control Dedicado). Canal punto a punto para la transmisión de información de control entre la red y la estación móvil [5]. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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: BCH (Broadcast Channel; Canalde Broadcast). Canal de enlace de bajada el cual se utiliza para transmitir información de una red UTRAN a una célula en particular. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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 Para la conexión de enlace de subida se cuenta con dos canales dedicados y un canal común. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. SCH (Synchonization Channel, Canal de Sincronización). Canal utilizado por las estaciones móviles para la búsqueda de células, consta de un canal primario y un canal secundario. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. La interfaz subyacente de aire de WCDMA es mucho más sensible al rendimiento y su operación comparte muchas más similitudes con su rival CDMA 2000 el cual es el predecesor de GSM. Para conseguir la ganancia en desempeño en el nivel de enlace, sobre la ecualización GSM y sobre las técnicas de salto de frecuencia (Frecuency Hopping), WCDMA usa la tecnología de recepción rake para aumentar la diversidad. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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. El propósito del receptor Rake es mejorar el nivel de la señal recibida, pues las señales que se propagan a través de diversas trayectorias tienen diversas atenuaciones. CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 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) Q I CORRELACIONA DOR ROTADOR DE FASE GENERADOR DE CÓDIGO ESTIMADOR DE CANAL ECUALIZADOR DE RETRASO FINGER 1 FINGER 2 FINGER 3 FILTRO DE EMPAREJADO ∑I ∑Q COMBINADOR CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE WCDMA 40 La velocidad de datos de usuario no solo depende de la calidad de recepción, sino también del número
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