2 Conceptos UMTS - Universidad de Sevilla

Sistema HSDPA – Banda Ancha Móvil
Escuela Superior de Ingenieros - Universidad de Sevilla
Ingeniería de Telecomunicación
2 Conceptos UMTS
A continuación pasaremos brevemente a repasar algunos conceptos que nos permitan
desarrollar en profundidad la tecnología de HSDPA. Puesto que como ya hemos
mencionado, HSDPA se apoya sobre las redes UMTS, parece lógico apuntar algunos
conceptos básicos como son las características de WCDMA y la arquitectura de las redes
de acceso en UMTS.
2.1 Introducción a WCDMA
Las redes UMTS se apoyan en la tecnología de acceso radio WCDMA, que es una
técnica de acceso múltiple por división de códigos de banda ancha (DS-CDMA), es decir,
los bits de información de usuario son expandidos sobre un ancho de banda amplio por
multiplicación de los datos de usuario con unos bits quasi-aleatorios, llamados chips,
procedentes de códigos de ensanchado CDMA. Se utilizan factores de ensanchado y
variables conexiones multi-código.
La tasa de chip utilizada en UMTS es fija a 3,84 Mchip/s que nos lleva a un ancho de
banda por portadora de 5 MHz aproximadamente.
Podemos ilustrar la base del ensanchado con un sencillo ejemplo en el que tenemos una
secuencia de bits de usuario modulados como ±1 con tasa R. Ensanchamos o expandimos
estos bits con una secuencia de 8 bits de código, en adelante chips. Esto nos lleva a que la
secuencia resultante tiene una tasa de 8 x R. Esta secuencia ensanchada o de banda
ancha sería la transmitida hacia el receptor.
En la recepción tenemos el de-ensanchado (despreading) multiplicando la señal recibida
(secuencia de chips) con el mismo código de ensanchado, es decir, el mismo código de 8
chips. De esta forma recuperamos perfectamente la secuencia de bits original. Podemos
ver esto en la figura 6:
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Figura 1 Ensanchado y de-ensanchado
Además explicamos la función básica de la recepción correlada en CDMA. En la figura 7
se muestran los dos casos. La mitad superior muestra la recepción de la señal deseada y la
mitad inferior señales de otros usuarios utilizando por tanto otros códigos de ensanchado.
La correlación suma el producto de “datos x código” para cada bit de usuario.
Para el caso de señales de otros usuarios, el resultado de la integración da valores
alrededor de 0.
La amplitud para señal propia tras la integración aumenta en un factor 8 respecto a la
señal de otros usuarios, es decir, la detección correlada ha mejorado la señal de usuario
en un factor igual al factor de ensanchado (spreading factor) en relación a la interferencia
presente (esto es el resto de usuarios). Este efecto es llamado ganancia de procesado y es
fundamental en los sistemas de multiplexación por códigos dándoles la robustez
necesaria contra la interferencia generada para reutilizar la banda 5 MHz de las
portadoras de frecuencia en distancias cercanas.
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Figura 2. Principio de correlación en recepción
En el caso de una red real WCDMA, el servicio de voz con una tasa de usuario de 12,2
Kbps tiene una ganancia de procesado de 25 dB = 10 x log10 (3,84 e6/12,2e3). Tras el deensanchado la energía de la señal necesita estar unos pocos decibelios sobre la
interferencia y el ruido térmico. La energía necesaria sobre la energía del ruido tras el deensanchado se denomina Eb/N0. Para el servicio de voz este valor es típicamente de unos
5 dB. Entonces la relación entre la señal ensanchada y el ruido sería 5 dB menos la
ganancia de procesado (25 dB) = - 20 dB. Es decir, la señal puede estar 20 dB por debajo
del ruido o interferencia y el detector WCDMA puede detectar la señal original.
Esta relación señal (ensanchada) – ruido, se denomina comúnmente SIR (Signal to
Interferente Ratio).
El ensanchamiento de la señal se compone de dos procesos, codificación de scrambling y
codificación de canal.
Además del ensanchamiento, se utilizan los códigos de scrambling para diferenciarse los
distintos terminales y estaciones base. Se aplica tras el ensanchamiento, por lo que no
modifica el ancho de banda de la señal sino que hace que las señales de diferentes fuentes
sean distinguibles.
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Los códigos de canalización (también llamados de ensanchado) consiguen el
ensanchamiento de la señal. Diferentes transmisiones desde un mismo origen se
distinguen gracias a estos códigos.
Están basados en la técnica OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor).
La figura 8 muestra la relación entre los códigos de scrambling y los de canalización
junto con la tasa utilizada:
Figura 3. Relación entre scrambling y ensanchado
2.2 Arquitectura de redes UMTS
La arquitectura de las redes de acceso en UMTS (UTRAN) se describe brevemente a
continuación. Las modificaciones introducidas por HSDPA serán tratadas más adelante.
La figura 9 da una visión de la arquitectura UTRAN.
Figura 4. Arquitectura UTRAN
El Interfaz Uu o interfaz radio utiliza la técnica WCDMA y ha sido descrito brevemente
en el capítulo anterior.
La red UTRAN está formada por los elementos RNC o controlador de Red Radio, y
NodoB, estación Base. La red UTRAN se comunica con el núcleo de red o CORE, MSC
(para servicios de conmutación de circuitos) y SGSN (conmutación de paquetes) a través
de los interfaces Iu-CS e Iu-PS.
El modelo de protocolos de la red UTRAN se muestra en la figura 10:
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Figura 5. Modelo de protocolos en UTRAN
Dentro de la red UTRAN se distinguen los interfaces Iur (RNC-RNC) e Iub (RNCNodoB).
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Interfaz Iur:
Este interfaz es usado para la comunicación entre diferentes RNCs. Se diseñó
principalmente para soportar los traspasos entre RNCs.
El protocolo de señalización usado es el RNSAP. A continuación se muestra la
pila de protocolos usado en este interfaz.
Figura 6. Pila de protocolos en Iur
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Interfaz Iub:
Este interfaz es usado para la comunicación entre NodoB y RNC. Existe por un
lado el plano de control que se utiliza para la gestión de los recursos del NodoB
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por parte del RNC y el plano de usuario donde se establecen las comunicaciones
de los usuarios.
Se muestra a continuación la pila de protocolos usada en este interfaz.
Figura 7. Pila de protocolos en Iub
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