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Y APROBADA POR EL SIGWE COMITÉ

At

TESLS DEF¡;NDlDA PORArlette Graciela Alvarez Quiñones

,¬-ÍIVLC. Jorge Enri 'do Velasco

' 11111.7 V111 \

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 PosgradoTelecomunicaciones

2 de diciembre de 1999

CENTRO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA YDE EDUCACIÓN SUPERIOR DE ENSENADA

A CICGSG

DIVISIÓN DE FISICA APLICADA

DEPARTAMENTO DEELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

ESTUDIÓ DE TÉCNICAS PARA EFICIENTIZAR LATRANSMISIÓN DE SERVICIOS MULTIMEDIÓS ENsIsTEMAs DE CÓMUNICACIÓNES MÓVILES DE

LA TERCERA GENERACIÓN

C TESIS

que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtenerel grado de MAESTRO EN CIENCIAS presenta:

ARLETTE GRACIELA ALVAREZ QUIÑONES

Ensenada, Baja California, México. Diciembre 1999 -

RESUMEN de la Tesis de Arlette Graciela Alvarez Quiñones, presentada comorequisito parcial para la Obtención del grado de MAESTRO EN CIENCIAS enELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. Ensenada, Baja California, México.Diciembre de 1999; E

ESTUDIO DE TECNICAS PARA EFICIENTIZAR LA TRANSMISIÓN DESERVICIOS 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 móvilesha ocasionado la saturación del espectro de frecuencias, de manera que entonces seproponen diferentes técnicas para maximizar el transporte de la información minimizandolos requerimientos de espectro de los servicios de comunicaciones personales inalámbricosfuturos. Además, las limitaciones de los sistemas existentes, han propiciado el desarrollo delos conceptos de un sistema móvil de tercera generación. Planeados para iniciar suoperación en el siguiente milenio, los sistemas de tercera generación están actualmentesujetos 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 elUMTS (Universal Mobiie Telecommunications System) y el IMT-2000 (InternationalMobile Telecommunications at year 2000). UMTS integrará, en una estructura única, todoslos servicios ofrecidos por los Sistemas actuales; al mismo tiempo, hará disponible en“cualquier lugar” y en “cualquier tiempo” más servicios de los existentes en sistemasactuales con una comunicación de calidad comparable a la de las redes alámbricas. Elprincipal reto es en la interfaz de radio más adecuada para transportar la información quesatisfaga un amplio intervalo de requerimientos en donde el análisis se enfoca en laadopción de la técnica de acceso CDMA.

' Por ello, en esta investigación se analizó la factibilidad de transmitir serviciosmultimedios en redes de comunicaciones inalámbricas; de especial interés fue que estosservicios fueran introducidos en los sistemas de comunicaciones móviles de tercerageneración. De esta forma, se analizó el desempeño del sistema DS-CDMA en términos dela capacidad de usuarios, introduciendo conceptos de antenas direccionaies en la estaciónbase, considerando los efectos de la sectorización imperfecta, monitoreo de actividad devoz y control de potencia imperfecto, las cuales disminuyen la interferencia; así como lainterferencia intra e inter celda que limitan la capacidad. De los resultados obtenidos, se

observa que las técnicas anteriores son ampliamente deseables, ya mejoran el descmpenodel sistema DS-CDMA en el contexto de los sistemas de tercera generación incrementandola capacidad del sistema y manteniendo a la vez una calidad de servicio aceptable.

Palabras clave: UMTS, IMT-2000, interfaz de radio, DS-CDMA, sectorizaciónimperfecta, interferencia intra e intra celda.

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

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

MOBILE COMMUNICATIONS FOR THIRD GENERATION

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

Keywords: UMTS, IMT-2000, radio interface, DS-CDMA, imperfect sectorization, intraand inter cell interference.

DEDICATORIA

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 fijado en mi vida.Gracias. Los quiero mucho.

A mis hermanos:

Mario y Gibran Enrique

Por ser tan queridos para mi.

A Juan Zitlalpopoca B.

Por ser siempre mi apoyo y adoración; una de las personas que han sido mimotivación en la lucha por lograr esta meta.

AGRADECIMIENTOS

A mi director de tesis, M.C. Jorge Preciado V., por las facilidades y apoyo brindados, sinlos 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. yM.C. José Luis Briseño C., por las aportaciones y comentarios a esta tesis, sin su apoyo nosería 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 quecualquier cosa, por el enorme amor, apoyo y comprensión que me ha brindado desde que loconocí; 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, quehan 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 SilviaCamacho 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 demaestría.

Arlette A.

CONTENIDO

1 INTRODUCCIÓNI.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 _ _ _

i

página

1

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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

. . . _ . . . _ _ _ . . . . . . . . _ . . ..22

_ _ _ _ _ _ . _ . _ . . . . . _ _ _ . . _ ..22

. . . . . . . . . _ _ . . . _ _ . . . . . _.25

. . _ . . _ . . . . _ _ _ . . . . _ . . . ..28

. . . . . . . . . . . . . . . . . _ . . ._28

_ _ . . _ _ _ . . . . . . . _ _ . . _ . ._28

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 elenlace 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 PROPUESTO50IDS-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 59Vl Introducción _ . . . . . . . . . _ . _ . _ . _ _ . . _ . . _ _ _ . . _ _ _ _ _ . . _ _ . . _ _ _ _ _ . _ . . _ . _ _ _ . _ _ . . . _. 59

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

V3

V3.l

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

Modelo de nodo para la estación móvil . _ _ _ . . _ . . _ . . . _ _ . . . . _ . . _ . . _ _ 64

\Z3_2

\¿3_3

\/Í3_4

\(3_5

V3_6

V3.7

V3.8

V3_9

V3_l0

VÍ3_ll

V3.l2

v3.13

iii

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

'svVI.l Introducción . _ _ _ . _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . . _ . _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ '87

VI_2 Análisis de desempeño del enlace de subida de un sistema sectorizado yde 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 laestación 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

Control de potencia para compensar la interferencia en el sistemasectorizado _ _ _ _ . _ . . . _ _ _ _ _ . . _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . . _ . . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ 110

iv

VI_3.5 Tasa de bit erróneo (BER) con control de potencia del sistemasectorizado . . . _ _ _ _ . . . . _ . _ _ _ . . . . . _ _ _ _ . . . _ . . . _ _ _ _ _ . _ _ . _ . . . _ _ . _ _ . _ _ 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 ydel sistema sin sectorización . _ _ _ _ . _ _ _ . _ _ _ _ . . . _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . . _ _ 118

VI_4_2 Comparación de la relación portadora a interferencia (C/I) del sistemasectorizado 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

LITERATURA CITADA 131

LISTA DE FIGURAS

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

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

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

densidad de usuarios________________________________________________________________________________________________________ _. 10544. Tasa de bit erróneo para los servicios de voz, datos y video en el sector tres__.__ _ _ _ _ 106

VII

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

52. Relación (C/D para el servicio de datos en los dos sistemas simulados ____________________ ._ 123

' 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

Predicción de la capacidad de la celda en un ambiente multi-celular con Gp=25dB, dependiendo del Eb/No mínimo to1erable_ _ _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ . _ _ _ _ _ 126

ESTUDIO DE TECNICAS PARA EEICIENTIZAR LATRANSMISION DE SERVICIOS MULTIMEDIOS EN

sIsTEMAs DE COMUNICACIONES MOVILES DE LATERCERA 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 objetivo 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

de la celda en un sistema DS-CDMA no está sujeto a alguna estructura dependiente de la

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 objetivo 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

(Intemational Telecornmunicatiorrs Union) y otros organismos. De esta forma, aparecen el

3

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

debido a sus características que le permiten una alta adaptación para dichos requerimientos.

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

direccionales que se utilizarán en el sistema DS-CDMA propuesto.

5

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 DS-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

dan a conocer en el capítulo VIII.

II COMUNICACIONES MóvILEsINALÁMBRICAS

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

analógica. Además de que solo permitían la transmisión de voz. Se desarrollaron varios

7

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

extensión de TDMA.

8

II.3 Sistemas de Comunicaciones Móviles de la TerceraIIGeneracion

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

y las comunicaciones de voz. Alrededor de un 60% de usuarios se conectan al Internet desde

9

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

sistema por el cual cada usuario puede intercambiar información con alguien a cualquier

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

operación en múltiples ambientes de radio. También ayuda sirve a la solución de necesidades

ll

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

Communication Technologies in Europe) y ACTS (Advanced Communication Technologies

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]

fué desarrollado por Nokia. Mas aún, una prueba de CDMA de banda amplia fiié desarrollada

13

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

también, combinará un amplio intervalo de aplicaciones.

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 Tasa de transmisión requeridatí MCalidad de servicio nïjuerida

M

% CUaj=r(±io Kbps) ip M >lto BERílífifmail

[I Voz Éaja (4-zo Kbps)U7 M

ajqBER(<i›r1o 3)El ;=lÉ L an aim comøpgea pgìiüè (>1o Kbps-1oo1<bps C no BER (<1›r1o_9)1%>1M

íldeoconferencia< ei >-1Ita (100 Kbps-l Mbps) M caro BER CK

M

MIP M Ita 7(lt)0~300 Kbps)> í ã

M

M

udio de alta calidad

Acceso a bases de datos ÉMedia (>30 Kbps) É

caro si-:R pMuy a1±«ÍšER

M

15

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 detipos de servicios que pu

mmUMTS.

UMTS I IMT2000

Figura 2. Ambientes de operación de UMTS

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 KCLiuSub-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

tipos de celdas establecen un compromiso de tamaño de celda, capacidad total y servicios

17

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

emplearán para UMTS.

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 D1 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

requerimientos de calidad de servicio.

19

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

ensanchamiento asincrono (basado en secuencias largas).

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

momento aún no estiman exactamente las demandas del usuario. Si la carga de tráfico crece

21

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

handofl).

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.

2 El receptor necesita extraer la señal deseada de la señal ensancbada correlacionándola con

23

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 yruido esparcìdo

Banda base

sefia| Destwésg* de|fi|±fo

interferenciaÉ;

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,

incluyendo las señales de espectro esparcìdo y señales de interferencia no deseables (ruido

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

Frecuency Hopping) y con saitos en tiempo (TH Time Hopping) [Ojanpera y Prasad, 1998].

25

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.

TiempoPotencia

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

Figura 5. Diagrama a bloques del transmisor DS-CDMA

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

de código generada localmente. Para ejecutar el des-ensanchamiento, el receptor no sólo

27

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.

4 Rechazo a la interferencia.

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):BG = _” '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

de sincronización. Debido a los inevitables errores entre los usuarios, se utilizan secuencias

29

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

frecuencias. Si el número de saltos es mucho más pequeño que la tasa de transmisión de los

30

Palencia

Frecuencia

señal deseadasala 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

completo en periodos cortos de tiempo [Ojanpera y Prasad, 1998].

3 1

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 Fácil generación

2 Periodicidad larga

3 Tener ortogonalidad

4 Estar balanceadas entre ceros y tmos

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

registro se desplaza hacia la siguiente etapa a la derecha. También, en cada pulso de reloj,

33

el contenido de las etapas X3 y X4 se suma en módulo 2 y el resultado se retroalimenta a la

etapa X1. La secuencia del registro de corrimiento es tomada a la salida de la etapa X4.

Sumadormódulo 2

X1 X2 X3 X4

I Rolo]

Figura 10. Registro de corrimiento con retroalimentación lineal con cuatro etapas. .

Salida

El número de salidas o ciclos que pueden generarse por medio de tm registro de

corrimiento de n bits es dado por la ecuación (2):

W “ N a 2" - 1 (2)

Por ejemplo, en el registro de corrimiento de 4 bits de la figura 10, se generan

24 -É 1 = 15 ciclos. Si inicialmente la etapa X1 tiene un 0 y las restantes tienen 0,0,

y l respectivamente, la salida del primer ciclo será l, y ejecutando los desplazamientos,

sumadores y operaciones de retroalimentación, los resultados restantes de cada ciclo son

0,0,0,1,0,0,i,l,0,1,0,l,l,l, es decir, el contenido del registro se repite después de 24 - 1 = 15

ciclos. Por lo tanto, se obtiene una secuencia de código de 15 bits.

Aunque hay numerosas secuencias PN disponibles, pocas se utilizan para

comunicaciones celulares debido a sus propiedades de correlación. A las secuencias PN que

tienen propiedades de correlación cruzada igual a 0, se les conoce como códigos ortogonales.

La defunción y generación de estos códigos se muestra en la siguiente subsección.

34

III.3.2 Códigos ortogonales

Un par de secuencias son ortogonales si su correlación cruzada es igual a 0. Para

dos secuencias de n bits: 3:1, 2:2, ..., :nn y yl, yg, ..., yn, la correlación cruzada está dada por la

ecuación (3):

R=w(0) = Zïtyf = 0 ' (3)'i=1

La función de correlación cruzada de dos señales z:(t) y y(t) está definida como la

correlación entre dos señales diferentes [Faruque, 1996]. A continuación se muestran 2

ejemplos de la correlación cruzada entre dos secuencias de código de 4 bits.

Ejemplo l:x É 0 0 1 1

V y = O 1 1 O

Reemplazando ceros por tmos negativos y evaluando, el resultado será: ,a:=-i-111 . -y=-1 11-1

R,,,(0) = 1 -1 1 --1 = 0

La correlación cruzada es O, por lo tanto, estos códigos son ortogonales, además, ambos

códigos tienen el mismo número de unos y ceros.

Ejemplo 2:

I-*O ›-O Or-I On-I$1

yz

Realizando el mismo procedimiento y evaluando:ar:-1-111ya-=11-1-1

R,,(o)= -1 -1 $1 -1 =-4

' 35

A pesar de que los códigos mostrados tienen igual número de ceros y unos, su

correlación cruzada no es cero, por lo tanto, estos códigos no son ortogonales.

Se puede mostrar que un código de n bits tiene solo n códigos ortogonales, los cuales

tienen un mismo ntunero de unos y ceros. Por ejemplo, una secuencia seudoaleatoria de

64 bits prove sólo 64 códigos ortogonales de un total de 264 - 1 2 1.84a:1019 secuencias

seudoaleatorias; Por lo tanto, se concluye que tm código ortogonal tiene dos propiedades

básicas [Faruque, 1996]:

1 Un mismo número de ceros y unos.

2 La propiedad de correlación cruzada igual a cero.

Existen tres diferentesitipos de códigos seudoaleatorios utilizados en CDMA.

Códigos Walsh. Estos códigos se conocen como códigos Hadamard, es un conjunto de

64 códigos ortogonales que se" emplean en el enlace de bajada.

Códigos largos PN. Estos códigos se generan con un registro de conimiento de 42 bits,

teniéndose tm total de 242 - 1 = 4.398a:1012 códigos diferentes, los cuales son usados en el

enlace de bajada y el enlace de subida. '

Códigos cortos PN. Se generan de un par de registros de corrimiento de 15 bits, por lo

que se tienen 215 - 1 = 32767 códigos. Estos se emplean para la identificación de una celda

reutilizada. `

36

III.4 Técnicas para mejorar el desempeño de DS-CDMA

Existen tres técnicas principales para mejorar el desempeño del sistema DS-CDMA:

1 El control de potencia para combatir el efecto cercanía-lejanía.i

2 La sectorización utilizando antenas direccionales.

3 El monitoreo de actividad de voz para disminuir la potencia de interferencia detectada en

la antena receptora [Jansen y Prasad, 1995].

Estos son elementos fundamentales de DS-CDMA que pueden aplicarse en los

sistemas de tercera generación y pemriten obtener tura mayor capacidad en el sistema, que se

traducen en la posibilidad de atender más usuarios ofreciendo la calidad de servicio requerida.

III.4.1 Control de potencia

En el enlace de subida de un sistema DS-CDMA, los requerimientos de control de

potencia son puntos clave en el sistema. El control de potencia surge por la interferencia de

acceso múltiple. Todos los usuarios en DS-CDMA transmiten su información utilizando el

mismo ancho de banda al mismo tiempo, interfniendo unos usuarios con otros. Debido al

mecanismo de propagación, la señal recibida en la estación base de un usuario cercano a la

estación base será más fiierte que la señal recibida por la estación base localizada en la frontera

de la celda. Por lo tanto, los usuarios distantes serán dominados por los usuarios cercanos. A

esto se le llama efecto cercanía-iej anía. Este efecto se refiere a la razón entre la potencia de

la señal de un móvil cercano y la potencia de la señal de un móvil que esta más alejado. La

37

interferencia cercanía-lejanía degrada el desempeño, reduce la capacidad y causa pérdida de

llamadas [Faruque, 1996]. El problema se muestra en la figura ll.

W sn zsm¿ll-1%.-L

M¿v¡| 1 Móvil 2

Figura 11. Efecto cercanía-lejanía.

Si dos móviles transmiten la misma potencia desde distancias diferentes, la razón entre

ia potencia de las señales recibidas en la estación base está dada por la ecuación (4):

SRI _ ¿2 “SR;(d1) <4>donde:

SR1 es la señal recibida del móvil 1, SR2 es la señal recibida del móvil 2, dl la distancia

entre el móvil 1 y la estación base, dg la distancia entre el móvil 2 y la estación base y n valor

de ia envolvente de pérdidas por trayectoria (depende del ambiente).

La ecuación 4 implica que si la distancia 111 7€ dg entonces las señales recibidas

seran diferentes para cada móvil dependiendo del ambiente de propagación y las distancias

respectivas. Por lo tanto, la potencia de transmisión de cada móvil tiene que ser controlada de

38

manera que la potencia recibida en la estación base sea constante en un nivel determinado

y no ser dependiente respecto a la distancia. El control de potencia, por lo tanto, tiene

como objetivo producir una potencia nominal recibida de todos los móviles en una celda

determinada.

En DS-CDMA, el control de potencia se realiza en un proceso de [Faruque, 1996]:

Control de potencia de lazo abierto y de lazo cerrado en el enlace de subida.

Control de potencia en el enlace de bajada

III.-1.1.1 Control de potencia de lazo abierto y de lazo cerrado en el enìace de subida

El control de potencia de lazo abierto es principalmente una función de las estaciones

móviies. La meta del controi de lazo abierto es que la estación móvil ajuste rápidamente

la potencia de transmisión de acuerdo a los cambios en la potencia recibida de ia estación

base. Las estaciones móviles miden el nivel de potencia recibido de la estación base y ajustan

su potencia de transmisión en una manera indirecta El control de potencia de lazo abierto

intenta que ias señales de todas las estaciones móviles transmitiendo arriben en la estación

base con el mismo nivel de potencia nominal. La estación base soporta la función control lazo

abierto permitiendo una calibración constante a las estaciones móviles que está sirviendo. La

calibración constante es determinada por la potencia radiada efectiva (PRE) de la estación

base, de modo que si la estación base transmite a un nivel mayor que la PRE nominal necesita

infonnar a los suscriptores para que transmitan a un nivel menor de la potencia requerida, el

mismo caso se tiene para estaciones base transmitiendo con niveles menores de PRE.

39

Lo anterior se muestra en la figura 12, donde cada móvil calcula las pérdidas por

trayectoria y las compensa ajustando su potencia de transmisión.

Pna1

SR -.ml-1 4' %¿__<______. PRE 2 "°"" 1

. Móvil 2sn¢*l@

\PRE 3.1*Q-

%Móvil 3

Figura 12. Control de potencia en el enlace de subida. Mostrando que cada móvil controlasu propia potencia

La estación base juega un rol activo en las ftmciones del controi de potencia de lazo

cerrado. La meta del control de lazo cerrado es que la estación base proporcione correcciones

rápidas ai control de lazo abierto estimado de ia estación móvil, para mantener la potencia de

transmisión óptima. La estación base mide el nivel de la potencia recibida de las estaciones

móviles y lo compara contra un umbral.

El control de potencia de lazo abierto se realiza por medio de un mando originado

en la estación base indicando el incremento o decremento en la potencia. Este es un bit de

control de potencia que se inserta en la cadena de datos cada 1.25 ms. Una vez que el móvil

recibe este mando de la estación base, responde ajustando su potencia por l ó 0.5 dB. Dichos

parámetros se utlizan para el sistema DS-CDMA.

40

III.4.1.2 Control de potencia en el enlace de bajada

El control de potencia en el enlace de bajada se realiza con un proceso en el cual la

estación base controla su potencia de transmisión de manera que el rnóvii reciba potencia extra

para superar el desvanecimiento, la interferencia, etc. El ajuste de potencia se determina a

partir de las mediciones proveídas por la estación móvil. El propósito es reducir o incrementar

las potencias de las estaciones móviles en función de la cercanía a la estación base. El proceso

de ajuste ocurre cada 15 ó 20 ms.

Por lo tanto, el desempeño del control del potencia es un factor importante que decide

ia capacidad del sistema DS-CDMA [Ojanpera y Prasad, 1998]. H '

IH.4.2 › i Sectorìzación

Uno de los probiemas más serios en los sistemas DS-CDMA es la interferencia multi-

usuario. Debido a que todos los usuarios transmiten en la misma frecuencia y las correlaciones

cruzadas de los códigos son raramente cero, ia razón señal a interferencia, y por lo tanto,

el desempeño se degrada confonne el número de usuarios incrementa, lo cual muestra que

el sistema DS-CDMA es un sistema limitado por interferencia, más que limitado en ruido

[Ojanpera y Prasad, 1998]. ~ U

Una forma de reducir la interferencia multi-usuario e incrementar ia capacidad

del sistema DS-CDMA es la sectorización, que puede establecerse utilizando antenas

direccionales en la estación base. La celda se divide en un número de sectores, lo que implica

41

que las señales de interferencia se recibirán sólo en un angulo limitado, además de que el

mismo espectro de frecuencia es reutilizado en cada sector.

La sectorización en los sistemas DS-CDMA incrementa la capacidad en proporción al

número de sectores por celda.

Una sectorización de 120° se logra dividiendo la celda en tres sectores de 120°, como

se muestra en la figura 13.

Figura 13. Sectorización_ Configuración de tres sectores.

Para ia configuración mostrada en la figura 13, se emplean varias antenas-direccionales

en cada sector para un total de tres antenas por celda. Debido a que el ancho del haz de la

antena es angosto, ios canales pueden repetirse más a menudo, ampliando la capacidad. Esta

configuración se utiliza generalmente en ambientes urbanos densos.

Algunos parametros de las antenas, esenciales para la ingeniería de la celda, se

describen en las siguientes subsecciones.

42

III.4.2.1 Directividad de la antena y ganancia

La directividad de la antena detennina el grado de concentración de energía en una

dirección con respecto a otras direcciones. Esto se traduce a tma ganancia de potencia.

III.4.2.2 Ancho de haz de la antena

El ancho de haz de la antena se mide por la ecuación (S):

w = 2@ (5)

donde to es ei angulo con respecto al punto donde se tiene la máxima ganancia (boresight),

punto en el cual el valor de ganancia se reduce 3 dB con respecto al valor máximo. Esto se

muestra en la figura 14.

El desempeño de la celda sectorizada depende ampliamente dei ancho de haz de la

antena [Faruque, 1996]. _' Punto de máxima

ganancia_ 9° ¶0

3 gg Sd!!

0 dB

'\,4GFigura 14. Ancho de haz de la antena.

43

III.4.2.3 Razón frente-atrás (front-to-back) de la antena

La razón frente-atrás se defme como la razón entre la potencia radiada desde el lóbulo

principal a la radiada del lóbulo de atrás, y está dada en la ecuación (6):

FB = 10109 Í-3%@-_-°"f”'” (6)lobatras

, La figura 15 muestra la relación fiente-atrás de la antena.

Plobprírlcipfn'

¿lg - IdB

. > 0 dB

ÍPlobatras

Figura 15. Relación frente-atrás de la antena.

I1I.4.3 Interferenciainter-celda

En un sistema celular, la estación móvil recibe interferencia no sólo de las estaciones

móviles en la celda anfitriona (interferencia intra-celda), sino también de las terminales

localizadas en celdas adyacentes (interferencia inter-ceida) Uansen y Prasad, 1995], como

se muestra en la figura 16.

44

1.11. * =-;:1†--W*-'~,x.= ~;»'¢.-› «iv « ., ~«' «,-†~~v,~r--.eo 'mv _», -r , ».~~~,» N ~-' - ,

»xx-» »ff -1*' era; ria-'«:<'_^~'1~,; »Z :1,ï='%;«?/'¡^§^*< ›` *ri ~` Ifí-

¿Éf ar»»r-.ze “~ W ~*¬';;=~,› ;~,,«,-\

'erfv' .Ã/' W W

tra, .¡ v,,,, 1

toi*

'P A

;.^-,, l

Figura 16. interferencia en el sistema DS~CDMA _

Es posible calcular la interferencia total recibida de todas las celdas en el sistema, asi,

Fm es la razón entre la potencia de interferencia total recibida de las celdas de afuera Im y la

potencia de interferencia generada por los usuarios en la celda anfitriona I;,, que se representa

en la ecuación (7) [Jansen y Prasad, 1995]:

a{†_f±_ fmF _ _ 7"' It W- na “donde Nes el número de usuarios por celda y 5,, es la potencia recibida de un usuario en el

caso de un control de potencia. El valor de Im depende del valor del exponente de pérdidas

por trayectoria n y del número de filas de celdas consideradas en el sistema. Para un número

grande de usuarios, la razon Fm es una constante, ya que Im es proporcional a N [Jansen y

Prasad, 1995].

J

_ 4,5

III.4.4 Monitoreo de actividad de voz

Una ventaja real de CDMA es aprovechar la naturaleza de la conversación humana.

El ciclo de actividad de la voz humana es de 35%, el resto del tiempo se está oyendo. En

DS-CDMA, todos los usuarios transmiten al mismo tiempo, de modo que cuando algunos

usuarios en el sistema no están hablando, los restantes se benefician con menos interferencia

en el sistema. Así, el ciclo de actividad de voz reduce la interferencia mutua por un 65%,

incrementando con ello la capacidad del sistema [Lee, 1991].

El monitoreo de actividad de voz implica que el transmisor no está activo durante los

periodos de 'silencio de la voz humana. Es posible detectar periodos de silencio en la señal

de voz y lograr que el transmisor detenga la transmisión durante este periodo. Factores de

actividad de voz entre 35% y 40% se han reportado en {Gilhousen, Jacobs, et al. 1991].

Estudios realizados en Europa sugieren que la actividad total, debido a la voz y ruido de

fondo, es mayor en un ambiente móvil que en un ambiente alámbrico, teniendo valores de

entre 50% y 60% [Braun, Cosier, et al. 1990].

IH.4.5 Procesamiento de la llamada

El propósito principal del proceso de transferencia de llamada (handoiï), es asignar un

canal nuevo o frecuencia cuando el móvil se desplaza hacia celdas adyacentes. Por lo tanto,

este proceso le permite al usuario movilidad y continuidad de su llamada. La transferencia

de llamada (handoff) se lleva al cabo estableciendo un valor de umbral, de manera que si el

C46

nivel de la señal recibida está por abajo de dicho umbral, se asigna a la llamada otro canal

más fuerte. La figura 17 muestra el proceso de transferencia de llamada (handofi).` Estación ` Efiacün

baso 1 ¡na 2

Potencia de la p°1¢m;¡¡_¢|¢ |¡'1 señal en señal en 1

GSÍICÍÓÍI IJBSG 1 Qgfgçión bag@ 2

_ %__...._.......

Figura 17. Mecanismo de transferencia dura de llamada.

El procedimiento de transferencia de llamada (handofl) mostrado en la figura 17 es

el proceso convencional de interrumpir antes ide ejecutar (break-before-make), aplicado

en sistemas que utilizan esquemas de acceso como FDMA y TDMA, en donde la voz se

desactiva momentáneamente al realizarse un cambio de fieeuencia. A este proceso se le llama

transferencia dura de llamada (hard handofl).

CDMA, por el contrario, pennite realizar una transferencia suave de llamada (soft

handoff). Conforme el móvil se desplaza hacia la frontera de su celda, la estación base

adyacente asigna un canal a la llamada, mientras que la estación base actual continúa

manejando la llamada. La llamada se atiende por las dos estaciones base en un procedimiento

de ejecutar antes de interrumpir (make-before-break). Esta diversidad en la transferencia

suave de llamada ocurre cuando ambas estaciones base manejan la llamada hasta que el

47

móvil se encuentra lo suficienternente cercano a una estación base, la cual, entonces, maneja

exclusivamente la llamada.

El procedimiento de transferencia suave de llamada puede dividirse en tres fases:

medida, decisión y ejecución. Durante la fase de medida, en el enlace de bajada, el móvil

ejecuta algunas mediciones como: calidad de su señal y nivel de las señales de su celda y

de celdas vecinas; en el enlace de subida, la estación base mide la calidad de la señal. En

la fase de decisión, las medidas resultantes se comparan contra umbrales predefmidos y se

decide si debe iniciarse o no la transferencia suave de llamada. Además, debe ejecutarse

un control de admisión para verificar que el nuevo usuario pueda ser atendido en la nueva

celda sin degradar la calidad de los usuarios existentes. En la fase de ejecución, el móvil

entra al estado de transferencia suave de llamada y se agrega o libera una nueva estación base

[Ojanpera y Prasad, 1998]. › -

Lafìgura 18 ilustra el procedimiento de transferencia suave de llamada. Existen

retardos asociados al agregar y remover las señales de las estaciones base involucradas en

la transferencia suave de llamada. Cuando el nivel de la señal de la estación base 2 excede

el nivel de umbral de suma, el móvil entra al estado de transferencia suave de llamada, en el

cual, es atendido por dos estaciones base simultáneamente (el nivel de la señal en la estación

móvil es la suma de las señales de las estaciones base participantes). Si el nivel dela señal en

la estación base 1 está por abajo del nivel de umbral de caída, la estación base l se remueve

al finalizar el tiempo de caída. A

48

Potencia

S. Surm dn señales deM' '" ambas ulaclonnataclén ba. ¦

b¡”1 - Sc libera. canalde la ullal 1

¢nn--¢----Umbral de sumaI"I'I'II¦¦¦¦IIIIII1IQIll|I

-J-

IIIIIIIIIIIt{IIIIUmhrat de caída ga-;¡-En--------

estación S' "WMbn. ¡ otro canal a

señal 2 iš_.L, ›V Tiempo

Figura 18. Mecanismo de transferencia suave de llamada en CDMA.

Debido a que en el sistema CDMA todas las celdas emplean la misma frecuencia,

durante el procesode transferencia suave de llamada, la comunicación no es interrumpida (no

hay desactivación momentánea de la voz), lo cual representa una ventaja del sistema. Además,

es un mecanismo importante, ya que permite comunicación de calidad y una transición más

suave, comparada con la transferencia dura de llamada (hard handofi).

La transferencia suave de llamada es una de las características más discutidas de

CDMA. Por otro lado, brinda un incremento en el desempeño debido a un incremento en

la diversidad, aunque es necesario implantar medidas para evitar la excesiva interferencia de

celdas vecinas [Ojanpera y Prasad, l_998].

III.4.5.1 Transferencia más suave de llamada (softer haudofi)

En un sistema sectorizado pueden presentarse dos géneros de transferencia suave de

llamada cuando el usuario se desplaza de un sector a otro. Si el movimiento se presenta

49

entre dos sectores de celdas diferentes, al proceso se le llama transferencia suave de llamada,

y si el desplazamiento ocurre entre dos sectores de una misma celda, el proceso se llama

transferencia más suave de llamada (softer handofl) [Lee y Steele, 1998].

En la transferencia más suave de llamada no se requieren transacciones entre

estaciones base y, por ejemplo, el controlador de la estación base. Así, la transferencia

más suave de llamada puede establecerse mucho más rápido que una transferencia suave

de llamada ya que en el sistema no se requiere señalización. De esta manera, es muy útil

implementar este proceso en micro celdas sectorizadas para reducir el tiempo de realización

[Ojanpera y,Prasad, 1998].

IV MODELO MATEMÁTICO PARA EL SISTEMAPROPUESTO DS-CDMA

OfIV1 Introduccion

La capacidad de los sistemas DS-CDMA está limitada por la interferencia. Por lo tanto,

cualquier reducción en la interferencia causará im incremento en la capacidad del sistema.

Desde otro punto de vista, en el sistema DS-CDMA, el desempeño del enlace para cada

usuario se incrementa conforme el número de usuarios disminuye.

Como se mencionó anterionnente, existen varias técnicas que pueden utilizarse para

lograr una mayor capacidad en el sistema DS-CDMA, puesto que reducen la interferencia.

Una forma de reducir la interferencia es emplear antenas direccionales. Las señales

recibidas por las antenas direccionales son únicamente de una fi*acción« de los usuarios,

dando lugar a una reducción de la interferencia. Otra forma de incrementar la capacidad

del sistema DS-CDMA es operar en un modo de transmisión discontinua, donde se toman

ventajas de la naturaleza intennitente de la voz. Así, la capacidad promedio del sistema DS-

CDMA puede incrementarse por un factor inversamente proporcional al factor de actividad

de voz. Debido a que el sistema DS-CDMA puede reutilizar el espectro completo para todas

las celdas, se incrementa la capacidad por un amplio porcentaje con respecto al factor de

reutilización de fiecuencia empleado en sistemas FDMA o TDMA. Adicionalmente, si se

utiliza un esquema de control de potencia, la interferencia puede controlarse de manera que

sea posibìe incrementar la capacidad del sistema.

Si

El modelo que se propone en este trabajo parte del establecimiento de una ecuación

para modelar el patrón de una antena direccional para la estación base, para posteriormente

calcular la ganancia con respecto a la capacidad, asi como determinar la eficiencia de la

sectorización, dado que el modelo considera una configuración con sectorización imperfecta

(ne ideal). I

El siguiente paso en el modelo es calcular la relación señal a mido (SNR) considerando

inicialmente una sola celda, para después modelar el sistema completo, es decir, tomando en

cuenta la interferencia creada por celdas vecinas. s

Finalmente, se determina la capacidad de la celda a partir de la relación SNR,

estableciendo una equivalencia entre ésta y la relación portadora a interferencia (C/I),

considerando la sectorización, el monitoreo de actividad de voz y el control de potencia,

demostrando que estas técnicas permiten incrementar la capacidad (número de usuarios en el

sistema).

El modelo también permite - determinar el desempeño del sistema DS-CDMA

propuesto basándose en una relación SNR requerida en el receptor para obtener un desempeño

de la tasa de bit erróneo previamente establecida.

IV2 Patrón de la antena direccional

Para unarreglo de tres sectores, el patrón de la antena tiene un ángulo de cobertura

de 120°, lo que da lugar a que un sector solo reciba un tercio de las señales generadas en

'52

el sistema, existiendo una ganancia en la capacidad que sería tres veces la de una celda no

sectorizada [Fan1que, 1996].

El patrón de radiación utilizado para la antena direccional se aproxima por una función

parabólica dada por la ecuación (8) [Kajiwara, 1997]:

1 _ 2 (§)2 ¡e| 5 \/0.4951»G (9) = (3)

s 0.01 en otro caso.donde 0 es el ángulo de elevación y w es el ancho de haz de la antena.

La figura 19 iiustra el patrón de radiación de una de las antenas de la estación base

utilizando una sectorización de 120°,la cual pertenece al primer sector. En el sistema, la

estación base tiene tres sectores, uno cubriendo la región de -60° a 60°, el segundo cubre la

región de 60° a 180° y el tercero una región de 180° a -60°.. S 1

13 . B-`\ ¦ I1 T5 f' -

iso DS - an,' I ..a , .¬

I J M `

un - 1 1- n'. f r'

I ..`› -1.

n' \ 4 ~

21! ` _ ,/ 331`f~ r4 ¬__ 1 ,.," ,1 -~r-* \, r 14nzu - an

† rm

Figura 19. Patrón de antena direccional.

Existe un traslape entre los sectores debido a que el patrón de radiación de antenas

prácticas no es ideal. Este traslape y anomalías de lóbulos laterales da lugar a que la estación

base reciba aún cierta interferencia, de manera que la interferencia en celdas sector-izadas con

53

un ángulo de traslape (sectorización imperfecta) es más grande que la de celdas sectorizadas

sin ángulo de traslape (sectorización perfecta). Sin embargo, se sabe que la segunda opción

no es posible en la práctica.

Las imperfecciones de la antena se modelan con un ángulo de traslape v. Debido a

la sectorización imperfecta (ángulo de traslape), la estación base (sector), recibe aún cierta

interferencia de los usuarios en otros sectores.

Para estimar la interferencia recibida en una celda sectoiizada, puede derivarse una

relación entre la potencia de interferencia recibida de un sistema sectorizado y uno sin

sectorización, dada por la ecuación (9) [Jansen y Prasad, 1995]:_ F; Pm __ _1_+ 21) 9

“"P«n,0se<;”“ D 360° - U

Siv =r0° corres onde auna sectorización erfecta, la combinación D = 1 v = 0°Y ›

corresponde a una situación sin sectorización.

Ei patrón de antena mostrado en la figura 19 tiene un ángulo más grande que el ángulo

nominal de 120°, asi, el ángulo de antena es de 120° + ii. Por lo tanto, la interferencia delos

sectores vecinos que será posible bloquear al emplear una celda sectorizada con ángulo de

traslape v está dado por la ecuación ( 10) [Lee y Steele, 1998]:

Ib= (10)

La ganancia en la capacidad con respecto a un sistema no sectorizado está dada en la

ecuación (ll) [Lee y Steele, 1998]: '_ 360° H

A g°_w+v ( )

54

Como se puede determinar por la ecuación (ll), el ancho de haz tu y el ángulo de

traslape 1/ determinan el grado de interferencia, de manera que si el sistema es sectorizado,

existe una disminución en la interferencia, que, por lo tanto, pemiite incrementar la capacidad.

La razón entre la ganancia en la capacidad con un patrón de antena con ángulo de

traslape 1/ y la ganancia en la capacidad con un patrón nominal (sectorización perfecta), será

llamada eficiencia de la sectorización, que matemáticamente se expresa por la ecuación (12)

[Lee y sieele, 1998]; ` 360°_ tu -I- v5 _ 360° (12)

w .

_ Si gc = 3 y e = 1, corresponde a una sectorización perfecta. Para un ángulo de

traslape v = 5°, el incremento enla capacidad se reduce, siendo gc = 2.88, mientras que la

eficiencia de la sectorización también se reduce a e == 0.96. De lo anterior, se establece que la

interferencia en el enlace de subida incrementa conforme el ángulo de traslape u aumenta,

causando que la ganancia de ia capacidad y la eficiencia de la sectorización se degraden

proporcionalmente. t ` t

IV3 Capacidad de la celda DS-CDMA

Se comienza el análisis utilizando una geometría como la mostrada en la ñgura 20,

donde existe una celda central y una fila de celdas adyacentes, y se establece que la fila de

celdas adyacentes contribuye a un nivel de interferencia total hacia un usuario localizado en

la celda central.

55

E¢|-aa-rana? En-acusan; |t

suma.:-un ~en/ \

%+

Ellílflífi

Figura 20. Geometría usada para el sistema bajo estudio.

Si inicialmente se asume un celda central aislada, entonces el ruido en el sistema será

determinado por el número de usuarios dentro de la celda. Sea P, la potencia recibida de un

usuario en la celda central con control de potencia y P; la potencia de interferencia promedio

producida por los otros usuarios transmitiendo en la celda; se obtiene que la relación señal a

ruido está dada por la ecuación (13):. P.SNR H É (13)

Ahora, si se considera que la celda central no está aislada, esto es, que existe

interferencia de celdas adyacentes, se debe tomar en cuenta un factor que modele la

interferencia producida por estas celdas. Esto da lugar a establecer a Fm como la interferencia

inter-celda, y reescribiendo la ecuación (13), se tiene la nueva ecuación (14):PsNRe†-L-«-- 14

PI(1+Fm) ( )

Si Fm =-~ 0 no existe interferencia de celdas adyacentes.

Para lograr un incremento en la capacidad, la interferencia de los usuarios necesita

reducirse. Una fonna de lograrlo, como se mencionó antes, es mediante la sectorización. Si

56

la celda se divide utilizando tres antenas, cada una con un ancho de haz de 120°, entonces

la interferencia vista por cada antena es una tercera parte de la que genera una antena

omnidireccional. Esta mejora debida a la sectorización se modela por un factor Fs, el cual

considerando una sectorización imperfecta está dado en la ecuación (9). Por lo tanto, la

ecuación (13) ahora será:Pt 1SNR = -.-í'-- 15P,(1 + 1~¬,,,)F, i )

Una configuración de tres sectores incrementa la capacidad casi tres veces, sin

embargo, debido al ángulo de traslape entre sectores, el valor de 1/F, es ligeramente menor

que 3.

Asi mismo, si se considera el monitoreo de actividad de voz de manera que el

transmisor esté apagado durante los periodos de no actividad de voz, se reduce el nivei de

interferencia por la reducción del ciclo de actividad de voz de la señal transmitida. Sea v el

factor de actividad de voz establecido en 50%, la ecuación (15) ahora es:P, 1,1SNR a __.--__-_Pfn + Fm) F, U (16)

Ahora bien, una vez que se estableció que la SNR contempla sólo el ruido como la

interferencia de los usuarios transmitiendo, es posible definir una equivalencia entre la SNR

y la relación C/I_ Asi, la ecuación (17) denota la relación C/I .C' P.- 1r = emm; W)

Debido a que el ruido en el canal se reduce por la ganancia de esparcimiento durante

la demodulación, el ruido en cada bit después de la demodulación será menor. Por lo tanto,

57

la razón entre la energia recibida por bit y el ruido está dado en ia ecuación (l 8):E-1 = GpsNR (is)No

El desempeño del modelo se basa en la obtención de una relación señal a ruido (SNR)

requerida en el receptor para lograr una tasa de bit erróneo previamente establecida que

proporcione la calidad de servicio requerida. El valor de umbral 7 para la razón señal a

interferencia está dado en la ecuación (19) [Jansen y Prasad, 1995]:

_ L (19)'T G, No

La capacidad de una celda DS-CDMA depende de muchos factores. Para este caso,

la capacidad es afectada por: las transmisiones DS-CDMA de celdas vecinas utilizando

la misma frecuencia y causando interferencia se consideran en el factor Fm; existe una

reducción en ia interferencia debido al monitoreo de actividad de voz v y si se emplean antenas

direccionales en la estación base existe una mejora contra la interferencia denotado por F,.

Por lo tanto, matemáticamente se expresa la capacidad de DS-CDMA por la ecuación (20):

M=a,,¿¿¿,¿,±¿¿ asGp es la ganancia de esparcimiento del sistema de espectro esparcìdo que cuantifica el

grado de rechazo ala interferencia. El valor de Ef,/No se establece al inicio de la pianeación

del sistema, es un valor minimo aceptable para no degradar la calidad del mismo. Así, existe

un compromiso del valor de E1,/No minimo para el cual la tasa de bit erróneo (BER) tenga

un desempeño aceptable logrando una alta capacidad [Fa1uque, 1996].

58

Con el modelo desarrollado es posible determinar la influencia del control de potencia,

la sectorización y el monitoreo de actividad de voz en la capacidad de un sistema DS-CDMA.

v IMPLEMENTACIÓN DE Los MODELOS DEi SIMULACIÓN

IfVI1 Introduccion

Para desarrollar los modelos propuestos se 'hizo utilizó el programa de simulación

OPNET que se emplea para simular sistemas de comtmicaciones de diferentes tipos.

OPNET provee un ambiente de desarrollo comprensivo para el modelado y evaluación

del desempeño de redes de comunicación y sistemas distribuidos. Consiste de un número de

herramientas, cada una enfocada a aspectos particulares del modelado, dichas herramientas

se agrupanen tres categorías principales que corresponden a tres fases de los proyectos de

modelado y simulación que son: especificación, colección de datos y simulación y anáìisis.

La especificación es la parte donde se desarrolla la representación del sistema bajo estudio.

Uno de los objetivos del modelado es obtener medidas de desempeño del sistema y observar

su comportamiento; esto es posible ya que OPNET prove de un modelo ejecutable con el que

se estima el desempeño y comportamiento ejecutando simulaciones. La tercera fase involucra

examinar los datos coleccionados durante la simulación, que son aimacenados en archivos y

posterionnente son consultados por medio de la herramienta de análisis. OPNET soporta la

especificación por medio de cinco herramientas o editores que capturan las características del

comportamiento del sistema modelado. Los cinco editores son de red, de nodo, de proceso,

de formato de paquetes y de parámetros, y están organizados en forma jerárquica, es decir,

las especificacioues del editor de red llevan a especificar elementos en el editor de nodo y

60

cuando el desarrollador utiliza el editor de nodo, toma ios modelos desarrollados en el editor

de proceso. El editor de formato de paquetes permite la creación o modificación de formatos

de paquetes. El editor de parámetros se emplea para definir varios modelos de datos que

después se referencian por modelos de nodo o de proceso, por ejemplo antenas. Los editores

presentan una interfaz gráfica donde el usuario manipula los objetos que componen el modelo.

El trabajo implementado consistió en realizar ima interfaz de radio utilizando el

esquema de acceso DS-CDMA. Debido a que OPNET no cuenta con el esquema de acceso

CDMA, la implementación se realizo via programación. Para definir el sistema propuesto

mediante el simulador OPNET, se tiene que desarrollar primero el modelo de red, los modelos

de nodo y los modelos de proceso correspondientes, así como también se deben desarrollar

los modelos de parámetros necesarios. Finahnente, se despliega el modelo de pruebas para la

simulación, el modelo de simulación mismo y el modelo de análisis, los cuales generan datos

que pemuten realizar el análisis de desempeño del sistema.

En las siguientes secciones se mostrará como se realizó la definición de los modelos

de red, de nodo, de proceso y de parámetros.

V2 Modelo de red

El modelo de red define completamente el sistema que va a ser simulado. Es la

descripción de más alto nivel de los objetos contenidos en el sistema. El modelo de red

especifica los objetos en el sistema, su localización fisica, su interconexión y su configuración.

61

El papel del dominio de red es definir la topología de la red de comunicación. Las

entidades que se comunican se llaman nodos, y las capacidades o ñmciones de cada nodo se

definen en su modelo.

OPNET permite que la red tenga nodos móviles. A los nodos móviles se les pueden

asignar trayectorias predeñnidas que especifiquen su posición, la cual está en función del

tiempo a lo largo de una corrida de simulación. Muchos nodos requieren la habilidad de

comunicarse con otros para ejecutar alguna función en el modelo de red. Los nodos móviles

se comunican a través de enlaces de radio. Un enlace de radio puede existir entre cualquier par

de canales transmisonreceptor y puede establecerse dinámicamente durante la simulación. En

las simulaciones de OPNET, los parámetros como banda de frecuencia, tipo de modulación,

potencia de transmisión, distancia y pdireccionalidad de la antena son los factores comunes

para determinar si en un tiempo particular existe _o no el enlace de radio. Así, el enlace de

radio está en función de las condiciones dinámicas, y no está representado estáticamente por

un objeto.

Los transmisores y receptores de radio juegan un papel importante para determinar el

comportamiento del enlace de radio. Ya que el enlace de radio no es un objeto, los atributos

de los transmisores y receptores de radio contienen los valores requeridos para la “etapa de

canal” (pipeline stage), donde se realizan los cálculos que determinan si el paquete es recibido

satisfactoriamente. Si las condiciones del modelo así lo requieren, esta etapa puede sufi'ir

modificaciones; una descripción completa de ésta se encuentra en [MIL3, 1997].

La figura 21 muestra el modelo de red para el sistema DS-CDMA propuesto.

62

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Figura 21. Modelo de red para el sistema multicelular DS-CDMA.

Como se observa en la figura 21, hay dos tipos de nodos: las estaciones móviles y

las estaciones base. Como se mencionó en capítulos anteriores, se tiene una celda central y

una fila de celdas adyacentes compuesta por 6 celdas. La celda tiene un radio de l km. Las

estaciones móviles se localizan aleatoriamente por todos lados de la región de las celdas,

existiendo estaciones que transmiten voz, video y datos. Las estaciones móviles oscuras

representan las estaciones a las cuales está dirigida la antena direccional correspondiente a

cada sector, por lo tanto, en cada celda se observan tres estaciones móviles oscuras. Así

mismo, en el modelo puede observarse una estación móvil en un radio de aproximadamente

63

500 mts. ala que se definió una trayectoria alrededor de la estación base con el objetivo de

implementar la transferencia más suave de llamada (softerhandofl).

V3 Modelo de nodo

Como se mencionó en la sección anterior, las funciones de cada nodo se defmen en su

modelo, y a este modelo se le llama el modelo de nodo.

El dominio de nodo permite el modelado de los dispositivos de comtmicación que se

emplean en el modelo de red. En OPNET, un modelode nodo está compuesto de una serie de

bloques, llamados módulos. Algunos módulos tienen capacidades predefinidas que pueden

ser configuradas a través de sus parámetros, como generadores de mensajes, transmisores-

receptores (que pueden enlazarse a través de los enlaces de comunicación), antenas, etc. Otros

módulos, llamados procesadores y colas son altamente programables, y su comportamiento

esta preescrito por un modelo de proceso asignado.

Un modelo de nodo puede tener cualquier níunero de módulos de diferentes tipos.

Los módulos se conectan para interactuar, por medio de diversos medios. Para la realización

del modelo se utilizan cadenas de paquetes (streams). Las cadenas de paquetes permiten

transportar mensajes (paquetes) con cierto fonnato de un módulo a otro.

Para el sistema propuesto se desarrollaron los modelos de nodo para la estación base

y para la estación móvil. A continuación se muestran dichos modelos.

64

\(3.1 Modelo de nodo para la estación móvil

El modelo de nodo para la estación móvil se compone de cinco módulos. Los tres

primeros módulos, que son procesadores y colas, tienen su modelo de proceso asociado,

mientras que los restantes módulos, el canal de radio y la antena, no tienen ningún modelo de

proceso.

Las funciones de la estación móvil son las siguientes:

1 Generar tráfico de voz, video y datos.

2 Para el servicio de voz, detectar los periodos de habla.

3 Asignar a cada estación móvil ,un código único para transmitir.

4 Cuando una estación móvil necesita transmitir, verificar el permiso para tener acceso al

sistema y asignarle un canal aleatorio.

5 Modular la información y transmitir.

La figura 22 muestra el modelo de nodo para la estación móvil generando tráñco de

video.

Cada función es ejecutada por un módulo en el orden en que se presentan en la

figura 22. Como se mencionó anteriormente, los módulos estan interconectados a través de

cadenas de paquetes para que interactúen, de tal manera que el procesamiento de cada módulo

contribuye a que la información de los diferentes servicios sea transmitida.

65

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Figura 22. Modelo de nodo para la estación móvil.

\Z3.2 Modelo de nodo para la estación base

El modelo de nodo para Ia estación base se compone de veintiocho módulos. Dichos

módulos se distribuyen entre los sectores en que se dividió ia celda. Ya que se implementó

una sectorización de tres, en la estación base se tienen tres antenas direccionales, cada una

dirigida a una estación móvil localizada en forma tal que el haz de su antena correspondiente

este en su máxima ganancia. Las funciones dela estación base son las siguientes:

1 Apuntar cada una de las tres antenas hacia la estación móvil deseada.

2 Recibir los paquetes transmitidos.

3 Correlacionar códigos.

4 Detectar si el paquete recibido es una petición de acceso al sistema o es información.

5 Controlar el acceso al sistema.

6 Coleccionar las estadísticas de desempeño del sistema.

66

La figura 23 muestra el modelo de nodo para la estación base. En ella se puede observar

un conjunto de nueve módulos interconectados que pertenecen al sector uno, y el módulo

canal receptor es el único que no tiene modelo de proceso asociado, mientras que los módulos

restantes, que son procesadores y colas, si tienen su modelo de proceso. De la misma manera,

los siguientes nueve módulos conforman el sector dos, y el conjunto de los últimos nueve

pertenecen al sector tres. Para cada conjunto de módulos se observa, pmalelo al módulo de

antena, un módulo apuntador de antena que se utiliza para dirigir la antena' hacia una estación

móvil localizada en la posición donde se obtenga la máxima ganancia de la antena direccional.

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1:: n fl«1_vì|l¢¢

U

Figura 23. Modelo de nodo para la estación base.

67

\C3.3 Modelos de proceso

Como se mencionó en la sección anterior, los módulos procesadores y colas son

elementos altamente programables por el usuario. Las tareas que ejecutan estos módulos

se llaman procesos. Un proceso puede ser concebido como la ejecución de un programa de

computadora, ya que el proceso mantiene un conjunto de instrucciones y una memoria. Los

procesos en OPNET se basan en los modelos de proceso.

Los modelos de proceso se realizan en un lenguaje llamado Proto-C, el cual es

una combinación de diagramas de transición de estados, librerías de alto nivel llamadas

procedimientos Kernel, y facilidades de programación en lenguaje C. Un diagrama de

transición de estados define un conjunto de estados en los que el proceso puede estar, y

para cada estado, define ias condiciones que podrían causar que el proceso se mueva a otro

estado. A ia condición necesaria para cambiar de estado y el estado destino asociado, se

le llama transición. Debido a que el lenguaje Proto-C se enfoca al modelado de protocolos

y algoritmos, prove una extensa librería de 300 procedimientos que pueden invocarse para

realizar acciones determinadas.

Como se mencionó anteriormente, los modelos de nodo correspondientes a la estación

móvil y a la estación base tienen módulos programables, de tal forma que la siguiente

subsección explica los modelos de proceso asociados a los módulos contenidos en los modelos

de nodo.

ss

\{3.4 Modelo de proceso: genera tráfico en la estación móvil

Este modelo de proceso se encarga de generar tráfico de voz, video y datos de acuerdo

a los parámetros que lo caracterizan, dicho tráfico es transmitido entonces a la estación base

de acuerdo al modelo de [Tamayo, 1997].

Los tres servicios ofrecidos por el sistema tienen diferentes características y

requerimientos de tráfico, lo que implica la necesidad de desarrollar un modelo de proceso

para cada uno de los servicios en el sistema. A

La figura 24 muestra el modelo de proceso para generar tráñco de video.

~" fi' † ' :PromssE|:Iìtor:pv --- V-'Í

ì _ _I DH í í í í í

-*

Figura 24. Modelo de proceso para generar tráfico en la estación móvil:

Dado que el modelo de nodo de la estación base tiene un módulo procesador que

genera tráfico, se requiere un modelo de proceso para ejecutar las funciones necesarias. Tal

modelo, que es un diagrama de estados, se compone de dos estados y dos transiciones, y su

funcionamiento es el siguiente: el estado INICIO es siempre el primero en ejecutarse, y es

donde se inicializan las variables y funciones de distribución utilizadas para generar el tráfico

que estan apegadas a los parámetros mostrados más adelante en la tabla V. Las funciones de

69

distribución que se cargan dependen del tráfico a generar; inmediatamente después de estas

inicializaciones, se transita al siguiente estado, que se encarga de determinar el tipo de servicio

y su duración de acuerdo a la función de distribución usada; finalmente se envía el paquete

de infonnación al siguiente módulo en el proceso de nodo.

\l3.5 Modelo de proceso: asigna código en la estación móvil

En el sistema DS-CDMA los usuarios transmiten al mismo tiempo utilizando todo el

ancho de banda. Esto es posible debido a que cada usuario tiene asignado un código único.

El modelo de proceso que a continuación se describe, realiza esta tarea. En el estado INICIO

se inicializan las variables necesarias para almacenar las secuencias asignadas (códigos) a

las estaciones móviles. Del estado INICIO hay una transición al estado GEN_COD, que se

encarga de asignar a la estación móvil tm código único, verificando primero si el código que

se le asignará es único, es decir, si el código por asignar no es una secuencia ya asignada a

otra estación móvil.

La figura 25 muestra el modelo de proceso para asignar el código a una estación móvil.

É1" Í' ~~_, jj pm¢ess"Éd¡m,¡

'IÍ - .- ` ` ` "*- fi.- _-7':_; )°"“”°) ,_,|

E 'A

Figura 25. Modelo de proceso asigna código en la estación móvil.

70

La asignación de código a cada estación móvil es muy importante, es por el cual éstas

pueden transmitir. En el otro extremo, la estación base tiene una réplica del código de la

estación móvil de modo que pueda recuperar la información de dicha estación móvil. Si la

estación base no tiene una réplica del código, no puede detectar la información que recibe,

ignorando la información, ya que la ve como ruido.

or\/13.6 Modelo de proceso: detecta voz en la estacion móvil

Los servicios ofrecidos en el sistema tienen características y requerimientos de tráfico

diferentes. La voz requiere entrega en tiempo real, pero trabaja con una tasa de bit erróneo

menor que lxl0”3, además de que para el servicio de voz es posible detectar los periodos de

silencio y transmitir sólo en dichos periodos. Los datos no requieren entrega en tiempo real,

que no es el caso del servicio de video, que si requiere ser entregado en tiempo real. Para

dichos servicios se maneja una tasa de bit erróneo menor que lxl0'6.

El modelo de proceso que detecta la voz en la estación móvil, tiene fimdamento en un

modeio diseñado por [Tarnayo, 1997]. Dicho modelo se basa en una conversación telefónica

en donde existen dos estados, el estado de habla y el estado de silencio. La duración del

estado de habla sigue una distribución exponencial con media igual a 1 segundo; el estado

de silencio también tiene una distribución exponencial con media igual a 1.35 segundos. La

fìgma 26 muestra dicho modelo.

71

IN¡> , Í ' 1% pfucøsa_voz

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rogdestny (op_yro_s e.l.t ()), J

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t-r

ecta voz en la estación móvil.Figura 26. Modelo de proceso det

VÍ3.7 Modelo de proceso: acceso' al canal en la estación móvil

Este modelo de proceso verifica si la estación móvil puede transmitir o no teniendo

1 capacidad del sistema. La figura 27 muestraal; la decisión depende de a

,ã"2

acceso a un can

dicho modelo.

El modelo de proceso normalmente está en el estado ESPERA, “a la espera” de una e

internlpción. Ocurre un cambio de estado a RECIBE si se recibió una interrupción que indica

la llegada de un paquete de información o cuando se recibió una interrupción de la estación

base que es un mensaje que indica el acceso 0 no acceso a un canal. Si fue un paquete de

información, se registra la estación móvil de donde proviene y entonces se transita al estado

' etición de solicitud de canal a la estación base. SiCANAL_A, que se encarga de enviar una p

72

i- : -1 'P ` " $5; É Process Editor: pperm_da ' W-fjgi "I _ _ I ra'

_; jimmy; “'“°°” 11%,: (,,,,._,,,_,,,,_ ._ _: ,4d `,__ __,`

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Figura 27. Modelo de proceso de acceso al canal en la estación móvil.

la estación base le da acceso a la estación móvil, envía una interrupción con un mensaje

PERMISOWOK que le indica que ha accedido a un canal y entonces puede transmitir su

información; para ello existe una transición al estado TRANSMITE. Si la estación base no

otorga el acceso, debido a que la capacidad es excedida, se envía el mensaje PERMISO_OFF

para entonces transitar al estado DESC_PK que descarta la información.

En el modelo puede observarse un estado RETRANSMITE, el cual tiene como función

realizar una retransmisión del paquete de datos si éste fue recibido en la estación base con un

BER menor al establecido para mantener la calidad del sistema. Esta retransmisión ocurre

cuando la estación móvil recibe una intenupción indicándole que el paquete que transmitió

tiene un BER bajo y entonces tiene que retransmitir el paquete, lo que se realiza después de

la terminación de un tiempo para evitar ima situación igual a la anterior.

73

Debido a que se realizó una sectorización de l20° en la estación base, los modelos de

proceso en la estación base están triplicados, de fonna que un conjunto de nueve módulos

pertenece al sector uno, otro al sector tres y un último conjunto que pertenece al sector dos.

Por lo tanto, a continuación se detallan los modelos de proceso desarrollados en la

estación base pertenecientes a un solo sector, ya que el proceso de ejecución de los modelos

en cada sector es el mismo, a excepción de algunos cambios que se realizan en los modelos

de proceso apuntador de antena para cada sector, y en ios modelos asigna sector utilizados

para registrar a las estaciones móviles atendidas en cada sector.

\¿3.8 Modelo de proceso: apuntador de antena enla estación base

Este modelo de proceso es el encargado de dirigir el patrón de la antena direccional

hacia una estación móvil. Se realizaron tres modelos de proceso, uno para cada sector debido

a la sectorización propuesta. El modelo de proceso está asociado a un módulo de antena, por

lo tanto, este modelo de proceso es un módulo procesador adicional que se requiere debido

al empleo de antenas direccionales en el sistema, ya que actúa como la ampliación necesaria

para modelar la antena direccional, y permite al usuario modificar los atributos de la antena

de modo que aptmte a ia estación móvil deseada.

De esta forma, la figura 28 muestra el modelo de proceso encargado de apuntar la

antena direccional del sector uno hacia una estación móvil dentro del sector uno localizada

en la frontera de la celda, que es el punto donde la antena tiene su máxima ganancia.

74

-mr-=,_=mas W, en-r.;;;,3;;,¿¿iL'

/"\_ _ _(fl: I I0..U`.)/ \

-*/ \___..-

.n Yi

Figura 28. Modelo de proceso apuntador de antena en la estación base.

El modelo consta de un estado único POINT; que se activa al inicio de la simulación

y su tarea es obtener la posición de la estación móvil a la que se el haz.

\Z3.9 Modelo de proceso: correlación de códigos en la estación base

Este modelo de proceso se encarga de verificar que todas las transmisiones que recibe

la estación base pertenezcan a una estación móvil registrada en el sector de interés. Si la

estación base no tiene la secuencia de código de ima estación móvil determinada, la estación

base ignorará la señal recibida en forma de ruido, y no habrá comunicación. La estación base

es capaz de generar todas las secuencias de código de las estaciones móviles del sistema para

poder decodificar la información recibida.

En la figura 29 se muestra el modelo de proceso implantado para realizar la correlación

de código, que se basa en el modelo diseñado por [Ga1van, 1999]. El funcionamiento es

el siguiente: se transita al estado ARRIBO al recibir un paquete de información; en este

estado, el sector de interés produce todas las secuencias de código de las estaciones móviles

registradas en su base de datos de sector. Se transita al estado ESPERA y este es el estado

75

activo mientras no arribo un paquete. Otra tarea simultánea es obtener las secuencias de

código en base a la información recibida de todas las estaciones móviles, y se realiza en

el estado CORRELA, que lleva a cabo la correlación entre todas las secuencias de código

recibidas en la estación base. Si la información recibida es efectiva, se transita al estado

TX_PK en donde el paquete de información se envía al siguiente módulo.

í es fmcas E.Wì.=..~",mà Í ~e~±;í†í,*,;ff1=--~†-,A

(mino)

i (muro) , ' ' Í ` " \ _` ('l“l_Pl<)

-› { O la-sal]“_” 1/ 1, i--W--V(afmifi ' ¿'

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if '›

ll .

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Figura 29. Modeio de proceso correlación de códigos en la estación base.

\{3.10 Modelo de proceso: asigna un sector en la estación base

Este modelo de proceso, es el encargado de atender las solicitudes de las estaciones

móviles para tener acceso a un canal. Cuando la estación móvil desea transmitir, envía primero

una petición a la estación base solicitando un canal y es entonces cuando este modelo de

proceso inicia su ejecución. Dicho modelo se muestra enla ñgura 30.

Es importante recordar que para cada sector existe un modelo de proceso que asigna

un sector: Los tres módulos trabajan en forma simultánea; de esta ferina, es claro que las tres

76

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Figura 30. Modelo de proceso asigna sector en la estación base.

antenas reciben las señales de las estaciones móviles pero, en cada transmisión, únicamente

una antena detectará el nivel de la señal lo suficientemente fuerte, y las antenas restantes

recibirán esta señal como interferencia. Es decir, el sector que detecte la SNR por arriba del

umbral predefinido será el que atenderá la transmisión de la estación móvil, mientras que los

sectores restantes, que detectan entonces un nivel por abajo del umbral predefmido, ignorarán

la transmisión.

En la figura 30 se observa el estado INICIO, que se encarga de registrar en su base de

datos a la estación móvil después de haber determinado que si pertenece al sector y comprobar

que si hay capacidad para atenderla sin degradar la calidad de los servicios ofiecidos. Del

estado INICIO se transita al estado ARRIBO cuando se recibe un paquete de solicitud de

i

77

canal; del paquete se extrae la SNR, que se utiliza para determinar cual de los tres sectores

atenderá la transmisión de la estación móvil. Cuando se obtiene la SNR y entonces se conoce

que sectordetectó el nivel de SNR arriba del umbral predefmido, se envía a la estación móvil

la respuesta de acceso al canal para que transmita su información. En este estado también se

realiza una búsqueda en la base de datos del sector para determinar si la estación móvil que

soiicita el acceso es un nuevo usuario en dicho sector, un usuario ya registrado en la base de

datos del sector o un usuario que solicita acceso debido a una solicitud de transferencia más

suave de llamada proveniente de otro sector. En el otro extremo, los dos sectores detectan el

nivel de la señal de la estación móvil por abajo del nivel de umbral predefinido, y determinan

que esta transmisión no les pertenece. A1 suceder esto, ambos sectores realizan una consulta

en su base de datos para determinar el registro de la estación móvil transmitiendo. Si ya está

registrada (con una transmisión anterior), es necesario eliminar su registro de la base de datos

apropiada. En el caso de no existir registro de esta estación móvil (transmite por primera vez

en ei sector), únicamente se elimina del sector la solicitud, siendo claro que la estación móvil

ya está siendo atendida por otro sector.

Si se determina que la estación móvil es un nuevo usuario en el sector, se transita al

estado NUEVO__USUARIO y se registra en la base de datos. Si la estación móvil es tm usuario

ya registrado (atendida anteriormente en ese sector), se transita al estado ACTUALIZA ya que

este usuario sigue siendo atendido por el mismo sector En el caso de que exista registro de

la estación móvil en la base de datos y además que el nivel de ,SNR del paquete recibido

esté por abajo del umbral, se transita al estado REG__I-IANDOFF cuya tarea es eliminar el

registro de la estación móvil y solicitar la transferencia más suave de llamada a alguno de los

78

sectores vecinos, siendo el sector que detecte mayor SNR quien atienda dicha solicitud. Asi

mismo, también se transita al estado BORRA cuando el nivel de SNR del paquete recibido

está por abajo del umbral y no hay registro de la estación móvil, y simplemente elimina el

paquete actual en el sector. Finalmente, el estado SOLICI'lA_HAND se activa al recibir una

interrupción proveniente de cualquiera de los dos sectores restantes que indica una solicitud

de transferencia más suave de llamada, y su tarea es determinar si hay capacidad para atender

la solicitud y si es asi la estación móvil solicitante se da de alta en el sector correspondiente.

Como se mencionó, el mismo modelo de proceso se lleva a cabo paralelamente en

cada sector, por ello, por fines prácticos solo se muestra el sector uno (figura 30).

\Z3.1I Modelo de proceso: filtra paquete en la estación base

Este modelo de proceso', mostrado en la figura 31, se encarga de distribuir los paquetes

que recibe la estación base para los diferentes servicios disponibles en el sistema como voz,

video, datos y de acceso.

Hucess Edìlol' filtrajk VJ

Iliinirriiol ` V' '-›

Figura 31. Modelo de proceso filtra paquete de la estación base.

79

Dependiendo del tipo de paquete recibido, se envía el paquete al módulo

correspondiente. Como se mostró en el modelo de nodo de la estación base, hay tres módulos

procesadores para los tres tipos de información y uno más para procesar el paquete de acceso.

El modelo consta de dos estados, donde el estado RECIBE se activa cuando se recibe

un paquete y determina que tipo de paquete se recibió extrayendo el valor del campo del

paquete tipo. Después envía el paquete al módulo siguiente.

\Z3.12 Modelo de proceso: recibe paquete en la estación base

Este modelo de proceso se encarga de recibir los paquetes, existiendo un modelo de

proceso para cada tipo de servicio. La figura 32 ilustra el modelo para el servicio de voz.'I "'F' ' E ¡¡ _ ¡eg°_u_B

f--'z.;¿._¬:.;`~~-› l J

, '¿

(tii)

Figura 32. Modelo de proceso recibe paquete de la estación base.

El estado RECIBE se activa al recibir un paquete y es entonces cuando se extraen los

valores de los campos que ahnacenan la relación Ef,/NO, C/I y BER para realizar los cálculos

que permitan medir el desempeño del sistema. El modelo se encarga de obtener los valores

de los campos mencionados para cada uno de los paquetes recibidos y almacenarlos, para

después manipular dichos valores. Cabe hacer notar que estos campos no existen en una

80

transmisión real, sino que se utilizan en este modelo para facilitar la medida de desempeño

del sistema. D

\¿3.13 Modelo de proceso: genera estadisticas en la estación base

En este proceso se lleva al cabo el cálculo de los diferentes parámetros necesarios

para medir el desempeño del sistema. Los cálculos se almacenan en valores escalares que

posteriormente se utilizan para generar gráficos que muestren el desempeño del sistema. La

figura 33 muestra este modelo.

msm 5.1710" rgnmiíäi 7-«W- IE

'_/<?=Ãñš»É__v›Í¿›"̀t

-''J

Figura 33. Modelo de proceso genera estadisticas en la estación base.

Como se observa en la figura 33, existen dos estados, en donde el estado TERMINO se

activa al finalizar la simulación. Dicho estado se encarga de tomar los valores coleccionados

de los parámetros que se han de medir, que se obtuvieron de todos los paquetes recibidos en

la estación base. '

8l

V4 Modelo de parámetros

Un modelo de parámetros es un conjunto de datos estructurados los cuales se utilizan

para caracterizar propiedades más complejas de los objetos. Los datos están organizados

en tablas de dos o tres dimensiones. OPNET pennite manejar cinco géneros diferentes de

modelos de parámetros, de los cuales se explicarán solo los dos de interés para la realización

de este trabajo de tesis:

Funciones de modulación. Las cuales se emplean para caracterizar la vulnerabilidad

al ruido de un esquema de modulación. Estas funciones grafican la tasa de bit erróneo (BER)

de una señal de información en función de la relación señal a ruido efectiva (Eb/NO).

Patrones de antena. Se utilizan para modelar las propiedades de ganancia de la antena

en función de la dirección. El patrón de la ganancia especiñcado mediante un modelo

de parámetro para la antena, prove los valores de ganancia dependientes de las posiciones

relativas de los nodos.

Como se mencionó anteriormente, los modelos de parámetros que se implementaron

para el modelo son los referentes al patrón de las antenas direccionales y la tabla de

modulación para el esquema que se emplea en este sistema. Ambos modelos pueden

establecerse gráficamente en el editor de parámetros de OPNET, sin embargo, éste es

inevitablemente impreciso. La manera más precisa para especificar los modelos anteriores

es a través del desarrollo de una aplicación Ema (External model access) que entonces puede

ser apreciada en el editor de parámetros de OPNET.

'82

Ema es un témiino en OPNET que se define como la técnica por la cual, OPNET puede

tener acceso a un modelo externo (por ejemplo, sin emplear los editores gráficos de OPNET).

La definición de acceso a dicho modelo incluye su creación, modificación y extracción de

datos. Ema se implementa por medio de una libreria de funciones de C/C++ que sirven como

especificación programática, a tal librería se le llama paquete Ema. V

El desarrollo de estas aplicaciones se debe, entre otras cosas, a los requerimientos de

los usuarios de OPNET que necesitan, por ejemplo, desarrollar grandes modelos involucrando

muchos objetos e interconexiones, lo cual es tedioso si se realiza desde el editor gráfico,

además de que es una situación propensa a errores cuando se especifican los valores de los

atributos de los objetos.

Dentro de Ema, los atributos de los modelos de OPNET se describen en una

metodoìogía orientada a objetos, lo que reduce drásticamente el número de funciones

que deben aprenderse para especificar modelos. Además, permite que los programas de

aplicación que procesan los modelos sean escritos en un estilo genérico; esto es, en un estilo

“independiente del modelo”. Por ejemplo, puede escribirse im modelo Erna que imprima el

contenido de un modelo utilizando el mismo algoritmo, sin tomar en cuenta el tipo de modelo

involucrado.

Algunos de los modelos soportados por Ema son modelos de red, modelos de nodo,

modelos de proceso, patrones de antena y funciones de modulación, por mencionar algunos.

Puesto que los datos necesarios para el modelo del patrón de antena están organizados

en tablas, file necesaria una etapa anterior a la implementación del modelo. En esta etapa se

83

realizó un programa en MATLAB, donde se utilizó la ecuación del patrón de antena descrita en

el capítulo de modelo matemático para obtener los valores de ganancia. De la misma manera,

para obtener los datos referentes al esquema de modulación, previamente se desarrolló un

programa en MATLAB para recopilar los resultados.

\Z4.1 Modelo del patrón de las antenas direccionales

El principal papel de los patrones de antena es describir la ganancia direccional de tipos

específicos de antena. Los patrones en OPNET son funciones numéricas de tres dimensiones

especificadas en un espacio de coordenadas esféricas. Las variables independientes de la

función son los ángulos 45 y 6, y la variable dependiente es la ganancia 9 en la dirección

espeeificada por qô y 9. Los valores de çó representan superficies de cono que se “traducen” en

coordenadas cartesianas y se describen por funciones numéricas de dos dimensiones llamadas

planos. Para cada plano de 2 dimensiones, la abscisa de la función es 9 y su ordenada es el

valor de ganancia asociado 9. El patrón de la antena de tres dimensiones es así representado

por una colección de planos de dos dimensiones. El número de divisiones de 0 es siempre dos

veces el número de divisiones de (15. Por omisión, las divisiones de ¢› se establecen en 36 y las

divisiones de 9 en 72. El intervalo de gb es de 0° a 180° y el de 9 es de 0° a 360°. Los valores de

la ganancia van desde valores negativos a valores positivos, medidos en unidades de dB. Al

especificar los valores de ganancia para todos los puntos de 9 de un plano, se define el patrón

de dicho plano. A su vez, todos los valores de ganancia especificados para la colección de

planos, define el patrón de tres dimensiones de la antena.

84

En el patrón de las antenas direccionales para la estación base, se especifican 36 planos

para ¢ y por lo tanto, existen 72 puntos de 6? que describen la ganancia. Para los planos de

¢› = 45° a qä = 0° la ganancia es mayor. Dicho patrón fue obtenido vía el desarrollo de una

aplicación Ema.

En la figura 34 se muestra el panel gráfico del patrón de una de las antenas. En dicho

panel, se define cada plano qä especificando los valores de ganancia para varios grados de

0. En ia parte superior izquierda del panel gráfico, se despliega el valor actual para qt 2 0°,

indicando que la fimción actual representada en el panel gráfico es la del plano de 0°, para el

cual existe un valor de ganancia. La ganancia de q'› = 0° es 0 dB y permanece constante para

todos los valores de 9.

l 01! «Mr-II (Il I Ill ' 0 (lll)

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1

l

Figura 34. Patrón de una de las antenas direccionales con valores de ganancia para el plano<,z'› = 0°.

85

En la figura 35a), se muestra que para el plano qö = 90° la ganancia es de -20 dB y

permanece constante para cualquier variación de 9, mientras que la figura 35b), muestra los

valores de ganancia para el plano 45 = 45° en -4 dB.

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Wp|ip,ip lFigura 35. Patrón de una de las antenas direccionales con valores de ganancia para dos planos

Z Z Z lÍ)Plano¢=-445 .

\C4.2 Modelo de la tabla de modulación

En la misma fonna que se desarrolló ei modelo para la antena, se implemente un

modelo para la modulación QPSK que se utiliza en el sistema, y se muestra en la figura

36. En dicha figura, se observa la tasa de bit erróneo (BER) en función de la relación E1, N@

para el esquema de modulación QPSK.

l V H fwiññlvaf-a|rn|nrE¢iInr.qpsi';Í1짛rl '='==="1"" H M K__ K:'ri a f __

|`I

Í@

IS'0,0

0 0125

001

0 0075

ñ O05

o ooz;

l

. 1 l10u ` `¡fi 5 7.5 12 s rs 11 s al 22.5

lhlm

Figura 36. Tabla de modulación QPSK.

vi SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DERnsunnwos

IfVI.1 Introduccion

En este capítulo se muestran los resultados de las simulaciones que se llevaron al

cabo utilizando el modelo propuesto. Con los resultados es posible analizar el desempeño

de dicho modelo. E1 plan de corridas de simulación constó de varios grupos de seis

conidas, cada corrida con una duración de 6 horas; dicho tiempo fue suficiente para obtener

resultados adecuados, considerando un tiempo de calentamiento necesario para que el modelo

se estabiiizara y pudiera generar resultados confiables y lo más reales posibles. En la tabla

V se muestran ios parámetros para la generación del tráfico en el modelo propuesto según

[Tarnayo, 1997]. _

' Tabla V Parámetros de los servicios ofrecidos.

Voz (telefonía)

lp Tasa de interarribo (media) _ 0.5 llamadas/hríusrDuración de la llamada (media) l20 seg.Datos (transmisión de archivo)

Tasa de interarribo (media) _ 0.05 conex./hr/usrDuración de 1aiumada(m¢an) W 1.6 Mayas

pl \rraep(v¡d¢o±=1ef0n¡a) Í pi*Tasa de interarribo (media)W , 0.1 llammlas/hr/usr i

Duración de la llamada (media) - l'2tlÍseg.V

Modelo de interarribo para los tres servicios t Pcnssonl 1 Modelo de duración de llamada para los tres servicios Exponencial

88

La tabia VI especifica el grado de servicio a cumplir para los diferentes servicios

disponibles en el modelo, de manera que tenga un desempeño aceptable, y la tabla VII muestra

los parámetros de la interfaz de radio del modelo propuesto DS-CDMA los cuales siguen las

especificaciones de CODIT [Barberis y Berruto, 1997].

Tabla VI. Grado de servicio a cumplir

“Grado de servicioacumplir |í Voz H Datos I] Videor H[I rasadeibqiienónwman) ì<1x1o”3_|] <1x1o"6 [| <1x1o†§"l]

Tabla VII. Parámetros de las corridas de simulación

[fMoìdelo propuesto DS-CDMAlnterfaz de radio Í

¡`:2""....=Ii2$=$èíííí íåí

H Esquema de acceso múltiple DS-CDMA

H Esquema de modulación QPSK

|rAncho de banda del sistema 26U Tasa de transmisión Ñ _ 64 KbpsH Duración del marco 10 ms

VI.2 Análisis de desempeño del enlace de subida de unIf

sistema sectorizado y de un sistema sin sectorización.

Se desarrollaron dos modelos de simulación que permitieran llevar al cabo el análisis

del desempeño de un sistema que utiliza antenas direccionales (sectorizado) y otro que emplea

una antena omnidireccional (sin sectorización) en la estación base. Con los dos modelos, cada

uno con su patrón de antena, es posible realizar una comparación clara entre los efectos de

ambos tipos de antenas en la tasa de bit erróneo (BER) en función de la directividad. Los dos

patrones de antena se muestran en la figura 37. h

89

El primer sistema tiene un patrón de antena ornnidireccional para la estación base, que

es un patrón utilizado en los modelos tradicionales de sistemas celulares, y se muestra en ia

figura 37a).

El segundo sistema presenta la configuración empleada para ima sectorización de 120°

en la estación base. En el modelo, la estación base tiene tres antenas (una por cada sector en

que se dividió la celda); el patrón de una antena cubre la región de -60°a 60°, el de la segunda

abarca la región de 60°a 180° y el de la tercera región va de 180° a -60°. En la figura 3'/b) se

ilustra el primer sector._ 1 9 1

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2.) omnidireccienai b) DneïcionaiFigura 37. Patrones de antena utilizados en la simulación.

Para evaluar ei desempeño de los dos sistemas en el enlace de subida, los dos modelos

de simulación utilizan una geometría como la ilustrada enla figura 20.

En la figura 20 existe una celda central y una fila de celdas adyacentes, y se establece

que la fila de celdas adyacentes contribuye a un nivel de interferencia total hacia mi usuario

localizado en la celda central. En ambos modelos de simulación, los usuarios se distribuyen

aleatoriamente dentro de ia celda, existiendo un número K de usuarios por celda. Las pérdidas

por trayectoria para cada usuario se calculan de acuerdo al modelo de pérdidas por trayectoria

90

según [Rappaport y Blankenship, et. al., l997]. La ganancia de esparcimiento del sistema

DS-CDMA es Gp = 316.

Se aplica un control de potencia que compensa las pérdidas por trayectoria, evitando

entonces el efecto cercanía-lejanía.

En la simulación de los dos modelos, la densidad de usuarios varía desde 19 hasta

117, en incrementos de 19 usuarios, de modo que en cada corrida de simulación del plan

establecido cambia la densidad de usuarios en la celda. Esto da lugar al involucramiento de

diferentes niveles de interferencia, que se modelan en la relación C/I, según la ecuación (17).

En las siguientes secciones se muestran los resultados obtenidos de las simulaciones para los

dos modelos mencionados, y se muestra ciaramente la influencia de la interferencia en los

sistemas DS~CDMA, razón por la que se les ilama “sistemas limitados por interferencia”.

El procedimiento para determinar el desempeño del sistema sectorizado y del sistema

sin sectorización y realizar una comparación entre el desempeño de ambos sistemas es

exactamente el mismo. La diferencia radica en que en el sistema sectorizado la medición de

los diferentes parámetros se realiza por sector, mientras que en el sistema sin sectorización,

el análisis se realiza por celda.

El análisis de desempeño de los dos modelos de simulación, se basa primero en la

formulación del modelo matemático descrito en ei capítulo \§ que permite determinar la

capacidad en términos del número de usuarios, considerando la sectorización, monitoreo de

actividad de voz, así como el control de la potencia. A la vez que el modelo también plantea

una ecuación para modelar la relación C/I, además de incluir a la tasa de bit erróneo (BER)

91

deseada en el receptor. Los valores resultantes de dicho modelo, se cotejan entonces con los

resultados de la simulación de los dos modelos mencionados.

La capacidad teórica encontrada es de 110 usuarios en la celda central con sectorización

y monitoreo de actividad de voz según la ecuación (20) mostrada en el capítulo V

En la simulación de los modelos, primero se determina el valor de la relación C/I

para cada usuario en ia celda central, según la ecuación (17). En el caso del sistema sin

sectorización F, 2 1, mientras, que F, = 0.3611 para el sistema sectorizado de 3 sectores

ya que se considera una sectorización imperfecta. Después, se procede a calcular la tasa de

bit erróneo (BER) para cada usuario dentro de la celda central. De este procedimiento queda

establecido que la tasa de bit erróneo en el enlace de subida para el i-ésimo usuario en la celda

central se calcula a partir de la relación C/I.

Una vez que se obtuvieron los valores de la relación C/I y la tasa de bit erróneo para

cada usuario en ia celda central, las tasas de bit erróneo resultantes para cada usuario se

promediaron para obtener una tasa de bit erróneo promedio para la celda o para el sector,

según sea el caso. Así, la tasa de bit erróneo en simulación se determinó para 117 usuarios

transmitiendo en la celda central y los 702 usuarios restantes interfiriendo (localizados en las

celdas adyacentes), sólo contribuyen al cálculo de la relación C/I.

Se obtuvieron resultados para los dos modelos, los cuales corresponden a diferentes

etapas en que se desarrolló la simulación, en donde cada etapa realiza una prueba determinada.

Pruebas para el sistema sectorizado:

92

a) Directividad del haz de radiación de la antena direccional empleada.

b) Tasa de bit erróneo.

c) Relación portadora a interferencia (C/I).

d) Control de potencia para compensar la interferencia en el sistema.

e) Tasa de bit erróneo con control de potencia.

I) Relación portadora a interferencia (C/I) con control de potencia.

Las pruebas se realizaron para cada uno de los sectores de la celda bajo estudio,

excluyendo las pruebas a) y c), puesto que éstas no requieren un anáiisis individual por sector.

Pruebas para el sistema sin sectorización:

g) Tasa de bit erróneo.

h) Relación portadora a interferencia (C/I).

VL3 Análisis de desempeño del sistema sectorizado

VI.3.1 Directividad del haz .de radiación de las antenas direccionales dela estación base '

El análisis mostrado en esta sección se lleva al cabo por sector. Es decir, primeramente

se muestran los resultados de los parámetros antes mencionados para el sector uno, después

para el sector dos, para fmalizar con ios resultados del sector tres.

93

Esta prueba tiene como objetivo probar la directividad de ia antena direccional

desarrollada para la estación base. Estos resultados permiten observar como varía la ganancia

de la antena dependiendo de la locaiización de la estación móvil transmitiendo su señal.

Como se mencionó, la celda central se divide en tres sectores, donde cada sector

tiene una antena direccional y cada antena tiene un ancho del haz de 120°, de manera que

la estación base tiene en total de tres antenas direccionales con las que se cubren los 360° de

ima circunferencia. Para lograr el objetivo de la prueba se situó un móvil en la celda central, al

que posteriormente se le defmió una trayectoria circular alrededor de la estación base dentro

del radio de la microcelda. La trayectoria para el móvil en cuestióncomienza en el sector

uno, continúa en el sector tres y finaliza en el sector dos.

De ios resultados obtenidos en ia simulación es posible observar la variación de los

niveles de SNR detectados por la estación base provenientes de la estación móvil transmisora

que está en movimiento, y comprobar que, debido a que las señales recibidas provienen de

diferentes localidades (debido al movimiento del móvil), la ganancia de la antena cambia, io

que explica los distintos niveles de SNR detectados.

Se realizaron varias pruebas de este tipo variando la cantidad de tráfico en la celda,

para comprobar la afirmación antes mencionada y se obtuvieron resultados similares, por lo

que no se considero necesario incluirlas todas. Es importante destacar que dichos resultados

comprueban que las antenas implementadas en el modelo son completamente direccionales y

que trabajan de manera eficiente.

94

En la figura 38 se puede observar la variación de los niveles de SNR detectados en la

estación base. Comenzando el análisis en el sector uno, en la figura 38a), se puede apreciar la

variación del nivel de SNR detectado por el sector uno, presentándose niveles altos (señales

fuertes) que provienen del móvil localizado en dicho sector. Así mismo, se observan otras

señales detectadas por el sector uno, cuyo nivel es muy pequeño (señales de interferencia,

muy débiles), que son señales que sensa la antena del sector uno cuando la estación móvil

se aleja de su área. Mientras la estación móvil Se encuentra en el sector uno, el nivel de

las señales en el sector uno es elevado, y cuando la estación móvil ha salido del sector mio

(debido a su trayectoria), el nivel de las señales detectadas en el sector uno es pequeño. Es

decir, estas señales son señales de interferencia detectadas por el sector que provienen del

móvil que ahora se encuentra en algún sector vecino. Las señales de interferencia entonces,

son señales que la antena “rechaza”, ya que provienen de transmisiones de otro sector

La figina 38a) muestra el sector uno. Mientras el móvil se encuentra en este sector, la

antena detecta señales con nivel fuerte (-11 dB) provenientes de un móvil en dicho sector.

Sin embargo, conforme el móvil sigue su trayectoria, llega un momento en que la antena

detecta señales con nivel débil (-21 dB), dicho nivel se debe a que el móvil ha salido del

área del sector uno y se encuentra en alguno de los sectores vecinos.

La situación antes descrita, es similar en cada sector.

En la figura 38b), se muestra como el nivel de las señales detectadas por la antena del

sector tres varían conforme la trayectoria de la estación móvil sigue su curso. Mientras la

estación móvil se encuentra en este sector generando tráfico, el nivel de las señales es alto

95

(-11 dB). Sin embargo, a medida que la estación móvii se aleja del sector tres, el nivel de las

señales se debilita, hasta que finalmente, al cruzar la estación móvil la frontera de este sector,

el nivel de las señales es muy débil (-21 dB).

Por último, se analiza el caso del sector dos. La figura 38c) ilustra que mientras el

móvil se encuentra en este sector, el nivel de las señales es alto (-11 dB), sin embargo, a

medida que el móvil se aleja del sector, el nivel de señal disminuye, y al igual que en los otros

sectores, cuando el móvil cruza la frontera, la antena detecta señales muy débiles (-21 dB

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97

alrededor de la estación base. Con ellas, se determinó el nivel de umbral para iniciar el proceso

de transferencia más suave de llamada en el sistema DS-CDMA. Los resultados de las pruebas

fueron similares, de manera que se puede afirmar, que cuando el nivel de la señal de la estación

móvil está abajo de 5 dB, la estación móvil se encuentra en la frontera de dos sectores -

saliendo de uno y entrando a otro-, y es necesario realizar la transferencia de la llamada. El

valor de 5 dB no cambió durante las pruebas realizadas, por lo tanto, se concluye entonces

que aunque existan móviles más alejados o más cercanos a la estación base, el nivel de umbral

para la transferencia de llamada se mantiene sin cambio.

En conclusión, estas pruebas fueron importantes, ya que permitieron detenninar el

grado de directividad de la antena (al definir la trayectoria del móvil por los sectores de ia

celda), así como el nivel de umbral para realizar la transferencia más suave de llamada.

VI.3.2 'Basa de bit erróneo (BER) del sistema sectorizado

La probabilidad de error Pe y la tasa de bit erróneo (BER) se utilizan en fonna

intercambiable aunque en la práctica tienen significados distintos. PE es una expectativa

teórica (matemática) de la tasa de bit erróneo para un sistema determinado y BER es un

registro empírico del verdadero rendimiento de bit erróneo de un sistema.

En el modelo desarrollado, se utilizó modulación QPSK. Según resultados reportados

en [Galvan, 1999], esta es la técnica de modulación que maneja de manera eficiente los

servicios futuros de los sistemas de 3G utilizando DS-CDMA. Además, dicho esquema de

modulación es más resistente a los distintos tipos de interferencia [Galvan, 1999].

98

A continuación se muestran las gráficas obtenidas del BER y de la relación C/l para

los seivicios de voz, video y datos disponibles en los tres sectores de la celda, es decir, en el

sistema total.

VI.3.2.1 Desempeño del sector uno

La figura 39 muestra la tasa de bit erróneo promedio contra el número de usuarios en

el sistema. Puede apreciarse como aumenta la tasa de bit erróneo conforme el número de

usuarios se incrementa.

En la figura 39, se puede observar que mientras el número de usuarios en el sistema

no sobrepasa el límite teórico calcuìado según la ecuación (20), se mantiene la calidad de

servicio requerida para todos ios usuarios en la celda. Como se mencionó anterionnente, el

número máximo teórico de usuarios por celda transmitiendo al mismo tiempo que se encontró

es 110, y cuando el número de usuarios alcanza esta cifra, el valor del BER obtenido cumple

con el establecido para ofrecer una buena calidad de servicio.

En el caso del sector uno el BER para ei servicio de datos es mostrado enla figura 39a),

y se puede observar que con 19 usuarios (primera densidad de usuarios en la simulación) el

BER es muy pequeño, y conforme incrementa el número de usuarios progresivamente, el BER

se incrementa, de modo que cuando en el sistema hay alrededor de ll 7 usuarios, el BER se ha

incrementado a 8.712: 10-6, sin embargo, aún se mantiene en el orden de magnitud requerido

(1x10"6).

99

La figura 39b), ilustra el BER para el servicio de voz, y la situación es similar a la

figura 39a) cuando aumenta graduahnente el número de usuarios en el sistema. Así, el BER

sufre un incremento. A pesar de ello se mantiene la calidad de servicio para más de 110

usuarios. Si el número de usuarios en el sistema es 19, el BER es de 1.2O:c1O"23, en el caso

de 117 usuarios el BER es 4.90xl0_5. Estos resultados son mejores que los exigidos para la

voz, de modo que el sistema propuesto ofrece una buen calidad de servicio.'tun de Bit. Erroneo (ID) para datos en el neto: me lxlz-IG)

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b) BER para voz.

Figura 39. BER de los servicios de voz y datos en el sector uno variando la densidad deusuarios.

La figura 40 proporciona datos en una escala normal, en donde no es posible apreciar

de forma clara los incrementos de la tasa de bit erróneo conforme aumenta el número de

usuarios. Por lo tanto, en la figura 40 se grafica la tasa de bit erróneo en escala logarítmica,

100

de manera que proporcione una mejor visión de los resultados y se establezca una conclusión

sobre ellos.

BER para el sector uno

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Número de usuarios

Figura 40. BER de los servicios de voz y datos en el sector uno.

VI.3.2.¦2 Desempeño del sector dos

La figura 41 muestra los resultados que se obtuvieron correspondientes al sector dos.

Como en el caso del sector uno, el análisis del desempeño se realiza siguiendo la misma línea.

Tal figma ilustra la tasa de bit erróneo promedio con respecto al número de usuarios. De ella

puede determinarse que el sistema tiene un buen desempeño, ya que ofrece la calidad deseada

para los servicios de voz, datos y video soportados en el sistema. Como se puede determinar

de la figura 41, el sistema puede dar servicio satisfactoriamente a 110 usuarios, cifra muy

aproximada a los resultados obtenidos en la simulación. En el caso del servicio de datos,

-l01

cuando hay en el sistema 19 usuarios, el BER es de 1.92a:l0"27, y al incrementarse el número

a 117, el BER obtenido es de 8.71:c10*“6. Por lo tanto, se observa que el sistema puede dar

servicio con la calidad deseada a ligeramente más de los 110 calculados según la ecuación

(20).

La figura 4lb) proporciona los resultados para el servicio de voz, según los cuales

cuando hay en el sistema 19 usuarios el BER es de 1.14:c10"24 mientras que el BER para 117

usuarios es mayor, siendo de 2.50a:10_5. De acuerdo a este resultado, puede observarse que

el servicio de voz tiene una buena calidad.

Por último, se observan los resultados del servicio de video en la figura 41c), en tal

caso, para 19 usuarios el BER es de 1.41:n10_26 y para 117 usuarios, la cifra aumenta a

1.21a:10'5.

A Nuevamente, el BER para los servicios de voz, datos y video se mantiene en ei orden de

magnitud de 1:r10"6 y de 1x10_6, respectivamente, y por consiguiente, el sistema proporciona

buena calidad.

201

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que conforme se incrementa el número de usuarios, la tasa de bit erróneo incrementa. Sin

embargo, aún cuando se llega al limite de la capacidad según ecuación (20), la tasa de bit

erróneo para 110 usuarios en el sistema, se mantiene en el intervalo requerido.

BER para el sector do S

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1.5.2: -_------ ------- ------ ------ ---- --1.s.27 ¬ L _» L ~ L

1. 1' 1' Í' Í' Í. 1'

_ Número de usuario

Figura 42. Tasa de bit erróneo de los servicios de voz, datos y video en el sector dos

VI.3.2.1! Desempeño del sector tres

Por último, se realiza el análisis del sector tres, siguiendo nuevamente la misma linea

establecida iniciahnente.

La figura 43 muestra los resultados de la tasa de bit erróneo de la simulación del sistema

ofieciendo los servicios de voz, datos y video.

Para el servicio de datos, el BER tiene el mismo comportamiento que se observo en los

sectores vecinos. De este modo, el BER para 19 usuarios corresponde a 4.89:_:10 ,mientras

F' I I

1II HI 1II

-28

104

que para ll? usuariosel vaìor es 9.7311: 10-6. Por lo tanto, también se considera que el sistema

tiene buena calidad de servicio, aún excediendo ligeramente los 110 usuarios calculados de

acuerdo a la ecuación (20).

En cuanto al servicio de voz, el BER para 19 usuarios es de 1.20:_:l0”", que se

incrementa cuando se tienen 117 usuarios correspondiéndole im BER de 3.7x10“4. Esto

proporciona una referencia de como afecta la interferencia total del sistema en el número

de usuarios que pueden transmitir simultáneamente.

Para fmalizar, en lo que se refiere al servicio de video, cuando se tienen 19 usuarios

en el sistema, el BER es de 1.l4m10_22 que entonces se incrementa cuando el número de

usuarios que transmiten aumenta a 117, siendo el BER igual a 5.38:i:10"5. En este caso, el

valor sobrepasa el establecido de 1:i:10“'6 para el servicio de video. Sin embargo, se puede

apreciar que el número de usuarios que transmite es de 117, que es una cifra mayor a los 110

usuarios transmitiendo en el sistema calculados al aplicar la ecuación (20).

_ 105

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a) BER para datos.

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c) BER para video. “mmssu9 -A'=__

Figura 43. Tasa de bit erróneo para los diferentes servicios en el sector tres variando ladensidad de usuarios. _

Con el objetivo de apreciar mejor el cornportamíento de la tasa de bit erróneo en el

sector tres, la figura 44, muestra el BER en escala logarítimica, en donde pueden observarse

los resultados proporcionados anteriormente.

106

BER para el sectortres

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Númerodeusuaños

Figura 44. Tasa de biterróneo para los servicios de voz, datos y video en el sector tres. p

Como se observó en ios resultados de esta sección, la tasa de bit erróneo para cada

uno de los sectores manejando los servicios disponibles tuvo un comportamiento muy bueno,

desde que había pocos usuarios (19), hasta que el número incremento a 117, ya que los

valores obtenidos dei BER estuvieron aproximados a los requeridos. Además, debido a que

el sistema ejecuta un control de potencia para evitar el efecto cercanía-lejanía, en las gráñcas

resultantes es posible observar el incremento del BER (debido a la interferencia existente)

que corresponde a un incremento del número de usuarios., Cabe hacer notar, que como el

principal interés de esta sección es comprobar como afecta el número de usuarios (es decir

la interferencia) al desempeño de la tasa de bit erróneo, sólo se aplica un control de potencia

para compensar las pérdidas por trayectoria de la señal, que se implementa posicionando todas

las estaciones móviles transmitiendo a una misma distancia; es decir, en este punto, aún no

107

se ejecuta un mecanismo de control de potencia completo que permita que las señaies de las

estaciones móviles sean recibidas en un mismo nivel y el BER se vea afectado por ésto; dicho

trabajo se implementa posteriormente.

VI.3.3 Relación portadora a interferencia (C/1) del sistema sectorizado

La relación C/I es un parámetro importante para medir el desempeño del sistema DS-

CDMA. Es por ello que este parámetro se incluye en el análisis del desempeño del modelo

bajo estudio. La relación C/I se determina por las características de propagación del canal de

radio. Así mismo, como se mostró en el capítulo Y esta relación representa la interferencia

que existe en el sistema, la cual está compuesta por la interferencia que generan los móviles en

la celda de interés, así como por la interferencia que crean los móviies localizados en celdas

adyacentes. -

En el modelo de simulación se especifica el valor de cada uno de estos contribuyentes,

de manera que se demuestra, con las gráficas resultantes de la simulación, que cada usuario

que se agrega al sistema contribuye al nivel total de interferencia en un instante dado, de

modo que, para un número de usuarios determinado, corresponde una relación portadora a

interferencia, que no será la misma en otro instante, cuando el níunero de usuarios en el

sistema se ha incrementado.

Analizando en forma más específica lo descrito anteriormente, la figura 45 muestra la

relación (C/I) contra el número de usuarios en el sistema. Se muestra una gráfica para cada

uno de los sectores en la que se incluyen los tres servicios recibidos. En la gráfica 45a), se

108

ilustra la relación C/I en el sector uno para datos cuando se tienen 19 usuarios es de -7.27 dB

y para 117 usuarios de -15.30 dB. Así como los valores para voz, que corresponden a --8

dB para 19 usuarios, mientras que para 117 usuarios es igual a -16.25 dB, cabe hacer notar

que no hay resultados para el servicio de video debido a la distribución aleatoria de usuarios

que generan tráfico de los tres diferentes servicios. La relación C/I en el sector dos se ilustra

en la figura 45b), en donde los valores obtenidos para los servicios son adecuados, de modo

que el sistema trabaja de manera eficiente. La relación C/I para datos con 19 usuarios es de

-7.31 dB y cuando se tienen 117 usuarios, como la interferencia incrementa, el valor de la

relación C/I es igual a - 15.31 dB. Además, la gráfica 45b) también muestra los valores de la

C/I para voz, cuyos resultados son de -7.89 dB para 19 usuarios, siendo más pequeña para

117 usuarios con un valor de -15.7 dB. Por último, se proporcionan los resultados para la

relación C/I dei servicio de video. Cuando se tienen 19 usuarios, la relación C/I es -7.41

dB y para 117 usuarios disminuye a -15.43 dB ya la interferencia en el sistema es mayor.

Analizando la relación C/I del sector tres resultante de la simulación, (figura 45c)), muestra

los valores obtenidos para el servicio de datos con 19 usuarios, los cuales son de -7.23 dB y

con 117 usuarios de -15.35 dB. Para el servicio de voz, la relación C/I es de -9.6 dB para

19 usuarios y para 117 es igual a -17.5 dB. Finahnente, para el servicio de video, con 19

usuarios, la relación C/I es de -7.63 dB, mientras que para ll? usuarios su valor es de -15.5

dB. `

0 ¡non portadora a intnrturuuzia (CII) dq ht-ns en cl notar mo [db]O ¡non portador: 1 :lnhrtlnnclc (UI) du von: un 11 lector no [dll]

109

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o ¡non port-¡aora 4 inbartxrmcin (c/I) paraO Razon portadora 1 .intnrhruicia (0/I) paraIJ Razon portadora 3 intcrhtmcia (I:/I) para

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a) Sector uno.

datos ui el sector dos [dl]video en nl sector dos [dl]wz un al sector du: [G3]

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b) Sector dos.

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c) Sector tres.

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UHIIILOS

Figura 45. Relación portadora a interferencia de los servicios de voz, datos y video en lostres sectores de la celda.

110

Todos estos valores indican que el sistema se desempeña adecuadamente aún cuando

hay hasta 117 usuarios transmitiendo en la celda central y se está contemplando la interferencia

que generan los 702 restantes usuarios localizados en la fila de celdas adyacentes. Es

importante considerar estos usuarios, ya que la principal contribuyente a la interferencia,

después de la celda central, es la primera fila de celdas adyacentes. En -lo referente a los

números obtenidos para los diferentes servicios, es importante hacer mención que debido a

sus características, DS-CDMA puede trabajar con relaciones C/I negativas lo que entonces

permite disminuir el nivel de interferencia en el sistema; ésto pudo observarse en los

resultados de la simulación y puede afirmarse que son los recomendables para que el sistema

trabaje eficientemente.

Las pruebas descritas en ias dos subsecciones siguientes se realizaron para determinar

como se comporta el sistema con control de potencia y como afecta el control de potencia al

BER, el cual permite describir la capacidad del sistema.

VI.3.4 Control de potencia para compensar la interferencia en el sistemasectorizado

Como se mencionó en capítulos anteriores, el control de la potencia en DS-CDMA es

muy crítico, ya que su implementación permite que haya menor interferencia en el sistema y

haga posible dar servicio con calidad a los usuarios.

En DS-CDMA, en el proceso de control de potencia, la estación base le indica a la

estación móvil que incremente o disminuya su potencia de transmisión dependiendo del nivel

de potencia recibido. De esta fonna, la estación base controla la potencia recibida proveniente

lli

de todas las estaciones móviles en el sistema, logrando evitar el efecto cercanía-lejanía y

manteniendo la caiidad requerida en los servicios ofrecidos.

Al implementar el control de potencia en el modelo de simulación se obtuvieron los

resultados mostrados en la figura 46. En esta figura, se ilustran tres gráficas, cada ima

perteneciente a un sector, y se observa que mientras el móvil está dentro del área del sector

al que pertenece, el nivel de su señal (SNR) es controlado. Sin embargo, dado que el control

de potencia implementado en el modelo no es ideal, se pueden apreciar algunos risos en los

niveles de potencia que están siendo controlados. Para cada uno de los sectores de la celda

también se observan caídas en el nivel de la señal (SNR) que se presentan en los instantes de

tiempo que el móvil se desplaza a la fi'ontera de su sector - sale de uno y entra a otro-_ Además,

también se observa un nivel de SNR constante, el cual se considera interferencia, pues se

genera por las transmisiones de un móvil en la celda vecina, y se detecta muy débilmente por

la antena de los sectores vecinos.

› En la figura 46a) se muestra el control de potencia en el sector uno, y se observa

lo descrito anteriormente; en la figura 46b), se puede observar el control de potencia

implementado para el sector dos, el proceso se repite para el sector restante, tal como se

observa en la figura 46c).

:Ill en al neta: no con control. la pntumia. [G3]

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17.5

-ZIJ

22.5

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27.5

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32.5

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-350 0.5

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-22.; - --~~

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1 1.5 2 2.5

a) Sector uno.

un con control dz potencia. [dl]

u 3.5 JTiago (seg) (¡10000)

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Figura 46. SNR detectada en cada tmo de los tres sectores de la celda cuando se aplica control

.._«¿__ tlt

5111 en 11 neto:

35_0 0 M u un N.5

› b) Sector tres. _

¿ax con control. de potencia. [da]

2.5 u 3.5 4'Iiupo (ng) (INIDIIO)

I É ¦¬" s " r --Mi 11"* \"'V-M1*-7_ _ vw. 1?;-_-r' """'¡

-i 12 . _š_ _ __. _ ,___ ._

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de potencia.

N

C c) Sector dos.

-35 _ - __III 0.5 1 1.5 2_5 3 3.5

fiflpn (ng) (¡1D000)4

113

VI.3.5 'Ilasa de bit erróneo (BER) con control de potencia del sistema sec-torizado

La prueba descrita en esta sección se realizó para obtener la tasa de bit erróneo

aplicando un control de potencia a todos los usuarios dentro de su propia celda, de tal fonna

que la potencia incidente de cada usuario en la antena de la estación base sea más o menos

estable y entonces compense la interferencia en el sistema.

A diferencia del control de potencia implementado anteriormente (colocando todos las

estaciones móviles a la misma distancia), en este caso, el proceso de control de potencia, es

el siguiente: cuando se ha determinado que la estación móvil se encuentra en ei sector (por el

nivel de SNR recibido), la estación base en el sector correspondiente se encarga de decidir si el

valor de SNR recibido es el suficiente para que el BER satisfaga los requerimientos de calidad

de servicio. En este punto pueden ocurrir dos situaciones, primero, que el valor de SNR sea

menor y no permita cumplir con dicho BER, por lo que se requiere un aumento de SNR. La

contraparte se presenta cuando el valor de SNR es mayor, causando más interferencia en el

sistema, por lo tanto, se requiere disminuir la SNR. El nivel de SNR que permite que el BER

se satisfaga, se denominará SNR promedio.

Puesto que el control de potencia del sistema es imperfecto, la señal recibida en la

estación base proveniente de la estación móvil, al cual ya se le ha aplicado un control de

potencia, presenta fluctuaciones de 1 dB por arriba y por abajo de la SNR promedio, como

se observa en la figura 47a), b) y c). Esta señal recibida cumple con el BER requerido para

satisfacer la calidad de servicio establecida.

114

La figura 47 ilustra la tasa de bit erróneo con un control de potencia para cada uno de

los sectores en que se dividió la celda. Se puede observar que se cumple con la calidad de

servicio requerida, ya que el BER se mantiene en el intervalo de 1:1:10'6, así como también

es posible observar cambios drásticos, que se deben a las fluctuaciones alrededor de la SNR

promedio.

Como se ilustra en la ñgura 47a), el control de potencia muestra que dtuante el tiempo

de simulación, ya sea con pocos o con el máximo número de usuarios, se asegura un buen

servicio, ya que el BER se mantiene en el intervalo de 1:1; 10-6, lo que indica que aplicando

un control de potencia en el sistema es posible atender un mayor número de usuarios ya que

ei nivel de interferencia disminuye.

Situación similar se observa para las figuras 4'7b) y 47c) en las que el BER fluctúa

cercano a i:r:1O"6. 4

115

o 'lun de IM: Irroneo (Ill) con control de pobenole para dato: en el sector no (lie-06)O tua de IU. zreoneo (all) con control de potencia pure We en el. not-or um (zle-08)

2,1 12- P' -- -

1: _ ig _ si j xi___,___,__ te\ ____,>, _7!_¿___,/___¬L__ ¡___.._.._i__...t ___._l__.__l__..

1.4 W ef - † - -mi_ l1.3 ' ' ~~- - __ r

10 20 30 40 S0 S0 70 80 B0 100 110 120Usuarios

a) Sector uno. _

0 n_n de bit «craneo (In) om control de potencia pen hee: en el secta: tu (11:-07)O Tasa de bil; ernneo (ln) nun oonbrol de potencia pen vo: en el sector du: (eje-O7)D fue de bit. errnneo (Dll) uan control de potencia para video en el neto: dos (nie-07)

22.5 7 ' ` 77 ' 7"

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u 9» c N.9................. W_._O_..___.. MÉ;...._._...__l ¡-n.___.___..._ Q uN 0ao 40 so ' to vo ' ao Ufluios

b) Sector dos. p _

o fue de bit. erroneo (ln) con bonhrnl de potencia para datos en el sector tres (ade-DS)0 fue de hit. en.-onen (lll) concnnlzrol de potencia pere voz en el notar tres (nie-06)D n_n de bit erroneo (Int) con control de ¡ictericia ¡nn v-¿dee en e.I. sector ere: (xl:-06)

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D _10 20 3 U 4 G 50 S0 70 Vicario!

c) Sector tres.

Figura 47. Tasa de bit erróneo en los tres sectores aplicando control de potencia

116

La figura 48 muestra la tasa de bit erróneo en escala logarítmica para un sector en

donde puede observarse como al incrementar el nivel de interferencia (debido al incremento

en el número de usuarios), la calidad de servicio se mantiene en el orden de magnitud de

1a:10_6 a pesar de que el número de usuarios se incrementó a 110.

BER para los servicios con control de potencia

ELE-UG ¬ i ¬ _ † †i-0-DIIIIS

É--J-VII

' ¡¬fiV|de0. i 1 - ;- 1 . ;

-_ ' ' ' 1i = 1 f 1 `A . , `

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BERpromed'o

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1.E.05 -f 1 - ~ill 20 30 lil 50 60 TI] BII . 90 100 HII 120

l .r.. ¢

V Número de usuarios

Figura 48. Tasa de bit erróneo para un sector aplicando controì de potencia.

Puede afirmarse que aplicando un controš de potencia a los usuarios es posible

disminuir el nivel de interferenciaxy dar servicio a todos los usuarios con la misma calidad

de servicio, siendo la calidad muy buena, del orden de 1a:10"6 tanto para 19 como para ì00

usuarios; ésto no se observó en los resultados del BER de la sección anterior, en donde la

potencia de las estaciones móviles no se controlaba. V

117

Una vez mostrados los resultados obtenidos y analizando el desempeño delsistema

con control de la potencia, se puede concluir que el aplicar un control de potencia es

importante para que el sistema DS-CDMA tenga alta capacidad con buen desempeño, ya

que se disminuye de manera importante el nivel de interferencia en el sistema, dicho efecto

puede observarse porque la calidad de servicio es la misma para 19 usuarios y hasta para 110

LISIIBIIOS.

Por último, se muestran los resultados del BER para el sistema sectorizado y del

sistema sin sectorización y se dan a conocer los beneficios de la sectorización.

ns

OI

VI.4 Análisis de desempeño del sistema sin sectorización

VI.4.1 Comparación de la tasa de bit erróneo (BER) del sistema sector-izado y del sistema sin sectorización

Uno de los objetivos de este trabajo de tesis es demostrar como incrementa la capacidad

del sistema al utilizar la sectorización por medio de antenas direccionales para cada sector en

que se divide la celda. De esta forma, esta sección analiza los resultados de la simulación de

los modelos sin sectorización y sectorizado, mostrados en las figuras 49, 50, 51 donde puede

observarse el incremento en la capacidad del sistema sectorizado con respecto a un sistema

sin sectorización.

i La figura 49 muestra el BER del servicio de datos para el sistema sectorizado y el BER

para el sistema sin sectorización. Los valores del BER para el sistema sin sectorización son

mayores comparados con los resultantes para cada uno de los sectores del sistema sectorizado.

- En la figura 49 se puede observar quepel BER del sistema sin sectorización para 39

usuarios transmitiendo datos, está casi en el límite establecido para ofrecer la calidad de

servicio, siendo su valor igual a 1.23:c10"6, lo que implica que tal sistema puede atender con

calidad de servicio sólo a 40 usuarios aproximadamente. En el caso del sistema sectorizado,

puede visuaiizarse que cumpliendo con el grado de servicio establecido es posible dar servicio

a aproximadamente 117 usuarios, puesto que el BER de un sector es de 8.71a:10“6. Por io

tanto, está claro que mientras el sistema sin sectorización puede atender un máximo de 40

usuarios, el sistema sectorizado atiende a 110 usuarios aproximadamente ofieciendo la misma

calidad de servicio. Es importante recalcar la influencia de la sectorización imperfecta, lo que

t 119

explica que la capacidad del sistema sectorizado no se incrementa tres veces, como sería en

un caso ideal.

BER para el servicio de datos

1.E-02 1 Y *Z

1,5413 _ . . _ _ , V .M l _ ._ . ........................................ Ñ , V Ir . _ . . _.1.E-04- ------ -~- - Y › A ~ - --1 - - - - - - ~ - ~ ~ ~ - - -- - - - - - - Y › ~ ~ --1 - - - - - - --¿------«¿¬›~~›-_;~ - - - - - --1_E_|]5_,,_ ' I ,

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1 20 30 4 50 GB 10 00 III 100 110 120

Número de usuarios

Figura 49. BER para el servicio de datos en el sistema sectorizado y el sistema sinsectorización. 4

La figura 50 muestra los resultados obtenidos en los sistemas para el servicio de voz.

El BER resultante para el sistema sin sectorización es mayor al BER de mi sector del sistema

sectorizado, sin embargo, debido a que el servicio de voz tiene requerimientos de calidad de

servicio a cumplir más bajos (BER<1a:10“3) que para el servicio de datos (BER<1x1O'6),

es posible atender aproximadamente a 40 usuarios en el sistema sin sectorización, mientras

que el sistema sectorizado puede dar servicio a 110 usuarios (casi el triple del sistema sin

sectorización) ofreciendo la calidad de servicio adecuada. Para 39 usuarios transmitiendo

en el sistema sin sectorización, el BER es de 1.24:c10"6- y el valor de BER para el sistema

sectorizado es de 9.13:r10_13; cuando el número de usuarios en el sistema se incrementa a

120

H7 el BER es mayor. Para el sistema sin sectorización el valor es de 3.3:r:10"3, mientras que

para un sector del sistema sectorizado su valor es de 2.50:rl0"5, este valor muestra que tal

sistema puede atender ligeramente más usuarios de los calculados teóricamente. -

De los resultados obtenidos, es claro que cada nuevo usuario que ingresa al sistema

contribuye al nivel de interferencia total.

BER para el servicio de voz

1.E›02 fi 1l

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BERpromedo

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10 20 30 II] 50 Gll 70 00 90 101] 110 120

Número de usuarios

Figura 50. BERpara el servicio de voz en el sistema sectorizado y el sistema sin sectorización.

En el caso del análisis para los servicios de video, los resultados de la simulación se

muestran en la figura 51, en donde el sistema sin sectorización muestra que un máximo de

39 usuarios pueden transmitir garantizando la calidad de servicio requerida. Si el número de

usuarios es mayor a tal cifra, por ejemplo, 80 usuarios, la calidad de servicio disminuye, y el

BER es de 4.57:::10“4, de forma que no existe buena calidad de los servicios ofrecidos. Por

otro lado, la curva para los servicios de video del sistema sectorizado, muestra que cuando

'121

se tienen 98 usuarios transmitiendo en el sistema sectorizado, el BER es de 2.081:10_6. Los

98 usuarios resultantes de la simulación es una cifra aproximada a la capacidad teórica, de

tal forma, que si existe una buena aproximación. Se demuestra entonces, que el número de

usuarios a los que se puede dar servicio en un sistema sectorizado es casi tres veces el número

de usuarios atendidos en un sistema sin sectorización.

BER para el servicio de video

1.E-02 ~~ . ~ _' _-a

1.2413 ~ ---------------------------------------------------------------------------------- -_

1.5415 _ -------------- -------------------------------------------------------- __1_¡5_g4 . _ . . . . _ _ _ _ _ _ . . . _ . _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - . . . _ _ . _ . _ . _ . . » . _ _ _ _ _ . _ _ . . . . . . . _ _ . . . . _ . . . _ _ . . . _ . ¬ _ _rT _

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Núm oro de usuarios

Figura 51. BER para el servicio de video en ei sistema sectorizado y el sistema sinsectorización.

VI.4.2 Comparación de la relación portadora a interferencia (C/I) del sis-tema sectorizado y del sistema sin sectorización

Este parámetro se muestra en la figura 52, en donde se ilustran los valores de la relación

C/I para el sistema sectorizado y del sistema sin sectorización, ambos para ei servicio de

datos. Se puede observar como al incrementar el número de usuarios disminuye la relación

122

C/I para ambos sistemas. Como se mencionó anteriormente, este parámetro es importante

porque modela la interferencia en el sistema y la interferencia influye enormemente en la

capacidad de usuarios soportados por el sistema. '

La relación C/I para el sistema sin sectorización es menor que la obtenida para

el sistema direccional, lo que es lógicamente claro, ya que la antena omnidireccional

genera mayor interferencia haciendo que la C/I disminuya. Con el empleo de tres antenas

direccionales en cada sector, el sistema presenta menor interferencia ya que un sector solo

recibe l/3 del total de la interferencia que se recibe en un sistema sin sectorización, por lo

tanto, claramente la relación C/I es mejor, lo que da lugar a que exista una mayor calidad de

los servicios ofiecidos por el sistema.

En la figura 52 se puede observar la relación C/I contra el número de usuarios para

el sistema sin sectorización y para el sistema sectorizado. Cuando se tienen 19 usuarios

transmitiendo, la relación C/I para el sistema sin sectorización es de -11.31 dB, mientras

que el sistema sectorizado presenta una relación C/I igual a -7.31 dB. De este modo, existe

una mejora de aproximadamente 4 dB para el sistema sectorizado con respecto al sistema sin

sectorización.

Si existen 117 usuarios transmitiendo en los sistemas, se observa tambien la diferencia

aproximada de 4 dB entre ellos, y los valores obtenidos son, para el sistema sin sectorización

igual a -19.33 dB y para el sistema sectorizado de -15.31 dB.

123

Razón portadora a interferencia CII para datos

2 ' 2 2 ' Í -m-i)i1ecclun¡i.SectorI.lnu-B Amonaumnhnmcchmu .__l

1° _Hw4_j___ _u_D|roccInnuI.SociorDos

Í ¡ -1-DirecccIo|1uI.Soc1orTrI¢-

._ -12 - ______ ---- ------ ______ --=-------- ffffff ~: ------ ------ _; ------- ~z------ --m i ¿ _ _ _ . _ , ; . .3 ; _ í § 1 2 f ¦ ;

.14 -..___.__;__.____.;.___ ~ . . . . _ . . . _; ........__; ....... _.

› 1 1 1 a 2 1 ; i _ _U .19 _ ...... _í ______ _.2¬¬¬¬¬¬¬ -1 - - - - - - . - _ _ _ _ - . _ _ . . _ - _______________ «_ .......... __________ -_`_ = 1 ' = . t - ii 1 -. . . . i = 1 . i'. ¬ = _ - _ - Z › ._ _ _ ,.13 ___.

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-22¬ H 2 _š ; ¿_ 2 s se . ae 110 20 30 40 G0 G0 10 B0 00 100 110 120

Núm ero de usuarios

Figura 52. Relación (C/I) para el servicio de datos en los dos sistemas simulados.

Resultados similares se obtuvieron para los servicios de voz y video, por lo tanto, no

se consideró necesario incluir sus gráficas. _

VI.5 Capacidad del sistema DS-CDMA

La capacidad de la celda de un sistema DS-CDMA es dependiente del ancho de banda,

representado en la ganancia de esparcimiento Gp, y la tasa de bit erróneo (BER) permitida.

Para el sistema modelado, se emplea una Gp = 25 dB, donde cada usuario tiene una tasa

de transmisión de 64 Kbps. Dado que la capacidad de un sistema DS-CDMA depende de la

tolerancia al ruido, y estableciendo una relación Eb/No = 10.5 dB, podrá lograrse el valor

de BER aceptable para los servicios de voz, datos y video ofrecidos en el sistema.

124

A continuación, se muestra la capacidad del sistema en función del Eb/NQ mínimo

tolerablepara el cual la tasa de bit erróneo tenga un desempeño aceptable. Como se observa

en los resultados, es posible diseñar un sistema con una alta Eb/NO -como el caso del sistema

simulado-, permitiendo un menor número de usuarios en el sistema, sin embargo, tal Eb/No

se compensa, ya que existe una mejor calidad en los servicios ofi'ecidos en el sistema.

La capacidad se ve afectada por la sectorización y el monitoreo de actividad de voz,

por lo tanto, en los resultados siguientes estas técnicas son consideradas.

Para el caso de una celda aislada, la tabla VIII muestra la capacidad del sistema en

fimción de la relación Ei,/No minima aceptable.

Tabla VIH. Predicción de la capacidad de la celda para una celda aislada con Gp=25 dB,dependiendo del Eb/No mínimo. -

1 Eb/No Número dei usuarios

en una celda sin_ › j sectorización y

l _ .` sin monitoreo

Númerode usuarios enuna celda consectorización ysin monitoreo

Número

una celde usuarios en

dsectorización ycon monitoreo l

3 C011

6 79.4 219.97 439.94

6.5 70.7 196.05 392.107 63.0 174.73 349.4ó

7.5 56.2 1 l5§.73 3n.463 50.1 l3d.79 2'/'v7.58

44.6ss 123.70 i 247.409 _

99.8__l

110.24 220.4919.5 35.4 98.25 196.51

31.6101, s7.s7 ,17s.1428.110.5 Í 78.04 †l56.09

ll 25.1 69.56 i 139.12

125

Los resultados muestran que pueden atenderse a pocos usuarios, de 25 hasta 79, cuando

no se utiliza ni la sectorización ni el monitoreo de actividad de voz; sin embargo, la eficiencia

de DS-CDMA puede mejorarse empleando ambas. Si solo se aplica una sectorización de tres,

la capacidad idealmente se triplica, sin embargo, debido al ángulo de traslape entre sectores

la capacidad es ligeramente menor a 3 y únicamente es posible atender de 69 a 219 usuarios;

aún más, si se asume un factor de monitoreo de actividad de voz del 50% y la sectorización de

tres, se incrementa la capacidad del sistema alrededor de 5.5 veces, con respecto al anterior,

permitiendo de 139 hasta 439 usuarios por celda.

En DS-CDMA la misma frecuencia se re-utiliza en todas las celdas, así, idealmente se

tiene un factor de reutilización de l. En la práctica, sin embargo, la eficiencia de este factor es

menor a 1 debido a que las celdas vecinas causan interferencia, dando lugar a una reducción

enla capacidad. En un sistema multicelular, la capacidad de la celda DS-CDMA es igual a

la capacidad de la celda aislada reducida por el factor de reutilización. La tabla IX muestra

los efectos de este factor en la capacidad de la celda DS-CDMA. La capacidad es muy baja si

no se emplea la sectorización y el monitoreo de actividad de voz; claramente, el sistema sólo

puede tener de 17 hasta 56 usuarios por celda. Si se utiliza la sectorización, pero sin monitoreo

de actividad de voz, el número de usuarios por celda es de 49 hasta 155. Sin embargo, si el

sistema aplica una sectorización de tres y el factor de actividad de voz de 50%, la capacidad

se incrementa alrededor de 5.5 veces, permitiendo de 98 hasta 310 usuarios por celda.

Tabla IX. Predicción de la capacidad de la celda en tm ambiente multi-celular con G,,=25dB, dependiendo del Ei,/No mínimo tolerable.

E,/No i Númerousuarios

cCn Llflfl

*dei

elda sinsectorización ysin monitoreo

Númerode usuarios enuna celda consectorización ysin monitoreo

Númerode usuarios enuna celda consectorización ycon monitoreo

3 56.057 iss.239 310.4796.5 ` 49.960 13s.3s7 9 276.714

7 44.527 123.311 l 246.622

7.5 39.685 109.901 Í 219.802 l3 35.362 97.949 195.399

*as 31.š23 s7.iå7 Mi l'/'4.595

¿X9 28.095 11.šì)4 p lsšlsospÍ 9.5 25.039 69.343 ip 13s.6søW

10 X 22.316 srsoa 123.6@K 10.5 i 19.889 55.081 í 110.162 p

ll 17,726 49.091* Z Í 93.182 9

VII CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

VII.1 Conclusiones

En este trabajo se presentó un estudio de las técnicas que permiten eficientizar la

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

generación.

Dado que DS-CDMA es el esquema de acceso más deseable para la interfaz de radio

requerida por los sistemas de tercera generación, el análisis se enfoca al estudio de este

esquema mejorando su desempeño utilizando las técnicas que eficientizan la transmisión;

lo anterior da lugar a que el sistema así propuesto sea más eñciente pennitiendo dar servicio

al máximo número de usuarios satisfaciendo la calidad de servicio requerida.

El objetivo entonces fue conocer las técnicas para posteriormente desarrollar los

modelos de simulación necesarios que describan el sistema DS-CDMA incluyéndolas. Las

técnicas que se encontraron, que permiten eficientizar la transmisión, son la sectorización,

el monitoreo de actividad de voz y el control de la potencia. Es ampliamente deseable la

inclusión de dichas técnicas, ya que permiten disminuir el nivel de interferencia en el sistema

DS-CDMA lo cual es de gran importancia, ya que como se mostró a lo largo de este trabajo,

la interferencia.es el ptmto débil de los sistemas DS~CDMA.

Se formuló un modelo matemático que incluye los diversos factores que determinan

el desempeño de dicho sistema. De tal forma que los resultados obtenidos de la simulación

de los modelos están fimdamentados en dicho modelo matemático.

128

Según resultados del modelo de simulación propuesto del sistema DS-CDMA que

considera una sectorización de tres, un factor de actividad de voz del 50% y un esquema de

control de potencia, se muestra que dicho sistema puede atender ligeramente a un poco más

de 110 usuarios; dicho resultado es muy bueno, considerando que el sistema sin sectorización

(contra el que se comparó), puede dar servicio únicamente a 39 usuarios satisfaciendo la

misma calidad de servicio. Es importante destacar que ambos sistemas (sectorizado y sin

sectorización) toman en cuenta la interferencia existente que se genera por los usuarios en

la celda central y en la primera fila de celdas adyacentes. Estas interferencias contribuyen

fuertemente a la disminución en la capacidad de usuarios, por lo que es de gran importancia

incluírlas para obtener resultados los más cercanos posibles a la realidad. Así mismo, una

consecuencia de que los sistemas propuestos DS-CDMA satisfagan un BER< la:1O_6, que

garantize la calidad de servicio, es la disminución en el número de usuarios. En lo que

se refiere al esquema de control de potencia implementado en los modelos propuestos, se

puede afirmar que cuando se controla el nivel de interferencia en el sistema, la calidad de los

servicios ofrecidos se mantiene en el mismo orden de magnitud (BER de la-10-6) aún para

117 usuarios transmitiendo en el sistema.

Los resultados de la simulación de los sistemas sectorizado y sin sectorización,

permitieron determinar que el sistema sectorizado es mejor. Aún más, si el sistema incluye

además de la sectorización, el monitoreo de actividad de voz, evidentemente se convierte en

un sistema muy deseable, ya que como se mostró en los resultados, estas técnicas disminuyen

el nivel de interferencia en el sistema dando la posibilidad de atender un mayor número de

usuarios. Por lo tanto, el sistema incluyendo estas dos técnicas es el mejor. A1 aplicar el

129

control de la potencia en el sistema, se mostró como la calidad de los servicios ofrecidos se

mantiene en un intervalo de valores deseables para que el sistema sea bueno.

Por otro lado, es importante destacar que en el sistema DS«CDMA existe un

compromiso entre la calidad requerida para los servicios ofiecidos y el número de usuarios.

Esto es, que a mayor calidad demandada en el sistema, existe un menor número de canales

disponibles. Además, se mostró que el sistema DS-CDMA es un sistema limitado por la

interferencia, por lo que se concluye que las técnicas aqui tratadas son deseables ya que

permiten disminuir la interferencia lo que da lugar a un sistema con mejor desempeño.

Los resultados de la simulación son altamente similares a los resultados calculados

mediante el modelo matemático formulado, por lo tanto, bien vale la pena destacar la

importanciaide llevar a cabo un desarrollo matemático que fundamente los resultados de

modelos de simulación.

VII.2 Recomendaciones

Se puede continuar el estudio más amplio de temas relacionados con este trabajo,

algunas de las lineas de investigación que se proponen son:

Llevar al cabo un análisis más profundo del esquema de control de potencia de DS-

CDMA de manera que pueda realizarse una mejor implementación de éste. La importancia

de esto radica en que el control de la potencia en DS-CDMA es muy cñtico.

130

Realizar un análisis del canal de radio con el objetivo de estudiar los efectos que sufre

la señal al propagarse por este medio de transmisión, ya que aunque los servicios inalámbricos

son accesibles en cualquier lugar, ciertamente están limitados por la movilidad del usuario.

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