Análisis Del Rendimiento De Los Esquemas De Acceso

“ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO DE LOS ESQUEMAS DE ACCESO
PROPUESTOS POR LA ITU (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS
UNION) Y ETSI (EUROPEAN TELECOMMUNICATIONS STANDARD
INSTITUTE) PARA LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS DE
TERCERA GENERACIÓN, COMO SOPORTE DE LOS SERVICIOS
MULTIMEDIA”
HERNÁN PAZ PENAGOS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
MAESTRÍA EN TELEINFORMÁTICA
BOGOTÁ D.C.
2002
“ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO DE LOS ESQUEMAS DE ACCESO
PROPUESTOS POR LA ITU (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS
UNION) Y ETSI (EUROPEAN TELECOMMUNICATIONS STANDARD
INSTITUTE) PARA LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS DE
TERCERA GENERACIÓN, COMO SOPORTE DE LOS SERVICIOS
MULTIMEDIA”
HERNÁN PAZ PENAGOS
Proyecto para optar al título de Magíster en Teleinformática
Director
IVAN SÁNCHEZ
Ingeniero Electrónico, Magíster en Telemática
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
MAESTRÍA EN TELEINFORMÁTICA
BOGOTÁ D.C.
2002
ii
NOTA DE ACEPTACIÓN
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------Ing. IVAN SÁNCHEZ.
Director.
-------------------------------------------------Ing. ALVARO BETANCOURT U.
Jurado.
-------------------------------------------------Ing. IVAN GONZALEZ
Jurado.
Bogotá, Marzo del 2002.
iii
TABLA DE CONTENIDOS
Pág.
INTRODUCCIÓN.
xiii
1. COMUNICACIONES ALAMBRICAS E INALÁMBRICAS.
1.1.
1
TIPOS DE ACCESO ALAMBRICO E INALAMBRCICO QUE DAN
SOPORTE A SERVICIOS MULTIMEDIA.
1
1.1.1. INTRODUCCIÓN.
1
1.1.2. ACCESO POR PARES DE COBRE.
2
1.1.3. ACCESO MEDIANTE HÍBRIDAS FIBRA ÓPTICA Y CABLE COAXIAL 7
1.1.4. ACCESO POR FIBRA ÓPTICA.
8
1.1.5. ACCESO INALÁMBRICO.
9
1.1.
COMPARACIÓN
ENTRE
EL
ACCESO
ALÁMBRICO
INALÁMBRICO.
E
12
2. COMUNICACIONES CELULARES INALÁMBRCIAS.
13
2.1.
INTRODUCCIÓN.
13
2.2.
EVOLUCIÓN DE LA TELEFONÍA CELULAR POR GENERACIONES 13
2.2.1. PRIMERA GENERACIÓN.
16
2.2.2. SEGUNDA GENERACIÓN.
19
2.2.3. TERCERA GENERACIÓN.
20
2.2.3.1.
GENERALIDADES.
20
2.2.3.2.
EVOLUCIÓN HACIA SISTEMAS DE TERCERA GENERACIÓN.
21
2.2.3.2.1. ORIGEN.
22
2.2.3.2.2
PROYECTOS PRECURSORES DE LOS SISTEMAS 3G.
23
2.2.3.3.
OBJETIVOS DE LAS NORMAS 3G.
27
iv
2.2.3.4.
ACCESO DE RADIO.
27
2.2.3.5.
ASPECTOS ESENCIALES QUE CARACTERIZAN A LAS NORMAS
3G.
29
2.2.3.6.
TIPOS DE TRÁFICO 3G.
30
2.2.3.7.
ARQUITECTURA ESPECÍFICA 3G: UMTS.
30
2.2.3.8.
NIVELES DE SERVICIOS 3G.
31
2.2.3.9.
ESCENARIOS 3G.
32
2.2.4. CUARTA GENERACIÓN.
33
2.2.5. COMPARACIÓN ENTRE LAS GENERACIONES 1G-2G Y 2G-3G.
34
2.3.
ESTADO ACTUAL DE LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS. 36
2.4.
MERCADO DE LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS.
38
2.4.1. PARTICIPACIÓN DE 1G Y 2G EN EL MERCADO DE LAS
COMUNICACIONES.
2.4.2. CRECIMIENTO
EN
39
USUARIOS
DE
LOS
SISTEMAS
COMUNICACIONES MÓVILES Y FIJOS.
DE
40
2.4.3. PROYECCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS.
41
3. ACCESO RADIO.
43
3.1.
INTRODUCCIÓN.
43
3.2.
JUSTIFICACIÓN DEL ACCESO RADIO.
44
3.3.
ESQUEMAS DE ACCESO EN COMUNICACIONES INALÁMBRICAS.
44
3.3.1. FDMA: ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE FRECUENCIA.
44
3.3.1.1.
INTRODUCCIÓN.
44
3.3.1.2.
OFDMA
(ORTHOGONAL
FREQUENCY
DIVISION
MULTIPLEXING ACCESS: ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE
FRECUENCIA ORTOGONAL).
3.3.1.3.
3.3.1.4.
46
W-OFDM (WIDEBAND ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION
MULTIPLEXING).
47
VENTAJAS Y DESVENTAJAS.
48
3.3.2. TDMA: ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE TIEMPO.
48
3.3.2.1.
48
INTRODUCCIÓN.
v
3.3.2.2.
ESTÁNDARES INALÁMBRICOS CON TÉCNICAS DE ACCESO
TDMA.
50
3.3.2.3.
ESTRUCTURA DEL MARCO TDMA.
50
3.3.2.4.
TRANSMISIÓN TDMA.
53
3.3.2.5.
ESTRUCTURAS JERÁRQUICAS CELULARES: HCS.
53
3.3.2.6.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE TDMA.
55
3.3.3. CDMA: ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE CÓDIGO.
57
3.3.3.1.
CONCEPTOS BÁSICOS.
57
3.3.3.2.
TÉCNICAS DE ENSANCHADO.
59
3.3.3.3.
TIPOS DE TÉCNICAS DE ENSANCHADO EN MODULACIÓN. 63
3.3.3.4.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ESPECTRO EXTENDIDO.
67
3.3.3.5.
BENEFICIOS DE LA TECNOLOGÍA CDMA.
68
3.4.
COMPARACIÓN ENTRE LOS ESQUEMAS DE ACCESO.
69
3.4.1. VELOCIDAD DE LOS DATOS.
69
3.4.2. SENSIBILIDAD FRENTE AL RUIDO.
70
3.4.3. CAPACIDAD DEL SISTEMA.
70
3.4.4. LIMITACIÓN EN EL ACCESO AL SERVICIO CUANDO SE HA
ALCANZADO LA CAPACIDAD MÁXIMA DEL SISTEMA.
71
3.4.5. COBERTURA.
72
3.4.6. EXIGENCIA DE ESPACIO Y PLANTA DE ENERGÍA.
72
3.4.7. SINCRONIZACIÓN.
72
4. ESQUEMAS DE ACCESO DE TERCERA GENERACIÓN.
74
4.1.
INTRODUCCIÓN.
74
4.2.
EVOLUCIÓN DE LAS NORMAS.
74
4.2.1. NORMAS DE PRIMERA GENERACIÓN.
74
4.2.2. NORMAS DE SEGUNDA GENERACIÓN.
75
4.2.2.1.
EN EUROPA.
76
4.2.2.2.
EN ESTADOS UNIDOS.
82
4.2.2.3.
EN JAPÓN.
85
4.3.
EVOLUCIÓN HACIA TERCERA GENRACIÓN.
4.3.1. EVOLUCIÓN DE GSM HACIA 3G.
vi
85
87
4.3.2. EVOLUCIÓN DE TDMA HACIA 3G.
93
4.3.3. EVOLUCIÓN DE CDMA HACIA 3G.
94
4.4.
INTRODUCCIÓN A LOS ESQUEMAS DE ACCESO 3G.
96
4.5.
ESTANDARIZACIÓN
DE
LOS
SISTEMAS
DE
TERCERA
GENERACIÓN.
4.5.1. IMT-DS
(SECUENCIA
(WIDEBAND
CODE
97
DIRECTA):
DIVISIÓN
UTRA
FDD
MÚLTIPLE
ó
W-CDMA:
ACCESS:
ACCESO
MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE TIEMPO DE BANDA ANCHA).
4.5.2. IMT-MC (MULTIPORTADORA): CDMA2000.
99
101
4.5.3. IMT-TC (PORTADORA EN EL TIEMPO): FD-SCDMA Y UTRA-TD. 105
4.5.4. TDD-CDMA
(TIME
DIVISIÓN
DUPLEXING-CODE
DIVISIÓN
MULTIPLE ACCESS: DUPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE TIEMPO EN
ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE CÓDIGO).
105
4.5.5. IMT-SC (PORTADORA ÚNICA): UWC-136 EDGE.
107
4.5.6. IMT-FT (TIEMPO FRECUENCIA): DECT.
110
5. ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO DE LAS NORMAS SELECCIONADAS
PARA TERCERA GENERACIÓN.
113
5.1.
INTRODUCCIÓN.
113
5.2.
EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA ESPECTRAL DE LOS ESQUEMAS
DE ACCESO DE TERCERA GENERACIÓN.
114
5.2.1. EFICIENCIA ESPECTRAL EN W-CDMA Y CDMA2000.
114
5.2.2. EFICIENCIA ESPECTRAL EN UWC-136 Y DECT.
115
5.2.3. ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA EFICIENCIA ESPECTRAL.
116
5.3.
EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE LOS ESQUEMAS DE ACCESO
DE TERCERA GENERACIÓN.
120
5.3.1. CAPACIDAD EN LAS NORMAS W-CDMA Y CDMA2000.
121
5.3.2. CAPACIDAD EN LAS NORMAS UWC-136 Y DECT.
123
5.3.3. ANÁLISIS COMPARATIVO FRENTE A LA CAPACIDAD.
126
5.4.
EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LAS NORMAS 3G FRENTE AL
RUIDO Y LA INTERFERENCIA.
vii
128
5.4.1. DESEMPEÑO DE W-CDMA Y CDMA2000 FRENTE AL RUIDO Y LA
INTERFERENCIA.
128
5.4.2. DESEMPEÑO DE UWC-136 Y DECT FRENTE AL RUIDO Y LA
INTERFERENCIA.
5.4.3. ANÁLISIS
131
COMPARATIVO
FRENTE
AL
RUIDO
Y
INTERFERENCIA.
5.5.
EVALUACIÓN
LA
132
DEL
MULTITRAYECTORIA
EN
DESVANECIMIENTO
LOS
ESQUEMAS
DE
ACCESO
TERCERA GENERACIÓN.
POR
DE
134
5.5.1. DESVANECIMIENTO POR MULTITRAYECTORIA EN W-CDMA Y
CDMA2000.
136
5.5.2. DESVANECIMIENTO POR MULTITRAYECTORIA EN UWC-136 y
DECT.
5.5.3. ANÁLISIS
138
COMPARATIVO
DEL
DESVANECIMIENTO
MULTITRAYECTORIA.
5.6.
139
EVALUACIÓN DE LA COBERTURA EN LOS ESQUEMAS DE ACCESO
DE TERCERA GENERACIÓN.
140
5.6.1. COBERTURA EN W-CDMA Y CDMA2000.
141
5.6.2. COBERTURA EN UWC-136 Y DECT.
141
5.6.3. ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA COBERTURA.
141
5.7.
PROBABILIDAD DE ERROR EN LOS ESQUEMAS DE ACCESO DE
TERCERA GENERACIÓN.
143
5.7.1. PROBABILIDAD DE ERROR EN W-CDMA Y CDMA2000.
143
5.7.2. PROBABILIDAD DE ERROR EN UWC-136 Y DECT.
143
5.7.3. COMPARACIÓN DE LA PROBABILIDAD DE ERROR.
144
6. W-CDMA.
146
6.1.
INTRODUCCIÓN.
146
6.2.
GENERALIDADES.
146
6.3.
ASPECTO TÉCNICO.
147
6.4.
BANDAS DE FRECUENCIA.
148
6.5.
CARACTERÍSTICAS.
151
viii
6.6.
MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN W CDMA.
153
6.7.
CODIFICACIÓN W-CDMA.
155
6.8.
ARQUITECTURA W-CDMA.
157
6.9.
ESTRUCTURA JERÁRQUICA DE CELDAS.
158
6.10.
FUNCIONAMIENTO.
160
6.11.
SERVICIOS W-CDMA.
162
6.12.
PROCESO DE MIGRACIÓN HACIA W-CDMA.
165
6.13.
PROYECCIÓN DEL ESQUEMA DE ACCESO W-CDMA EN AMERICA
LATINA Y COLOMBIA.
166
7. SOFTWARE EDUCATIVO W-CDMA.
168
7.1.
INTRODUCCIÓN.
168
7.2.
PROPÓSITO DEL SOFTWARE.
169
7.3.
CONTENIDOS DEL SOFTWARE.
170
7.4.
INTERFAZ GRÁFICA DEL SOFTWARE.
171
7.5.
ALCANCE Y LIMITACIONES DEL SOFTWARE W-CDMA.
171
CONCLUSIONES.
173
GLOSARIO DE ACRÓNIMOS.
175
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
179
ANEXO 1.
187
ix
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1.1. Esquema de acceso a través de RTC.
2
Figura 1.2. Limites del cobre.
4
Figura 1.3. Esquema S-HDSL.
5
Figura 1.4. Configuración sistema ADSL.
6
Figura 2.1. Evolución de los sistemas de comunicaciones por radio.
15
Figura 2.2. El camino hacia el sistema UMTS.
21
Figura 2.3. Evolución de las tecnologías hacia el UMTS.
22
Figura 2.4. Aplicaciones de mayor ancho de banda en sistemas 3G.
29
Figura 2.5. Arquitectura de UMTS 2000.
31
Figura 2.6. Escenarios de mercado 3G.
33
Figura 2.7. Hacia la cuarta generación.
34
Figura 2.8. Porcentaje de participación de 1G y 2G en el mercado de las
comunicaciones inalámbricas.
39
Figura 2.9. Comparación en el crecimientos de usuarios fijos y móviles.
41
Figura 3.1. Ancho de Banda en FDMA.
45
Figura 3.2. Muestras digitales de un transmisor ocupando ranuras diferentes de
tiempo en varias bandas de frecuencia.
49
Figura 3.3. Estructura de La trama de un sistema TDMA
50
Figura 3.4. Estructura del Marco en D-AMPS.
51
Figura 3.5. Asignación de ranuras en TDMA.
52
Figura 3.6. Estructuras jerárquicas de las células.
54
Figura 3.7. CDMA.
57
Figura 3.8. Ancho de banda en CDMA.
60
x
Figura 3.9. Ensanchado en CDMA.
61
Figura 3.10. Comparación de una señal de banda estrecha con una señal
SPREAD SPECTRUM de secuencia directa: la señal de banda estrecha es
suprimida cuando se transmite en SPREAD SPECTRUM.
64
Figura 3.11. FH-CDMA.
65
Figura 3.12. Sistema CDMA de salto en el tiempo.
66
Figura 3.13. Comparación de los esquemas de acceso.
71
Figura 4.1. Ancho de banda en GSM: 200 KHZ.
77
Figura 4.2. Marco de datos en GSM.
79
Figura 4.3. Asignación de canales en IS-54 TDMA.
82
Figura 4.4. Evolución de 2G a 3G.
86
Figura 4.5. Evolución de GSM.
88
Figura 4.6. Evolución de los estándares para TDMA.
94
Figura 4.7. MC-CDMA.
104
Figura 5.1. Capacidad W-CDMA.
123
Figura 5.2. Un sistema W-CDMA tiene de 8-12 dBs menos de interferencia que
otros sistemas.
129
Figura 5.3. W-CDMA frente a la interferencia.
133
Figura 5.4. Recepción por diversidad de frecuencia en normas con espectro
ensanchado.
137
Figura 5.5. Desempeño de W-CDMA frente al desvanecimiento.
140
Figura 6.1. CDMA de banda ancha.
146
Figura 6.2. Bandas centrales para IMT2000 / UMTS identificados en WARC92,
WRC95.
149
Figura 6.3. Arquitectura W-CDMA.
158
Figura 6.4. Capas de celdas propuestas en IMT-2000.
159
Figura 7.1. Interfaz en software educativo.
168
xi
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1. Tecnologías seleccionadas para los sistemas 3G.
21
Tabla 2.2. Clases de tráfico 3G.
30
Tabla 2.3. Comparación entre 1G y 2G.
34
Tabla 2.4. Comparación entre 2G y 3G.
35
Tabla 2.5. Servicios celulares de datos actuales y futuros.
37
Tabla 3.1. Comparación de estándares con acceso TDMA.
50
Tabla 4.1. Estándares de los sistemas celulares analógicos.
75
Tabla 4.2. Configuración final de las interfaces de componente terrestre IMT2000.
98
Tabla 4.3. Parámetros del sistemas CDMA2000.
102
Tabla 4.4. Parámetros del sistema UWC-136.
107
Tabla 4.5. Características de la interfaz radio DECT.
110
Tabla 5.1. Comparativo cualitativo de esquemas de acceso basados en CDMA y
TDMA.
116
Tabla 5.2. Tipos de modulación según requerimientos de tráfico propuestos
para interfaces radio basadas en TDMA (UWC-136 y DECT).
124
Tabla 5.3. Capacidad en canales de las normas 3G.
126
Tabla 5.4. Diferencias principales entre CDMA2000 y W-CDMA.
144
Tabla 6.1. Funciones de canalización.
161
xii
INTRODUCCIÓN
La sociedad actual es esencialmente nómada y dinámica, y a este dinamismo
responde una moderna tecnología de la información y comunicaciones, cada
vez más rica en prestaciones y servicios. Por ello, la industria de las
comunicaciones alambrcias e inalámbricas evolucionan para adaptarse a los
requisitos impuestos por los usuarios en la sociedad interconectada.
El trabajo de investigación es un análisis del RENDIMIENTO DE LOS
ESQUEMAS DE ACCESO PROPUESTOS POR LA ITU (INTERNATIONAL
TELECOMMUNICATIONS
UNION)
TELECOMMUNICATIONS
STANDARD
Y
LA
ETSI
INSTITUTE)
(EUROPEAN
PARA
LAS
COMUNICACIONES INALÁMBRICAS DE TERCERA GENERACIÓN, COMO
SOPORTE DE LOS SERVICIOS MULTIMEDIA; su desarrollo implicó una
revisión bibliográfica exhaustiva de los esquemas de acceso (conceptualización,
principios de operación, especificaciones técnicas, estandarización, evolución,
etc.) a través de la primera y segunda generación de comunicaciones
inalámbricas para llegar al conocimiento del estado del arte de las normas de
acceso proyectadas para tercera y cuarta generación.
El trabajo se estructura en siete capítulos coherentes entre sí: el primer capítulo
es de carácter introductorio y recoge las características y aplicaciones de los
tipos de acceso alambrico e inalámbrico que son considerados actualmente
como la solución de la última milla.
xiii
El segundo capítulo se ocupa de las comunicaciones celulares inalámbricas y su
evolución;
por
consiguiente,
incluye:
las
generaciones
celulares,
su
comparación, el estado actual , mercado y proyección de las comunicaciones
celulares inalámbricas.
El tercer capítulo esta dedicado al acceso inalámbrico: clases, ventajas y
desventajas de cada esquema de acceso radio, comparación, características
técnicas.
El cuarto capítulo aborda las técnicas de acceso de tercera generación, como
resultado de la evolución de las normas de segunda generación. Se trata de
esquemas de acceso muy importantes hoy en día, puesto que, buscan atender
necesidades de mayor ancho de banda, menor interferencia y mejor calidad de
servicio.
El quinto capítulo, examina algunos aspectos (eficiencia, capacidad, desempeño
frente al ruido y la interferencia, desvanecimiento ante la multitrayectoria,
cobertura y probabilidad de error) en los cuales las normas más representativas
3G presentan un comportamiento diferenciado, evalúa sus resultados y
selecciona la norma de mejor rendimiento.
El sexto capítulo, presenta el esquema de acceso W-CDMA como una buena
alternativa a las normas basadas en los esquemas de acceso TDMA (ACCESO
MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE TIEMPO), MC-CDMA (ACCESO MÚLTIPLE
POR DIVISIÓN DE CÓDIGO DE MULTI PORTADORA) y TDD (DÚPLEX POR
DIVISIÓN DE TIEMPO) en las comunicaciones inalámbricas móviles de tercera
generación. Comprende un estudio detallado del esquema de acceso múltiple
W-CDMA: propone un análisis de sus especificaciones técnicas y los servicios
que brinda.
xiv
En el capítulo siete se exponen los contenidos del software educativo WCDMA; acerca del manejo del aplicativo y el procedimiento a seguir para
cualquier consulta se recomienda el anexo 1.
xv