3g: tercera generación móvil

Ya desde época temprana se intuía el crecimiento de los sistemas de comunicaciones móviles, tanto en usuarios como en servicios. De esta forma la ITU encomendó a su Sector de Radiocomunicaciones Móviles que unificara los sistemas existentes y crear una estructura capaz de ofrecer una amplia gama de servicios inalámbricos. A este nuevo sistema se le denominó IMT-2000 (International Mobile Telecommunications). El nombre hace referencia tanto a la banda de frecuencias reservada como a su época de implantación.
A diferencia con los sistemas 2G, el significado de 3G fue entonces estandarizado por el proceso IMT-2000, mediante una serie de requerimientos (2 Mbit/s de máxima tasa de transferencia en ambientes cerrados, y 384 kbit/s en ambientes abiertos, por ejemplo).
Existen principalmente tres tecnologías 3G. Para Europa existe UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) usando CDMA de banda ancha (W-CDMA). Este sistema provee transferencia de información de hasta 2Mbps. Para Estados Unidos encontramos las evoluciones de CDMA2000 y en China se desarrolló el 3G empleando Time Division Synchronous CDMA (TDS-CDMA). Usa un canal de 1.6MHz y fue pensado para que abarque el mercado Chino y de los países vecinos.
Tanto UMTS como CDMA2000 emplean FDD (Frequency Division Dúplex) para la multiplexación del medio, donde los enlaces de subida y bajada emplean distintas frecuencias. Dentro de UMTS existe una especificación conocida como TDD (Time Division Dúplex), donde los links poseen la misma frecuencia pero usan distintos segmentos de tiempo.

CDMA2000

Este sistema es el resultado de la evolución hacia 3G de la interfaz radio IS-95B. El sistema CDMA2000 puede considerarse el sucesor de del CDMAONE, intentando mantener mayor compatibilidad entre los dos sistemas, de forma que ambos puedan compartir las mismas frecuencias y la evolución sea más fácil desde el punto de vista espectral.
Esta compatibilidad es posible gracias a que el sistema IS-95 emplea la técnica de acceso CDMA, sin embargo algunas soluciones en CDMA2000 no son las óptimas debido a esto. El aspecto más importante es el de la necesidad de sincronización, ya que CDMA2000 precisa de un sistema de referencia basado en GPS.
El objetivo de este estándar es el de proporcionar unas velocidades de transmisión que cumplan los requisitos para IMT-2000: al menos 144kbit/s en vehículo, 384 kbit/s para usuarios estáticos y 2048kbit/s para entornos interiores de oficina.
Uno de los avances más significativos en este estándar es el paso del concepto de un solo canal del tráfico con tasas de 9.6 kbit/s o 14.4 kbit/s a un canal polivalente con varios servicios simultáneos de diferentes tasas.
También se incrementa la capacidad con la creación de nuevos canales tanto descendentes como ascendentes, se modifican los códigos de ensanchamiento y se realiza un control de potencia más estricto.
En CDMA2000 se definen varios modos de operación:
  • Modo 1X, que mantiene la tasa de chips de IS-95. Admite voz y datos hasta 150 kbit/s.
  • Modo 3X, que tiene una tasa de chips triple, por lo que soporta voz y datos hasta 400 kbit/s
  • Modo 1XEV, que utiliza portadores de 1.2 MHz para aplicaciones de datos únicamente hasta 2.4 Mbit/s.
  • Los parámetros técnicos más relevantes para CDMA2000 son:

    Tecnica de acceso múltiple CDMA
    Esquema de multiplexación FDD
    Velocidad de chip Nx1,2288 Mchip/s, para N=1,3,6,9,12
    Estructura de canales descendentes Expansión directa o múltiples portadoras
    Estructura de canal ascendente Acceso básico: controlado en potencia Acceso con reserva o acceso designado
    longitud de trama y entrelazado Tramas de 5,10,20,26,666, 40, 80 ms y entrelazado de canales
    Modulación Canal descendente: QPSK balanceado
    Canal ascendente: QPSK de canal dual
    Modulación de datos BPSK,4PSK,8PSK,16QAM
    Modulación por dispersión: HPSK (enlace ascendente) y MDP-4 (enlace descendente)
    Factores de ensanchamiento 4-256
    Código de canalización Descendente: códigos WALSH de longitud variable, secuencia-M de 215 para aleatorización.
    Ascendente: Secuencias ortogonales de longitud variable para separación de canales, secuencia-M de 215 para aleatorización.
    Funcionamiento síncrono/asíncrono Requiere funcionamiento síncrono

    umts

    El Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) es el nombre que recibe en Europa el sistema de comunicaciones móviles de tercera generación.
    En el European Telecommunications Standards Institute (ETSI) se comenzó a mediados de los años 90 la definición de un estándar, continuación del GSM, que permitiera mayor eficiencia espectral y nuevos servicios multimedia. Este trabajo técnico se realiza a través de los proyectos de consenso como el 3GPP (Third Generation Partnership Project) y 3GPP2 (grupo de estandarización para la región americana con CDMA2000).
    Además de la exigida mejora en el rendimiento espectral, los clientes cada vez exigían servicios más avanzados, requiriendo velocidades de hasta 2 Mb/s. Esta era una tasa que por muy buen rendimiento que pudiera ofrecer la tecnología 2G no sería una tasa que esta pudiera ofrecer. Los nuevos servicios por tanto afectan tanto a nivel de red como a los aspectos de radio, que requieren una nueva interfaz aire.

    CAPA FÍSICA

    En UMTS, las funciones asignadas a la capa física son:
  • Ejecución del soft handover y combinación de las señales involucradas en los procesos.
  • Detección de errores en los canales de transporte.
  • Codificación y decodificación
  • Multiplexación y demultiplexación
  • Adaptación de velocidades.
  • Correspondencia entre los canales compuestos codificados de transporte y los físicos sobre los cuales tendrá lugar la transmisión
  • Ajuste de potencia y combinación de los canales físicos.
  • Modulación y ensanchamiento del espectro - Demodulación y recuperación de la señal de banda base
  • Sincronización en frecuencia y tiempo de las señales
  • Medición de las características de la señal radio.
  • Procesado de radiofrecuencia de la señal.
  • DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA

    Atendiendo a la estructura de las redes UMTS estas se componen de dos grades sub-redes: la red de telecomunicaciones y la red de gestión. La primera se encarga del traspaso de información entre los extremos y la segunda se encarga de proveer los medios de facturación y tarificación, registro y definición de los perfiles de servicio, gestión de la seguridad, operación y mantenimiento…

    En cuanto a la red de telecomunicaciones UMTS esta se compone de:
  • Núcleo de red (Core Network):
  • Red de acceso radio UMTS Terrestrial Radio Access NetworkTerrestrial Radio Access Network (UTRAN)
  • Terminales móviles. En UMTS se refieren a estos como User Equipment  (UE).


    Además, el sistema UMTS se estructura en dos niveles: el ligado al acceso y el no ligado al acceso. El primero comprende los protocolos que necesitan intervención de la red de acceso radio y el segundo los que se refieren al núcleo de red y al terminal móvil, sin necesidad de intervención de la red de acceso radio. La frontera entre estos dos niveles se produce a través de los 3 puntos de acceso al servicio SAP (Service Access Point), que son:
  • Control General (GC): Acceso a servicios de radiodifusión de información a todos los terminales móviles presentes en un área geográfica.
  • Notificación (Nt): Acceso a servicios de aviso de terminales móviles.
  • Control Dedicado (DC): Acceso a servicios de establecimiento o liberación de una conexión radio y transferencia de información mediante dicha conexión
  • RED DE ACCESO RADIO

    La red de acceso radio proporciona la conexión entre los terminales móviles y el núcleo de red. Recibe el nombre de UTRAN y se componen de varios sistemas de red radio o RNS (Radio Network System), constituidos cada uno por un controlador radio RNC (Radio Network Controller) y una serie de nodos B dependientes de él, que son los elementos de la red que se corresponden con las estaciones base.
    Los elementos funcionales definidos en la red de acceso radio se comunican entre sí por una serie de interfaces:
  • Interfaz núcleo de Red-RNC
  • Interfaz RNC-RNC
  • Interfaz RNC-Nodo B
  • Interfaz radio
  • Con respecto a la interfaz radio se recurre a la técnica de acceso múltiple DS-CDMA (Direct Sequence-Code Division Multiple Access) con sus dos componentes FDD y TDD.

    PORTADORAS DE RADIOFRECUENCIA

    UMTS trabaja en dos bandas de frecuencias dependiendo del tipo de multiplexación empleada:
  • En modo FDD se emplean frecuencias emparejadas que conforman la “Banda I”:
  • 1920 – 1980 MHz para el canal ascendente (UL)
  • 2110 – 2170 MHz para el canal descendente (DL) Hay una separación nominal entre frecuencias de 5 MHz. El ancho de banda es de 60 MHz por lo que se dispone de 12 canales.
  • Para el modo TDD se utilizan las bandas de frecuencias no emparejadas:
  • 1900 – 1920 para el canal ascendente (UL)
  • 2010 – 2025 para el canal descendente (DL)
  • El ancho de banda total disponible es de 35 MHz, por lo que existen 7 canales disponibles.
  • A las bandas anteriores se han añadido otras:

    Banda Canal ascendente (MHz) Canal descendente (DL) Separación (MHz)
    II 1850 – 1920 1930 – 1990 80
    III 1710 – 1785 1805 – 1880 95
    IV 1710 – 1770 2110 – 2170 400
    V 824 – 849 869 – 894 45
    VI 830 – 840 875 – 885 45

    ACCESO RADIO

    Multiacceso CDMA y técnicas de espectro expandido

    Los sistemas de espectro expandido SS (Spread Spectrum) son aquellos en los que el ancho de banda de la señal transmitida es mucho mayor que el mínimo necesario para transportar la información. En este proceso de ensanchamiento interviene un código, secuencia de ensanchamiento y firma (signature), independiente de la señal de información. Para recuperar la señal original en el receptor es necesario conocer el código utilizado. Mediante ese mayor uso del espectro conseguimos importantes ventajas respecto a los sistemas convencionales.
    El acceso múltiple por división de código CDMA se basa en la utilización de este tipo de técnicas. El acceso CDMA en sistemas móviles celulares se adapta mucho mejor a este tipo de técnicas que las técnicas clásicas FDMA o TDMA.
    Dentro de todas las modalidades de técnicas de espectro expandido la modalidad de secuencia directa es la más utilizada en comunicaciones móviles y además constituye la base de los métodos de acceso WCDMA. La técnica de secuencia directa DS se basa en la multiplicación de la secuencia de bits original por una secuencia digital (chips) de velocidad mucho mayor.
    Esta operación proporciona mejor inmunidad frente a desvanecimientos e interferencias debidas a señales de banda estrecha. En recepción se multiplica la señal demodulada por la misma secuencia, lo que permite la recuperación de la señal de banda base. El acceso múltiple tiene lugar gracias a las secuencias empleadas y específicamente gracias a su propiedad de correlación.

    Transmisor

    En la siguiente figura se representa un diagrama de bloques de un sistema básico DS-SS con modulación y ensanchamiento BPSK sin considerar la codificación del canal. El ensanchamiento por secuencia directa puede ser representado mediante multiplicación directa de las ondas o mediante multiplicación digital. La secuencia ensanchada S[p] se obtiene como

    Y la señal equivalente paso bajo s(t) es

    Siendo A un factor de amplitud y Ψ (t) el pulso de chirp, que determina la forma del espectro de la señal.

    Receptor

    El receptor es un filtro adaptado a la forma de onda esperada, solo que en este caso la forma de onda es una señal de espectro ensanchado. Se divide en dos etapas, la multiplicación por la señal código g(t) para deshacer el ensanchamiento llevado a cabo en la transmisión y otra etapa para una demodulación convencional. Para evitar la dispersión temporal el filtro se realiza mediante un receptor Rake , que aproxima la forma de onda mediante varias ramas con diferentes retardos.

    CODIFICACIÓN DE CANAL

    En UMTS se especifican dos tipos de códigos de canal:
  • Código externo de bloque, para detección de errores por control de redundancia cíclica (CRC). Añade 8, 12, 16, o 24 bits de redundancia y puede no aplicarse en algunos casos.
  • Código interno, para corrección de errores, mediante Forward Error Correction (FEC). Este código a su vez puede ser:
  • - Convolucional, de tasa r = 1/2 y r = 1/3 y longitud L=9
    - Turbo-códigos, con tasa r=1/3

    Los servicios en tiempo real emplean FEC y detectan por medio del CRC los bloques que no se hayan podido corregir pero sin solicitar retransmisión. Para servicios que no requieren tiempo real usan una combinación FEC y ARQ (Automatic Repeat Request), por lo que solicitan la retransmisión de los bloques con errores después del FEC.

    MODULACIONES

    Además de la modulación BPSK se utilizan otras modulaciones, principalmente QPSK. En función del proceso de ensanchamiento y modulación empleados tenemos varias posibilidades:

  • Ensanchamiento y modulación BPSK
  • Ensanchamiento QPSK y modulación BPSK
  • Ensanchamiento BPSK y modulación QPSK
  • Ensanchamiento y modulación QPSK. Existen dos posibilidades:
  • - Dual-channel QPSK: Ensanchamiento independiente. La información se divide en subsecuencias en fase y cuadratura y cada una es ensanchada por un código diferente. Equivale a dos sistemas independiente BPSK
    - Ensanchamiento en el campo complejo (complex spreading): La secuencia de información se transforma en dos subsecuencias y son tratadas como componentes real e imaginaria de una secuencia compleja y el ensanchamiento tiene lugar mediante una secuencia código complejo.

    En UMTS el ensanchamiento tiene lugar en dos etapas, canalización y aleatorización, a partir de dos secuencias código distintas:
  • Códigos de canalización: Realizan un primer ensanchado sobre la señal de información. Son códigos ortogonales entre sí.
  • Códigos de aleatorización: se aplican sobre la señal anterior, por lo que mantienen el ancho de banda.
  • La funcionalidad de este proceso depende del enlace y está descrita en la siguiente tabla:

    Canalización Aleatorización
    Enlace descendente Separa usuarios de la misma celda Separa diferentes celdas
    Enlace ascendente Separa canales del mismo usuario Separa usuarios

    En el enlace ascendente se emplea la opción 1 para la primera etapa y la 4b para la segunda etapa. En el enlace descendente se emplea 3 y 4b en sus respectivas etapas.

    ACCESO RADIO FDD / TDD

    El acceso radio puede realizarse de dos modos, FDD (Frequency Division Duplex) y TDD (Time Division Duplex):
  • En FDD realizamos la comunicación bidireccional con dos portadoras, cada una de 5 MHz en frecuencias diferentes, una para el canal ascendente y otra para el descendente.
  • En TDD realizamos la comunicación dúplex mediante TDMA. Empleamos unos intervalos temporales para el canal ascendente y otros intervalos para el descendente. Empleamos una sola portadora a 5 MHz. Se puede configurar con diferente cantidad de intervalos para cada enlace en caso de tráfico asimétrico.
  • La modulación empleada en ambos modos es QPSK. El chip rate es fija para ambos: 3,84Mchip/s. Sin embargo, los canales pueden emplear una velocidad binaria fija o variable. Esto influye en el factor de ensanchamiento, por lo que algunos canales tienen un SF fijo y otros pueden elegir entre varios.
    Para proteger los datos contra errores empleamos codificación del canal con entrelazado. Empleamos, dependiendo del canal de transporte, códigos convolucionales de tasa 1/2 o 1/3 o turbo-códigos de tasa 1/3, además de CRC para detección de errores.
    La transmisión queda estructurada en tramas, tanto para FDD como para TDD, cada trama dura 10 ms y consta de 15 intervalos. Las duraciones de la trama y del intervalo son 38.400 y 2560 chips, respectivamente. En FDD se utilizan las tramas y los intervalos como punto de referencia temporal. Cada trama se identifica por su SFN (System Frame Number), variable de 0 a 4095 (12 bits).

    CANALES FÍSICOS

    Los distintos canales físicos , en el orden que se van utilizando desde que se enciende el terminal hasta que tiene lugar una llamada, son los siguientes:
  • Canal de sincronización SCH (Syncronization Channel). Es un canal autónomo, por lo que no procede de ningún canal de transporte, y de sentido descendente. Se utiliza para la búsqueda de célula y adquisición de la temporización de trama por parte de la estación móvil.
  • Canal piloto común CPICH (Common Pilot Channel). Canal de enlace descendente utilizado por los terminales móviles para la selección inicial de celda previa a sincronización y recepción de señalización y recepción de usuario.
  • Canal común primario P-CCPCH (Primary-Common Control Physical Channel). Transporta el canal lógico Broadcast Control Channel BCCH. Se ensancha mediante canalización y aleatorización.
  • Canal de acceso PRACH (Primary Random Access Channel). Es un canal físico común de acceso por el que los UE solicitan recursos y pequeñas transmisiones de información.
  • Canal de indicación de adquisición AICH (Acquisition Indication Channel). LLeva los indicadores de adquisición AI (Acquisition Indicators) como respuesta a los preámbulos de acceso del PRACH.
  • Canal común secundario S-CCPCH (Secundary-Common Control Physical Channel). Transporta los canales FACH (Forward Access Channel) y PCH (Paging Channel).
  • Canales físicos ascendentes DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) y DPCCH (Dedicated Physical Control Channel). Estos dos canales se transmiten multiplexados en los ejes I-Q de modulación BPSK cada uno sobre su eje. El canal de datos transmite el canal de transporte Data Channel (DCH) mientras que el canal de control envía información de control generada en la capa física. Esta información física consiste en bits piloto para la estimación del canal radio ascendente, órdenes de control de potencia e información de realimentación.
  • Canal físico dedicado descendente DPDCH y DPCCH: Al igual que en el canal ascendente, en este caso estos canales transmiten en dirección descendente datos y control. También se puede denominar Dedicated Physical Channel (DPCH) al conjunto de estos dos canales.
  • Canal indicador de aviso PICH (Page Indicator Channel). Es un canal unidireccional descendente que transmite los indicadores de aviso PI (Page Indicators).
  • SISTEMA DE ANTENAS

    La norma UMTS abre la posibilidad de usar antenas inteligentes multihaz y especifica canales y subcanales físicos de radio para su empleo. Este tipo de antenas tienen un diagrama de radiación múltiple y configurable, por lo que pueden dirigir su radiación hacia donde se encuentren los usuarios. De este modo reducimos las interferencias y mejoramos la cobertura y el rendimiento de la transmisión en el enlace. Estas antenas son de conmutación entre haces o basadas en agrupaciones o arrays.

    HSDPA / HSUPA / HSPA+

    High Speed Downlink Packet Access es una evolución de UMTS que incrementa la capacidad de transmisión en el enlace descendente y reduce la latencia. La siguiente evolución fue High Speed Uplink Packet Access, que mejoró de igual manera el enlace ascendente. De forma conjunta se denomina a las dos normas anteriores como High Speed Packet Access HSPA, permitiendo alcanzar velocidades superiores a 10 Mb/s.

    HSDPA

    También conocida como 3.5G, 3G+, mini 3G Turbo3G, es la optimización de la tecnología espectral presente en UMTS mediante WCDMA incluida en las especificaciones de 3GPP Release5 y consiste en un nuevo canal compartido en el enlace descendente que mejora la capacidad máxima de trasferencia de información.
    El nuevo canal compartido en sentido descendente se trata de un canal de transporte descendente común denominado High Speed Downlink Shared Channel HS-DSCH y también se añaden nuevos canales físicos.
    Se define la subtrama, que es una nueva división temporal con 2 ms de duración, para realizar operaciones en la interfaz radio.
    Además, HSDPA utiliza las nuevas modulaciones 16-QAM y 64-QAM además de las ya existentes en UMTS. En lugar de control de potencia como se realizaba en UMTS en HSDPA tiene lugar la modulación y codificación en función del canal radio.
    Por último también se añade la técnica Hybrid Automatic Repeat reQuest  HARQ con combinación de retransmisiones y planificación de usuarios dependiente del estado del canal radio. Esto se gestiona en el terminal móvil y en la estación base mediante una nueva subcapa MAC-hs.
    Por norma general HSDPA utiliza la misma frecuencia portadora que UMTS, por lo que comparte potencia de transmisor de la estación base y códigos OVSF. Se considera prioritario UMTS, de modo que HSDPA utiliza la potencia y los códigos y que no estén siendo utilizados por UMTS.
    Esta tecnología se considera un paso previo al 4G, aunque también se ha desarrollado la especificación 3.9G antes del lanzamiento del 4G. Al ser totalmente compatible con WCDMA la mayoría de los proveedores UMTS ahora ofrecen soporte HSDPA.

    canales en hsdpa

    Se definen nuevos canales físicos:
  • High Speed Physical Downlink Shared Channel (HS-PDSCH): Es un conjunto de canales físicos en sentido descendente que llevan el canal de transporte HS-DSCH (High Speed Download Shared Channel). A cada usuario se le pueden asignar varios canales HS-PDSCH en paralelo
  • High Speed Shared Control Channel (HS-SCCH): Conjunto de canales descendentes que se utilizan para la asignación de recursos a usuarios. Cada canal contiene información para un único usuario. Puede haber varios canales HS-SCCH para poder asignar recursos simultáneamente a varios usuarios.
  • High Speed Dedicated Physical Control Channel (HS-DPCCH): Canal dedicado en sentido ascendente que lleva señalización asociada a cada usuario. Contiene informes de calidad del canal radio y ACK/NACK como señales de acuse de recibo.
  • La siguiente figura muestra como HSDPA combina los conceptos de canales dedicados y compartidos. Para datos de usuarios se usa un enlace descendente o varios compartidos (HS-PDSCH). Estos enlaces pueden ser compartidos entre varios usuarios. De esta manera podemos enviar datos a varios clientes simultáneamente o incrementar la velocidad de transmisión para un único usuario empleando varios canales. Cada canal HS-PDSCH usa un factor de ensanchamiento de 16, lo que significa que hasta 15 canales pueden ser usados por una única celda. Cuando las condiciones de recepción lo permiten una mejor modulación y codificación se pueden utilizar para aumentar la capacidad de transmisión.


    En la práctica muchos operadores de red usan al menos 2 canales de 5-MHz por sector en áreas de alta carga de forma que las llamadas de voz tengan menor impacto en la capacidad disponible para acceso a internet de alta velocidad. El retraso, ancho de banda y pérdidas en traspasos no están garantizados en una conexión HSDPA. El ancho de banda disponible para un usuario depende de otros factor tales como la calidad de la señal y el número de usuarios simultáneos en la célula. De esta forma, HSDPA sacrifica el concepto de un canal dedicado con un ancho de banda garantizado a cambio de un incremento de ancho de banda significativo, lo cual es beneficioso para la corriente de aplicaciones multimedia actual.
    La asignación de timeslots en los canales HS-DSCH compartidos se realiza mediante broadcast a través de los canales de control compartido de alta velocidad (HS-SCCHs), los cuales usan un factor de ensanchamiento de 128. Además de los canales compartidos, una conexión HSDPA requiere de un número de canales dedicados por subscriptor:
  • Un canal de control físico dedicado (DPCCH) ya especificado anteriormente con un factor de ensanchamiento de 256 para información de control. Este canal usa su propio código de canal y no es transmitido con otros canales mediante multiplexación.
  • Un canal de control dedicado Dedicated Control Channel (DCCH) para mensajes de control de recursos de radio Radio Resources Control(RRC) en ambas direcciones entre el móvil y la estación base.
  • Un canal de tráfico dedicado o Dedicated Traffic Channel (DTCH) para datos de usuario IP en dirección ascendente. HSDPA solamente usa canales compartidos en sentido descendente. La portadora en sentido ascendente puede tener un ancho de banda de 64, 128 o 384 kbit/s o más si HSUPA es soportado.
  • Opcionalmente un canal de tráfico dedicado DTCH adicional en ambas direcciones para el caso de una conexión con conmutación de circuitos, como en el caso de una llamada de voz. El canal tiene un ancho de banda de hasta 64 kbit/s.
  • MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN ADAPTATIVA

    Los bits de las capas superiores se entregan a la capa física en forma de bloques de transporte del canal HS-DSCH, con un periodo de 2 ms. A estos bloques de bits se les aplica un CRC para detectar errores y un turbo código de tasa 1/3 que funciona como código corrector, sobre el que se llevará a cabo eliminación o repetición de bits hasta alcanzar la tasa de codificación adecuada. El número de bits de la fuente vendrá determinado por el estado del canal radio. Por tanto, la tasa de codificación dependerá del estado del canal.
    La adaptación de la tasa funciona conjuntamente con la generación de retransmisiones, ya que al retransmitir un bloque si usamos redundancia incremental se pueden enviar bits codificados de forma diferente.
    Finalmente se aplica entrelazado, los bits se agrupan en símbolos y se procede a la modulación.
    Para alcanzar la máxima capacidad posible, siempre y cuando haya unas condiciones de transmisión óptimas, se han introducido nuevos esquemas de modulación al ya existente QPSK. Estos son todos los esquemas posibles:
  • QPSK, que transmite 2 bits/símbolo
  • 16-QAM, transmite 4 bits/símbolo
  • 64-QAM, transmite 6 bits/símbolo
  • Dos canales simultáneos a la misma frecuencia empleando MIMO (Multiple Input Multiple Output)
  • La doble portadora en HSDPA fue especificada para dos portadoras de 5 MHz adyacentes.
    Además de cambiar el tipo de modulación, la red también puede cambiar la codificación y el número de canales descendentes compartidos para un dispositivo móvil. Estos factores están influenciados por el Índice de Calidad del Canal (CQI) que es reportado por el dispositivo móvil con cierta frecuencia. Este índice tiene un rango entre 1 (muy malo) a 31 (muy bueno) y específica a la red cuantos bits de redundancia son requeridos para mantener la tasa de error por bloque Block Error Rate (BLER) por debajo del 10%. Esto quiere decir que a peores condiciones usamos un mayor número de bits para detección y corrección de errores.
    También mediante esta adaptación también podemos mantener la potencia necesaria para los canales HSDPA en un nivel constante o variarlo cuando la carga del canal varía. Únicamente si el nivel de potencia no puede ser incrementado más para asegurar una conexión estable la red aumenta el factor de ensanchamiento para reducir el ancho de banda de la conexión.
    La capacidad del dispositivo móvil y de la red limita teóricamente el bit rate máximo. El estándar define un número de diferentes categorías. En la siguiente tabla podemos observar alguna de esas categorías y sus propiedades:

    Categoría HS-DSCH Nº Máximo de canales simultáneos Mejor modulación MIMO / Portadora dual Tasa de codificación Bitrate máximo
    6 5 16-QAM - 0.76 3.6
    8 10 16-QAM - 0.76 7.2
    9 15 16-QAM - 0.7 10.1
    10 15 16-QAM - 0.97 14.4
    14 15 64-QAM - 0.98 21.1
    16 15 16-QAM MIMO 0.97 27.9
    20 15 64-QAM MIMO 0.98 42.2
    24 15 64-QAM DC 0.98 42.2
    28 15 64-QAM DC + MIMO 0.98 84.4

    Algunos de los factores que influyen en el bit rate máximo alcanzado son:
  • Calidad de la señal
  • Número de usuarios HSDPA activos en una celda
  • Número de canales establecidos de voz y video telefonía.
  • Número de usuarios que emplean un canal dedicado para transmisión de datos.
  • Categoría del dispositivo móvil.
  • Ancho de banda de la conexión de la estación base al dispositivo móvil
  • Interferencias creadas por células vecinas.
  • Rendimiento posible del resto de partes de la red. Por muy alta que sea nuestra capacidad siempre puede haber cuellos de botella en otras partes de la comunicación.
  • HARQ

    Además de ofrecer mayor ancho de banda a los usuarios, HSDPA también reduce el retardo de ida y vuelta o Round-Trip Delay RTD cerca de los 100 ms. Esto es importante para aplicaciones como exploración web, que requiere varias tramas de ida y vuelta para la DNS y el establecimiento de las conexiones TCP antes de que el contenido web sea enviado al usuario. Para reducir el retardo de ida y vuelta RTD se reduce el tamaño de bloque a una duración de solo 2 ms, en lugar de los 10 ms que tiene los canales dedicados.
    HSDPA añade detección y corrección de errores además de los existentes en capas superiores. Se trata de HARQ. Son las siglas de Hybrid Automatic Repeat Request y se trata de un híbrido entre un método de corrección de errores hacia delante y un control de errores Automatic Repeat Request (ARQ). Junto con el bloque de 2 ms un bloque o trama incorrecta puede ser retransmitida en menos de 10ms. Esto es una significativa mejora en comparación con los canales dedicados, que necesitan entre 80 y 100 ms mínimo para la detección y retransmisión de una trama errónea.
    HARQ no utiliza un esquema de acuse de recibo en ventana deslizante sino que envía una confirmación ACK o indicación de error para cada trama. Este mecanismo se denomina Stop and Wait (SAW). La siguiente figura muestra como una trama es transmitida en dirección descendente y el receptor no puede decodificarla correctamente. Este envía una indicación de error a la base la cual retransmitirá la trama.

    Al no poder decodificar la trama de forma correcta el receptor envía una indicación de error al Nodo-B. Antes de la transmisión de la trama el nodo base informa al dispositivo móvil de la transmisión pendiente en el canal descendente compartido (HS-SCCH). Cada trama HS-SCCH contiene la siguiente información:
  • ID del dispositivo móvil al cual va a ser enviando la trama en uno o más canales HS-SCCH.
  • Código de canalización de los canales físicos compartidos HS-PDSCH.
  • Formato de transporte e indicador de recursos (Información de codificación de canal)
  • Tipo de modulación (QPSK, 16-QAM, 64-QAM, MIMO)
  • Numero de proceso HARQ.
  • Si el bloque contiene nuevos datos o está usado para retransmisiones y su versión de redundancia.
  • Cada trama es dividida en 3 slots y la información se envía una vez que el dispositivo móvil ha recibido los dos primeros slots de la trama de control. Esto significa que el canal de control compartido y el canal descendente compartido son enviados con una diferencia de un slot. Si la trama es correcta se envía un ACK y si es incorrecta un NACK. Para ahorrar tiempo el canal de control ascendente es también desplazado en el tiempo con respecto al de control. Todo este proceso permite retransmitir una trama rápidamente.
    El dispositivo debe ser capaz de manejar hasta 8 procesos HARQ simultáneamente para asegurar el flujo constante de datos.
    En el caso de la red tenemos dos opciones de retransmisión de trama . Si se emplea “Redundancia Incremental” entonces la red usa corrección de errores. Si una trama necesita ser retransmitida la red envía bits de redundancia diferentes a la trama original y combinándolos aumenta la probabilidad de que se recupere la trama correctamente. La otra forma es mediante Chase Combining HARQ y retransmite la trama con los mismos bits de redundancia. En lugar de combinar las dos tramas en la capa MAC, combina en la capa física la densidad de energía espectral de ambas tramas antes de decodificar la trama de nuevo Este método es usado para la retransmisión controlada por la red. El dispositivo móvil selecciona durante el establecimiento de red cuál de los dos métodos seleccionados puede soportar.

    HSUPA

    Debido a la aparición de aplicaciones peer-to-peer (P2P) tales como llamadas multimedia, videoconferencia y aplicaciones de redes sociales ha aumentado la demanda de un mayor ancho de banda para el canal ascendente. Durante mucho tiempo los canales han estado limitados a 64-128 kbit/s en UMTS y a 384 kbit/s en HSDPA bajo condiciones ideales. Era por tanto necesario mejorar el canal ascendente. HSUPA incrementa el canal ascendente hasta 5.76 Mbit/s en la versión 6 de 3GPP y 11.5 Mbit/s en la séptima versión. En condiciones reales se pueden alcanzar capacidades de 1-2 Mbit/s o incluso superiores.
    Para conseguir esto HSUPA continúa utilizando el concepto de canal dedicado de UMTS pero introduciendo un canal dedicado mejorado (E-DCH) únicamente para el canal ascendente. Este canal introduce varias mejoras para reducir el impacto de las aplicaciones que emplean envíos de información por ráfagas y que era el causante del desaprovechamiento del canal.
    El propósito principal del canal E-DCH es soportar streaming y servicios interactivos y en segundo plano. Para asegurar un buen rendimiento en aplicaciones en tiempo real tales como la videoconferencia el canal E-DCH también contiene mecanismos opcionales para asegurar un mínimo ancho de banda al usuario.
    También cabe añadir que el canal E-DCH es totalmente compatible con su antecesor. De esta forma la misma celda puede dar cabida a dispositivos móviles que empleen diferentes tecnologías.

    ESTRUCTURA DEL CANAL E-DCH

    Para este nuevo canal se añadieron una serie de canales adicionales, tanto en sentido ascendente como descendente. Estos se emplean junto con los ya existentes que son mostrados en la siguiente figura.

    Como aparece en la figura anterior, HSUPA introduce un nuevo canal de transporte llamado Enhanced-DCH (E-DCH). Este canal sigue siendo dedicado pero está adaptado a las especificaciones introducidas por HSDPA para los enlaces descendentes. Esta serie de cambios son:
  • Programación del nodo-B: En vez de ser gestionados por el RNC, los canales E-DCHs son gestionados por el Nodo-B. Permite una reacción más rápida debido a los errores de transmisión.
  • HARQ: Emplea el mismo método empleado en HSDPA para los canales descendentes. También emplea los mecanismos de redundancia incremental y chase combining.

  • En la capa física el canal E-DCH se divide en dos canales:
  • Enhanced Dedicated Physical Data Channel (E-DPDCH): es el canal de transporte principal. El factor de ensanchamiento es flexible y depende de las condiciones de la señal y de la cantidad de datos a enviar, de forma similar que ocurre en HSDPA.
  • El Radio Resource Control (RRC) empleada para la señalización entre móvil y RNC.

  • Por cada trama E-DPDCH se envía una trama de control al nodo-B y contiene los 7 bits del formato de tráfico o Traffic Format Combination ID (TFCI) para elegir la modulación y codificación óptima.
    La siguiente tabla muestra la tasa binaria bruta resultante en función del factor de ensanchamiento y del número de canales posibles.
    Categoría Modulación Conjunto de canales E-DPDCH Tamaño máximo del bloque de transporte según TTI Velocidad máxima (Mbit/s)
    2 QPSK 2x SF-4 14592 bits (10 ms) 1.5
    6 QPSK 2x SF-2 + 2 x SF-2 20000 bits (10 ms) 2
    6 QPSK 2x SF-4 + 2 x SF-2 11484 bits (2 ms) 5.7
    7 16-QAM 2x SF-2 + 2 x SF-2 22996 bits (2 ms) 11.5
    El número máximo de canales simultáneos en para un dispositivo móvil es 4, pudiendo emplear un factor de ensanchamiento Spreading Factor(SF) de 2 o 4. A estas velocidades de transmisión deben descontarse las retransmisiones y las cabeceras.

    ACCESO AL CANAL

    CDMA

    La técnica de acceso múltiple CDMA o Code Division Multiple Access se basa en la utilización de señales de espectro expandido. Es una técnica de codificación que emplea un código para modular digitalmente la portadora, de forma que aumenta el ancho de banda y reduce la densidad de potencia espectral.

    Dentro de esta tecnología de espectro tenemos dos tipos: de secuencia directa y de salto de frecuencia. Aunque la segunda también se emplea en radiofrecuencia nos centraremos en la secuencia directa o DS-CDMA.
    En DS-CDMA se genera una secuencia de bits redundante para cada uno de los bits que componen la señal. DS-CDMA tiene características de limitación por interferencia y buen comportamiento frente al multitrayecto. La siguiente figura representa un sistema de comunicaciones CDMA con receptor multiusuario.
    A continuación veremos los fundamentos del método de acceso CDMA utilizando un modelo sencillo. UTRAN usa DS-CDMA y como el espectro se ensancha hasta algo menos de 5MHz a este tipo de CDMA se le denomina WCDMA ( Wideband-CDMA).

    Sistema CDMA ortogonal

    El modelo se basa en las siguientes hipótesis:
  • Sistema CDMA con modulación y ensanchamiento BPSK, con factor de ensanchamiento C.
  • Canal sin variación ni dispersión temporal.
  • Pulso de chirp de duración limitada a T C.
  • Consideramos un sistema con K usuarios que transmiten hacia una estación receptora donde todas las señales llegan de forma síncrona. El usuario de referencia es j y cada usuario transmite una señal de espectro ensanchado mediante modulación y ensanchamiento BPSK sobre una portadora de las secuencias de información D k[n] y código G k[p]. La señal paso bajo equivalente recibida del usuario k es:


    La señal total recibida es la superposición de la señal deseada r j(t), las señales que interfieren r k(t), k≠j, y el ruido térmico que se modela como un proceso AWGN con densidad espectral de potencia N 0.


    Si utilizamos una familia de secuencias código ortogonal que verifiquen:


    Todos los términos resultantes se anularán excepto los correspondientes a la señal útil y al ruido térmico, de modo que U j[n]=A jD j[n]+Z j[n] siendo


    El primer término AjDj[n] es el término útil y es igual a la amplitud de la señal recibida, o bien cambiada de signo. Zj[n] es la componente debida al ruido térmico y al ser una variable aleatoria gaussiana tiene media nula y varianza N 0/T B.

    Tipo de secuencias código

    Las secuencias empleadas son de dos tipos: pseudoaleatorias y ortogonales. Las secuencias pseudoaleatorias se acaban repitiendo al cabo de un tiempo determinado y el producto entre dos secuencias diferentes no es exactamente cero. Las secuencias ortogonales si cumplen este requisito pero siempre y cuando las secuencias en cuestión mantengan una sincronización mutua, de manera que la comunicación se pierde cuando tienen lugar desplazamientos temporales entre ellas. La propiedades de correlación están ligadas al número de chips (estado de la señal digital moduladora resultado de multiplicar la señal en banda base por la secuencia) que se multiplican. Esto implica que la longitud del símbolo varía y con ello el número de chips y sus velocidades. Para solucionar este problema se emplean secuencias ortogonales de factor de ensanchamiento variable OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor).

    SECUENCIAS OVSF

    Son secuencias ortogonales cuyo periodo puede variarse, de forma que se adapta a la duración del símbolo empleado en cada momento y así la correlación se hace siempre sobre el periodo de la secuencia, manteniendo sus propiedades estables.
    Se obtienen según un esquema con forma de árbol. Una vez utilizada una secuencia en concreto no es posible seleccionar ninguna que pertenezca a alguna rama ligada a dicha secuencia. Partiendo de una secuencia de factor de ensanchamiento uno (de la misma velocidad que la señal en banda base), se derivan sendas ramas correspondientes a una pareja de secuencias de factor de ensanchamiento dos, de cada una de ellas dos de factor cuatro y etc. La siguiente figura ilustra el concepto:


    Otra característica de la técnica CDMA es la de “respiración celular”, que describe el aumento o reducción de cobertura de una célula DS-CDMA a medida que disminuye aumenta su carga de tráfico. Esto es debido a que el desacoplo entre comunicaciones no es perfectamente ortogonal, de manera que persiste un residuo de interferencia procedente de las comunicaciones ajenas que coexiste simultáneamente en el espacio radioeléctrico.
    Por último también cabe destacar la diferencia con las anteriores técnicas FDMA o TDMA con respecto al multitrayecto y el traspaso de llamadas.
    Con respecto al multitrayecto la señal recibida es correlada con respecto a las versiones desplazadas de dicha secuencia para obtener la parte de señal transportada por éstos. Posteriormente y una vez recuperadas todas las partes y alineadas estas se suman, logrando una reconstrucción constructiva.
    Para el traspaso de llamadas, como podemos transmitir desde células diferentes la misma señal hacia el terminal móvil, correlamos cada trayecto con la secuencia empleada por la célula correspondiente y se suman las contribuciones en banda base de cada trayecto. Como se recibe la combinación de las señales de todas las células el usuario no percibe la desaparición de las señales procedentes de células con bajo nivel de sensibilidad. El inconveniente de esta técnica es la necesidad de destinar más recursos para una misma transmisión, afectando a la capacidad total del sistema. También, visto desde el enlace ascendente, esto permitiría que el móvil radie menos potencia que si tuviese que retener la conexión con su célula de origen antes de cambiar a otra, por lo que el ajuste de potencia es variable y nos permite ahorrar autonomía.

    MIMO

    Es el acrónimo de Multiple Input Multiple Output. Mediante esta técnica la señal se propaga mediante diferentes caminos para aumentar la capacidad de transmisión y reducir la tasa de error. De esta forma se puede llegar a lograr hasta tasas de 600 Mbps teóricamente.
    Esta forma de transmisión y recepción se verá más adelante, en la cuarta generación de comunicaciones, que es donde ha comenzado a ser utilizada.

    modulación empleada

    QPSK

    Esta modulación es una extensión de la anteriormente vista modulación BPSK. En este caso tenemos 2 bits por símbolo y la fase entre uno y otro es de π/2. El diagrama de constelaciones se encuentra representado en la siguiente figura.


    La salida del modulador es la portadora con una fase de entre cuatro posibles. Como se puede observar en la constelación, QPSK puede también identificarse como la suma de dos señales BPSK independientes con portadoras en cuadratura. Por lo tanto se mantiene la misma tasa de error que en la modulación BPSK.
    El modulador se puede diseñar de dos formas distintas, mediante representación polar y mediante cuadratura. En la forma polar primero se calcula el desplazamiento de la fase en cada símbolo y se modula la portadora. En el método de cuadratura empleamos los canales I y Q y la señal modulada se obtiene como la suma de sus proyecciones hacia los ejes. De esta forma cada canal contiene una modulación BPSK. La constelación de este segundo método se representa en la siguiente figura.


    Mediante este diagrama se obtiene la señal modulada como la suma de sus proyecciones a los ejes y se emplea el concepto de los canales I y Q.
    Y en la siguiente figura se representa el esquema para la modulación mediante el método de cuadratura.


    En el diagrama se puede observar como tiene lugar el desplazamiento de fase para cada uno de los símbolos y su posterior suma para conformar el canal en cuadratura. Este es el esquema de modulación QPSK más sencillo.

    QAM

    La modulación en amplitud de cuadratura se puede considerar una extensión de QPSK. De igual forma que en QPSK en QAM la señal se puede representar en las componentes de fase y cuadratura aunque en este caso las posiciones de cada símbolo se distribuyen por todo el área del diagrama de constelaciones, en lugar del círculo. La señal modulada en QAM tiene la forma:

    Donde M=2 kes el número de símbolos, k el número de bits por símbolo y las componentes de b representan a los canales de fase y cuadratura. En la siguiente figura podemos observar el esquema de un modulador típico en QAM.


    El flujo de datos se divide en bloques de k/2 bits, generando dos señales independientes que corresponden a los canales I y Q. El mapeador conforma estas señales mediante modulación multinivel en banda base y posteriormente estas señales se suman a la salida para dar como resultado la señal QAM correspondiente.
    En la siguiente figura podemos observar el diagrama de constelación para M=16, lo que correspondería a la modulación 16-QAM, en comparación con el diagrama 16-PSK. De esta representación se puede obtener dos conclusiones rápidamente: En QAM la distancia entre símbolo es mayor al encontrarse repartidos los símbolos por todo el diagrama, por lo que la probabilidad de error será menor que en PSK y que la modulación QPSM puede representarse como una modulación 4-QAM en banda base bipolar.


    En el caso de una modulación 64-QAM, también empleada en las comunicaciones móviles, tenemos 64 símbolos distintos con 6 bits por símbolo. A continuación se muestra su diagrama de constelación.


    En esta figura se puede observar la modulación de la portadora para los canales de cuadratura y fase y como se modula en amplitud cada componente mediante múltiples niveles.


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