tutorial en formato pdf - Grupo de Investigación en Señales
Anuncio
UNIVERSIDAD DE GRANADA TUTORIAL DE LA CAPA FÍSICA EN COMUNICACIONES MÓVILES REALIZADO POR: Leonardo Almagro Martos DIRIGIDO POR: José Luis Pérez Córdoba DEPARTAMENTO: TEORÍA DE LA SEÑAL, TELEMÁTICA Y COMUNICACIONES Índice de contenidos 3 Índice MOTIVACIÓN ................................................................................................................................. 7 Capítulo 1. INTRODUCCIÓN........................................................................................................... 8 BREVE HISTORIA DE LAS TELECOMUNICACIONES..................................................................... 9 Capítulo 2. CONCEPTOS BÁSICOS ................................................................................................ 11 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE RADIOCOMUNICACIONES ................................................... 11 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES ...................................... 11 Por su modalidad de funcionamiento ................................................................................. 11 Por el sector de aplicación .................................................................................................. 12 Por la banda de frecuencias utilizada ................................................................................. 12 Por su método de acceso al canal y a los recursos de la red .............................................. 12 Por su modo de operación, en relación a los canales o frecuencias de uso. ...................... 13 Por el número de antenas utilizadas en la comunicación................................................... 13 MEDIOS DE TRANSMISIÓN ...................................................................................................... 14 LA CAPA FÍSICA ........................................................................................................................ 15 Interfaz radio ....................................................................................................................... 15 Ruido en los sistemas móviles................................................................................................. 17 Técnicas de acceso al medio ................................................................................................... 17 Modulaciones en comunicaciones móviles............................................................................. 19 Capítulo 3. 0G .............................................................................................................................. 21 Capítulo 4. 1G .............................................................................................................................. 23 NMT ......................................................................................................................................... 23 AMPS ....................................................................................................................................... 23 RTMI ........................................................................................................................................ 23 C-Netz ...................................................................................................................................... 24 Radiocom 2000........................................................................................................................ 24 ACCESO AL CANAL ................................................................................................................... 24 FDMA ................................................................................................................................... 24 TDMA................................................................................................................................... 25 MODULACIÓN EMPLEADA ...................................................................................................... 26 FM ....................................................................................................................................... 26 Capítulo 5. 2G .............................................................................................................................. 27 GSM ......................................................................................................................................... 27 4 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles DECT ........................................................................................................................................ 30 CDPD........................................................................................................................................ 30 IS-95/cdmaONE ....................................................................................................................... 30 PHS .......................................................................................................................................... 31 PDC .......................................................................................................................................... 31 D-AMPS ................................................................................................................................... 31 ACCESO AL CANAL ................................................................................................................... 32 FDD/TDMA .......................................................................................................................... 33 FDD/CDMA .......................................................................................................................... 33 MODULACIÓN EMPLEADA ...................................................................................................... 34 GMSK ................................................................................................................................... 35 GFSK .................................................................................................................................... 35 DPSK .................................................................................................................................... 36 π/4 DPSK.............................................................................................................................. 37 2.5 G ........................................................................................................................................ 38 GPRS .................................................................................................................................... 38 EDGE .................................................................................................................................... 40 CDMA 2000 ......................................................................................................................... 41 MODULACIÓN EMPLEADA .................................................................................................. 42 Capítulo 6. 3G .............................................................................................................................. 44 CDMA2000 .............................................................................................................................. 44 UMTS ....................................................................................................................................... 46 CAPA FÍSICA ......................................................................................................................... 46 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA................................................................................. 46 RED DE ACCESO RADIO........................................................................................................ 47 PORTADORAS DE RADIOFRECUENCIA ................................................................................. 48 ACCESO RADIO .................................................................................................................... 48 CODIFICACIÓN DE CANAL .................................................................................................... 50 MODULACIONES.................................................................................................................. 50 ACCESO RADIO FDD / TDD .................................................................................................. 51 CANALES FÍSICOS ................................................................................................................. 51 SISTEMA DE ANTENAS ......................................................................................................... 52 HSDPA / HSUPA / HSPA+ ......................................................................................................... 52 HSDPA.................................................................................................................................. 53 HSUPA.................................................................................................................................. 58 Índice de contenidos 5 ACCESO AL CANAL ................................................................................................................... 60 CDMA .................................................................................................................................. 60 MIMO .................................................................................................................................. 63 MODULACIÓN EMPLEADA ...................................................................................................... 63 QPSK .................................................................................................................................... 63 QAM .................................................................................................................................... 64 Capítulo 7. 4G .............................................................................................................................. 67 LTE ........................................................................................................................................... 68 ARQUITECTURA DE RED ...................................................................................................... 68 INTERFAZ AIRE FDD Y RED RADIO ....................................................................................... 70 Símbolos, Slots, Bloques Radio y Tramas ............................................................................ 72 MODELO DE CANALES ......................................................................................................... 73 Transmisión MIMO .............................................................................................................. 75 Interfaz TD-LTE .................................................................................................................... 76 Planificación de la red ......................................................................................................... 77 LTE-ADVANCED.................................................................................................................... 77 IEEE 802.16 Y WiMAX .............................................................................................................. 78 Capa física............................................................................................................................ 79 Estructura de trama en la capa física .................................................................................. 82 Funcionalidades avanzadas ................................................................................................. 84 Mobile WiMAX: 802.16e ..................................................................................................... 86 ACCESO AL CANAL ................................................................................................................... 88 OFDM .................................................................................................................................. 88 MIMO .................................................................................................................................. 91 Capítulo 8. 5G, EL FUTURO QUE NOS ESPERA............................................................................. 94 Células Pequeñas..................................................................................................................... 96 Cooperación ........................................................................................................................ 98 Radio Cognitiva.................................................................................................................... 99 El crack del espectro inalámbrico...................................................................................... 100 Auto organización de las redes móviles ................................................................................ 100 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 102 SIMULACIONES .......................................................................................................................... 103 Simulación 1 .......................................................................................................................... 103 2G: Simulación de sistema de comunicaciones GSM y EDGE ............................................... 103 Objetivo ............................................................................................................................. 103 Sistema de Comunicaciones GSM ..................................................................................... 103 6 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Sistema de Comunicaciones EDGE .................................................................................... 106 Estudio de la simulación:................................................................................................... 107 Simulación 2 .......................................................................................................................... 111 3G: Simulación de la capa física en WCDMA......................................................................... 111 Objetivo ............................................................................................................................. 111 Descripción del modelo de simulación ............................................................................. 111 Parámetros del modelo ..................................................................................................... 113 Estudio y resultados .......................................................................................................... 114 Simulación 3 .......................................................................................................................... 124 4G: Simulación del canal descendente PDSCH en LTE .......................................................... 124 Objetivo ............................................................................................................................. 124 Descripción del sistema de modulación............................................................................ 124 Parámetros del modelo ..................................................................................................... 127 Estudio y resultados .......................................................................................................... 127 Simulación 4 .......................................................................................................................... 135 4G: Modulación y detección OFDM empleada en LTE .......................................................... 135 Objetivo ............................................................................................................................. 135 Descripción del modelo de simulación ............................................................................. 135 Estructura del modelo de simulación................................................................................ 136 Estudio y resultados .......................................................................................................... 137 GLOSARIO DE TÉRMINOS .......................................................................................................... 140 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................ 145 ORGANISMOS DE ESTANDARIZACIÓN................................................................................... 145 WHITE PAPERS....................................................................................................................... 145 Índice de contenidos 7 MOTIVACIÓN La motivación de este Proyecto Fin de Carrera es el de elaborar un documento que permita al lector una visión global de la capa física en comunicaciones móviles sobre la evolución de las distintas tecnologías a lo largo de la historia. De esta forma no es necesario consultar varios libros: uno para la capa física, otro para modulaciones, para cada una de las generaciones móviles… sino que podemos localizar y tener una clara idea de las principales técnicas (para las normas existentes) en cada una de las generaciones de comunicación móvil. Además junto a este propósito he intentado simplificar las descripciones todo lo posible, equilibrando los conocimientos necesarios previos junto con la facilidad de comprensión del texto. En segundo lugar, haciendo uso de simulaciones sobre el software Simulink de Matlab se presentan varios ejemplos en distintos estándares para facilitar la comprensión de las principales técnicas empleadas en la capa física. Para estas simulaciones me he centrado en un carácter más académico, por lo que cada una de estas simulaciones se centra en aspectos básicos de la capa física: codificación, modulación. multiplexación, técnicas de transmisión avanzadas… de forma que se pueda entender el papel de cada técnica en la transmisión. Además, para facilitar el acceso a toda la teoría y simulación contenida, todo el material se ha facilitado mediante el formato web y ePub. La página web del tutorial es www.tutorialcapafisicacm.tk y ha sido diseñado mediante HTML5 y CSS en formato responsive para asegurar su correcta visualización y carga rápida desde cualquier tipo de dispositivo. El libro en formato ePub o formato electrónico se ha diseñado de igual forma para su adaptación a cualquier tipo de dispositivo lector de libros electrónicos. He elaborado este tutorial de forma que pueda convertirse en un documento de consulta para un lector objetivo que, de manera sencilla y teniendo unas nociones básicas, necesite de una visión global y práctica del funcionamiento de la capa física, así como de una clara comprensión de los mecanismos ya existentes para poder extrapolar este conocimiento a técnicas futuras. De igual forma, aunque manteniendo la claridad en los conceptos, se ha profundizado en las técnicas más relevantes de cada generación para no decepcionar a un lector más exigente. 8 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Capítulo 1. INTRODUCCIÓN A lo largo de este documento se desarrollarán una serie de tutoriales sobre los aspectos más relevantes de las capas físicas en los estándares de Comunicaciones Móviles. La memoria está dividida en varias secciones: empezaremos con una breve historia o introducción a las comunicaciones móviles y continuaremos con un breve repaso a los conceptos básicos sobre comunicaciones móviles. Una vez asentadas nuestras bases, procederemos a describir una a una las distintas generaciones de comunicaciones móviles que han tenido lugar, desarrollando en cada una las técnicas de transmisión digital empleadas y todas las especificaciones referentes a la capa física. El reglamento de radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define el servicio móvil como un servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles estaciones terrestres fijas, o estaciones móviles únicamente. Los sistemas de radiocomunicaciones móviles permiten el intercambio de información variada entre terminales con unas características de calidad determinadas. Si coincidimos con la actual visión de cualquier sistema de telecomunicación entonces pensaremos en las radiocomunicaciones como en un modelo por capas tal y como puede ser el modelo OSI (del que hablaremos un poco más en los conceptos generales) entonces podemos observar como el resto de capas o módulos se van a asentar sobre la base que forma la capa física. Es por lo tanto esta capa física la condicionante del diseño de las capas superiores, en especial la de enlace y red y además abarca un amplio conocimiento de teoría de la comunicación y procesado de la señal. En este tutorial se brindará al lector de una extensa visión de los procesos propios de la capa física, partiendo de una breve reseña histórica acerca de las radiocomunicaciones y un repaso a una serie de conceptos generales que serán necesarios para la correcta comprensión de todos los aspectos técnicos contemplados en el documento. Posteriormente, procederemos a una exhaustiva descripción de cada una de las capas físicas que han ido sucediendo cronológicamente a lo largo de la evolución tecnológica que ha sufrido y continúa el mundo de las radiocomunicaciones, englobada mediante sus distintas generaciones. Capítulo 1. Introducción_____________________ 9 BREVE HISTORIA DE LAS TELECOMUNICACIONES La carrera de la radiocomunicación comenzó cuando Michael Faraday en 1843 comenzó un estudio sobre la conducción de la electricidad en el espacio. Este fue el primer paso que sentó el desarrollo de la telefonía celular1. En 1860 Antonio Meucci2 saca a la luz su invento. Mediante una demostración pública, la voz de una cantante es reproducida a una considerable distancia. Es el teletrófono, posteriormente bautizado como teléfono. Controversias aparte, en 1876 Alexander Graham Bell registró una patente referida al teléfono. En 1880 la comunicación inalámbrica tiene sus raíces en la invención del radio por Nikolai Tesla, aunque fue formalmente presentada en 1894 por Guglielmo Marconi. Durante el año 1947 los científicos desarrollaron las ideas que permitían el uso de teléfonos móviles usando “células” que identificaran un usuario en cualquier punto desde donde se efectuara la llamada. Es el nacimiento de la generación 0G. A partir de 1949 se comienzan a extender el radio-teléfono en los automóviles. Solo existía una antena central y unos pocos canales disponibles en la torre. Los vehículos necesitaban de una antena con gran potencia y no podía haber muchos usuarios conectados. Hasta 1964 los sistemas de telefonía móvil solo operaban en modo manual. Es decir, un operador gestionaba la llamada en todo momento. A partir de este momento se implementaron los selectores de canales automáticos para telefonía móvil, permitiendo a los clientes la llamada directa sin intervención del operador y eliminar la operación de pulsar para hablar. El sistema de telefonía móvil usa los canales de FM para establecer enlaces de comunicación entre terminales móviles y estaciones base y sirven a un área de 60 km de distancia. Cada canal se puede asignar a varios usuarios pero solo uno puede utilizarlo al mismo tiempo. Si el canal se encuentra ocupado el usuario debe esperar a que se encuentre liberado para poder efectuar su llamada. EN 1971 el espectro de frecuencia de telefonía móvil se encontraba saturado. AT&T (American Telephone and Telegraph) hizo una propuesta para solventar este problema. En Finlandia se crea la primera red pública de telefonía móvil: La red ARP. En 1973 Martin Cooper inventa el primer teléfono portátil. El “padre” de la telefonía celular realizó una llamada a su competidor de AT&T desde su teléfono móvil. En 1986 los usuarios de telefonía celular llegan a los dos millones solo en Estados Unidos y comienza a desarrollarse la siguiente generación móvil: 1G. En este año y debido a la gran aceptación, el servicio móvil comenzó a saturarse rápidamente. Se cambian muchas de las tecnologías anteriores. Se crear el estándar TDMA (Time Division Multiple Access). Motorola introduce el teléfono DynaTAC, el primer radioteléfono puramente “móvil”. 1 2 https://sites.google.com/site/psatelefoniamovil/comienzos https://es.wikipedia.org/wiki/Antonio_Meucci 10 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles En 1996 Bell Atlantic Mobile lanza la primera red comercial CDMA (Code Division Multiple Access) en los Estados Unidos. En 1997 los usuarios de telefonía móvil superan los 50 millones y entra en uso la red digital e inalámbrica de voz y datos 2G. Las operadoras móviles implementaron las técnicas de acceso al medio TDMA y CDMA sobre las redes AMPS (Advanced Mobile Phone System) convirtiéndolas en redes D-AMPS (Digital-AMPS). El estándar GSM (Global System for Mobile Communications) universalizó la telefonía móvil. También en este año Philippe Kahn decidió crear una cámara de fotos y que se comportara con capacidad multimedia. Con un teléfono StarTac desarrolló un software para compartir las imágenes mediante un mensaje de correo electrónico. Más tarde llegó la generación de transición 2.5G, incluyendo nuevos servicios, tales como EMS (Enhanced Messaging Services) y MMS (Multimedia Messaging Services) y mejorando la velocidad de transferencia de datos mediante GPRS (General Packet Radio Service) y EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). De la necesidad de aumentar la capacidad de transmisión de datos para ofrecer servicios multimedia y conexión a internet desde el móvil nace el 3G. Se crea un sistema totalmente novedoso: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems). En la actualidad se continúa implementando la cuarta generación 4G que ofrece mayor ancho de banda y capacidad de transmisión al usuario de telefonía móvil. Mientras, se continúa desarrollando la futura generación de comunicación móvil: 5G. En la siguiente figura podemos observar la evolución de los distintos estándares empleados en la comunicación inalámbrica a lo largo del tiempo: Figura 1. Desarrollo de los estándares de la tecnología celular. 11 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Capítulo 2. CONCEPTOS BÁSICOS Un sistema de telecomunicación es el conjunto de elementos y dispositivos involucrados en la transmisión de información entre dos puntos remotos. Al igual que en cualquier sistema de telecomunicación, en los sistemas móviles se transmite información de usuario o tráfico y otra adicional denominada señalización, que es necesaria para el establecimiento, liberación y supervisión de las llamadas y la protección de la información a transmitir. La superficie geográfica dentro de la cual los terminales pueden establecer comunicaciones se denomina zona de cobertura. Por lo tanto el diseño de los sistemas de comunicaciones ha de ser tal que permita la comunicación dentro de dicha zona de cobertura. Denominamos enlace descendente DL (Downlink) al sentido de la comunicación que corresponde de la estación hacia el terminal y ascendente UL (Uplink) al contrario. La distancia de cobertura entre estación y terminal se denomina rango o alcance. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE RADIOCOMUNICACIONES3 Un sistema de radiocomunicaciones móviles consta de los siguientes elementos básicos: • • • Estación fija (FS): Como su nombre indica, esta estación no se encuentra en movimiento. Pueden clasificarse en: Estación de base (BS): Su funcionamiento se controla directamente desde una unidad de control local o remoto y mediante líneas telefónicas o radioenlaces. Son fuentes y destino de tráfico y señalización. Estación de control (CS): Se utiliza para la conexión de una estación de base (BS) con la red de telecomunicaciones fija. Estación repetidora (RS): Retransmiten las señales recibidas. Conectan estaciones base con estaciones móviles y se suelen emplear para aumentar la cobertura radioeléctrica. Estación móvil (MS): Suelen llamarse normalmente terminales. Este término incluye a la estación radioeléctrica cuyo uso se previene será en marcha. Este término abarca a los equipos portátiles (teléfono móvil, busca…) y equipos transportables (en automóviles, por ejemplo). Equipos de control: Es el conjunto de dispositivos necesarios para la organización y gobierno de las estaciones, llamadas, señalización, O&M… CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES Los sistemas de comunicaciones móviles pueden clasificarse en base a varios criterios: Por su modalidad de funcionamiento • • 3 Sistemas de radiotelefonía: Aquellos en los que las transmisiones se realizan en ambos sentidos. En terminología americana se denomina “Two-Way Radio Systems”. Sistemas de radiobúsqueda o radiomensajería: Las transmisiones solo tienen lugar desde la estación fija a las estaciones móviles (Paging Systems). Hernando Rábanos, José María. Comunicaciones Móviles (págs. 2-7). Editorial Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. 12 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Por el sector de aplicación Podemos clasificarlos en sistemas privados, públicos y de telefonía inalámbrica. Los sistemas de radiotelefonía privada son PMR (Private Mobile Radio) y PAMR (Public Access Mobile Radio). Estos sistemas se utilizan en ámbitos restringidos y de limitada área territorial. Suelen tener una asignación rígida de frecuencias y también se pueden usar en sistemas troncales (Trunking) mediante una asignación troncal de frecuencias. Las nuevas redes de telefonía móvil pública PLMN (Public Land Mobile Networks) son el fruto de la evolución en señalización y control con el sistema de red telefónica conmutada PSTN (Public Switched Telephone Network). Más recientemente podemos destacar las redes de área local inalámbricas (W-LAN) y los sistemas WIFI (Wireless Fidelity) surgido de la familia de normas de IEEE.802. Por la banda de frecuencias utilizada • • Bandas VHF Banda baja de 30 a 80 MHz: Usada en PMR/PAMR Banda alta de 140 a 170 MHz Banda “III” de 223 a 235 MHZ Bandas UHF Banda baja de 406 a 470 MHz: Usada en PMR/PAMR Banda alta de 862 a 960 MHz: Usada en PLMN Banda de 1800 a 1900 MHz: Usada en PLMN Banda de 2000 MHz: Usada en PLMN CARÁCTERISTICAS Utilización típica Penetración Multitrayecto Ruido ambiente Tamaño antenas Alcance BANDA VHF baja Rural Mínima Escaso Alto Grande 30 km VHF alta Rural/urbana Media Apreciable Medio Medio 20 km UHF baja Urbana Alta Pronunciado Bajo Pequeño 10 km UHF alta Urbana Alta Alto Bajo Pequeño 4 km Tabla de características físicas de las bandas de frecuencia radioeléctrica. Las frecuencias de telefonía móvil utilizadas actualmente en España son las siguientes: o o o 2G/GSM: Bandas de 900 MHz y 1800 MHz 3G/WCDMA: Bandas de 900 MHz y 2100 MHz 4G/LTE: 800 MHz (desde abril de 2015), 1500 MHz (próximamente), 1800 MHz, 2600 MHz y 3,5 GHz para WiMAX Por su método de acceso al canal y a los recursos de la red • • FDMA (Frequency Division Multiple Access) : Acceso múltiple por división en frecuencia. La transmisión desde diferentes redes o usuarios se separan en frecuencia usando distintas frecuencias portadoras a lo largo del ancho de banda disponible. La asignación de frecuencias es rígida y los receptores seleccionan un canal sintonizando manual o automáticamente una portadora dada. Es el propio de los sistemas analógicos. TDMA (Time Division Multiple Access): Acceso múltiple por división en el tiempo. Las redes o usuarios comparten el canal a lo largo del tiempo mediante transmisión por Capítulo 2. Conceptos Básicos_____________________ • • 13 ráfagas temporales. Requiere de una sincronización temporal estricta. Únicamente viable en sistemas digitales. CDMA (Code Division Multiple Access) : Acceso múltiple por división de código. Las transmisiones son todas en la misma frecuencia pero cada receptor recupera la información que le pertenece mediante previa asociación de un código a la información transmitida. OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access): Acceso múltiple por frecuencia ortogonal. Se emplean portadoras ortogonales compartidas en el tiempo. No se va a alargar más la explicación de estos métodos de acceso al canal porque estos tendrán un mayor desarrollo a lo largo del tutorial. Por su modo de operación, en relación a los canales o frecuencias de uso. Simplex: Uso del mismo canal o frecuencia para cada sentido de la transmisión. Si todos los equipos usan la misma frecuencia la transmisión se comparte y cualquier equipo puede oír y hablar dentro de la zona de cobertura. Son los sistemas más simples. Para evitar el bloqueo entre transmisión y recepción es necesario el uso de una frecuencia distinta para transmisión y recepción (simplex a dos frecuencias). Semidúplex: Uso del mismo canal para ambos sentidos de la transmisión. Dentro de las radiocomunicaciones, para lograr que todos los terminales estén conectados mediante canales simplex a dos frecuencias las estaciones base se configuran mediante talkthrough. En esta configuración la estación base retransmite las señales que recibe. Dúplex: transmisión y recepción simultánea e independiente para cada terminal. Es el utilizado en las redes PLMN, ya que el sistema telefónico es dúplex. Por el número de antenas utilizadas en la comunicación4 Refiriéndonos al número de antenas de transmisión y recepción implicadas en el intercambio de señales de comunicaciones podemos clasificar los sistemas de comunicaciones móviles de varias maneras: • SISO (Single Input Single Output): Una entrada y una única salida. Este sistema se refiere al mecanismo clásico de transmisión inalámbrica. Una antena para emitir y una antena para recibir. Este mecanismo no tiene diversidad y no necesita de procesamiento adicional, por lo que es el más sencillo para la comunicación. Figura 2. SISO • 4 SIMO (Single Input Multiple Output): El transmisor emplea una antena y el receptor varias antenas. De esta forma se logra diversidad en la recepción, por lo que tenemos la señal recibida de diferentes formas combatiendo así los efectos de desvanecimiento y las interferencias. http://www.radio-electronics.com/info/antennas/mimo/formats-siso-simo-miso-mimo.php 14 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 3. SIMO • MISO (Multiple Input Single Output): Varias antenas para transmitir y una antena para recibir. Conseguimos diversidad en la recepción y redundancia. Se reduce así el espacio de las antenas y el procesamiento, que pasa a ser responsabilidad del receptor. Figura 4. MISO • MIMO (Multiple Input Multiple Output): Múltiples entradas, múltiples salidas. Es decir, empleamos varias antenas para transmitir y recibimos igualmente con varios receptores simultáneamente. Aumenta la eficiencia espectral mediante la utilización del dominio espacial. Aprovecha fenómenos físicos, tales como el efecto multipath para incrementar la tasa de transmisión y reducir la tasa de error. Esta técnica de última generación beneficia en gran medida a las comunicaciones móviles, ya que estas están derivando en el empleo de diferentes canales en la transmisión de datos o la multiplexación espacial al tener las antenas físicamente separadas. Figura 5. SISO Este tipo de técnicas son también referidas como técnicas de multiplexación espacial. En el campo de las comunicaciones móviles se pueden considerar SIMO y MISO como variantes de MIMO, por lo que la clasificación podría quedar reducida a si se emplea una antena o varias para la comunicación. MEDIOS DE TRANSMISIÓN Un medio de transmisión es el soporte físico o canal sobre el que se desarrolla o puede desarrollarse una comunicación. Los canales o medio de transmisión presentan limitaciones o problemas que afectan al transporte de las señales, tales como atenuación, distorsión de retardo, ruido, eco… Los medios de transmisión pueden dividirse en guiados y no guiados, en el campo de las radiocomunicaciones nos pertenecen los medios no guiados. En estos medios básicamente la señal no se encuentra confinada en un cable, por lo que tenemos que añadir a los problemas anteriores otros nuevos como los efectos multitrayectoria. Capítulo 2. Conceptos Básicos_____________________ 15 El medio de transmisión por excelencia dado en un sistema de comunicaciones móviles es, por supuesto, el aire. Se trata de un medio no guiado y sus características de transmisión dependerán de la banda de frecuencias empleada en la transmisión. Como ya se ha dicho anteriormente en el caso de las comunicaciones móviles nos moveremos en las bandas de VHF (Very High Frequency) y UHF (Ultra High Frequency) actualmente. LA CAPA FÍSICA En el diseño de una red de telecomunicaciones, al igual que en cualquier tipo de red comunicación, la solución más acertada para su diseño es mediante el uso de módulos o capas. A este tipo de diseño conjunto de capas se le denomina modelo de referencia. Para citar un ejemplo podemos citar el modelo OSI: Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Física Como ya se comentó en la introducción y se puede observar, sobre la capa física recae el resto de capas del modelo de comunicación. Es la encargada de llevar a cabo todo lo relacionado con la transmisión de la información: características eléctricas, mecánicas y funcionadas para la correcta transmisión sobre el canal. En este tutorial nos centraremos en esta capa para profundizar en todas sus características y especificaciones. Interfaz radio En los sistemas móviles de comunicación la red de acceso debe ser inalámbrica por lo que se emplean recursos radioeléctricos compartidos, específicamente a través de la interfaz aire o radio AI (Air Interface). Como ya mencionamos anteriormente, tenemos dos enlaces o sentidos de propagación, el ascendente y el descendente. En el canal ascendente existirán múltiples móviles a los que debe proveerse de acceso múltiple. En el enlace descendente la comunicación debe llegar al terminal móvil o a varios terminales simultáneamente, usando en este caso difusión selectiva, parcial o global. En general en la interfaz radio se utilizaran radiocanales con dos frecuencias portadoras diferentes, para el canal ascendente y el descendente, en bandas separadas. Como a frecuencias más bajas hay menor atenuación la banda inferior se suele usar para los enlaces ascendentes y preservar de esta forma la calidad necesaria. Un proceso de radiocomunicación puede representarse mediante un modelo tridimensional, ocupando un volumen definido por tres magnitudes: espacio o cobertura, ancho de banda y tiempo. En consecuencia, las comunicaciones deben separarse en frecuencia, tiempo y espacio, de forma que el espectro radioeléctrico implica la compartición de estas tres variables. Canalización5 Las frecuencias portadoras para las clases de emisión semidúplex y dúplex se habilitan en forma de una banda, constituida por dos sub-bandas, con una separación determinada. Se denomina canalización a la subdivisión de una banda en intervalos o canales de frecuencias susceptibles de ser asignadas a diferentes emisiones. El ancho de cada canal debe ser mayor que el ancho de banda de emisión para compensar las desviaciones de frecuencia y 5 Hernando Rábanos, José María. Comunicaciones Móviles (Apdo. 2.2.2 págs. 21-22). Editorial Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. 16 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles para poder separar con facilidad en frecuencia una emisión de otra. Los parámetros que definen una banda son: • • • • Frecuencia inferior (fi, fs) y superior (fi’, fs’) de la sub-banda. Ancho de la sub-banda BW. Separación entre frecuencias homólogas o “canales”, B. Cada pareja de estas frecuencias homólogas, que corresponden a un canal de subida y otro de bajada, constituyen un radiocanal. La diferencia entre dos frecuencias contiguas, Δf. El número de canales por banda será por tanto: Se suele dejar un margen equivalente a un canal en los bordes de la banda para facilitar la compartición con otros servicios radioeléctricos que funcionan en bandas de frecuencias adyacentes. Figura 6. Canalización en comunicaciones móviles Parámetros de la interfaz radio En la siguiente figura están representados las entidades que intervienen en la interfaz radio6 en comunicaciones móviles y los parámetros radioeléctricos asociados. Figura 7. Principales entidades en la interfaz radio. Como entidades básicas tenemos el transmisor deseado y el receptor deseado, con una potencia de emisión y recepción PRAD y PSD. El receptor además tiene una potencia de señal de interferencia PSI. Las perturbaciones que producen efectos no deseados en canal radio son el ruido, los desvanecimientos y la interferencia. Es de exigencia para conseguir calidad en la comunicación 6 Hernando Rábanos, José María. Comunicaciones Móviles (Apdo. 2.2.3. pág. 23). Editorial Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. Capítulo 2. Conceptos Básicos_____________________ 17 que se adopten medidas para contrarrestar estos efectos. El ruido afecta a la recepción de la señal y puede provenir de fuentes externas o internas. Está cuantificado por el valor de potencia de ruido pnext y pnint. Los desvanecimientos se producen por la presencia de obstáculos y a la existencia de múltiples trayectos de propagación entre el transmisor y el receptor. La interferencia se debe a la actuación de otros transmisores que operan en la misma frecuencia que la del receptor o en frecuencias contiguas. Puede ser una interferencia simple, de una sola fuente, o múltiple. También puede tratarse de una interferencia causada por la misma fuente debido a una reflexión o a la dispersión de la señal. Ruido en los sistemas móviles Podemos definir el ruido como la perturbación eléctrica que limita o disminuye la calidad en un sistema de comunicaciones radioeléctrico. Puede originarse a partir de fuentes naturales y artificiales y a su vez en externas e internas al sistema. Las fuentes externas se deben al medio y a la radiación producida por los elementos naturales (cuerpos negros). Las fuentes internas se deben a los elementos de la conexión de la antena y a la circuitería del propio receptor. El ruido proveniente de fuentes naturales tiene una densidad espectral de potencia plana, mientras que el ruido artificial disminuye al aumentar la frecuencia. Técnicas de acceso al medio7 Es el conjunto de técnicas que permiten compartir el canal físico entre varias fuentes. Como a lo largo de este tutorial se irán explicando detalladamente las técnicas más comunes en la radiocomunicación aquí solamente enunciaremos algunas de las técnicas básicas: Multiplexación: Por división en frecuencias y en el tiempo o FDM (Frecuency-Division Multiplexing): En este tipo de modulación, a cada emisor se le asigna una frecuencia portadora a la cual trasladamos el espectro original de la señal emitida en base a un proceso de modulación, como AM, ASK, FM, PSK, PM… etc. Entre cada una de las frecuencias asignadas se suele dejar un rango de frecuencias libre de emisión que actúa como banda de guarda para evitar interferencias. o TDM (Time-Division Multiplexing): Consiste en la trasmisión de cada fuente empleando turnos a lo largo del tiempo. Este tipo de conmutación entre fuentes puede ser bit a bit, byte a byte… Tanto emisor como receptor deben de estar sincronizados correctamente para evitar la toma errónea de canales adjuntos en el tiempo. o OFDM (Orthogonal Frecuency Division Multiplexing)8: Al igual que en FDM, se divide el espectro disponible en varios subcanales, pero en vez de dejar una banda de guarda entre canales o subportadoras, aquí están unidos y al ser cada subportadora de frecuencia ortogonal las bandas no se solapan entre sí. De esta forma obtenemos una mayor eficiencia del espectro disponible. 7 García Teodoro, Pedro. Díaz Verdejo, Jesús Esteban, López Soler, Transmisión de Datos y Redes de Computadores (Cap. 3). Editorial Pearson. Prentice Hall 8 http://www.modulo0tutoriales.com/tutorial/ofdm-multiplexacion-por-division-de-frecuencias-ortogonales/ 18 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 8. FDM vs OFDM Técnicas de contención: en el que las fuentes que deseen transmitir competirán por el canal. Pertenece a este tipo: o Aloha Puro y Ranurado: En el modo puro, la estación emite cuando tiene que emitir, sin importar nada más. Frente a este tenemos el modo ranurado, en el que solo se permite la transmisión en ciertos instantes de tiempo. o CSMA (Carrier Sense Multiple Access) y CSMA/CD: A diferencia de los anteriores métodos, en este caso la estación sondea el medio y no transmite si el canal se encuentra ocupado. La eficiencia obtenida en CSMA es superior que en Aloha. Para evitar que la información se siga enviando cuando se ha producido una colisión con otra estación emitiendo se le añade a las estaciones la capacidad de detectar colisiones: CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) Protocolos libres de colisión: Donde las fuentes acceden al canal compartido de forma ordenada, mediante métodos de acceso basados en reserva o consulta. o Protocolos basados en reserva: Haciendo uso de un intervalo de reserva las estaciones que deseen transmitir deberán de expresar esta intención y pasarían a hacerlo de forma ordenada. o Protocolos basados en consulta: Tiene lugar a través del uso de un testigo, que funciona como un permiso para acceso al medio. La estación que desee transmitir deberá obtener primero el testigo. Técnicas de espectro expandido y multiacceso DS-CDMA (Direct-Sequence Code Division Multiple Access) : Estas técnicas se caracterizan por transmitir la señal usando un mayor ancho de banda que el necesario. De esta forma mejoramos la privacidad y reducimos las interferencias. Encontramos dos mecanismos de transmisión por espectro expandido: o Espectro expandido de secuencia directa: A partir de una secuencia de bit pseudoaleatoria, conocida como chip en inglés, y la secuencia de datos se lleva a cabo la función XOR entre ellas de forma que la secuencia resultado es la transmitida a través del medio. A esta técnica se le conoce como multiplexación por división de código CDMA. o Espectro expandido por salto de frecuencias: En este esquema usamos la misma secuencia pseudoaleatoria para elegir qué frecuencia usamos para modelar la señal y poder enviarla a través del medio. Capítulo 2. Conceptos Básicos_____________________ 19 Esta técnica es menos usada en la comunicación móvil debido al limitado rango de frecuencias de que disponemos. A pesar de todas las técnicas de acceso descritas, no hay ninguna que sea mejor que otra. Siempre se deberá elegir la técnica que mejor se adapte a nuestras necesidades y capacidad del canal. Modulaciones en comunicaciones móviles9 Entendemos por modulación como el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una señal portadora. En sistemas de comunicaciones móviles la modulación empleada dependerá de la técnica de acceso empleada. Por ejemplo en TDMA/CDMA la modulación será digital, mientras que en PMR/PAMR (Private Mobile Radio / Public Access Mobile Radio) se utilizará la modulación FM para separar los distintos canales. Además hay que añadir que la potencia empleada deberá ser pequeña para evitar en todo lo posible las interferencias entre transmisores dentro de la limitada banda de que se disponen. La modulación se puede clasificar en dos grandes tipos: • Modulación analógica: Se empleaba en sistemas analógicos, sobre todo para el transporte de voz. La modulación empleada era la angular. La portadora es representada como: [ + ] Donde la fase varía proporcionalmente a la señal de información transportada: 2 EL empleo de esta técnica se traducía en una pérdida de la calidad de recepción, sobre todo porque el ruido en el receptor afecta más a las altas frecuencias que a las bajas. Se utilizaba para solucionar esto los filtros de procesamiento de preénfasis y deénfasis. La anchura de banda necesaria para dar cabida a esta modulación se calcula mediante la Regla de Carson: 2 +2 2 +1 Donde W es la máxima frecuencia de la moduladora y m=fd/W es el índice de modulación. • 9 Modulación digital: Empleada en los modernos sistemas con acceso TDMA y CDMA. Algunas de sus características son: o Elevada eficiencia espectral o Escasa radiación entre canales o Fase continua, lo que evita la radiación excesiva fuera de banda o Envolvente de la señal modulada constante o Buena SNR (Signal to Noise Ratio) entre portadora/ruido y portadora/interferencia Hernando Rábanos, José María. Comunicaciones Móviles (Apdo. 2.7 pág. 69). Editorial Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. 20 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Los sistemas de modulación más destacados son: o o o o Por desplazamiento mínimo: MSK (Minimum Shift Keying), FSK y GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) De frecuencia moderada: TFM (Tammed Frequency Modulation ) y GTFM (Gaussian Tammed Frequency Modulation) De amplitud y frecuencia: PAM/FM De fase cuaternaria diferencial: π/4-DPSK (π/4 Differential Phase Shift Keying) 21 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Capítulo 3. 0G Esta generación10 es la representación de las comunicaciones previas a la comunicación móvil y celular. Los teléfonos móviles en esta generación eran unos radioteléfonos cuya disponibilidad se basaba en un servicio de radio conectado a la red de telefonía fija, en similitud como podía ser el servicio de radio taxi o la radio de la policía. Estos teléfonos se solían montar en automóviles aunque también podían existir modelos portátiles y aparecieron gracias a la invención de las células hexagonales en 1947. Durante una llamada, la frecuencia del canal no se podía cambiar de una célula a otra célula. Este proceso de cambio de celda, denominado traspaso o handover, fue solucionado en los laboratorios de Bell. Figura 9. Modelo de teléfono de Svenska Radioaktiebolaget (filial de Ericsson). Operaba a 160 MHz en el sistema AMTS, pesaba 40 kilos y fue el primer sistema de telefonía móvil completamente automático desarrollado por Ericsson. En esta generación encontramos los siguientes estándares de transmisión: • • 10 PTT (Push to Talk): Tal y como indica, la transmisión y recepción de voz utilizaba el mismo ancho de banda, limitándose a pulsar un botón para mandar la voz y a soltar el botón para recibir la voz. Fue un estándar muy popular y presente en la mayoría de equipos de radio. Algunos teléfonos móviles utilizaban una evolución denominada PoC (Push to Talk over Cellular). Sistema de Telefonía Móvil o MTS: Asistido por una operadora para la transmisión y recepción. Para una llamada desde la red conmutada la llamada se encaminaba al operador móvil y este se encargaba de transferirla al teléfono móvil. Para efectuar una llamada saliente la llamada pasaba a través del operador móvil para poder poner en contacto a los usuarios. Este servicio se originó con el sistema Bell y originalmente solo tenía 3 canales para todos los usuarios en el área metropolitana. Más licencias fueron agregadas https://sites.google.com/site/psatelefoniamovil/generacin-0-0g 22 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles • • posteriormente, llegando a tener 32 canales finalmente. Se utilizó hasta los años 80, momento en que fue sustituido por el protocolo IMTS. IMTS (Improved Mobile Telephone System): Desarrollado a partir de los años 60 y tratando de mejorar los sistemas PTT, se implementó de forma que emisión y recepción se efectuaran en distintas bandas de frecuencia. Lamentablemente fue un fracaso ya que los transmisores requerían mucha potencia, provocando interferencias y con un número de canales muy reducido. AMTS (Advanced Mobile Telephone System): Estándar de telefonía móvil radial usado en los sistemas portátiles japoneses de radio. Operaba en la banda de los 900 MHz. 23 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Capítulo 4. 1G Esta generación11 apareció en 1979 y creció durante los años 80. Se introdujeron los teléfonos celulares basados en las redes celulares con múltiples estaciones de base relativamente cercanas unas de otras y protocolos de handover o traspaso. Únicamente existía la transferencia analógica y estrictamente para voz. La velocidad de conexión no era superior a 2400 baudios y la técnica de acceso a las celdas era FDMA, lo que limitaba la cantidad de usuarios que el servicio podía ofrecer de forma simultánea. Motorola fue la primera compañía en introducir un teléfono realmente portátil: el Dynatac 8000x, desarrollado en 1983. En su salida el terminal costaba 4000 dólares y su batería solamente duraba una hora en conversación. A continuación se citaran varios de los sistemas que formaron parte de la primera generación de los teléfonos celulares. NMT Nordisk Mobil Telefoni (o Telefonía Móvil Nórdica en español) es un sistema de telefonía móvil definido por las autoridades escandinavas y que funcionó desde 1981 y la cual aún sigue en servicio en países pocos poblados de gran extensión tales como Islandia. Se trata de un sistema full-dúplex, disponía de handover y permitía facturación y roaming. No tenía cifrado en sus comunicaciones, por lo que eran susceptibles a escucha de terceros. Además, permitía la transferencia de datos en modo Data and Messaging Service o bien mediante NMT-Text, que usaba el canal de señalización para la transferencia de datos (se podría decir que fue el “padre” del SMS (Short Message Service)). Las velocidades variaban entre 600 y 1200 bps, utilizando modulación FSK. AMPS Advanced Mobile Phone System o Sistema Telefónico Móvil Avanzado fue un Sistema desarrollado por los laboratorios Bell. Se implementó en 1982 en Estados Unidos y posteriormente en Inglaterra y Japón, con el nombre de TACS (Total Access Communication System) y MCS-L1 (Mobile Cellular System), respectivamente. Empleaba multiplexación FDMA, lo que requería de un considerable ancho de banda. Lo que verdaderamente lo diferenciaba de la generación anterior fue la selección de frecuencias, la posibilidad de handover y la mejorada señalización y establecimiento de llamada. RTMI Ratio Telefono Movile Integrato fué el primer servicio de comunicaciones móviles en Italia. Iniciado en 1973. Operaba en la banda de 160 MHz y fue usada por muy pocas personas de la administración y oficiales del ejército. Más tarde tuvo mayor popularidad tras el uso de la frecuencia de 450 MHz. 11 https://sites.google.com/site/psatelefoniamovil/generacion-1-1g 24 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles C-Netz Funktelefonnetz-C o Red de Teléfono Inalámbrica fue la última red de esta generación implantada en Alemania, Portugal y Sudáfrica. Fue diseñado para dar servicio a aplicaciones telefónicas y a RDSI (Red Digital de Servicios Integrados). Incorporaba handover basado en la distancia con respecto a la estación base, lo que permitía una mayor reutilización de las frecuencias y una mejor planificación de la red. Funcionaba en la banda de 450 MHz y podía dar cabida hasta 287 canales mediante la conversión de tramas de frecuencia de 20 KHz a 12.5KHz y 10KHz. La modulación de voz se efectuaba mediante FSK y la de datos mediante FSK binaria. Ambos se enviaban por el mismo canal mediante TDM. Radiocom 2000 Fue la red móvil francesa, lanzada en 1981. En la banda de frecuencia de 400 MHz, utilizaba transmisión digital para la señalización y transmisión analógica para el transporte de voz. La asignación de frecuencias era dinámico. ACCESO AL CANAL Las principales técnicas de acceso empleadas en esta primera generación son las siguientes: FDMA El acceso múltiple por división en frecuencia es la técnica más común en esta generación. Como ya se especificó en los conceptos básicos, cada usuario emplea una frecuencia distinta a lo largo del ancho de banda disponible. La asignación es rígida y la selección del canal puede ser manual o automática. Figura 10. Representación de FDMA en función del tiempo, frecuencia y potencia. Este mecanismo puede ser implementado cuando el ancho de banda del medio de transmisión excede del ancho de banda de la señal a transmitir. Para optimizar la capacidad del canal podemos transmitir varias señales simultáneamente modulando cada una con una portadora diferente y haciendo que las portadoras estén lo suficientemente separadas como para evitar las interferencias entre cada una de las señales. La modulación empleada depende inicialmente de si la señal de entrada es analógica o digital, a pesar de que se transmitirá por el medio de forma analógica. Para una señal de origen analógica se empleará modulación en amplitud, frecuencia o fase: AM, FM y PM mientras que Capítulo 4. Primera Generación: 1G _____________________ 25 para una señal digital se utilizará ASK (Amplitude-Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying), DPSK (Differential PSK)… etc. En la siguiente figura se muestra un esquema de una posible multiplexación FDM. Distintas señales son moduladas a lo largo del ancho de banda disponible, optimizando así la ocupación del espectro. Figura 11. Esquema multiplexación FDM. TDMA Mucho menos común, aunque se podía emplear para alojar en el mismo canal la información y la señalización, es el acceso por división en el tiempo. Los usuarios comparten el canal a lo largo del tiempo mediante ráfagas o ranuras temporales. Es un mecanismo presente en todos los sistemas digitales y mucho menos común en los analógicos, aunque hay excepciones como era el caso de la red C-Netz. Figura 12. Representación de TDMA en función del tiempo, frecuencia y potencia. 26 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles En este tipo de multiplexación es muy importante la correcta sincronización entre todas las partes implicadas en la comunicación con el fin de evitar errores en la transmisión. MODULACIÓN EMPLEADA Al tratarse de la primera generación “real” de comunicaciones móviles tal y como la conocemos ahora mismo y de que fue analógica, la principal técnica de modulación era la modulación en frecuencia. FM La multiplexación FDM se consigue mediante la modulación en frecuencia. Se conoce por modulación a la técnica para transportar información sobre una onda portadora, que suele ser una onda senoidal, modificando los parámetros de esta señal portadora. En el caso de la modulación FM se varía la frecuencia instantánea de forma proporcional a la señal modulante. + ! )* [ + + & + '( & #'( $ %$ $ %$] Figura 13. Representación de una modulación en frecuencia. La frecuencia de la señal portadora o carrier es modificada en función la señal a modular. En este tipo de modulación analógica el ancho de banda se suele calcular mediante la Regla de Carson: 2 +2 2 +1 27 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Capítulo 5. 2G Hasta este momento se usaba el sistema analógico pero en esta generación12 se cambió al sistema digital. Debido a esto surgieron en los 90 varios sistemas de comunicaciones distintos, como el GSM, IS-136 D-AMPS (TDMA), iDEN (Integrated Digital Enhanced Network) y IS-95 (Interim Standard 95 CDMA). Se caracteriza por circuitos digitales de datos conmutados y la introducción de la telefonía rápida y avanzada a las redes. Usó TDMA para permitir que hasta ocho usuarios utilizaran los canales separados por 200 MHz. Tenemos 3 bandas de uso, 900 MHz, 1800 MHz y 1900 MHz. Como terminal móvil representativo de esta época podemos destacar al Motorola StarTAC. Se lanzó el 3 de enero de 1996. Los protocolos predominantes en 2G son GSM, IS-136, CDMA y PDC Personal Digital Cellular (Japón). Estos protocolos soportaban una mayor velocidad de información por voz pero estaban limitados en la comunicación de datos. GSM Del inglés Global System for Mobile communications, GSM, fue un estándar libre de licencias. Mientras que otros sistemas anteriores eran usados por solo unas pocas personas, GSM llegó a tener más de 3 billones de usuarios en 2010. GSM sigue siendo la tecnología de comunicación inalámbrica más ampliamente usada en el mundo. A pesar de su tiempo y de sus evoluciones, GSM continúa desarrollándose, ya sea añadiéndole nuevas características o como mejora en los sistemas UMTS y LTE para introducir nuevas funcionalidades y reducir su coste operacional. ESTÁNDARES GSM plantea por primera vez un estándar común en toda Europa para comunicaciones inalámbricas. Esta es la razón por la que la mayoría de clientes pueden hacer itinerancia o roaming por todo el mundo sin necesidad de acuerdos extras. BANDAS DE FRECUENCIA13 GSM fue especificada inicialmente para operar en la banda de 900 MHz, entre 890 y 915 MHz de subida y 935 y 960 MHz para el canal de bajada. El ancho de banda de 25 MHz se encuentra dividido en 125 canales con 200 kHz de ancho de banda para cada canal. Más tarde se le asignó otro rango adicional de frecuencia: 1710-1785 MHz para la subida y 1805-1880 MHz para el canal de bajada, lo que le añadió 375 canales adicionales. 12 13 https://sites.google.com/site/psatelefoniamovil/generacin-2-2g Sauter, Martin. From GSM to LTE (Apdo. 1.7.1. Pág. 21). Editorial Wiley. 28 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 14. Bandas de frecuencia en GSM LA ESTACIÓN BASE TRANSCEPTORA (BTS) Es el elemento más visible de la red y numeroso dentro de los elementos de la propia red de comunicaciones móviles. En teoría, puede cubrir un área superior a 35km de radio. Esta área también es llamada célula o celda. Como una estación base solo puede servir a un número limitado de clientes, estas tienen una cobertura mucho más pequeña en realidad, especialmente en entornos urbanos. Para evitar interferencias entre BTS contiguas cada celda transmite en una frecuencia distinta a la de sus vecinos. Figura 15. Típica BTS de esta generación Esta es una BTS muy básica con sus dos elementos principales. El transmisor se encuentra en la parte superior y también es muy común la antena circular direccional cerrada con aspecto de “tambor” para conectar la BTS con el resto de nodos de la red. Capítulo 5. Segunda Generación 2G _____________________ 29 En la siguiente figura podemos observar la disposición estructural de las BTS para dar cobertura a una zona. Se emplea una agrupación de antenas para ampliar la zona de cobertura y para evitar interferencias se emplea una frecuencia distinta a las BTS vecinas. Figura 16. Estructura de células en una red GSM. INTERFAZ AÉREA Para permitir la comunicación de múltiple clientes de manera simultánea se emplean dos métodos: FDMA y TDMA, que ya pudimos ver su funcionamiento en la primera generación móvil. Para GSM en el caso de TDMA cada trama tiene una duración de 4.615 milisegundos y tiene 8 ranuras para alojar a 8 clientes. El tiempo de cada ranura es de 577 microsegundos. Figura 17. Tramas en GSM Combinando TDMA y FDMA es posible calcular la capacidad total de una BTS. Por ejemplo, imaginemos si la estación base se divide en 3 sectores y cada sector cubre una celda independiente y a su vez cada celda está equipada con dos transmisores y receptores. En cada sector tendremos z28=16 ranuras temporales válidas. Si reservamos 2 ranuras para señalización y 4 ranuras más para el servicio de conmutación de paquetes GPRS, nos quedan 10 ranuras para llamadas por sector y por lo tanto la estación daría cabida a 30 clientes simultáneamente. 30 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Cada ráfaga de una trama TDMA se divide en diferentes secciones como se muestra en la siguiente figura: Figura 18. Estructura de trama en GSM Cada ráfaga se encapsula con un tiempo de guarda donde no se envían datos. De esta forma evitamos problemas si la distancia de la estación con respecto al cliente varía. La secuencia de entrenamiento o training sequence que se encuentra en mitad de la trama contiene siempre el mismo patrón de bits y sirve para compensar interferencias tales como reflexión, absorción o efecto multipath. En el receptor se comparan estos bits con la secuencia original y se readaptan los parámetros para filtrar la señal. Al comienzo y al final de cada trama se manda otro patrón de bits para detectar el inicio y el final de la trama de forma correcta. Estos patrones se denominan tail o delimitador en la figura anterior. Un canal de voz enviaría dos campos de datos con una longitud de 57 bits cada uno. Esto significa que una ráfaga de 577 microsegundos transporta 114 de datos de información. MODULACIÓN Como punto final en la transmisión, el modulador mapea la información haciendo uso de una portadora analógica, haciendo uso de un ancho de banda de 200 kHz. Para la modulación se emplea GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). DECT14 Digital Enhanced Cordless es un estándar ETSI para la comunicación inalámbrica de uso doméstico o corporativo y también puede ser usado para transferencia inalámbrica de datos. Una de las grandes diferencias entre este sistema y el GSM es que es en DECT es mucho menor, de 25 a 100 metros. Trabaja en la frecuencia de 1880-1900 MHz, tiene 10 canales, el direccionamiento es dinámico y las modulaciones que emplea son GFSK, ½ DPSK, ¼ DQPSK y 1/8 DPSK. CDPD Cellular Digital Packet Data es una tecnología de transmisión de datos en TDMA. Está basado en IBM CelluPlan II y desarrollada por Ericsson. Usa canales con un ancho de banda de 30 KHz y tiene una capacidad de 19200 bps. Posee compresión de paquetes y corrección de errores y era compatible con roaming internacional. IS-95/cdmaONE Se trata de un estándar de telefonía celular digital con espectro extendido. Fue aprobado en julio de 1993. Este tipo de sistemas dividen el espectro en portadoras de 1.25 MHz. 14 Las descripciones de los siguientes estándares han sido en su mayor parte obtenidas mediante descripciones generales en la Wikipedia. En el caso de DECT por ejemplo el enlace de acceso sería: https://es.wikipedia.org/wiki/Digital_Enhanced_Cordless_Telecommunications Capítulo 5. Segunda Generación 2G _____________________ 31 Su característica más peculiar es que aunque existe el proveedor de servicios solo puede manipular un número fijo de llamadas telefónicas este no es un número fijo. La capacidad del sistema depende de muchos factores. Este sistema emplea CDMA, el cual se caracteriza por su alta capacidad y celdas de radio pequeño, espectro extendido y es muy eficiente en potencia. CDMA o Acceso Múltiple por División de Código es un método de multiplexación basado en espectro expandido. La señal se emite con un ancho de banda mucho mayor que el que realmente se necesita, de ahí que se denomine de espectro extendido o expandido. A los datos se les aplica la función lógica XOR con un código de transmisión único para el usuario. Cada usuario emplea un código de transmisión distinto y único para la modulación. La selección del código se hace por correlación cruzada de la señal captada con el código del usuario. PHS Desarrollado por la compañía japonesa NTTDoCoMo, Personal Handyphone System se trata de un estándar enfocado más a la transferencia de datos que el resto de los estándares 2G. PHS emplea sistema DECT con capacidad de handover entre celdas contiguas. Sus celdas son pequeñas, con una potencia máxima de 500 mW y un rango de cobertura de unos cientos de metros, lo que lo hace bastante práctico en zonas urbanas densamente pobladas. Emplea TDMA/TDD como técnica de acceso al medio y codificación de voz mediante ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) con una tasa de 32 kbps. PDC Personal Digital Cellular es un estándar de telefonía móvil que se utiliza en Japón. Emplea TDMA para poder alojar hasta 3 usuarios en cada canal de frecuencia. Es por lo tanto el que mayor eficiencia emplea el espectro posible. Debido a su uso compartido la codificación de voz puede caer hasta los 5.6 kbps, lo que significa una pérdida importante en la calidad de la voz, aunque todavía se mantiene inteligible. Soporta más funciones avanzadas que la mayoría de sus homólogos de generación. Permite llamadas en prepago, números personales, números de acceso universal, planes de carga avanzados y VPN (VIrtual Private Network). Para la transmisión de datos emplea PDC-P (PDC Mobile Packet Data Communication System), donde permite usar a varios usuarios utilizar un canal simple a la vez empleando conmutación de paquetes. D-AMPS IS-54 e IS-136 son sistemas de telefonía móvil de segunda generación (2G), conocidos como Digital AMPS (D-AMPS). Alguna vez fue predominante en América, particularmente en los Estados Unidos y Canadá. D-AMPS está considerado en etapa de desimplementación, y las redes existentes han sido reemplazadas en su mayoría por las tecnologías GSM/GPRS o CDMA2000. Este sistema emplea TDMA, usa canales AMPS existentes y permite una transición suave entre sistemas digitales y analógicos en la misma área. Cada canal de 30 kHz lo divide en tres ranuras temporales y comprime digitalmente los datos de voz, consiguiendo el triple de capacidad. IS-136 agrega características a la norma inicial IS-54, como SMS mediante conmutación de circuitos y mejor compresión de datos. IS-54 fue el primero en utilizar TDMA. IS-54 emplea el mismo espaciado de canales de 30kHz y las bandas de frecuencia (824849 y 869-894 MHz) como lo hace AMPS. El estándar IS-54 especifica 84 canales de control, 42 de los cuales son compartidos con AMPS. Para mantener la compatibilidad con el sistema de telefonía celular AMPS, los canales de 32 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles control primarios de subida y de bajada en los sistemas celulares usan las mismas técnicas de señalización y esquema de modulación (FSK binario) que AMPS. Una infraestructura AMPS/IS54 soporta el uso de teléfonos análogos y digitales. La tasa de transmisión de bits del canal de transmisión para modular la portadora es de 48.6 kbits/s. Cada trama tiene seis ranuras de tiempo de 6.67 ms de duración. Cada ranura de tiempo lleva 324 bits de información, de los cuales 260 bits son para los datos de tráfico full-rate a 13 kbit/s. Los otros 64 bits son de encabezado; 28 de estos son para sincronía, y contienen una secuencia de bits específica conocida por todos los receptores para establecer alineación de trama. Al igual que en GSM, la secuencia también actúa como un patrón de entrenamiento para inicializar un ecualizador adaptativo. El sistema IS-54 tiene secuencias de sincronía diferentes para cada una de las seis ranuras de tiempo que componen la trama, permitiendo a cada receptor sincronizar con su propia ranura preasignada. 12 bits adicionales en cada ranura de tiempo son para información de control del sistema, es decir, SACCH (Slow Associated Control Channel). El esquema de modulación para IS-54 es 7C/4 cuaternario diferencial PSK (DQPSDK), también conocido como 7t/4 diferencial 4-PSK o π/4 DQPSK. Esta técnica permite una tasa de transmisión de 48.6 kbit/s con canales de 30 kHz, para dar una eficiencia de ancho de banda de 1.62 bit/s/Hz. Este valor es 20% mejor que en GSM. La principal desventaja con este tipo de modulación lineal es la ineficiencia en potencia, que se traduce en móviles más grandes debido a la batería y a tener que recargarla más veces. Las características de seguridad de IS-54 también son de interés pues fue el primer estándar en especificar medidas de seguridad. IS-54 utiliza el algoritmo CAVE (Cellular Authentication and Voice Encryption) para autenticación y CMEA (Cellular Message Encryption Algorithm) para cifrado. La siguiente tabla resume las especificaciones técnicas: Rango de Frecuencias Método de Acceso Múltiple Método Dúplex Número de Canales Ancho de Banda del canal Modulación Tasa de bits por Canal Eficiencia Espectral Ecualizador Interpolación Rx: 869-894 MHz; Tx: 824-849 MHz TDMA/FDM FDD 832 (3 usuarios por canal) 30 kHz π/4 DQPSK 48.6 kbit/s 1.62 bit/s/Hz No especificado en el estándar Interpolador de 2 ranuras Tabla de especificaciones técnicas D-AMPS. ACCESO AL CANAL En esta generación móvil se empleaba una técnica de acceso al canal combinación de dos técnicas distintas: FDD como división en frecuencias, explicada anteriormente en los conceptos básicos y después, para cada uno de los diferentes canales o frecuencias, se emplea TDMA o CDMA. Capítulo 5. Segunda Generación 2G _____________________ 33 FDD/TDMA En esta técnica, tenemos distintos canales o frecuencias portadoras, tanto para subida como para bajada y dentro de cada una la estructura de la trama puede ser usada por distintas señales. Figura 19. Estructura de tramas en FDD/TDMA15 FDD/CDMA Con este método, al igual que en el anterior se divide el ancho de banda en distintas portadoras, pero en este caso, el uso del canal por cada uno de los usuarios se realiza mediante la asignación a cada comunicación de un código de dirección o signatura. El código de cada usuario debe poderse distinguir de los códigos de otros usuarios, así como de versiones retardadas de sí mismo originadas mediante propagación multitrayecto. En CDMA los principales problemas y sus respectivas soluciones son: - - 15 Separar las recepciones mediante las signaturas o códigos de los usuarios: Para solucionarlo se emplean dos tipos de códigos, los ortogonales y los pseudoaleatorios, empleados conjuntamente. Detectar las señales en casos de altas interferencias: Utilizando un gran ancho de banda y reducida densidad espectral de potencia mediante la técnica de espectro ensanchado SS (Spread Spectrum). Esta técnica consiste en la multiplicación de la señal digital, que es de banda estrecha, por otra de banda ancha. La señal resultante es una señal ensanchada, que es percibida por un receptor como una perturbación similar al ruido blanco, que es la mejor clase de ruido que le puede afectar a un receptor. Esta técnica es la utilizada también en los sistemas móviles de tercera generación. GPRS for mobile Internet / Emmanuel Seurre, Patrick Savelli, Pierre-Jean Pietri. 34 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 20. Principio de utilización CDMA para el acceso de dos estaciones móviles a la misma estación base. Cada una de las señales será ensanchada con el código correspondiente. MODULACIÓN EMPLEADA A partir de esta generación y en todas las siguientes se emplea un sistema de comunicaciones digitales. En este tipo de sistemas el emisor solo tiene a su disposición un conjunto finito y discreto de forma de ondas que corresponde con los bits a transmitir. Mediante este sistema obtenemos mayor inmunidad al ruido y distorsión, flexibilidad y además son más baratos. La transmisión de la información se puede descomponer en dos partes: la codificación del canal y la codificación de la fuente. En la primera parte buscamos la mejor forma de representar la secuencia binaria a transmitir mientras que en la segunda buscamos la manera de representar la señal a través del medio por el que vamos a transmitir. En este tutorial nos centraremos en la codificación del canal puesto que es más relevante para la capa física que la codificación de la fuente, que afecta principalmente a la cantidad de información que podrá ser transmitida por unidad de tiempo. La capacidad en un sistema de comunicaciones digitales viene determinada mediante el límite de la capacidad de información de Shannon: , log 0 1 1 La relación de potencias entre la señal y el ruido (S/N) se conoce con el nombre de relación señal ruido o SNR y es adimensional. El elemento encargado de efectuar la codificación del canal es el modulador y la operación es denominada modulación. Mediante esta operación se modifican algunas de las características de la señal portadora mediante la señal moduladora. A continuación se detallan los principales tipos de modulaciones empleados en esta generación de comunicaciones móviles. Capítulo 5. Segunda Generación 2G _____________________ 35 GMSK Es la abreviatura de Gaussian Minimum Shift Keying. Esta modulación tiene memoria y por tanto la forma de onda en el instante n dependerá de lo que se haya enviado anteriormente. Su tecnología es de fácil fabricación y tiene una gran eficiencia, por lo que permite una larga duración de la batería. Se trata de un esquema de modulación digital por desplazamiento de frecuencia de fase continua. Los datos pasan por un filtro paso bajo gaussiano antes de pasar al modulador, suavizando las transiciones de fase de la señal durante la transmisión y reduciendo el ancho de banda necesario y las interferencias fuera de banda entre portadoras de señal en canales de frecuencias adyacentes. Existen dos modos de generar señales GMSK, mediante un oscilador local y mediante un modulador de cuadratura. Después del filtro paso bajo, la señal pasa por un integrador y la salida se divide en dos partes: una de ellas se le aplica el producto con la portadora y la otra parte se desfasa π/2 radianes y mezclada con otro producto desfasado igualmente. Las salidas son entradas de un sumador lineal. Figura 21. Diagrama de fases de generación de una señal GMSK. La demodulación consiste en dos demoduladores de producto a los que se les aplica la portadora y en uno de ellos desfasada π/2. La señal posteriormente se filtra y se les aplica un generador de fase que reconstruye las posibles transiciones de fase. Finalmente, un bloque derivador reconstruye los bits en forma bipolar o NRZ. GFSK Se trata de la modulación clásica FSK con filtrado gaussiano. Es un tipo de modulación donde un 1 lógico es representado mediante una desviación incremental de la frecuencia portadora y un 0 mediante un decremento de la frecuencia. 36 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 22. Representación de una modulación GFSK. DPSK La modulación por desplazamiento diferencial de fase es una modulación digital donde la información binaria se compone de la diferencia entre las fases de dos elementos sucesivos. La implementación del receptor es muy barata, por lo que se suele usar en comunicaciones inalámbricas. Como se observa en la siguiente figura y se ha explicado anteriormente, podemos observar el funcionamiento del proceso. Figura 23. Ejemplo de una secuencia de bits modulada mediante DPSK. Podemos encontrar variantes en relación al desplazamiento de la fase. De esta manera se encuentran otras modulaciones tales como 1/2-DPSK, 1/4-DPSK y 1/8 DPSK. Capítulo 5. Segunda Generación 2G _____________________ 37 π/4 DPSK Esta fue la primera modulación16 de fase que se introdujo en los sistemas móviles digitales, convirtiéndose en un estándar para D-AMPS y JDC. Es una solución de compromiso entre la QPSK clásica y la OQPSK (offset-QPSK). Se trata de una modulación diferencial de fase que permite una demodulación simple y admite las perturbaciones del canal tales como el efecto Doppler y el desvanecimiento Rayleigh. En π/4DPSK a cada pareja de bits le corresponde una transición de fase de la forma indicada en la siguiente tabla: Dibit Transición de fase 00 0 01 π/2 11 π 10 -π/2 Tabla de transiciones de fase en función del bit a representar. Al añadir un incremento de π/4 giramos la constelación para los dibits pares e impares, por lo que pasamos a tener 8 estados o niveles, con las transiciones indicadas. Figura 24. Constelación DPSK y π/4 DPSK Para suavizar las transiciones, la señal digital es sometida a una premodulación mediante un filtro paso bajo con una función de transferencia con módulo tipo raíz cuadrada de coseno alzado con un parámetro de caída progresiva del orden de 0,3. Esta modulación tiene las ventajas de la modulación diferencial pero requiere linealidad en la amplificación, por lo que disminuye el rendimiento de potencia en estos dispositivos. 16 Hernando Rábanos, José María. Comunicaciones Móviles (Apdo. 2.7.3.3 pág. 75). Editorial Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. 38 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 25. Diagrama de tiempo para la modulación. 2.5 G A pesar de que la tercera generación estaba en el horizonte, algunos servicios se hicieron necesarios previa a su llegada. El GPRS fue de los primeros, permitiendo a los usuarios compartir un mismo canal y un uso más eficiente de los canales de comunicación. También se introdujo EDGE (Enhanced Data rates aplicado a GSM Evolution), que es GPRS con una nueva modulación en frecuencia. Otras mejoras afectaron al acceso mediante CDMA, pasándolo a CDMA2000. Como punto medio entre generaciones, 2.5G provee algunos de los beneficios de 3G y podía usarse parte de la infraestructura de 2G. Como curiosidad, también cabe destacar que “2G” y “3G” son términos definidos oficialmente, mientras que “2.5G” fue inventado únicamente con fines publicitarios. GPRS Este servicio17 nació como consecuencia directa de Internet, donde las comunicaciones de datos a través del terminal móvil empezaron a sobrepasar las propias llamadas telefónicas en volumen de tráfico. Era necesario encontrar la manera de proveer de acceso a Internet a un mercado en masa. Técnicamente, GPRS sobre GSM está diseñado para un único propósito: adaptar los paquetes de comunicación estándar (TCP/IP, entre otros) a la interfaz aérea empleada en GSM. Como se ha dicho anteriormente, la interfaz aérea empleada en GPRS es la interfaz empleada en GSM: - 200 kHz de ancho de banda por canal Capacidad máxima de 271 kb/s por canal radio Capacidad máxima de datos de voz de 14 kb/s (hasta 8 canales de voz por canal radio) Capacidad máxima de datos de 22.8 kb/s (hasta 8 fuentes por canal radio) En cuanto a los canales radio, como en GSM, tenemos: - 124 canales en GSM900 374 canales en GSM1800 299 canales en PCS1900 Con el objetivo de mejorar la eficiencia uno de los mecanismos mejorados ha sido el de los esquemas de codificación. Estos utilizarán un esquema u otro en función de las condiciones imperantes en el medio. En cuanto a la interfaz radio, se crean nuevos canales lógicos y estructuras de canales físicos para las trasmisiones por paquetes y señalización y control asociados. Esto se debe a la nueva asignación y retirado de recursos radio a los usuarios. Se crea un nuevo canal físico para paquetes, el PDCH (Packet Data Channel) en el que se alojan los nuevos canales lógicos del modo paquetes. 17 Peter McGuiggan. GPRS in Practice: A Companion to the Specifications (Apdo. 2 pág. 16).John Wiley & Sons, Ltd. Capítulo 5. Segunda Generación 2G _____________________ 39 En la siguiente figura se encuentra representada los canales radio para la interfaz aire. Figura 26. Representación de canales y frecuencias utilizadas en la interfaz aire para GSM y GPRS. Cada canal físico GSM está definido por un Timeslot Number (TN) y una frecuencia o conjunto de frecuencias. Estos canales se encuentran determinados por una ráfaga de tiempo de 4.615 ms y se etiqueta del TN0 al TN7. La siguiente figura muestra la estructura de los canales físicos sobre la interfaz aire: 40 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 27. Estructura de los canales físicos en ráfagas sobre la interfaz aire. En la estructura se observa la serie de ráfagas que conforman el timeslot. Cada ráfaga tiene una duración de 546 microsegundos que junto con el tiempo de guarda hace un total de 577 microsegundos para cada ráfaga. Los ocho time slots o canales físicos pueden ser asignados como canales de tráfico (TCH). Algunos de los canales pueden ser usados como canales de control. Los canales de control informan a los terminales móviles durante la operación (BCCH y SCH) y permiten acceder a los servicios de red (CCCHs). Para GPRS la demanda de las estaciones móviles se prevé mayor, por lo que se clasifican como GPRS clase A para ser capaces de transmitir y recibir simultáneamente. El canal físico denominado Packet Data Channel (PDCH), es limitado a 21.4 kb/s, lo que es muy próximo a 22.8 kb/s, tasa que se consigue eliminando redundancia a los datos mediante el sistema de codificación CS4. La capacidad máxima para las distintas modulaciones empleadas es: • • 21.4 kb/s para GPRS empleando modulación GMSK 59.2 kb/s para EGPRS empleando modulación 8-PSK (hablaremos de él a continuación) EDGE Son las siglas de Enhanced Datarates for GSM Evolution18. Es capaz de proveer de hasta tres veces más velocidad que GPRS. Tiene los requisitos de una red 3G pero se considera como “2.75G”. La principal diferencia con el anterior es que este sistema emplea la modulación 8-PSK si las condiciones de la interfaz aérea son las apropiadas. Cada una de las ocho fases tiene 3 bits de información. Cada fase es un símbolo y cada tasa de símbolo está fijada a 217 kilosímbolos por segundo. Usando este tipo de modulación y el sistema de codificación MCS-9 obtendríamos una tasa máxima de 59.2 kb/s por cada canal físico. 18 Sauter, Martin. From GSM to LTE (Apdo. 2.3.4. Pág. 70). Editorial Wiley. Capítulo 5. Segunda Generación 2G _____________________ 41 Figura 28. Diferentes modulaciones para GSM (GSMK) y para EDGE (8PSK) Además de la modulación también incorpora redundancia incremental, que en vez de retransmitir los paquetes erróneos envía información redundante con el fin de aumentar la probabilidad de recepción correcta. Puede alcanzar una velocidad de transmisión de 384 kbps, por lo que cumple los requisitos para considerarse una red de tercera generación. Para llevar a cabo su implementación es necesario modificar las estaciones base, pero no el núcleo. Es necesario instalar transceptores compatibles con este tipo de tecnología, y ocurre de igual forma con los dispositivos móviles, si queremos utilizar la nueva modulación. Otra ventaja de la nueva modulación y los diferentes esquemas de codificación comparada con GPRS es que usa la mejor modulación y codificación adaptándose a las condiciones radio. Eso se hace desde el dispositivo móvil, calculando la probabilidad de error de bit (BEP) y notificando a la red. La red modifica la modulación y codificación para adaptarlo a un BEP apropiado. La siguiente tabla nos muestra las diferentes velocidades de transmisión en función de la modulación y esquema de codificación empleado. Figura 29. Velocidades de transmisión en función de la modulación y codificación empleadas. CDMA 2000 42 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles La interfaz aérea CDMA2000 propuesta por la ITU fue el resultado del desarrollo en IS-95 con motivo de la tercera generación móvil. Está, por lo tanto, basada en los principios de IS-95, pero es una versión con un ancho de banda 3 veces superior a su antecesor. La En Estados Unidos la evolución de 2G a 3G fue diferente que en Europa. Para cumplir con la norma IMT2000 se partió de IS-95 o cdmaone para que los sistemas pudieran migrar progresivamente desde anteriores estándares. De este proceso apareció CDMA2000. CDMA2000 fue desarrollado por el grupo internacional 3GPP2. Su interfaz radio es una evolución del IS-95. Al igual que ocurrió en Europa con el GSM al GPRS, el estándar IS-95 pasó al IS-95B empleando voz mejorada, tasa de datos de hasta 64kbits/s mediante paquetes y datos por circuitos. Del IS-95B se siguió desarrollando hasta CDMA2000. Este estándar se desarrollará de forma más exhaustiva en su legítima tercera generación. MODULACIÓN EMPLEADA 8-PSK Como ya se dijo en el apartado de EDGE, la causa del principal aumento de la tasa de datos ha sido la introducción de esta modulación. Una señal modulada en 8-PSK tiene 3 bits por símbolo mientras que una modulada mediante GMSK solo lleva 1 bit por símbolo. La tasa de la portadora es la misma y se mantiene la forma de pulso que en GMSK. Al aumento de la capacidad se paga mediante la disminución de la sensibilidad de la señal, por lo que las velocidades más altas serán en zona de limitada cobertura y con unas condiciones ideales. Al igual que en modulaciones de orden inferior donde cada símbolo ocupa una fase en la portadora de la señal, en este caso sucede de igual forma. Como tenemos 8 estados posible, tendremos 8 posiciones con distintos estados de fase. Mientras que en la secuencia de GMSK el desplazamiento entre símbolos es de π/2 aquí es de solamente π/4. Figura 30. Constelación 8PSK. En esta modulación para la detección del símbolo correcto se tiene en cuenta la posible desviación en ambos ejes, sin distinguir explícitamente si el deterioro se debe al ruido de la señal o a la distorsión de la amplitud. Otra peculiaridad en este tipo de modulación es que el enlace descendente tiene que reconocer a ciegas la modulación transmitida. La información se manda sin previo aviso al Capítulo 5. Segunda Generación 2G _____________________ 43 receptor y este debe decodificar la cabecera MAC donde especifica la codificación y modulación empleada. Por último cabe decir que por lo general 8-PSK es la constelación de orden más alta implementada mediante desplazamiento de fase. Para más de 8 fases la tasa de error es muy alta y existen mejores modulaciones, aunque más complejas, como QAM, que será estudiada en generaciones posteriores. 44 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Capítulo 6. 3G 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 tres19 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 CDMA200020 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. 19 https://sites.google.com/site/psatelefoniamovil/generacion-3-3g Hernando Rábanos, José María. Comunicaciones Móviles (Apdo. 11.6. pág. 587). Editorial Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. 20 Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 45 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: Técnica de acceso múltiple Esquema de multiplexación Velocidad de chip Estructura de canales descendentes Estructura de canal ascendente longitud de trama y entrelazado Modulación Modulación de datos Factores de ensanchamiento Código de canalización Funcionamiento síncrono/asíncrono CDMA FDD Nx1,2288 Mchip/s, para N=1,3,6,9,12 Expansión directa o múltiples portadoras Acceso básico: controlado en potencia Acceso con reserva o acceso designado Tramas de 5,10,20,26,666, 40, 80 ms y entrelazado de canales Canal descendente: QPSK balanceado Canal ascendente: QPSK de canal dual BPSK,4PSK,8PSK,16QAM Modulación por dispersión: HPSK (enlace ascendente) y MDP-4 (enlace descendente) 4-256 Descendente: códigos WALSH21 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. Requiere funcionamiento síncrono Tabla de parámetros técnicos de CDMA2000. 21 Braithwaite, R.N., UsingWalsh code selection to reduce the power variance of band-limited forward link CDMA waveforms. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 18, 2000, pp. 2260–2269. 46 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles UMTS El Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles UMTS22 (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: - 22 Núcleo de red (Core Network). Red de acceso radio UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN). Terminales móviles. En UMTS se refieren a estos como User Equipment (UE). Cayetano Lluch Mesquida, José M. Hernando Rábanos. Comunicaciones móviles de tercera generación UMTS. Volumen 1. Madrid: Telefónica Móviles España , 2001 Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 47 Figura 31. Arquitectura general del sistema UMTS. 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. 48 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles 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”: o 1920 – 1980 MHz para el canal ascendente (UL) o 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: o 1900 – 1920 para el canal ascendente (UL) o 2010 – 2025 para el canal descendente (DL) o 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 Tabla de bandas disponibles en UMTS. 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. Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 49 Transmisor En la figura 32 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 1[2] 3[2]4[[2/,]] Y la señal equivalente paso bajo s(t) es ( 6 1[2]7 ;<'( − 29: Siendo A un factor de amplitud y Ψ (t) el pulso de chirp, que determina la forma del espectro de la señal. Figura 32. Diagrama de bloques de un sistema DS-SS. 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 Rake23, que aproxima la forma de onda mediante varias ramas con diferentes retardos. 23 Cardona Marcet, Narcís. Monserrat del Río, José F. Gómez Barquero, David. Argilés Ortiz, David. Fundamentos de UMTS. Apdo. 2.4, pág. 39-42. Editorial Universidad Politécnica de Valencia. 50 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 33. Diagrama de bloques de receptor DS, con multiplicación de formas de onda y secuencias, respectivamente. CODIFICACIÓN DE CANAL En UMTS se especifican dos tipos de códigos de canal: 1. 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. 2. 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: o 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 o 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. Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 51 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 físicos24, en el orden que se van utilizando desde que se enciende el terminal hasta que tiene lugar una llamada, son los siguientes: • 24 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 Hernando Rábanos, José María. Mendo Tomás, Luis. Riera Salís, José Manuel. Comunicaciones Móviles Tercera Edición (Apdo. 8.7). Editorial Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. 52 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles • • • • • • • • 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. Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 53 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 Release 5 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 canales25 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 HSPDSCH 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 (HSPDSCH). 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 25 Sauter, Martin. From GSM to LTE (Apdo. 3.10. Pág. 175). Editorial Wiley. 54 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles 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. Figura 34. Canales HSDPA compartidos y dedicados en dirección ascendente (primera figura) y descendente (segunda figura) 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. Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 55 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 56 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles 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: Figura 35. Categorías de HSDPA en función de la capacidad del dispositivo móvil. 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. HARQ26 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. 26 Sauter, Martin. From GSM to LTE (Apdo. 3.10.2 pág. 177). Editorial Wiley. Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 57 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. Figura 36. Detección y aviso de trama perdida con retransmisión inmediata en dentro de los 10 ms. 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 HSSCCH contiene la siguiente información: • • • • • • ID del dispositivo móvil al cual va a ser enviando la trama en uno o más canales HSSCCH. 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. 58 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles 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 trama27. 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 streaming28 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. 27 http://www.rfwireless-world.com/Terminology/Chase-Combining-HARQ-vs-incremental-redundancyHARQ.html 28 Transmisión mediante descarga continua, usualmente suele ser multimedia. Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 59 ESTRUCTURA DEL CANAL E-DCH29 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. Figura 37. Canales físicos y de transporte usados en HSUPA. 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. 29 Sauter, Martin. From GSM to LTE (Apdo. 3.11.1. Pág. 184). Editorial Wiley. 60 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles La siguiente tabla muestra la tasa binaria bruta resultante en función del factor de ensanchamiento y del número de canales posibles. Categoría Modulación 2 6 6 7 QPSK QPSK QPSK 16-QAM Conjunto de canales E-DPDCH Tamaño máximo del bloque de transporte según TTI Velocidad máxima (Mbit/s) 2x SF-4 2x SF-2 + 2 x SF-2 2x SF-4 + 2 x SF-2 2x SF-2 + 2 x SF-2 14592 bits (10 ms) 20000 bits (10 ms) 11484 bits (2 ms) 22996 bits (2 ms) 1.5 2 5.7 11.5 Tabla de velocidades máximas del canal E-DPDCH según categorías. 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. Figura 38. Diagrama de transmisión CDMA. 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). Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 61 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 TC. 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 Dk[n] y código Gk[p]. La señal paso bajo equivalente recibida del usuario k es: => >? @AB %> C> >? @AB ( 6 3> [2]4> [2/,]D ;<'( − 29: La señal total recibida es la superposición de la señal deseada rj(t), las señales que interfieren rk(t), k≠j, y el ruido térmico que se modela como un proceso AWGN con densidad espectral de potencia N0. = =@ + 6 => +G >F@ Si utilizamos una familia de secuencias código ortogonal que verifiquen: HIJ KL + HKL C@ C> % 0 Todos los términos resultantes se anularán excepto los correspondientes a la señal útil y al ruido térmico, de modo que N@ [O] @ 4@ [O] + P@ [O] siendo P@ [O] HIJ 1 Q? + 9 HKL KL G C@ % 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 N0/TB. 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). 62 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles 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: Figura 39. Ejemplo de un árbol de código OVSF. 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. Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 63 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 QPSK30 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. Figura 40. Constelación QPSK en representación polar. 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. 30 Evgenii Krouk, Sergei Semenov. Modulation and Coding Techniques in Wireless Communications (Apdo. 2.2.2. Pág. 43). Editorial Wiley. 64 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 41. Diagrama de constelación mediante cuadratura. 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. Figura 42. Diagrama matemático de modulación QPSK mediante 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. QAM31 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: 31 Evgenii Krouk, Sergei Semenov. Modulation and Coding Techniques in Wireless Communications (Apdo. 2.4. Pág. 60). Editorial Wiley. Capítulo 6. Tercera Generación 3G_____________________ 65 Donde M=2k es 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. Figura 43. Esquema de modulación 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. Figura 44. Constelaciones 16-PSK y 16-QAM 66 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles 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. Figura 45. Constelación 64--QAM 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. Figura 46. Ejemplo de salida en 16-QAM. Arriba, cada uno de los canales y abajo la salida total en el dominio del tiempo. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 67 Capítulo 7. 4G En la cuarta generación de tecnologías móviles nos basamos totalmente en IP. No se trata de una tecnología o estándar definido, sino una colección de tecnologías y protocolos que permitan el máximo rendimiento y por lo tanto se considera un sistema de sistemas y una red de redes. Esta convergencia de tecnologías surge de la necesidad de agrupar los diferentes estándares en uso con el fin de delimitar el ámbito de funcionamiento de cada uno de ellos y para integrar todas las posibilidades de comunicación en un único dispositivo de forma transparente al usuario. NTT DoCoMo en Japón fue el primero en experimentar con este tipo de tecnologías. Alcanzó 100 Mbps a 200 km/h y fue pionero en lanzar comercialmente los primeros servicios 4G. Se espera una implantación total sobre el año 2020 o antes. Dentro de los estándares encontramos dos: LTE y IEEE 802.16, que recoge el estándar de facto WiMAX. Las velocidades y sus principales especificaciones, donde serán desarrolladas en los apartados de a continuación son las siguientes: Figura 47. Esquema con los principales estándares en 4 G. Aparecen sus tasas de transmisión y especificaciones. 68 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles LTE Long Term Evolution32 es un estándar de la norma 3GPP como fruto de la evolución del UMTS debido a sus limitaciones. Se especifica una nueva interfaz de aire para evitar los desvanecimientos multipath, empleando OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). En lugar de una única transmisión, los datos se dividen en muchos flujos más lentos y son transmitidos simultáneamente. Para aumentar la velocidad de transmisión aumentamos el canal incrementando el número de portadoras de banda estrecha. LTE se puede adaptar fácilmente a un ancho de banda menor de 5 MHz. Qué ancho de banda se emplee dependerá de la banda de frecuencias disponible y de la cantidad de espectro posible. Además del ancho de banda flexible, LTE soporta transmisiones MIMO, que permite a la estación base transmitir varios flujos de datos sobre la misma portadora. Para separar el canal ascendente del descendente se usa principalmente FDD, aunque también se encuentra disponible en TDD aunque no es tan popular. El otro gran cambio es la aproximación todo IP. LTE se basa en un núcleo de red IP a excepción del SMS, que se transporta mediante los canales de señalización. Además todas las interfaces de red entre los nodos están basadas en IP, lo cual es una gran simplificación comparada con las anteriores tecnologías y más barata. Para lograr ser universal, los dispositivos LTE deben de ser compatibles con anteriores generaciones, lo que significa compatibilidad con GSM, GPRS, EDGE y UMTS. Por parte de la red debe de haber interfaces y protocolos para poder moverse libremente entre GSM, UMTS y LTE. AL comienzo la red LTE se desplegó de forma independiente a los anteriores sistemas, pero ahora que la tecnología ha madurado se está desplegando los nodos GSM y UMTS pueden ser utilizados para el despliegue de la nueva red. ARQUITECTURA DE RED La arquitectura de red LTE es similar a GSM y UMTS. En principio, la red se encuentra separada entre la red radio y la parte del núcleo de red. No obstante, el número de nodos lógicos ha sido reducido. La siguiente figura muestra un resumen de la red LTE y sus componentes. Figura 48. Arquitectura de red LTE. 32 Sauter, Martin. From GSM to LTE (Apdo. 4 pág. 205). Editorial Wiley. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 69 El dispositivo móvil se conoce como Equipo de Usuario (UE) y hay 5 clases diferentes de UE. A diferencia de HSPA donde los dispositivos soportan un amplio rango de modulaciones y codificaciones, los UE soportan 64-QAM en el enlace descendente y transmisión MIMO (a excepción de los dispositivos clase 1). En el enlace ascendente para los UE de clase 1 a 4 se emplea 16-QAM mientras que los dispositivos de clase 5 emplean 64-QAM. Al emplear MIMO, varios flujos de datos son transmitidos en la misma frecuencia portadora desde múltiples antenas de la estación base hacia múltiples antenas en el dispositivo móvil. Si la señal alcanza al receptor por distintos caminos, por ejemplo debido a la reflexión, el receptor puede distinguir entre las diferentes transmisiones y recrear el flujo original. El número de antenas de transmisión y recepción fija el número de flujos de datos que pueden ser enviados en paralelo. La mayoría de redes usan 2x2 MIMO, es decir, 2 antenas de transmisión y 2 antenas de recepción. En categoría 5 se emplea 4x4 MIMO en el caso de que sea soportada por la red. Tabla de categorías LTE UE En la práctica, la mayoría de dispositivos de categoría 3 y 4 han alcanzado picos de datos entre 100 y 150 Mbit/s bajo condiciones ideales y empleando una portadora de 20 MHz. Las redes LTE se están desplegando en diferentes frecuencias dependiendo de la zona. La siguiente tabla muestra una selección de las bandas de frecuencia que se han definido y que se usarán en los próximos años. En Europa se usará el espectro sobrante de la televisión debido a la implementación de la televisión digital entre 591 MHz y 862 MHz. Tabla de bandas de frecuencias por región. 70 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles La mayoría de dispositivos LTE también soportan GSM y UMTS, por lo que también pueden emplear las otras bandas de frecuencia. Por ejemplo, un móvil vendido en Europa suporta las bandas de 900 MHz y 1800 MHz para GSM, 2100 MHz para UMTS y las bandas de 850 MHz y 1900 MHz para la itinerancia o roaming internacional GSM y UMTS, respectivamente. EL nodo-B o eNode-B es el dispositivo más complejo en la red LTE. Consiste en tres grandes elementos: • • • Las antenas Los módulos de radio Los módulos digitales, que procesan las señales radio y actúan como interfaz hacia el núcleo de la red. Además, las estaciones base en LTE son unidades autónomas. Es decir, integran la mayoría de las funcionalidades que anteriormente formaban parte del controlador radio de la red. Por lo tanto el eNodo-B (la primera “e” proviene de “evolución”) es responsable de: • • • • • • • • • • • • La interfaz aérea Organización de usuarios y programación de los recursos radio Asegurar un QoS y requisitos mínimos dependiendo del perfil del usuario. Balancear la cargar entre los diferentes usuarios que emiten simultáneamente. Lograr la movilidad. Reducir las interferencias con las células vecinas. En cuanto al resto de elementos en la arquitectura de red tenemos: La interfaz S1, dividida en dos partes lógicas, el plano de usuario UP y plano de control CP. UP se encarga de los datos de usuario y CP se encarga de la interacción con el núcleo de la red y de la señalización. Mobility Management Entity (MME), que es el nodo responsable de toda la señalización entre las estaciones base y el núcleo de la red y entre los usuarios y núcleo. Serving Gateway (S-GW): Es el encargado del túnel de los datos de usuarios entre el eNodo-B y el PDN-GW. El Packed Data Network Gateway (PDN-GW): Es la puerta de enlace entre Internet y el operador de red. Home Subscriber Server (HSS): Se refiere al Home Location Register (HLR) y al Mobile Application Part (MAP) en los sistemas GSM y UMTS. Cada cliente se encuentra registrado en esta base de datos. INTERFAZ AIRE FDD Y RED RADIO El mayor cambio en comparación con la antigua generación es que la interfaz aérea ha sido rediseñada completamente. La nueva versión hace posible mayores anchos de bandas tanto en el enlace ascendente como en el descendente. OFDMA en Enlace Descendente Para el enlace descendente LTE emplea Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). La información a transmitir es dividida entre varios flujos más lentos y se envían mediante portadoras simultáneas. La ventaja del envío simultáneo en paralelo puede ser mayor que la desventaja del efecto multipath. La siguiente tabla muestra el número de subportadoras utilizadas dependiendo del ancho de banda. A mayor ancho de banda, mayor número de subportadoras es necesaria. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 71 Ancho de banda (MHz) Número de subportadoras Tamaño de la FFT 1.25 76 128 2.5 150 256 5 300 512 10 600 1024 15 900 1536 20 1200 2048 Tabla de anchos de banda definidos en LTE. Para ahorrar ancho de banda, las subportadoras están espaciadas de tal forma que el lóbulo lateral del espectro de cada una de ellas es exactamente cero en la frecuencia central de la subportadora adyacente (ortogonales). La figura 49 nos muestra cómo funciona conceptualmente. Figura 49. Modulación OFDMA para transmisión en enlace descendente. Arriba a la izquierda los datos se ponen en flujos paralelos, cada uno de los cuales se mapea en su correspondiente subportadora. A continuación empleamos la transformada inversa de Fourier para trasladar la señal al dominio del tiempo antes de ser modulada y enviada a través del aire al receptor. La recepción es mostrada en la parte baja de la figura 49. Después de la demodulación de la señal se le aplica la transformada de Fourier FFT para convertirla al dominio de la frecuencia de nuevo para poder separar cada una de las subportadoras. Finalmente todos los flujos son unidos de nuevo en uno solo y es entregado a la capa superior de la pila de protocolos. 72 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Los parámetros físicos para las subportadoras son: • • • Espaciado entre subportadoras: 15 KHz Duración de símbolo (OFDM): 66.667 µs Prefijo estándar cíclico: 4.7 µs. Este prefijo es transmitido antes de cada símbolo para prevenir interferencia intersimbólica debido a las diferentes longitudes de cada camino. SC-FDMA en Enlace Ascendente Para el enlace ascendente OFDMA no es apropiado debido a su alto pico de consumo medio o Peak to Average Power Ratio (PAPR) cuando los diferentes flujos son combinados. Empleamos Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). Es similar a OFDMA pero tiene pasos adicionales en el procesamiento. En vez de dividir los datos en varios flujos y mapearlos en subportadoras, la señal en el dominio del tiempo es convertida a una en el dominio de la frecuencia mediante una función Transformada de Fourier. Esto distribuye la información de cada bit en todas las subportadoras, reduciendo así el consumo entre las diferentes subportadoras. El número de subportadoras depende de las condiciones de la señal, la potencia de transmisión del dispositivo y el número de usuarios simultáneos en el enlace ascendente. Figura 50. Modulación SC-FDMA para transmisión en enlace ascendente. En la figura 50 se pueden observar la diferencia de pasos con el enlace descendente, que empleaba OFDMA. En lugar de dividir primero el flujo y ponerlo en diferentes flujos la señal se convierte al dominio de la frecuencia mediante una transformada de Fourier. De esta forma la información se distribuye a cada una de las subportadoras. Símbolos, Slots, Bloques Radio y Tramas La transmisión de datos se organiza de la siguiente manera: la unidad de transmisión más pequeña en cada subportadora es una transmisión con una duración de 66.667 µs correspondiente a un símbolo. El número de bits por símbolo dependerá de la codificación escogida y esta a su vez de las condiciones del entorno. Si las condiciones de radio son ideales Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 73 se empleará 64-QAM y se enviarán 6 bits por símbolo. En peores condiciones de entorno emplearemos 16-QAM (4 bits por símbolo) o QPSK (2 bits por símbolo). A continuación se le añade una cabecera para asignar cada símbolo individual a cada usuario o propósito. Siete símbolos consecutivos en 12 subportadoras son agrupados en un Resource Block (RB). Un RB ocupa exactamente un slot con una duración de 0.5 ms. Figura 51. Asignación de recursos en LTE. Una subtrama representa el esquema de tiempo de LTE y está formada por 2 slots con una duración de 1 ms. Esto quiere decir que en cada milisegundo el eNodo-B decide a cuántos usuarios están permitidos y cuantos recursos se les asigna a cada uno de ellos. La red tiene dos opciones para transmitir una subtrama. La primera opción es mediante Localized Virtual Resource Blocks (LVRBs), transmitidos en grupos como muestra la anterior figura. En este caso el eNodo-B necesita un canal de realimentación de banda estrecha para organizar los bloques en subportadoras y evitar que sufran desvanecimiento en banda estrecha. La segunda opción es transmitir los datos mediante Distributed Virtual Resource Blocks (DVRBs), donde los símbolos que forma un bloque se encuentran dispersos por todo el ancho de banda. En este caso el móvil no tiene ningún canal de realimentación. Y finalmente 10 subtramas se combinan en una trama de radio LTE, la cual tiene una duración de 10 ms. MODELO DE CANALES33 Enlace descendente Todo el tráfico de señalización y los datos de usuario están organizados en canales. En la capa lógica los datos de cada usuario se transmiten mediante el Dedicated Traffic Channel (DTCH). Cada usuario tiene un DTCH. No obstante, en la interfaz aérea todos los canales son mapeados en un único canal compartido que ocupa todos los bloques. Algunos símbolos en cada bloque de recursos se asignan a otros propósitos y no puede ser usado para datos. 33 Sauter, Martin. From GSM to LTE (Apdo. 4.3.5. Pág. 223). Editorial Wiley. 74 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles El mapeo de los DTCH hacia el canal único compartido se realiza en dos pasos. Primero, los DTCH se mapean en el Downlink Shared Channel (DL-SCH). En el segundo paso este flujo de datos se mapea al canal físico o Physical Downlink Shared Channel (PDSCH). Figura 52. Estructura de canales descendentes en LTE. Además de los canales de datos se le añaden los canales lógicos antes de ser mapeados al canal físico. Todos los flujos de canales superiores se mapean en el canal físico compartido, incluyendo el canal de control de paginación o Paging Control Channel (PCCH). El único canal que no se mapea en el compartido junto a los otros es el que se encarga de la sincronización con la celda. Este canal es el Physical Broadcast Channel (PBCH). Es transmitido cada 40 ms y contiene las señales de sincronización primaria y secundaria. Enlace ascendente En el canal ascendente se emplea un modelo de canal similar al de la dirección descendente. Tenemos de nuevo canales lógicos, de transporte y físicos para separar los flujos de datos lógicos y multiplexarlos en un único canal. El canal más importante es el Physical Uplink Shared Channel (PUSCH), cuya tarea es transportar datos de usuario, señalización e información sobre la calidad de la señal. Los datos del canal PUSCH están divididos en tres canales lógicos: el canal de los datos de usuario Dedicated Traffic Channel (DTCH), el de señalización Dedicated Control Channel DCCH y el de señalización en el establecimiento que es el Common Control Channel CCCH. Figura 53. Estructura de canales ascendentes en LTE. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 75 Transmisión MIMO Aparte de los esquemas de modulación mejorados, a partir del 3GPP Release 8 se especifica y requiere el uso de las técnicas multiantena, mejor conocidas como MIMO (Multiple Input Multiple Output) en la dirección descendente. A pesar de que se especificó en HSPA no fue ampliamente utilizada debido a la escasa compatibilidad con los dispositivos del momento. El concepto principal en MIMO es el de enviar varios flujos de datos independientes sobre la misma interfaz aérea simultáneamente. En su primera versión se han especificado el uso de 2 o 4 flujos simultáneos. Solamente se emplea en el canal compartido y únicamente para transmitir en aquellos usuarios que posean una muy buena calidad de señal. La transmisión de flujos simultánea sobre el mismo canal es posible solo si los distintos flujos se mantienen independientes entre durante el recorrido a través del canal. Esto se logra cumpliendo dos requisitos básicos: • • En el lado del transmisor, si queremos transmitir dos flujos distintos, necesitaremos dos antenas. En la práctica se puede hacer empleando una sola antena y distinta polarización para cada uno de los flujos (horizontal y vertical). El receptor también requiere dos o cuatro antenas. En el caso de un móvil esto se convierte en un reto debido al limitado espacio de que se dispone, y más aun teniendo en cuenta que tiene que soportar distintas bandas de frecuencia para tener compatibilidad con GSM, UMTS y CDMA. El segundo requisito para la transmisión MIMO es que la señal tiene que permanecer independiente durante el recorriendo entre transmisor y receptor. Esto se puede conseguir por ejemplo si las transmisiones simultáneas alcanzan el dispositivo móvil mediante distintos caminos. De todas formas y como es normal, las transmisiones simultáneas interfieren entre sí lo que reduce la máxima velocidad. Si la interferencia es muy fuerte se tendrá que bajar el esquema de modulación y se empleará 16-QAM en vez de 64-QAM, y entonces puede que nos interese más emplear un único canal con 64-QAM que dos que se interfieran con 16-QAM cada uno. Por lo tanto solo en condiciones muy ideales y distancias muy cortas entre transmisión y receptor se podrá utilizar un esquema 64-QAM y MIMO que nos garantiza el máximo ancho de banda. Tampoco es un gran problema ya que como se ha especificado en los apartados anteriores, se puede decidir usar MIMO o no cada milisegundo, por lo que el sistema se adapta rápidamente a las condiciones del entorno. Figura 54. Esquema de funcionamiento MIMO. 76 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles En las especificaciones de LTE empleamos el término de rangos para describir el uso de MIMO. El rango 1 se especifica para una única transmisión y el rango 2 para una transmisión MIMO de dos flujos para un bloque de datos. En la estación base o eNodo-B podemos encontrar dos modos de funcionamiento para MIMO: • • Modo de operación en bucle cerrado, donde una matriz de precodificación es aplicada en el flujo de datos antes de ser enviada para cambiar la modulación de las dos señales con el fin de aumentar el rendimiento en el receptor. Modo de operación en bucle o lazo abierto, para usuarios en movimiento, donde adaptar su transmisión a una matriz de precodificación no es lo suficientemente rápida. En este caso únicamente el móvil decide las características de la transmisión. Por último también cabe destacar que MIMO también nos aporta fiabilidad. Puede que la transmisión MIMO no aporte más velocidad pero al enviar varios flujos ayuda al receptor en la decodificación. En total tenemos 12 modos de uso de MIMO, de forma que el eNodo-B tiene un amplio rango de opciones para adaptarse a unas condiciones de señal cambiantes. Figura 55. Diferentes modos MIMO especificados en 3GPP. Interfaz TD-LTE Aunque mayoritariamente se ha desplegado LTE empleando FDD, es decir, transmisión y recepción simultánea mediante dos canales separados, también tenemos una variante TDD. En la variante TDD, empleada en China por ejemplo, se emplea un único canal para ambos enlaces y la mayoría de parámetros son idénticas a la FDD. La mayoría de diferencias son: • • Solo se emplea un único canal, con una guarda entre transmisión y recepción. Su duración está determina por el tiempo que necesita para cambiar el modo de operación del transmisor. El tiempo de guarda tiene que ser lo suficientemente grande como para encajar correctamente todas las transmisiones disponibles. Normalmente con la duración de un símbolo OFDM es suficiente. También es necesario una asignación de recursos flexible para no desperdiciar el rendimiento del canal. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 77 Planificación de la red La planificación de la red es esencial para asegurar un alto rendimiento así como para reducir en todo lo posible las interferencias de otras células y dispositivos móviles. LTE emplea una única frecuencia para todas las células. Para ampliar la capacidad es posible la operación de varias portadoras en la misma frecuencia, aunque por lo general se aprovecha el ancho de banda de 20 MHz especificado para LTE porque usar más sería problemático ya que tenemos otras redes utilizando el espectro disponible y también para el correcto filtrado de la señal. Con respecto a las interferencias con otras células vecinas los móviles pueden recibir señales de varias células. Si la intensidad con que emiten varias células es parecida la interferencia en el móvil podría ser importante. En este caso se limitaría la velocidad de datos de descarga del dispositivo móvil y también afecta a la capacidad total de la célula. Para solucionar esto se emplea un Inter-Cell Interference Coordination (ICIC). La interfaz aire duplica en este caso se emplea para intercambiar información y configurar la transmisión para reducir el problema. LTE-ADVANCED Se trata de una serie de funcionalidades y características que mejoran la red LTE y se encuentra incluidas en 3GPP Release 10. El principal objetivo de estas mejoras es reducir aún más el coste e incrementar las capacidades máximas por usuario. Las principales mejores relacionadas con la capa física son las siguientes: • • • Se incrementa el ancho de banda agregando una nueva portadora al actual ancho de banda de 20 MHz. Esta agregada se emplea para combinar la capacidad de varias portadoras individuales. Las portadoras pueden estar adyacentes o no, en una única banda y también en diferentes bandas. Una configuración puede ser combinar las bandas LTE 7 (2600 MHz) y 3 (1800 MHz) para conseguir un ancho de banda total de 20 MHz. Mejoras en la transmisión MIMO. Se añade el modo de transmisión 8x8 (tasas de hasta 1Gbps) y en el enlace ascendente se añade hasta MIMO 4x4, obteniendo un rendimiento de hasta 300Mbit/s. Para aumentar el rendimiento y ampliar la cobertura podemos emplear femtocélulas, que son pequeñas y baratas. También podemos emplear nodos de retransmisión. Estos nodos funcionan como células estándares pero a diferencia de las celdas normales que emplean el cobre, fibra óptica o microondas para la conexión con el núcleo de la red emplean la propia interfaz LTE para transportar esos datos hacia otras células y así ampliar la cobertura disponible. 78 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles IEEE 802.16 Y WiMAX34 Se trata de un estándar inalámbrico de banda ancha publicado por el Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE. Aunque la familia de estándar 802.16 se nomina oficialmente como WirelessMAN en el ámbito de IEEE, ha sido comercializado bajo el nombre de WiMAX que son las siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access. El WiMAX Forum promueve y certifica la interoperabilidad de los productos basados en los estándares IEEE 802.16. 802.16 es una parte de la serie de estándares locales y metropolitanos de la serie 802 de IEEE. Más concretamente 802.16 es un estándar de red de área metropolitana con un enfoque diferente, especialmente en la capa física y en la capa de enlace de datos en comparación con sus estándares antecesores. Los cambios más importantes son: • • • • Puede operar en varios modos: punto a punto para funcionar en modo bridge y punto a multipunto para ofrecer acceso a telefonía e internet. En el modo punto a multipunto el acceso a la red por los clientes, referidos como Subscriber Stations (SSs) se efectúa mediante una autoridad central. Los SSs no reciben tramas individuales. En el sentido descendente los datos son embebidos en tramas mucho más largas y durante la transmisión de la trama la red puede ajustar dinámicamente la modulación y la codificación por partes de la trama para transmitir con mayores tasas para aquellos clientes que tengan peores condiciones de recepción. En el enlace ascendente se utiliza el mismo concepto. El estándar 802.16 define los parámetros para asegurar QoS (Quality of Service), que es una característica necesaria en entornos metropolitanos de alta carga y gran cantidad de clientes por celda. El estándar 802.16 usa el modelo de protocolos. Primero tenemos la capa física, en la cual nos centraremos en este tutorial. Después tenemos la capa MAC, dividida en 3 subcapas, la capa de privacidad, la común y la capa de convergencia. Finalmente 802.16 especifica interfaces para 3 diferentes capas de tecnología superiores: ATM, UP y Ethernet. Figura 56. Diferentes modos MIMO especificados en 3GPP. 34 Sauter, Martin. From GSM to LTE (Apdo. 5. Pág. 277). Editorial Wiley. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 79 Capa física Existen dos formas para comunicarse con los clientes en una red 802.16 punto a multipunto. Para bandas sin licencia se emplea TDD y para las bandas con licencia los operadores pueden elegir entre TDD y FDD. En TDD tanto enlace ascendente como descendente emplean la misma frecuencia. La ventaja de este método es el reparto flexible de carga para ambos enlaces. La principal desventaja es que los dispositivos no pueden enviar y recibir simultáneamente y el dispositivo tiene que cambiar constantemente entre modo de transmisión y recepción y durante este tiempo se desperdicia el ancho de banda. En FDD enlace ascendente y descendente tienen frecuencias distintas separadas por una banda de guardia, pudiendo enviar y recibir simultáneamente. Figura 57. Modo de operación en 802.16: TDD y FDD. Modulación y codificación OFDM adaptativa La subcapa de convergencia de transmisión, que forma parte de la capa física en 802.16, emplea OFDM tanto en el modo FDD como en el TDD. Los datos son modulados en 256 portadoras independientemente del ancho de banda total en el canal. Todos los bits transmitidos durante una transmisión a través de las portadoras son referidos como un símbolo. En lugar de un bit rate, el symbol rate, o tasa de símbolos se usa como unidad de medida en la capa física. Para operación punto-multipunto el estándar define perfiles con anchos de banda de 1.75, 3, 3.5, 5.5, 7 y 10 MHz. Como el número de portadoras es la misma para todos los anchos de banda disponibles el número de símbolos varía. Para un canal de 1.75 MHz, por ejemplo, el tiempo de transmisión de un símbolo es de 128 µs mientras que para 10 MHz se reduce a 22.408 µs. De las 256 subportadoras, se usan 193 para transmitir datos de usuario, 55 para bandas de guarda en los extremos de la banda de frecuencia usada y 8 más para información piloto, que 80 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles se utiliza para la aproximación del canal y el cálculo del filtro necesario para evitar las distorsiones de la señal. Para cada transmisión en cada subportadora se codifican varios bits. En condiciones ideales se emplea 64-QAM y conforme van empeorando las condiciones de señal se emplean 16-QAM, QPSK y BPRSK. La siguiente tabla muestra los diferentes esquemas de modulación y la SNR necesaria para emplear cada uno de ellos. Este esquema de modulación también se emplea en los estándares WLAN 802.11g y 802.11ª, solo que estos se emplean 52 subportadoras y un ancho de banda fijo de 22 MHz. Figura 58. Esquemas de modulación en 802.16. Otro parámetro importante es la tasa de codificación de los datos de usuario, entendida como la proporción entre el número de bits de información de usuario y los empleados para detección y corrección de errores. La tasa de codificación más baja es de 3/4, es decir, 3 bits para datos de usuario y uno para errores, aunque solo se emplea para condiciones de señal ideales. Otras tasas para condiciones menos favorables son 2/3 o 1/2, por lo que el ancho de banda se reduciría a la mitad. Al igual que ocurre en LTE las estaciones base realizan una modulación y codificación adaptativa por usuario en la red. Esto asegura un mejor uso de la interfaz aérea permitiendo mejores esquemas de modulación para aquellos en mejores condiciones de señal y otros esquemas más robustos para aquellos usuarios en peores condiciones y a mayor distancia de la estación. En la mayoría de casos las estaciones tienen mayor potencia de transmisión que los SSs. Para compensar el desequilibrio entre base y móvil el estándar 802.16 soporta subcanalización de clientes. En lugar de usar 193 portadoras la estación base puede asignar Nx12 portadoras al SS en la dirección ascendente. De esta forma se concentra la potencia en unas pocas portadoras, incrementando la SNR hasta en 12 dB. Otra característica es la de los Automatic Retransmission Request (ARQ), que son opcionales en WiMAX. Los perfiles para conexiones punto a multipunto definen los ARQs solamente como una implementación. Esto quiere decir que el sistema tiene que asegurarse de tener una modulación y codificación adecuadas para minimizar las retransmisiones a la altura del protocolo TCP, lo cual podría llegar a tener un gran impacto en el rendimiento de la conexión. Como realmente el estándar solo se especificó para el uso estacionario alcanzar las transmisiones libres de errores es más fácil de lograr. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 81 Capacidad disponible La capacidad teórica disponible usando una frecuencia portadora de 20 MHz y modulación 64QAM con una tasa de codificación 3/4 (condiciones ideales) es: 1. Tasa de símbolo: 90.909 símbolos/s 2. Tasa total de bits: tasa de símbolo x número de portadoras x bits por portadora = 90.909 x 193 x 6 = 105.27 Mbit/s 3. Tasa de bits después de la codificación: tasa total x tasa de codificación=105.27 Mbit/s x 3/4 = 78 Mbits/s Aunque este valor calculado no es probable de ser aplicado en la realidad. El mayor ancho de banda que podemos utilizar es de 10 MHz y la modulación y tasas tampoco son realistas. Para unos parámetros más reales, un ancho de banda de 7 MHz, modulación 16-QAM y tasa de codificación 2/3 tenemos un velocidad disponible de 16 Mbit/s, y esto sin tener en cuenta los tiempos de guarda. Tamaño de las celdas El tamaño de las celdas es un factor importante si queremos economizar gastos en una red 802.16. En teoría deberíamos de hacer las celdas con el mayor alcance posible y tener una gran capacidad para dar cabida al máximo número de usuarios, pero estas dos características son excluyentes. Cuanto más alcance cubrimos con una celda atenderemos a usuarios más lejos, lo que implica peor señal, peor modulación y descenso de la capacidad total de la celda debido a esto y al tiempo de servicio de los usuarios lejanos. Por tanto, en entornos urbanos usaremos celdas pequeñas ya que la densidad de clientes es mayor y les ofreceremos mejor calidad y en entornos rurales el alcance será mayor para que el número de usuarios sea mayor y así la instalación de la antena resulte económicamente rentable. A partir de los estudios desarrollados por el WiMAX fórum se ha llegado a la conclusión de que una estación base puede dar cobertura en interiores con una antena en un radio de entre 300 metros a 2 kilómetros, sin olvidar que dependerá de la potencia de la antena, la sensibilidad en recepción y la frecuencia usada. El estudio también concluye que una antena direccional y externa podrá extender este alcance hasta 9 km asumiendo que no existe línea de visión entre antenas. Con línea de visión directa este alcance se podría aumentar entre 10 y 50 km. Figura 59. Tamaño de la celda en función del alcance de servicio. 82 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Estructura de trama en la capa física35 La estructura de trama dependerá del modo de multiplexación empleado en la red. Estructura de trama en el modo FDD Como hemos mencionado anteriormente, en FDD los canales ascendente y descendente tienen frecuencias distintas, por lo que podemos enviar y transmitir simultáneamente. En el caso de que se conectaran dispositivos half dúplex, ya que los full dúplex serían más caros, estos tendrían que parar de transmitir para poder recibir y viceversa, reduciendo así su capacidad a la mitad. A pesar de este inconveniente como la mayoría del tráfico generado es asimétrico (video en páginas web en las cuales descargamos más que subimos datos, por ejemplo) esto no implica una gran desventaja. En la mayor parte del tiempo una celda servirá a más de un cliente. Esto será beneficioso incluso para dispositivos half-duplex ya que la estación base podrá solicitar que algunos dispositivos reciban datos mientras que a otros les estará permitido transmitir, de forma que aumentará la capacidad del sistema simplemente organizando las transmisiones de cada dispositivo sabiendo si tienen capacidad full-duplex o half-duplex. En la figura 60 se puede observar como los datos son transmitidos en la dirección descendente. Los datos se fragmentan en tramas que son transmitidos a través del aire. Las tramas tienen una duración de entre 2.5 y 20 ms y la selección de esta duración suele ser estática. Si se cambia la duración el SS tendrá que resincronizar. Una trama contiene datos de varios usuarios y se organiza de la siguiente forma: • • • Una cabecera o preamble, para la sincronización de trama. Cabecera de control de trama o FCH, para informar al SS de la modulación y codificación para la primera ráfaga de la trama. El FCH se modula en BPSK y con una tasa 1/2. El resto de la trama contiene la información de la capa MAC superior. Como cada SS necesita de una modulación y codificación distinta una trama podrá tener varias ráfagas, cada una con un esquema diferente pero en orden ascendente. Los datos de los SS con mala condición de señal se enviarán los primeros mientras que los de SS con buena calidad de señal, con mejor modulación, se enviarán los últimos. El FCH contiene la información sobre la primera ráfaga, de tal forma que todos los dispositivos puedan recibirlo. Dentro de cada ráfaga tenemos los datos de usuario, etiquetados como MAC PDU en la figura. Al comienzo de cada ráfaga se encuentra el ID de conexión para identificar el SS y la parte de datos que le corresponde. Sucede de forma similar para el enlace ascendente. 35 Sauter, Martin. From GSM to LTE (Apdo. 5.4 pág. 286). Editorial Wiley. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 83 Figura 60. Estructura de trama FDD en el canal descendente. En el canal ascendente de nuevo se emplea una estructura de trama donde varios SSs pueden enviar sus datos. En este caso también se envían las instrucciones sobre modulación y codificación en el DL-MAP previo en el enlace descendente. Tenemos dos formas de transmitir: La estación base puede asignar direcciones individuales y solicitar información del SS hacia la red sobre si el SS necesita ancho de banda o también puede asignar una parte de la trama en dirección ascendente para que el SS envíe información sobre la cantidad de recursos que necesita. Figura 61. Estructura de trama FDD en el canal ascendente. Estructura de trama en TDD En el modo TDD usamos la misma frecuencia para los canales ascendente y descendente en lugar de usar dos frecuencias distintas. Para poder enviar y transmitir multiplexamos los canales en el tiempo. La trama TDD está dividida en una subtrama descendente y una subtrama ascendente y la composición de las subtramas es idéntica a como se hace en FDD. Para que un SS pueda cambiar de transmitir a recibir se inserta entre la subtrama descendente y ascendente 84 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles un Transmit-receive Transition Gap (TTG), que es un vacío o duración de guarda entre la última trama del enlace descendente y la primera trama del ascendente. Mientras que para cambiar del modo de recepción al de transmisión para la siguiente trama se inserta un Receive-transmit Transition Gap (RTG), que al igual que el TTG, es un “silencio” entre la última trama ascendente y la primera trama descendente. Entre las subtramas estos “vacíos” permiten a la BS conmutar entre el modo de transmisión y recepción y han de tener una duración de al menos 5µs. La longitud de las subtramas no es fija y puede ser modificada por la red, tal y como se muestra en la siguiente figura. En la mayoría de casos la subtrama descendente suele ocupar mayor lugar en la trama que la subtrama ascendente, a excepción de que estemos usando algún tipo de aplicación que requiera conexión simétrica para la subida y la bajada, como podría ser la videoconferencia. Figura 62. Estructura de trama TDD. Funcionalidades avanzadas El estándar 802.16 define una serie de funcionalidades que puede extender el alcance y rendimiento de la red. Muchas de estas funcionalidades no fueron implementadas desde el principio pero es de esperar que con la maduración de esta tecnología sea posible, dando lugar al crecimiento de estas redes y sus clientes. Topología de red Como ya se ha dicho anteriormente, el área de cobertura de una estación base está limitada a un radio de entre 2 y 5 km. Este alcance solo puede ser incrementado mediante antenas externas, lo cual no es siempre posible. Una aproximación a este problema es la red en malla. En lugar de que los SSs se comuniquen directamente con la estación base, los más lejanos se comunicarán con los SS vecinos, los cuales retransmitirán los datos a la estación base o al siguiente SS si aún siguen estando demasiado lejos. Este proceso permite incrementar la cobertura en zonas donde el despliegue de más infraestructuras no es rentable. Este tipo de red se auto organiza con los usuarios que se encuentren conectados en el momento. Al retransmitir los datos de un cliente a otro hasta que alcanza la estación base reduce el rendimiento del sistema. En cálculo del rendimiento el estándar asume que el 5 % de la actividad de los SSs es para sus propios propósitos, por lo que el 95% restante puede pasarse retransmitiendo información o permanecer en silencio mientras otros dispositivos están transmitiendo. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 85 Figura 63. Arquitectura de red en malla. Para evitar las interferencias con otras transmisiones solo un dispositivo puede enviar un paquete a la vez, por lo que en este caso la planificación de transmisión no es centralizada si no que se pueden emplear los siguientes métodos: • • • Organización distribuida: La planificación tiene lugar entre el SS y hasta una distancia de 2 saltos para reducir la posibilidad de interferencias. Organización centralizada: La estación base tiene información de todos los dispositivos, por lo que se calcula el ancho de banda y el retardo disponible para cada SS y distribuye la organización mediante multidifusión. Organización combinada: Una combinación de los dos métodos anteriores Sistema de antenas adaptativas Para minimizar los costes del despliegue de la red, la capacidad de transmisión de la estación base debería ser tan alta como se puede para servir a la mayor cantidad de usuarios posible. En la práctica, la capacidad está limita por factores como el ancho de banda disponible, los esquemas de modulación y codificación, interferencias… Además, la capacidad debería ser mejor si los clientes no se mueven y apuntan en dirección a las antenas. Mientras que en el resto de sistemas aquí explicados se supone que los usuarios están en movimiento, en este se ha supuesto que el sistema es estático. Para este tipo de usuarios es relativamente fácil incrementar la capacidad y el alcance de la estación base hacia los dispositivos. Este concepto se denomina beamforming o Sistema de Antenas Adaptativa (AAS). Este sistema puede limitar la señal a un haz estrecho, incrementando el rango y reduciendo las interferencias y también aumentando la capacidad total de la célula. AAS también ha sido propuesto para su uso en LTE. Esta adaptación del haz se consigue enviando la señal a través de varias antenas acopladas eléctricamente entre ellas (arrays). La conformación del haz se consigue modificando la fase y la amplitud relativa del array. 86 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 64. Esquema del funcionamiento del beamforming y AAS. Para usar AAS el estándar se ha diseñado para que sea compatible tanto con dispositivos que soporten esto como los que no. Cuando un SS se conecta, informa a la estación base si soporta AAS. Si la estación base soporta AAS, cada subtrama (la ascendente y descendente) tiene una zona AAS al final, de tal forma que los dispositivos que no soportan AAS ignorarán esta parte. Mobile WiMAX: 802.16e Esta es la versión del estándar 802.16 mejorado con funcionalidades para la movilidad. Se introducen una serie de mejoras en todas las capas de protocolos. En la capa física se utiliza un nuevo esquema de acceso múltiple. Acceso múltiple ODFM Para la versión 802.16e se empleará modulación OFDMA en lugar de la modulación OFDM de 256 subportadoras explicada anteriormente. En la red OFDMA los clientes transmiten y reciben sus datos en serie usando todos los canales disponibles, permitiendo que varios usuarios puedan hacerlo simultáneamente. Este funcionamiento se muestra en la siguiente figura. Dependiendo del ancho de banda total se emplearán 128, 512, 1024 o 2048, lo que influirá en el máximo bitrate disponible. Este tipo de acceso no es compatible con el OFDM de 256 subportadoras, lo cual es un problema para los primeros operadores de red que ya desplegaron el anterior estándar. Las opciones de actualización pueden pasar por: • • • Actualización en la estación base. SI el operador de red soporta ambos modos se puede usar dos portadoras distintas, una para dispositivos estáticos y otra para dispositivos en movimiento. Si el dispositivo móvil es susceptible a una actualización estación base y cliente podrían ser actualizados para que soporten OFDMA. SI los clientes estacionarios no pueden ser actualizados y tampoco son capaces de soportar múltiples frecuencias entonces será necesaria la adquisición de un nuevo terminal. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 87 De forma similar a HSDPA, 802.16e introduce HARQ para la detección y retransmisión rápida de errores en la interfaz aérea. Se introduce en la capa física debido a que la movilidad provoca fuertes fluctuaciones en la calidad de la señal y se aumenta la tasa de error. Por tanto interesa que los errores se corrijan lo antes posible para evitar mayores retrasos en toda la comunicación. En el apartado de la tecnología HSDPA se explica el funcionamiento de HARQ. Figura 65. Subportadoras en OFDMA en enlace ascendente y descendente. MIMO Con motivo de aumentar la velocidad de transmisión el estándar también especifica las técnicas MIMO para cliente y red. Están indicadas para entornos urbanos, donde la señal acaba llegando al receptor por varios y distintos caminos debido a los obstáculos entre transmisor y receptor. MIMO usa múltiples antenas para enviar los datos por diferentes caminos pero en la misma frecuencia y si enviamos por cada camino diferentes datos lograremos aumentar la capacidad. Como ya hemos visto en el apartado de LTE, MIMO requiere de una antena para cada transmisión. Una transmisión típica en MIMO emplea dos o cuatro caminos distintos, por lo que necesita dos o cuatro antenas. El número de antenas puede reducirse si empleamos distintas polarizaciones en la misma antena. 88 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles ACCESO AL CANAL OFDM36 Son las siglas de Multiplexación por División en Frecuencia Ortogonal, una variante de la multiplexación FDM. Consiste en dividir el ancho de banda disponible en subbandas estrechas y usar un gran número de subportadoras paralelas de banda estrecha en lugar de una sola portadora de banda ancha. Figura 66. Diferencia de espectro entre una portadora de banda ancha y varias de banda estrecha. La ventaja principal de esta técnica radica en la robustez frente a desvanecimientos selectivos en frecuencia y en interferencias de banda estrecha. Si el número de subportadoras es lo suficientemente grande cada una de ellas se ocupa del desvanecimiento como si fuera plano en vez de selectivo, lo que es más sencillo, y solamente afectaría a unas cuantas subportadoras únicamente. Además, OFDM emplea mayor longitud de símbolo en comparación con la banda ancha, por lo que la interferencia intersimbólica es pequeña. Como inconveniente cabe destacar que la eficiencia espectral es baja, debido a las bandas de guardia que debemos emplear. La solución a este problema está en el uso de subportadoras ortogonales, en las cuales en el pico de cada espectro el resto de subportadoras hacen el cruce por cero. Esto permite que los espectros puedan solaparse y que a pesar de esta superposición se puedan recuperar los espectros originales. 36 Evgenii Krouk, Sergei Semenov. Modulation and Coding Techniques in Wireless Communications (Apdo. 2.5. Pág. 66). Editorial Wiley. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 89 Figura 67. Subportadoras en modulación OFDM. Como se observa en la figura las bandas de guarda no son necesarias. El uso de subportadoras ortogonales también reduce la complejidad de transmisor y receptor, ya que no hay necesidad de usar filtros separados para cada subportadora. Las subportadoras ortogonales forman un conjunto de sinusoides ortogonales, las cuales son comunes en la Transformada de Fourier. Esta transformada viene dada por la siguiente fórmula: La Transformada de Fourier correlaciona la señal de entrada con cada conjunto de sinusoides ortogonales. Si la señal de entrada tiene energía en una frecuencia k, esta será reflejada en la correlación de la señal de entrada y en el espectro. Es decir, la Transformada de Fourier convierte la representación de la señal en el dominio del tiempo a la representación en el dominio de la frecuencia. Figura 68. Representación de la señal en el dominio del tiempo (a) y de la frecuencia (b). En la siguiente figura se representa un sistema OFDM. La entrada es una señal QAM modulada, aunque podría emplearse otras modulaciones. Con el convertidor serie-paralelo transportamos los símbolos de entrada a las diferentes subportadoras elementales. Hay que tener en cuenta que la tasa de símbolo de las subportadoras es N veces menor que la tasa de muestreo de la señal de entrada. Por lo tanto debemos elegir un conjunto de entradas ortogonales en concordancia con nuestra tasa de símbolos, esto es: wk=2πkRS, donde RS es nuestra tasa de símbolos en la entrada. 90 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Figura 69. Sistema de modulación OFDM. OFDMA El Acceso mediante División en Frecuencia Ortogonal es el esquema de multiplexación que emplea OFDM. Es un caso especial de FDM que conservar las ventajas de OFDM frente a la transmisión de una sola portadora, mejorando la eficiencia espectral y la flexibilidad en la asignación de recursos. Esta flexibilidad se puede realizar tanto mediante la asignación específica de subportadoras a cada uno de los usuarios como de la asignación de la potencia y carga de bits. Además podemos aprovechar la diversidad multiusuario para asignar las frecuencias óptimas a cada uno frente al desvanecimiento y condiciones del entorno. La siguiente figura representa la flexibilidad de que se está hablando. Podemos observar el esquema de reutilización fraccional definido en el estándar WiMAX móvil. Los usuarios cerca de la estación base podrían usar todo el espectro de frecuencia, ya que tendrán menos interferencias, mientras que los que se encuentran más alejados se les asignará conjuntos no solapados de portadoras. Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 91 Figura 70. Esquema de representación fraccional en OFDMA. MIMO La técnica de Multiple-Output Multiple-Input nace de la necesidad de un nuevo modelo de canal. El clásico canal con ruido aditivo blanco gaussiano, que se centra en el ruido térmico, es ineficiente y no resulta útil, ya que no tiene en cuenta los errores básicos que influyen en la calidad de la recepción. Para empezar aquí estamos hablando de canales radio, inalámbricos, donde el efecto de las interferencias es mucho más importante que el efecto del ruido térmico sobre el receptor. En este tipo de canales la causa principal de la degradación de la calidad es la propagación multipath, donde debido a las reflexiones sobre objetos y obstáculos la señal transmitida alcanza el receptor por trayectos múltiples, lo que provoca la dispersión y el desvanecimiento de la señal. Para un par de señales paso bajo con modulación QPSK tenemos: Donde fc es la frecuencia de la portadora y x(t) la envolvente paso baja. Después de la transmisión de la señal a través de un canal con desvanecimiento debido a múltiples propagaciones tenemos que la señal recibida es: Donde hi(t) es el coeficiente de desvanecimiento y τi(t) es el retraso del canal i-ésimo, ignorando el ruido térmico. La señal resultante por lo tanto tendrá la forma: Y si asumimos que la portadora sin modular se transmite a la frecuencia fc, es decir que x(t)=1 para cualquier t, entonces nos queda finalmente: 92 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Por lo tanto, la señal paso baja consiste en la suma de vectores complejos variables con amplitud hi(t) y fase θi(t). La siguiente figura representa gráficamente lo que sucede en este modelo de canal más realista. La señal transmitida se divide en el camino debido a la propagación multipath. Debido a las reflexiones la amplitud de las señales reflejadas se reduce y como se aumenta la distancia de propagación la señal sufre un retardo en fase en comparación con la señal esperada. Como resultado de la superposición de las señales tenemos una señal con amplitud atenuada y desplazada en fase. Figura 66. Modelo de canal en MIMO. El principal enfoque para combatir el efecto del desvanecimiento multipath es el de la diversidad. Consiste en proporcionar dos o más canales para la misma señal de información, ya que cada canal tendrá un desvanecimiento independiente por lo que se aumenta la probabilidad. Los principales métodos de diversificación son mediante el espacio (varios transmisores o receptores), frecuencia (uso de varias frecuencias para la misma información) y tiempo. Los tres métodos más comunes para lograr esta diversificación, de la forma que sea, son: • • • MRC: Combinación de Relación Máxima. Todas las señales recibidas se ordenan por su SNR son sumadas. La ponderación previa a la suma minimiza el ruido resultante del desvanecimiento o fading. EGC: Equal Gain Combining o Combinación de Igual Ganancia. Es un método similar al anterior pero las señales recibidas no son ponderadas. Da un peor resultado en comparación con MRC, pero da mayor ganancia en diversidad. Este método también requiere la suma coherente de las distintas señales. SC: Combinación Selectiva. Mediante este método las señales no se combinan, sino que los diferentes canales se turnan según el que tenga mayor SNR. No requiere coherencia (que las señales estén en fase) pero es un método peor que MRC, ya que no tiene en cuenta la información del resto de canales. Ahora, si generalizamos el enfoque de diversidad espacial no únicamente a la recepción sino también a la transmisión esto requerirá combinar diferentes respuestas de la misma señal en el receptor mediante la transmisión organizada mediante varias antenas. Suponiendo que tenemos N antenas de transmisión y M antenas de recepción. En un instante de tiempo t las distintas señales xt,n para n=1, …, N son transmitidas simultáneamente desde las N antenas de transmisión. Cada señal se verá afectada por desvanecimiento del canal y la respuesta de cada señal será recibida por cada una de las M antenas de recepción. Entonces la señal recibida por la antena m en el instante t será: Capítulo 7. Cuarta Generación: 4G_____________________ 93 Y el esquema del canal sería el siguiente: Figura 71. Esquema de canal en MIMO. Y la capacidad total es: Donde hj representa cada uno de los canales y ϒ la SNR en el receptor. De esta forma, para un incremento del número de canales de transmisión y recepción la capacidad total aumenta en relación con un solo canal. 94 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Capítulo 8. 5G37, EL FUTURO QUE NOS ESPERA En la actualidad las tecnologías de la información se han convertido en una parte de nuestra sociedad y de cada uno de nosotros. Tienen un profundo impacto socio-económico y estamos en una casi constante interacción con estas y se prevé que vaya a más. En un futuro cada objeto que nos rodea se conectará a las redes de la información, lo que se denomina actualmente el internet de las cosas o Internet of Things (IoT). Por otro lado el aumento en el consumo de energía ha llegado a niveles preocupantes, llegando a ser una pieza clave. Debido al incremento del tráfico móvil este aspecto es demandado tanto por operadores como usuarios. Estos dos aspectos han dado lugar a que sea necesario el replanteamiento del diseño, desarrollo y organización de las redes en orden de lograr reducir el gasto que todo esto supone. Los objetivos del diseño de esta nueva red son: velocidad de pico entre 10 y 100 veces superior, capacidad total 1000 veces superior, una eficiencia energética x10 y una latencia unas 10-30 veces menor. El diseño se basa en esta serie de objetivos. Todas las ideas planteadas son bastante prometedoras y muchas de estas ideas ya se encuentran plasmadas en informes o libros blancos. Sin embargo no hay un consenso sobre la base de evolución que se ha de emplear ni de las tecnologías específicas, como podría ser el uso de femtocélulas, la codificación, crear una nube de redes… Por tanto, a pesar de esta fragmentación, podemos considerar los fundamentos del 5G como la convergencia de los servicios de internet con los estándares de redes móviles heredados sobre redes heterogéneas, dando cabida a una banda ancha de muy alta capacidad. REQUISITOS DE BITRATE DADOS POR EL IMT Generación Año implantación Usuario móvil Usuario estático 1G 1981 2G 1992 3G 2001 384 Kbps >2 Mbps 4G 2011 100 Mbps 1 Gbps 5G 2021 1 Gbps 10 Gbps Tabla de especificaciones de las distintas generaciones de comunicación móvil. La figura 72 muestra la hoja de ruta para el 5G. Actualmente nos encontramos cerca del final de la etapa de investigación. Se ha agregado recientemente el espectro y continuará la estandarización hasta el 2020. Se esperan los primeros despliegues de 5G sobre el 2021. 37 Jonathan Rodríguez. Fundamentals of 5G Mobile Networks (Apdo. 1). Editorial Wiley. Capítulo 8. 5G: El futuro que nos espera_____________________ 95 Figura 72. Gráfico de hoja de ruta del 5G. Podemos distinguir 10 piezas clave en el desarrollo del 5G, estas son: • • • • • • Evolución de las tecnologías de acceso radio: 5G difícilmente tendrá una tecnología específica si quiere lograr su objetivo de convergencia, por lo que será una evolución de los métodos ya existentes. Por ejemplo, LTE evolucionará hacia el soporte masivo de MIMO y explotará la ventaja del beamforming. WiFi tenderá hacia el espectro sin licencia, empleará mayor ancho de banda y tendrá que emplear hasta 256-QAM. Despliegue de femtocélulas de gran densidad: Esta será la solución para conseguir aumentar la capacidad hasta el nivel de los gigabits, también conocida con HetNet. Podemos implementar HetNet llenando la zona de cobertura de pequeñas células y también con células de diferentes tecnologías radio en lugar de una sola antena. Redes auto-organizadas: Este es otro componente clave en 5G. Casi el 80% del tráfico generado es local. Para organizar este tráfico se requerirá el despliegue de pequeñas antenas preparadas para alta densidad en cada lugar y además que estén fuera del control de los operadores. Es necesario que sean autoconfigurables y capaces de adaptarse para reducir las interferencias. Comunicación tipo máquina: Además de las personas, para conseguir el Internet de las cosas las máquinas también se comunicarán entre ellas. Una de las nuevas tecnologías en desarrollo es el de la conducción autónoma, en la cual el coche mantendrá comunicación constante con los coches vecinos. Será necesario reducir la latencia a menos de 1 ms, lo que también se llama Internet Táctil. Tecnologías de acceso radio de ondas milimétricas: El espectro tradicional está congestionado y las tecnologías disponibles se acercan al límite teórico de Shannon. Para solucionar esto se ha empezado a estudiar la banda de ondas de longitud milimétrica y centimétrica. La desventaja principal es que el factor de pérdidas es alto en esta banda, tiene peor comportamiento frente a obstáculos que interfieran el camino directo y las pérdidas de penetración es bastante más alto en estas bandas. A pesar de estas desventajas tenemos multitud de ventajas: Tenemos muchísimo espectro disponible (a 60GHz tenemos 9 GHz sin licencias), el tamaño de las antenas es menor luego podemos incluir más en el móvil, lo que permite incluir MIMO y beamforming… Samsung Electronics ha logrado una capacidad de 2 Gbps en un área de 1 km en entorno urbano mediante el uso de ondas milimétricas. Rediseño de los enlaces hacia el núcleo: Los enlaces deben ser rediseñados para soportar el inmenso tráfico que se va a generar en las células. Se considera la fibra óptica y las ondas radio milimétricas con beamforming y sin obstáculos entre punto y punto como las soluciones más sensatas. 96 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles • • • • Eficiencia energética: Las tecnologías de la información y las comunicaciones consumen el 5% de la electricidad mundial y generan el 2% de las emisiones totales, lo que es equivalente a las emisiones de la industria de la aviación. Además esto se agrava si realizamos que no se miden las emisiones de carbono. Aparte de las emisiones, las tecnologías del futuro jugarán un papel esencial en el consumo de otros sectores, puede aumentar los beneficios ahorrando gastos a las operadoras y por último y como no, puede extender la duración de la batería de los dispositivos móviles. Localización del nuevo espectro: A mayor ancho de banda necesitaremos un mayor espectro. Además de las ondas de radio milimétricas ya explicadas anteriormente se añadirán 100 MHz con la banda de 700 MHz y otros 400 MHz cerca de los 3.6 GHz. Compartición de espectro: Deberemos hacer un uso eficiente del nuevo espectro. El nuevo modelo de acceso compartido incluye funcionalidades para utilizar más espectro de forma local sin que interfiera en el uso general. Por ejemplo, podemos utilizar el espectro de los radares militares cuando estos no estén haciendo uso del propio. Además, como ya se está observando con el desplazamiento de las frecuencias en la TDT para dar cabida al 4G, la reconfiguración del espectro es un aspecto a tener en cuenta. Virtualización de las redes de acceso radio: La virtualización de las redes de acceso radio permite el intercambio de la infraestructura radio para varios operadores. Esto se lleva a cabo en varias capas del protocolo de comunicaciones. Tiene cantidad de ventajas, como los aumentos económicos, el escalado de los recursos y mejor mantenimiento y resolución de problemas, ya que la red tiene mayor transparencia. También puede servir como herramienta para obtener la convergencia de todas las redes centralizando la organización de todas las redes involucradas. A continuación se estudiarán los aspectos mencionados anteriormente que mayor relevancia adquieren al nivel de la capa física. Células Pequeñas Conforme aumenta el número de usuarios y dispositivos conectados a la red también aumenta drásticamente la demanda de banda ancha. Además cada vez los dispositivos móviles contienen mayor número de aplicaciones que requieren de conexión inalámbrica. Debido a esto se quiere aumentar el ancho de banda de disponible para que sea 1000 veces superior al ofrecido por las tecnologías de cuarta generación. Para conseguir este objetivo se tiene que aumentar el espectro disponible, la eficiencia espectral y por encima de todo aumentar el número de células. Se espera que añada más espectro en la conferencia radio mundial del 2016 (WRC 2016) y la eficiencia espectral utilizando técnicas de mejora de las interferencias entre células, mejorando de los 0.5-1.4 bps/Hz que nos ofrece HSPA+ hasta los 5-10 bps/Hz con receptores MIMO avanzados. Para el último aspecto se desplegarán un gran número de pequeñas células para mejorar la cobertura en hogares y oficinas y para descargar el tráfico de las células más grandes. Las células pequeñas tienen varios tipos de tamaños en relación con la cobertura que queramos obtener como se observa en la siguiente tabla. Estas células no operan en bandas con licencia y por norma general no están bajo el control de ningún operador. Capítulo 8. 5G: El futuro que nos espera_____________________ 97 POTENCIA Y ALCANCES TÍPICOS TIPO DESPLIEGUE TÍPICO Femto Residencias y empresas Pico Áreas públicas (estaciones, aeropuertos…) Áreas urbanas para cubrir zonas muertas Áreas urbanas para dar capacidad adicional Residencial y empresas Micro Metro WiFi USUARIOS SOPORTADOS Residencia: 4-8 usuarios Empresa: 16-32 usuarios 64-128 usuarios 128-2568 usuarios >250 usuarios <50 usuarios INTERIOR EXTERIOR ALCANCE 10-100 mW 0.2-1 W Decenas de metros 100-250 mW - 1-5 W 5-10 W - 10-20 W 20-100 mW 0.2-1 W Decenas de metros Pocos cientos de metros Cientos de metros Pocas decenas de metros Tabla de especificaciones de tipos de células pequeñas. Este tipo de células son el componente esencial de las redes heterogéneas HetNet (Heterogeneal Network). Otro aspecto a destacar es que al crear una zona de gran densidad de antenas podemos reducir la potencia de estas, por lo que además beneficia a la eficiencia energética. No obstante, el rendimiento de MIMO masivo está limitado debido al scattering por las limitaciones del espacio, por lo que tenemos un punto de saturación en el que más antenas no significarán mejora alguna. Además si la multiplexación del canal se hace mediante FDD la canalización se hace más difícil cuantos más canales. Sin embargo en una multiplexación TDD puede explotar el canal reduciendo la cabecera de señalización. En el siguiente gráfico podemos observar la eficiencia espectral en relación al número de antenas. Figura 73. Eficiencia espectral de MIMO en función del número de antenas en la BS. 98 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles La siguiente tabla provee un resumen de las capacidades posibles con las técnicas MIMO actuales y sus soluciones técnicas. Posibles candidatos 5G 4G DESPLIEGUE TIPO A, B,C, D. MULTIPLEX ACIÓN CAPACIDAD DEL ÁREA (GB/S/KM2) ANCHO DE BANDA (MHZ) CAPACIDAD DE CÉLULA/SECTOR MIMO Masivo + 3D-BF MIMO en todo el espectro + 3D-BF Array de antenas adaptativas MIMO Masivo TDD 5.152 FDD FDD 8x8 MU-MIMO 8x8 MU-MIMO 4x4 MU-MIMO 4x4 SU-MIMO 8x8 SU-MIMO 4x4 MU-MIMO 4x4 MU-MIMO 3G FDD Capacidad 4G (4x4 SU-MIMO) Capacidad 3G FDD TDD FRECUENCIA (MBPS) DISTANCIA ENTRE CÉLULAS POR KM2 (M) 2000 44.800 115 100 70 GHz 13 9 100 940 630 14 500 2.5 GHz 235 500 1.400 28 500 28 GHz 8 20 76 5.670 1000 54.000 178 100 1.550 508 100 1.100 99 100 860 83 100 720 8 100 560 5 100 330 4 100 290 0.8 20 28 Despliegue tipo E,F,G 1 20 58 105 110 100 115 100 462 50 115 100 115 100 14 500 14 500 14 500 28 500 2 GHz 2.1 GHz 14 500 2 GHz 14 100 2.1 GHz 0.2 10 14 UTILIZADA 2 GHz Tabla de potenciales soluciones técnicas y sus límites de capacidad. Cooperación Hay dos aspectos importantes de los protocolos MAC con respecto a la capa física en canales con fading o desvanecimiento. El primero consiste en distinguir entre paquetes correctos y erróneos. La segunda cuestión es el análisis realista del rendimiento utilizando cooperación distribuida. Nos estamos refiriendo a la correlación en las transmisiones multipath y determinar si nos conviene o no utilizar protocolos cooperativos. Desvanecimiento rápido En las comunicaciones inalámbricas es necesario que haya mecanismos para determinar si un paquete puede ser aceptado por la capa MAC para un QoS dado. Para ello debemos proporcionar un mecanismo fiable y que tenga en cuenta los parámetros del sistema y los esquemas de modulación y codificación. Para llevar a cabo este análisis empleamos la tasa de paquetes por error o PER como medida de la calidad del servicio. El PER debe ser inferior a un valor determinado para considerar que una transmisión es fiable. La caracterización estadística depende del entorno en el que nos encontremos. En la figura 74 podemos observar como la intensidad de la señal recibida con efecto de desvanecimiento rápido y en presencia de obstáculos. Se puede observar que tanto con fast fading como con shadowing la medida más adecuada es el PER obtenido a la salida. Capítulo 8. 5G: El futuro que nos espera_____________________ 99 Figura 74. Ergodicidad de Fast fading VS Shadowing. Se puede observar el efecto combinado de shadowing y fast fading en la potencia de la señal recibida. Impacto del shadowing En las redes convencionales los paquetes que son transmitidos pueden experimentar condiciones de canal perjudiciales, lo que puede llevar a fracasos sucesivos en el intento de comunicarse. Con la comunicación cooperativa evitamos este problema, dándole a un paquete la oportunidad de llegar a su destino a través de diferentes caminos y aumentando así la probabilidad de una correcta recepción. Por tanto el shadowing es también un aspecto importante a tener en cuenta, puesto que: • • Afecta directamente a la potencia de la señal recibida en cada punto de la red, lo que de determina el grado de cooperación posible. Es necesario conocer este parámetro para saber cuál es el número correcto de conmutadores para obtener un QoS adecuado y no sobrecargar el tráfico. Radio Cognitiva La radio cognitiva es una tecnología emergente con el potencial como para satisfacer las necesidades de espectro del 5G. En esencia se trata de una radio que adapta sus parámetros de transmisión de acuerdo con las características del entorno en que opera. En la figura 75 encontramos el diagrama de funcionamiento de una radio cognitiva: • Observación y análisis: La radio detecta que rango del espectro de frecuencias no está siendo usado por sus usuarios legítimos. En este apartado también se mantiene “alerta” en el caso de que ya se estuviera usando un espectro que no le corresponde y algún usuario primario de ese espectro apareciera. 100 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles • Razonamiento y adaptación: Después de analizar el espectro, se “mueve” a los usuarios hacia la óptima banda de frecuencia de acuerdo con las condiciones de canal, resto de usuarios y la QoS dada. Figura 75. Ciclo en la radio Cognitiva. Al igual que se puede adaptar al espectro de la forma indicada anteriormente puede adaptarse agregando más o menos portadoras. Este método ya se introdujo en LTE-Advanced Release 10. La adaptación de la antena también puede emplearse para mejorar la eficiencia energética de todo el sistema de comunicaciones móviles. El crack del espectro inalámbrico Los gobiernos gestionan el espectro de frecuencias mediante normas nacionales e internacionales. Para evitar la interferencia entre usuarios normalmente se deja un espacio o rango de frecuencias sin usar como banda de guarda. Estas bandas a pesar de disponerse para proteger los canales vecinos de las interferencias pueden ser considerados como un desperdicio de un recurso que conforme pasa el tiempo se está cada vez más necesitado. Este tipo de desperdicio puede darse también cuando una banda no se encuentre en uso, como ya se ha visto anteriormente. Estos espacios en blanco son una oportunidad de utilizar el espectro desaprovechado. Los dispositivos que emplean estos espacios son denominados dispositivos de espacios en blanco o (WSD). La idea radica en que se podrían diseñar WSD de baja potencia que diera acceso a señal de banda ancha. Auto organización de las redes móviles Como ya vimos en LTE originariamente, este es un concepto detallado en 3GPP Release 8 y creado con el fin de economizar gastos tanto en el despliegue como en el uso de las redes móviles. En el futuro que nos espera tendremos un constante incremento de uso de las comunicaciones móviles, ya sea en el coche, hogar, telefonía y aplicaciones multimedia… Para aumentar la capacidad aparte de los métodos de espectro y tecnologías será necesario una mayor cooperación de todos los dispositivos en la red. Además se podría ahorrar en energía y se evitarían interferencias. Esto se denomina Self Organizing Network (SON) o redes con auto organización. Capítulo 8. 5G: El futuro que nos espera_____________________ 101 Por tanto es necesario una arquitectura especial para 5G. Tendremos una reutilización de células muy agresiva, multiservicio y de forma simultánea. Un sistema auto organizado para 5G necesitará las siguientes características: REQUERIMIENTOS Estandarización de información de servicio 3GPP hacia y desde las tecnologías de radio disponibles en una red Adopción de SON conforme al 3GPP por parte de los proveedores de servicios. Virtualización de SON para poder hacerlo flexible y escalable Normalización de aplicaciones, funciones y algoritmos SON Habilitar Virtual SON para que pueda funcionar con redes definidas por software Proveer de la máquina virtual cerda de las BS para habilitar el software V-SON. Definir los protocolos SON y V-SON conforme a los algoritmos de auto organización. ESTADO En lugar de usar LTE hay que ampliar a la interfaz de radio en 5G cuando 3GPP evolucione. Necesita evolucionar y obtener más apoyo por parte de los operadores. Nuevo Nuevo Nuevo Nuevo Actualmente está siendo investigado. Tabla de requisitos para una red con auto organización o SON. 102 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles CONCLUSIONES A lo largo de todo el tutorial se ha podido observar cómo se ha ido desarrollando las tecnologías de comunicaciones móviles, siempre a la par con la tecnología disponible y con el grado de investigación y demanda del momento. En un primer momento el método usado en la comunicación era primitivo y no pasaba de una simple transmisión analógica y en banda base, hasta que su versatilidad hizo hincapié en la necesidad de usarlo para múltiples propósitos y entornos. Entonces hubo que optimizar esa tecnología analógica disponible para satisfacer la demanda y cuando esta se hizo comercial nació el 1G. Más tarde la tecnología avanzó a la era digital y con ella las comunicaciones inalámbricas tuvieron que actualizarse y así llego el 2G. Un mayor número de usuarios podían comunicarse simultáneamente. El ser humano se dio cuenta de la increíble utilidad que esto suponía y lo demandó al mercado con rapidez. Sin embargo, no nos quedamos en unas simples llamadas telefónicas, junto con el SMS el concepto de comunicación móvil se abstrajo y no se quedó solamente en una llamada telefónica. Internet ayudó a esto con su revolución de la información digital, por lo que esta increíble demanda de información provocó la llegada del 3G. Entre el 3G y el 4G podemos observar una evolución tecnológica junto con la mejora mediante investigación de las comunicaciones móviles. En este salto hemos pasado de actualizar la tecnología y los métodos de comunicación a una planificación proactiva de los recursos. Finalmente en la actualidad miramos hacia el 5G, exigiendo cada vez mayor capacidad en nuestras transmisiones y también mayor calidad. Nos estamos acercando al límite teórico de Shannon, por lo que a menos que aparezcan nuevas tecnologías no habrá posibilidad de dar más cabida a más usuarios y más información. De todas formas y mirando atrás a todo lo acontecido podemos decir que únicamente necesitamos evolucionar, pero no solamente desde el anterior 4G, si no tomando nuevas ideas y formas de solucionar los retos que aparecen en la comunicación móvil con el fin de poder alcanzar de forma óptima los requisitos del 5G. De momento las definiciones para 5G aún están un poco lejos de estar cerradas, pero hay que recordar que el diseño mediante capas jugará un papel importante en las especificaciones futuras. Por tanto, incluso si conseguimos la mejor capa física posible, la mejor interfaz aérea y acceso a la red, el resto de capas tendrán también que hacer su trabajo y trabajar por el todo. Si somos capaces de entender los fundamentos de la comunicación móvil: tecnología, modulación, interfaz, acceso al medio… seremos capaces de dar forma en nuestra mente a la imagen que tiene la intención de continuar con el legado móvil. Sistema de comunicaciones GSM y EDGE: 2G ____________ 103 SIMULACIONES Simulación 1 2G: Simulación de sistema de comunicaciones GSM y EDGE Objetivo Estudio del sistema de transmisiones GSM y EDGE, empleados en la segunda generación de comunicaciones móviles centrándonos en los aspectos más relevantes de la capa física: emplearemos TDMA para la técnica de acceso y modulación GMSK y 8-PSK. En estas dos primeras simulaciones realizadas en Simulink nos vamos a centrar principalmente en los aspectos del tratamiento de los bits de información: la codificación y la modulación. Sistema de Comunicaciones GSM Si abrimos desde Matlab el modelo de Simulink con nombre “gsm.mdl” nos aparecerá el modelo que vamos a emplear para simular una transmisión y recepción mediante el estándar GSM. Nos encontramos con el siguiente esquema: Figura 76. Esquema general de modelo GSM en Simulink. En este sistema podemos encontrar la estructura de bloques para la transmisión y recepción. Observamos los siguientes elementos en el modelo: • Fuente: Para simplificar un poco obviamos el proceso de cuantificación y muestreo para la conversión analógica/digital (Por ejemplo si se tratara de una llamada telefónica) y trabajamos directamente con un generador de números binarios de Bernoulli. De igual manera se puede entender si se tratara de una transmisión de datos, desconocemos 104 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles • información de capas superiores, por lo que tratamos como si de un flujo simple de bits se tratara. Transmisión: El transmisor consta de dos subbloques: Codificador38: La codificación consiste en añadir redundancia a los datos generados por la fuente para la detección y corrección de errores. El proceso de codificación se compone de dos codificaciones sucesivas. Primero aplicamos un código bloque y a continuación aplicamos un codificador convolucional. Utilizamos la codificación utilizada en los bits de la señal vocal. La codificación de la fuente a velocidad completa da 260 bits cada 20 ms (13 kbps). A los primeros 50 bits se les aplica un chequeo de paridad mediante un CRC de 3 bits. A estos 53 bits junto con los 132 bits siguientes más 4 bits de cola (189 en total) se les aplica un código convolucional de razón 1/2 y profundidad 5, con lo que tenemos 378 bits de salida que junto con los 78 bits del grupo II hacen un total de 456 bits cada 20 ms, que equivale a una velocidad de salida de 22.8 kbps. Figura 77. Primera fase de la codificación de los bits de la señal vocal en GSM. Posteriormente y para la transmisión, los bits se entrelazan y se distribuyen mediante un entrelazado con el fin de que los errores agrupados no afecten a bits consecutivos y así aumentar la probabilidad de que puedan ser reparados si alguno presenta errores. El entrelazado consiste en escribir los bits por columnas en una matriz y leerlos por filas para transmitirlos. Cada fila de 57 bits se denomina bloque. Despues del entrelazamiento toca la distribución en ráfagas TDMA. Los bits se transmiten intercalando bloques en los dos campos de 57 bits de 8 ráfagas sucesivas y añadiendo el bit indicador o stealing flag. La transmisión se realiza intercalando bloques de datos de matrices consecutivas en los dos apos de datos de las ráfagas de cada trama, como se puede observar en la siguiente figura. 38 Hernando Rábanos, José María. Comunicaciones Móviles (pág. 371 Apto 7.7.7.1). Editorial Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. Sistema de comunicaciones GSM y EDGE: 2G ____________ 105 Figura 78. Esquema de entrelazado de bits. • • Modulador: En este bloque se le aplica a la señal codificada la modulación para poder ser transmitida. La señal de información pasa por un codificador diferencial que obtiene la suma módulo 2 del bit actual y el anterior. Canal: Simulamos el canal mediante el bloque de canal AWGN. En este bloque podemos seleccionar la potencia de la señal de entrada así como la SNR. Recepción: Al igual que el transmisor, el receptor consta de: Demodulador: Efectúa el proceso inverso a la modulación. Descodificador: El proceso que efectúa es el de separación de cada una de las ráfagas, desentrelazado y comprobación de los datos mediante la detección del CRC. 106 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Sistema de Comunicaciones EDGE Como ya se describió en la parte teórica del tutorial, este sistema es una mejora del estándar GSM, en el que varía su modulación y su codificación en función de las condiciones del entorno. Las principales diferencias entre GSM y EDGE son la modulación GMSK y el tipo de codificación. Por tanto, en el modelo se estudiará la codificación de máxima transferencia de bits posible. Para este modelo abrimos el archivo con nombre “edge.mdl” para acceder a la simulación de EDGE y tenemos un esquema bastante similar al anterior modelo. El diagrama es el mismo, las diferencias radican en cada uno de los distintos módulos. Figura 79.: Modelo de simulación de transmisión y recepción en EDGE. En este modelo los bloques empleados son: • • 39 Fuente: Al igual que en el modelo GSM, se trata de un generador de bits sin mayor complejidad, de forma que podamos separar la parte superior de la capa física. Transmisión: Consta de los bloques de codificación y modulación: Codificación39: En GPRS tenemos definidos cuatro esquemas definidos: CS1, CS2, CS3 y CS4, con distintas capacidades de corrección de errores para adaptarse a las condiciones de radio. En el caso de EDGE el enlace consiste en paquetes TCP/IP, que son de mayor tamaño que una trama en GSM, por lo que se dividen en trozos de 22, 28,34 o 37 bytes u octetos. EN EDGE a diferencia de GSM tenemos 9 diferentes esquemas de modulación de acuerdo a las condiciones radio. http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/gsm-edge/mcs-coding-schemesclasses.php Sistema de comunicaciones GSM y EDGE: 2G ____________ MCS-1 MCS-2 MCS-3 MCS-4 MCS-5 MCS-6 MCS-7 MCS-8 MCS-9 107 Tasa de codificación efectiva Modulación empleada Bitrate/slot (Kbps) 0.53 GMSK 8.8 0.66 GSMK 11.2 0.8 GMSK 14.8 1 GMSK 17.6 0.37 8PSK 22.4 0.49 8PSK 29.6 0.76 8PSK 44.8 0.92 8PSK 54.4 1 8PSK 59.2 Tabla de esquemas de codificación en EDGE. Los diferentes esquemas se agrupan en tres clases o familias: A, B y C, dependiendo del tamaño de los trozos en los que se ha dividido el paquete IP. La utilidad de usar estas familias radica en que si un bloque se transmite erróneo puede ser enviado como dos bloques de la familia inferior. Por ejemplo, si un bloque en MCS-7 es corrupto podemos reenviarlo como dos bloques MCS-5 o cuatro bloques MCS-2, asegurando su correcta recepción. En el modelo de simulación se considera el esquema de codificación MCS-9 de máximo bitrate. Este esquema no emplea CRC y envía 4 trozos de 37 bytes de información. El entrelazamiento y la transmisión de la trama se realiza de igual forma que en GSM, la única diferencia es que la concatenación de ráfagas se hace de dos en dos de vez de cuatro en cuatro, de tal forma que si alguna es errónea el número de tramas que hay que reenviar se reduce a la mitad que en GSM. Modulación: Aquí radica la principal diferencia con GSM, se emplea la modulación 8-PSK en sus esquemas de codificación superiores en vez de la GMSK empleada en GSM. Con esta modulación se envían 3 bits por símbolo mientras que en GMSK se empleaba solo 1 bit por símbolo, por lo que triplicamos la tasa a costa de reducir la sensibilidad de la señal y aumentar la tasa de error, siempre pendiente de las condiciones del entorno. • Recepción: En este apartado tienen lugar los procesos inversos de demodulación y decodificación de la señal, antes de ser comparada con la señal original. Estudio de la simulación: Tasas de transmisión obtenidas en los dos modelos. En el sistema GSM el algoritmo empleado para la codificación vocal produce bloques de 260 bits cada 20 ms, por lo que obtenemos una velocidad de generación de bits de 13 kbit/s. Esta secuencia de bits es clasificada según importancia y sensibilidad frente a los errores y se codifican como ya hemos visto anteriormente. De los 260 bits originales se constituye un paquete de 456 bits. El porcentaje de bits protegidos es de 182/260, es decir del 70%. La velocidad bruta de bits es la capacidad del canal TCH/F (Traffic Channel Full Rate). STU Vb=13 0UV 22,8 kbit/s 108 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles En el caso de EDGE aunque tenga la misma tasa de símbolos que GSM el número de bits de modulación difiere, ya que EDGE transmite tres veces el número de bits que en GSM se transmiten en un instante. GSM Modulación GMSK Tasa de símbolos 270 Ksimb/seg Tasa de bits 270 Kbps Tasa de bits radio por time-slot 22.8 Kbps Tasa bits de usuario por time-slot 20 Kbps (CS-4) Tasa de bits de usuario en 8 time-slots 160 Kbps EDGE 8-PSK 270 Ksimb/seg 810 Kbps 69.2 Kbps 59.2 Kbps (MCS-9) 473.6 Kbps Tabla de comparativas de bitrates entre GSM y EDGE Las diferencias entre las tasa de bits de usuario y radio dependen de si se tienen en cuenta o no las cabeceras de los paquetes de datos. Figura 80: Tasas de transmisión conseguidas según los distintos esquemas de codificación. Sistema de comunicaciones GSM y EDGE: 2G ____________ 109 Estudio de las diferentes modulaciones La modulación empleada en GSM es GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Para lograr una tasa de bit mayor EDGE emplea modulación 8-PSK. La tasa de símbolos es la misma pero ahora un símbolo representa tres bits, por lo que la tasa total se multiplica por un factor 3. Figura 81. Constelación GMSK y 8-PSK. Bajo unas condiciones ideales donde no tenemos ningún tipo de error podemos representar la constelación obtenida en cada uno de los modelos: GSM y EDGE. 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Figura 78. Constelaciones GMSK (GSM) y 8-PSK (EDGE) obtenidas en la simulación bajo condiciones perfectas de entorno (SNR del canal AWGN a 0 dB) Estudio de la calidad del canal y del BER En la siguiente tabla se puede observar la probabilidad de error de bit para diferentes valores de SNR en el canal AWGN. SNR (dB) 0 -10 -15 -20 -25 -26 -27 -28 -29 GSM 0 0 0 0 0.0038 0.0077 0.0385 0.052 0.0827 EDGE 0 0 0 0.0295 0.109 0.139 0.165 0.192 0.224 110 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Se puede observar como el BER es mayor para EDGE debido a que aumentamos la tasa de bits a costa de reducir la sensibilidad. Esto se puede ver claramente en las distintas constelaciones obtenidas según la SNR del canal. En la siguiente página tenemos una tabla con las diferentes constelaciones obtenidas en función de la calidad del canal mediante su SNR. Podemos observar claramente que conforme el ruido aumenta es más difícil reconocer que símbolo hay que demodular y por lo tanto la probabilidad de error y el BER aumentan. -15 dB 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -1.5 -20 dB -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 -27 dB -30 dB 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 Tabla de constelaciones obtenidas en función de la SNR del canal. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Simulación de la capa física en WCDMA: 3G ____________ 111 Simulación 2 3G: Simulación de la capa física en WCDMA Objetivo Estudio de la capa física en tercera generación de comunicaciones móviles mediante la simulación de la capa física en WCDMA, mostrando la multiplexación mediante división en frecuencia FDD. Las especificaciones del sistema WCDMA se encuentran especificadas en el Third Generation Partnership Project (3GPP) Release 1999. Descripción del modelo de simulación Como ya sabemos, la capa física se encarga de dar soporte a las capas de niveles superiores, intercambiando los datos con los niveles superiores mediante los canales de transporte, pudiendo existir hasta 8 canales de transporte simultáneos. Cada canal de transporte se asocia a un formato diferente con información sobre como procesar los datos en la capa física. La capa física procesa los datos antes de enviarlos al canal. Figura 82: Visión general del modelo de simulación de la capa física en WCDMA. 112 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles En el modelo40 encontramos 7 bloques, cuyas funciones son las siguientes: • Nodo B (Base Station): WCDMA DL Tx Channel Coding Scheme: Se encarga de la codificación y multiplexación del canal de transporte. Dentro de este bloque el tratamiento de la señal sigue lo siguientes pasos: CRC: Se añaden los bits de redundancia cíclica. Se pueden agregar 0, 8, 12, 16 o 24 bits. Reunión o concatenación de TrB (Transport Block). Se reúnen en serie todos los TrB pertenecientes a un mismo Transmission Time Interval (TTI). Si el conjunto supera la longitud máxima permitida (594 bits para códigos convolucionales y 5114 para turbo-códigos) se divide en segmentos de longitud permitida. Codificación del canal: Tenemos varias opciones a aplicar: - Códigos convolucionales de tasa 1/2 o 1/3 - Turbo-códigos de tasa 1/3 - Ninguna codificación. En este caso la corrección de errores dependerá del equipo final. Se iguala la trama radio añadiendo bits 0 hasta que el número de bits sea un múltiplo del número de tramas. Primer entrelazado: En función del TTI los bits se introducirán por filas en una matriz de 1, 2, 4 u 8 columnas. Una vez completa la matriz se permuta y leen los bits por columnas al igual que en la anterior simulación sobre 2G. Segmentación en tramas radio. Cuando el TTI es mayor de 10 ms tiene lugar una segmentación. Figura 83. Esquema de módulos de codificación y multiplexación en el transmisor en WCDMA. WCDMA Tx Physical Channel Mapping: La salida de este bloque conforma un Dedicated Physical Channel (DPCH). La señal continúa con los siguientes pasos: Multiplexación de los canales de transporte. Para varios canales de transporte estos se multiplexan cada 10 ms en una trama radio. Segundo entrelazado: Se llenan por filas una matriz de entrelazado de 30 columnas y se estas se permutan una vez llenas. WCDMA BS Tx Antenna: Este bloque se encarga de la modulación y ensanchamiento y posterior emisión de la señal a través del canal. 40 http://es.mathworks.com/help/comm/examples/wcdma-end-to-end-physicallayer.html?s_tid=gn_loc_drop Simulación de la capa física en WCDMA: 3G ____________ • • 113 Canal: Simula un canal aéreo con ruido aditivo blanco gaussiano con posibilidad de propagación multipath. UE (User Equipment): Es el bloque que representa al dispositivo móvil receptor. Como se trata de un canal físico descendente este corresponde al cliente. Al igual que en el transmisor o Nodo B, realiza el tratamiento inverso de la señal recibida a través del canal. WCDMA UE Rx Antenna: Dentro de este bloque podemos destacar el receptor Rake. El receptor Rake se trata de un filtro adaptado a la forma de onda recibida durante la comunicación, que mediante la autocorrelación de la secuencia código utilizada detecta las interferencias y desvanecimientos típicos en la transmisión de la señal, reduciendo el efecto perjudicial de los fenómenos multitrayecto. Este tipo de receptor básicamente suma cada una de las componentes multitrayecto. Estas componentes se combinan, dando más peso a aquellas componentes con mayor amplitud y compensando los desfases relativos entre cada componente multitrayecto. WCDMA Rx Physical Channel Demapping WCDMA DL Rx Channel Decoding Scheme Parámetros del modelo Estos parámetros se pueden modificar haciendo doble clic en el bloque situado a la izquierda: “Model Parameters”. Encontramos en pestañas las diferentes opciones que podemos modificar en la simulación del modelo: • Canal de transporte: En este apartado podemos elegir la tasa del canal descendente o DownLink. Existen 4 opciones cuyas especificaciones están basadas en el estándar: 12.2 Kbps 64 Kbps 144 Kbps 384 Kbps También podemos especificar de forma manual un canal mediante el uso de la opción User Defined. • • Antena: En este apartado podemos modificar las especificaciones relacionadas con la antena WCDMA y sus subsistemas: Potencia de cada uno de los canales físicos Factor de ensanchamiento Código de aleatorización Número de coeficientes del filtro raíz de coseno alzado Número de coeficientes para el filtro paso baja empleado en la estimación del canal Factor de sobremuestreo. Modelo de canal: Elección del canal empleado en la simulación. Existen varias opciones en la elección de un canal multipath hasta un canal estático AWGN o cancelar el canal. 114 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Estudio y resultados Estudio de la tasa de error En los siguientes gráficos podemos apreciar una evaluación del modelo ante diferentes tasas binarias en el canal y tipos de canales empleados. Los parámetros de la antena son los especificados por defecto y constantes en todas las simulaciones. Condiciones de propagación Número de subtrayectorias Retraso relativo de las señales (ns) Potencia media de las señales (dB) Velocidad del terminal (km/h) Multipath 1 Multipath 2 Multipath 3 Multipath 4 Multipath 5 Multipath 6 2 3 4 2 2 4 [0 1] [0 1 2] [0 0.26 0.5 0.78] [0 1] [0 1] [0 0.26 0.5 0.78] [0 -10] [0 0 0] [0 -3 -6 -9] [0 0] [0 -10] [0 -3 -6 -9] 3 3 120 3 50 250 Tabla con los diferentes modelos de canal multipath en la simulación. La tabla de los resultados obtenida en las simulaciones es la siguiente: TASA DEL CANAL (Kbps) ESTÁTICO AWGN SNR MULTIPATH 1 MULTIPATH 2 MULTIPATH 3 MULTIPATH 4 MULTIPATH 5 MULTIPATH 6 12,2 0,1096 0,6575 0,1781 0,09589 0,2877 0,8356 0,06849 64 1 0,9315 0,8082 0,9726 0,9041 1 1 144 0,9863 1 0,9725 1 1 1 1 384 1 0,9919 0,9919 1 1 1 1 BER DTCH TASA DEL CANAL (Kbps) ESTÁTICO AWGN MULTIPATH 1 MULTIPATH 2 MULTIPATH 3 MULTIPATH 4 MULTIPATH 5 MULTIPATH 6 12,2 0,0066 0,2342 0,0433 0,0081 0,09543 0,2694 0,0056 64 0,2711 0,3188 0,2141 0,2526 0,264 0,3113 0,2546 144 0,3334 0,3712 0,2909 0,3209 0,3307 0,3646 0,3199 384 0,3759 0,3999 0,3337 0,3618 0,3669 0,396 0,3612 MULTIPATH 3 MULTIPATH 4 MULTIPATH 5 MULTIPATH 6 BER DCCH TASA DEL CANAL (Kbps) ESTÁTICO AWGN 12,2 0,0029 0,2696 0,025 0,005 0,09833 0,28 0 64 0,4054 0,3563 0,1775 0,3333 0,3071 0,4646 0,36 144 0,4688 0,4871 3842 0,4829 0,4492 0,5004 0,51 384 0,5067 0,4938 0,4788 0,5008 0,5046 0,4904 0,4983 MULTIPATH 1 MULTIPATH 2 Tabla con los datos de BER obtenidos. Visto de esta forma es difícil sacar conclusiones, de forma que vamos a representar gráficamente teniendo en cuenta los distintos parámetros del canal simulado. Simulación de la capa física en WCDMA: 3G ____________ 115 Para empezar, evaluamos el BER de los canales para el canal estático en función de la tasa de bits: BER de los canales en función de la tasa binaria del canal 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 12,2 64 144 384 Tasa del canal (Kbps) DTCH DCCH Figura 84. BER de canal DTCH y DCCH en función del bitrate del canal. Como era de esperar, para un canal estático la probabilidad de error aumenta conforme aumentamos la capacidad del canal de transporte. Esta fue una conclusión a la que ya se llegó en la anterior simulación sobre GSM y EDGE. Ahora si evaluamos en función del número de trayectorias consideradas en el receptor Rake tenemos: Estudio del BER en DTCH en función de las trayectorias consideradas en el receptor Drake 0,45 0,4 0,35 BER 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Tasa del canal (Kbps) 2 trayectorias 3 trayectorias 4 trayectorias 4 trayectorias 120 km/h Figura 85. BER del canal DTCH en función de número de trayectorias en el receptor Rake. 116 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles En la gráfica se muestra la evaluación del BER en los canales multipath 1, 2, multipath 3 a 3 km/h y multipath 3, de forma que se pueda ver cómo afecta al BER la velocidad del terminal móvil. Se observa con claridad que al considerar más subtrayectorias en el receptor Rake mejor es el BER obtenido, por lo que este receptor cumple con su función de mitigar los efectos multipath y mejorar la calidad en la recepción. También es destacable como la velocidad del terminal móvil no afecta en gran medida al BER obtenido (líneas gris y amarilla). En la siguiente figura observamos la representación anterior pero esta vez en el canal de control dedicado. El resultado obtenido es similar al anterior. Estudio del BER en DCCH en función de las trayectorias consideradas en el receptor Drake 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 12,2 64 144 384 Tasa del canal (Kbps) 2 trayectorias 3 trayectorias 4 trayectorias 4 trayectorias 120 km/h Figura 86. BER del canal DCCH en función de número de trayectorias en el receptor Rake. Ahora veremos que ocurre en función de la potencia media de las señales consideradas en el detector Rake. Para ello evaluamos en los canales multipath 1 y 4, los cuales difieren únicamente por la potencia de la segunda trayectoria en 10 dB. Simulación de la capa física en WCDMA: 3G ____________ 117 BER de canales DTCH y DCCH en función de la potencia de las subtrayectorias 0,6 Título del eje 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 12,2 64 144 384 Título del eje DTCH MULTIPATH 1 DTCH MULTIPATH 4 DCCH MULTIPATH 1 DCCH MULTIPATH 4 Figura 87. BER de los canales DTCH y DCCH en función de la potencia de las diferentes trayectorias. Se observa claramente un mejor resultado en el BER para el canal multipath 4, puesto que la recepción del segundo canal en el detector Rake es de la misma amplitud que el primero, de forma que el mecanismo de decisión en el detector es óptimo. Si evaluamos en función de la velocidad del terminal receptor, comparando los canales multipath 1 y 5 donde únicamente varía la velocidad del terminal móvil, obtenemos: BER de canales DTCH y DCCH en función de la velocidad del terminal móvil 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 12,2 64 144 384 Tasa del canal (Kbps) DTCH 3 km/h DTCH 50 km/h DCCH 3 km/h DCCH 50 km/h Figura 88. BER de los canales DTCH y DCCH en función de la velocidad del terminal móvil. 118 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Para un pequeño incremento de la velocidad del terminal se observa como aumenta el BER ligeramente, aunque para pequeñas tasas de transmisión la comunicación puede lograr mantenerse robusta. Si ahora comparamos los canales multipath 3 y 6, donde el incremento de la velocidad es mayor obtenemos: BER de canales DTCH y DCCH en función de la potencia de las subtrayectorias 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 12,2 64 144 384 Tasa del canal (Kbps) DTCH 120 km/h DTCH 250 km/h DCCH 120 km/h DCCH 250 km/h Figura 89. BER de los canales DTCH y DCCH para altas velocidades del terminal móvil. Obviamente al aumentar la velocidad también se denota un aumento del BER y por tanto la probabilidad de mantener una comunicación fallida. De todas formas el aumento no es tan considerable como para anular nuestra comunicación, siempre y cuando elijamos una tasa de bits en nuestro canal que añada la robustez necesaria para mantener la calidad de la transmisión. Estudio de la codificación utilizada En este apartado vamos a analizar el proceso de codificación empleado. El estándar UMTS emplea WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) empleando el acceso por secuencia directa DS-CDMA. Como ya se sabe del apartado teórico del tutorial, en este tipo de codificación la señal transmitida ocupa un ancho de banda mayor que el que ocuparía la propia señal de información y este ensanchamiento se consigue empleando un código de ensanchamiento, secuencia código o signatura. Si abrimos en el modelo de simulación los correspondientes time scopes podremos observar como tiene lugar este proceso de ensanchamiento. En el caso de una modulación como QPSK, al ser en fase y cuadratura la secuencia datos y código será compleja. Por ejemplo, en la simulación para un canal de transporte con una tasa de 12.2 Kbps, en la representación de su parte real tenemos: Simulación de la capa física en WCDMA: 3G ____________ 119 Figura 90. Representación de la parte real de la señal antes y después del ensanchamiento a 12.2 Kbps. Y en su parte imaginaria: Figura 91. Representación de la parte imaginaria de la señal antes y después del ensanchamiento a 12.2 Kbps. Lo representado anteriormente es el ejemplo de la señal de datos y código y la señal lista para la conformación de pulsos. En el caso de que aumentáramos la tasa binaria del canal a 144 Kbps los resultados serían: Figura 92. Representación de la parte real de la señal antes y después del ensanchamiento a 144 Kbps. 120 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Y en la parte imaginaria: Figura 93. Representación de la parte imaginaria de la señal antes y después del ensanchamiento a 144 Kbps. Se observa que el número de bits tratados por unidad de tiempo es mayor que en el caso anterior y por tanto aumenta el número de chips, aunque el proceso de ensanchado es el mismo. Estudio del espectro de frecuencias utilizado Si accedemos a los scopes relacionados con el espectro de potencia o Power Spectrum, en estas visualizaciones se representa la función de densidad espectral de potencia, antes del ensanchamiento, después de este y listo para transmitir y la señal finalmente recibida. Para una transmisión de 64 Kbps sin canal (canal ideal) vs canal multipath 3 los resultados obtenidos serían: ANTES DEL ENSANCHAMIENTO ESPECTRAL Figura 94. PSD obtenida en un canal ideal y canal multipath 3 a 64 Kbps antes del ensanchamiento espectral. En ambos casos podemos observar el espectro de la señal de la información, no hay gran diferencia puesto que únicamente depende de la información a transmitir y de la circuitería interna. Simulación de la capa física en WCDMA: 3G ____________ 121 SEÑAL TRANSMITIDA Figura 95. PSD de la señal ensanchada y transmitida, para canal ideal y multipath 3. En este punto se observa como la secuencia código ha ensanchado el espectro de la señal y al mismo tiempo reducido la densidad espectral de potencia se ha reducido en el mismo factor que se ha ensanchado. SEÑAL RECIBIDA Figura 96. PSD de la señal recibida para modelo de canal ideal (arriba) y para modelo de canal multipath 3 (abajo). En este caso si se observa claramente el efecto destructor que tiene el canal. En el primer espectro como las condiciones de canal son perfectas no hay distorsión ninguna y la señal recibida es exacta a la transmitida. Mientras tanto, en la siguiente figura, al considerar un canal más realista, se observa claramente la distorsión y la necesidad de mecanismos que reduzcan los efectos destructivos sobre la señal. 122 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Estudio de las constelaciones En el enlace descendente en UMTS la modulación empleada es QPSK. La velocidad de símbolos es la mitad de la velocidad de bits. En la simulación podemos obtener la posición de símbolos en la constelación recibida mediante la visualización del canal DPCH o Downlink Dedicated Physical Channel. Vamos a evaluar las constelaciones recibidas para diferentes velocidades en diferentes condiciones del canal: un canal ideal, un canal estático AWGN con una SNR de -13 dB y un canal multipath 3 más realista para ver cómo se comporta el receptor Rake. 12 Kbps Figura 97. Constelación obtenida en un instante para un canal ideal (izquierda) y para canal AWGN con SNR de -13 dB a 12.2 Kbps. Como era de esperar, para un canal perfecto los puntos aparecen en la posición exacta, mientras que para el canal AWGN ya no aparecen en la posición exacta y ya han de intervenir mecanismos de decisión. Para el modelo de canal multipath 3 tomamos una captura para ver qué sucede antes y después del detector Rake: Figura 98. Constelación obtenida en un instante para un canal multipath 3 antes y después del detector Rake a 12.2 Kbps. Simulación de la capa física en WCDMA: 3G ____________ 123 Antes del receptor Rake se observan dos puntos y después del receptor se observa solo uno. Esto se debe a que estos dos puntos era el mismo desde diferentes trayectorias y el receptor Rake ha correlado para verificar que se trataba del mismo punto y ha efectuado la suma ponderada de ambos. Para mayores tasas de transmisión en el canal obtendremos los mismos resultados pero con una constelación con mayor número de puntos. 64 Kbps Figura 99. Constelación obtenida en un instante para un canal ideal (izquierda) y para canal AWGN con SNR de -13 dB a 64 Kbps. En el caso de no existir canal y con un canal estático AWGN observamos un resultado similar al obtenido con una tasa de 12.2 Kbps. Veamos que sucede ahora con el detector Rake. Figura 100. Constelación obtenida en un instante para un canal multipath 3 antes y después del detector Rake a 64 Kbps. Ahora encontramos más puntos en el receptor Rake. Esto es debido a que las capturas han sido realizadas en un instante de tiempo y el receptor Rake en ese momento está considerando distintos valores para múltiples trayectorias, así que lo que estamos viendo son las ponderaciones de varios valores obtenidos en el momento de la captura para trayectorias captadas en una franja de tiempo anterior a la de la propia captura. Para mayores tasas en el canal sucederá de igual forma tanto en los modelos de canales más simples como para la simulación de un canal multipath. 124 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Simulación 3 4G: Simulación del canal descendente PDSCH en LTE Objetivo Estudio del procesamiento que tiene lugar en la capa física en LTE a través del procesado del canal de datos descendente PDSCH (Physical Downlink Shared Channel). Nos centraremos principalmente en las nuevas modulaciones QAM y en las técnicas MIMO empleadas. Descripción del sistema de modulación Si abrimos desde Matlab el modelo de Simulink con nombre “commltePDSCH.mdl” nos aparecerá el modelo que vamos a emplear para simular el canal PDSCH de LTE. Las especificaciones completas de este sistema y que han servido como referencia se encuentran disponibles en la norma 3GPP Release 10 y siguientes. Figura 101. Esquema general del modelo de simulación del canal PDSCH. El canal PDCH41 transmite datos de usuario, avisos y bloques de información adicional de la célula SIB (System Information Blocks). Los recursos empleados por este canal constituye la tara de la capa física en dirección descendente. Este canal se utiliza para la transferencia de: • • • 41 Información de sistema en los bloques de información SIB Información de señalización de conexión Radio Resource Control RRC Datos de los usuarios. Hernando Rábanos, José María. Comunicaciones Móviles (pág. 595 Apto 10.6.3.). Editorial Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. Simulación del canal descendente PDSCH en LTE: 4G ____________ 125 La modulación empleada puede ser QPSK, 16QAM o 64QAM y la elección de modulación depende del algoritmo de planificación en el eNodeB. Para los bloques de información SIB se emplea QPSK. Los datos de usuario se estructuran en bloques de transporte TrBk y cada bloque corresponde con una PDU de la capa MAC. Su tamaño en bits se denomina TBS (Transport Block Size) y contiene los bits entregados en el intervalo de tiempo de transmisión TTI que es igual a 1 ms, igual a la duración de una subtrama. Al igual que en las anteriores simulaciones el modelo se ha simplificado del real para facilitar su comprensión y poder centrarnos mejor en los criterios específicos de este sistema de comunicaciones. Como en las anteriores simulaciones, obviamos las capas superiores y la procedencia de los bits y los sustituimos por una fuente de bits. Esto quiere decir además que estamos considerando un solo usuario. Además, trabajaremos en modo de banda ancha. Las especificaciones de este modelo simplificado son: • • • • Únicamente se tiene en cuenta la multiplexación FDD. Longitudes de bloque fijas. Modulación multinivel 16-QAM. La simulación del canal de desvanecimiento se ha limitad a la técnica MIMO 2x2 y 4x4, sin correlación entre enlaces. La estructura general para el canal PDSCH se define en los siguientes pasos: • • • • • • Codificación de los bits en cada una de las palabras código a transmitir en el canal físico. Modulación de bits codificados para generar mediante modulación símbolos de valor complejos. Mapeo de los valores modulados complejos en una o varias capas de transmisión Precodificación de los valores modulados complejos en cada capa para la transmisión de los puertos de la antena. Mapeo de los valores modulados complejos para cada antena para reservar elementos. Generación de la señal OFDM en el dominio del tiempo para cada antena. Figura 102. Esquema del procesamiento del canal PDSCH. En la simulación tenemos los siguientes bloques principales que corresponden con la descripción del proceso anterior: • Fuente: Un generador binario de Bernoulli con una tasa de muestreo de 3648 bits por trama. 126 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles • Transmisor (eNodeB): Codificador PDSCH: Tiene lugar la codificación del enlace descendente como se especifica en 3GPP TS 36.211 Release 10. La codificación dependerá del tipo de modulación empleada. Modulador 16-QAM: Cada palabra código será modulada mediante la tabla de valores complejos situados a la derecha. Mapeo por capas (Layer Mapper): Los nuevos símbolos complejos serán mapeados en una o varias capas. Para la transmisión mediante una sola antena se emplearía una capa. Como en la simulación se emplean al menos 2x2 antenas entonces se emplea más de una capa, usando un número de capas menos o igual al número de antenas. Precodificación (Spatial Multiplexing Precoder): Tiene lugar una precodificación sin CDD (Cyclic Delay Diversity) de la siguiente forma: 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 Donde la dimensión de la matriz de precodificación W(i) es de P x v donde P representa el puerto de la antena y v la capa y i=0,1,… M y M=nº de símbolos por capa. Mapeo de recursos: Para cada puerto de antena empleado en la transmisión del canal físico cada bloque de símbolos modulados complejos corresponderá con un elemento de recurso que cumpla los siguientes criterios: Están en los bloques de recursos físicos correspondientes a los bloques de recursos virtuales asignados para la transmisión y No se usan para la transmisión del PBCH, ni señales de sincronización, ni señales de referencia específicas de la UE y 1010 1011 1100 1101 1110 1111 I 1 Q 1 √10 √10 1 3 √10 √10 3 1 √10 √10 3 3 √10 √10 1 81 √10 √10 1 83 √10 √10 3 81 √10 √10 3 83 √10 √10 81 1 √10 √10 81 3 √10 √10 83 1 √10 √10 83 3 √10 √10 81 81 √10 √10 81 83 √10 √10 83 81 √10 √10 83 83 √10 √10 Tabla de conversión de palabra código a valores complejos. No se usan para la transmisión de señales de referencia de CSI y el DCI asociados con la transmisión descendente que emplea el CRNTI o semipersistente C-RNTI. OFDM: Se emplea un módulo de generación OFDM en banda base. La señal en el puerto de antena p en símbolo OFDM l en un enlace descendente está definido mediante la ecuación : En el modelo la variable N es igual a 2048 para Δf=15KHz. Los símbolos OFDM en una ranura se transmiten en orden creciente de símbolo. Simulación del canal descendente PDSCH en LTE: 4G ____________ • • 127 Canal: Canal MIMO con desvanecimiento y también opción de canal estático. Receptor (UE): Tiene lugar el proceso inverso en la señal recibida. Parámetros del modelo Al hacer doble clic en este bloque aparecen los parámetros del modelo que podemos escoger para efectuar la simulación. Los parámetros son los siguientes: • • • • Ancho de banda del canal (MHz): A pesar de que el modelo simule la transmisión en banda base se puede escoger el ancho de banda del canal disponible para LTE. Los anchos de banda disponibles son de 1.4, 3, 5, 10,15 y 20 MHz. Configuración de la antena MIMO: Se puede configurar una transmisión y recepción MIMO 2x2 o 4x4. Modelo del canal: Estático: Modelo de canal MIMO estático. EPA (Extended Pedestrian A model): Entorno de propagación bajo con frecuencia Doppler máxima de 5 Hz. EVA (Extended Vehicular A model): Entorno de propagación medio con frecuencia Doppler máxima de 5 y 70 Hz ETU (Extended Typical Urban model): Entorno de propagación alto con frecuencia Doppler máxima de 70 y 300 Hz. SNR: Relación señal ruido en decibelios del canal Estudio y resultados Estudio del BER Extraemos tablas de valor del BER para distintos modelos de canal en sus diferentes anchos de banda. Tiempo de simulación de 0.3 para que no tarde demasiado pero que tenga un valor suficiente como para que los valores de BER se estabilicen. Comparamos primero para diferentes anchos de banda en función de varios modelos de canales: Canal MIMO estático 2x2 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 25 15 10 5 0 -5 SNR (dB) 1,4 MHz 5 MHz 10 MHz 20 MHz Figura 103. BER en canal MIMO estático 2x2 para diferentes anchos de banda. -10 -15 128 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Canal MIMO EPA 5 Hz 2x2 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 25 15 10 5 0 -5 -10 -15 -10 -15 SNR (dB) 1,4 MHz 5 MHz 10 MHz 20 MHz Figura 104. BER en canal MIMO EPA 5 Hz 2x2 para diferentes anchos de banda. Canal MIMO ETU 70 Hz 2x2 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 25 15 10 5 0 -5 SNR (dB) 1,4 MHz 5 MHz 10 MHz 20 MHz Figura 105. BER en canal MIMO ETU 70 Hz 2x2 para diferentes anchos de banda. Conforme aumenta el ancho de banda solo aumenta levemente el BER y para todos los canales se mantiene proporcional. Solo cabe destacar un leve aumento del BER en función del modelo del canal seleccionado en la simulación. Simulación del canal descendente PDSCH en LTE: 4G ____________ 129 Para una simulación MIMO 4x4 tenemos: Canal MIMO EPA 5 Hz 4x4 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 25 15 10 5 0 -5 -10 -15 SNR (dB) 1,4 MHz 5 MHz 10 MHz 20 MHz Figura 106. BER en canal MIMO EPA 5 Hz 4x4 para diferentes anchos de banda. Si comparamos con la anterior gráfica de EPA 5Hz 2x2 vemos que no se distingue una diferencia apreciable entre ellos. Esto puede deberse a muchos factores. Para empezar, nuestro modelo de simulación es un modelo de simulación bastante sencillo, no se tiene en cuenta la detección Rake vista en la anterior simulación de UMTS, ni tampoco se emplea la ventaja de tener una mayor cantidad de antenas para enviar la información duplicada, ni aprovechar el efecto del beamforming para poder recibir con mayor calidad. Tal y como tiene lugar en esta simulación no existirá diferencia entre usar MIMO 2x2 y 4x4, al menos en cuanto al resultado que obtendremos al calcular el BER, puesto cada antena considera flujos distintos e independientes. 130 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Vemos que diferencias encontramos si comparamos distintos canales para el mismo ancho de banda, de 5 MHz. BER en función de modelo de canal MIMO 2x2 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 25 15 10 5 0 -5 -10 -15 SNR (dB) Static MIMO EPA 5 Hz EVA 5 Hz ETU 70 Hz Figura 107. BER calculado para un ancho de banda de 5 MHz y distintos modelos de canal con MIMO 2x2. BER en función de modelo de canal MIMO 4x4 0,6 0,5 BER 0,4 0,3 0,2 0,1 0 25 15 10 5 0 -5 -10 -15 SNR (dB) Static MIMO EPA 5 Hz EVA 5 Hz ETU 70 Hz Figura 108. BER calculado para un ancho de banda de 5 MHz y distintos modelos de canal con MIMO 4x4. La conclusión obtenida en este modelo de simulación es que el empleo de antenas MIMO no afecta a la calidad del BER, debido a que se considera los datos de cada antena como flujos de información independientes. Sí que se puede apreciar un aumento del BER en cuanto empezamos a considerar modelos del canal mucho más realistas. Simulación del canal descendente PDSCH en LTE: 4G ____________ 131 Estudio de las nuevas modulaciones empleadas y sus constelaciones. Como ya se ha visto en las anteriores simulaciones, un mecanismo de mejora básico en la capacidad de transmisión es el de modificar la modulación empleada. Para los canales de señalización y control se emplean modulaciones BPSK y QPSK ya que requieren una menor SNR para una tasa de errores aceptable. Para los canales de datos se emplean QPSK, 16QAM y 64QAM. En este modelo se emplea la modulación 16QAM. Haremos un pequeño estudio gráfico de la constelación obtenida para las diferentes opciones MIMO y de modelado de canal. MIMO 2X2 Primero obtendremos una representación ideal, para poder observar como efectivamente aparece la constelación 16-QAM. Pre-demodulation data stream 1 Pre-demodulation data stream 2 1 1 0 0 -1 -1 -1 0 1 -1 0 1 Figura 109. Constelaciones obtenidas 16-QAM para modelo de canal estático con SNR de 25 dB y BW= 1.4 MHz. La posición relativa de cada bit se verá afectada por el ruido, si aumentamos el ruido veremos cómo los puntos se van dispersando. Para el canal EPA 5 Hz y manteniendo la SNR a 25 dB ya se observará mayor dispersión en la constelación. Pre-demodulation data stream 1 Pre-demodulation data stream 2 1 1 0 0 -1 -1 -1 0 1 -1 0 1 Figura 110. Constelaciones obtenidas 16-QAM para modelo de canal MIMO 2x2 EPA 5 Hz con SNR de 25 dB y BW= 1.4 MHz. Esto ha ocurrido tan solo cambiando el modelo del canal y manteniendo la SNR a 25 dB, que es un valor bastante bueno e irreal en la realidad. Aun a pesar de encontrar una constelación tan dispersa podemos observar como los mecanismos de decisión funcionan correctamente, 132 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles pues se obtiene un BER en torno a 0.16, por lo que se podría mantener una comunicación correctamente con los debidos mecanismos de corrección de errores. MIMO 4X4 Como se trata de flujos independientes, tendríamos en este caso y de forma inicial, para un canal estático, 4 flujos cada uno de una antena con su respectiva constelación. Figura 112. Constelaciones obtenidas 16-QAM para modelo de canal estático con SNR de 25 dB y BW= 1.4 MHz. Para un modelo de canal EPA 5Hz la constelación se difumina. Simulación del canal descendente PDSCH en LTE: 4G ____________ Pre-demodulation data stream 1 Pre-demodulation data stream 2 1 1 0 0 -1 -1 -1 0 1 -1 Pre-demodulation data stream 3 1 0 0 -1 -1 0 1 0 1 Pre-demodulation data stream 4 1 -1 133 -1 0 1 Figura 113. Constelaciones obtenidas 16-QAM para modelo de canal MIMO 4x4 EPA 5 Hz con SNR de 25 dB y BW= 1.4 MHz. Si aumentamos el ancho de banda a 5 MHz en vez de los 1.4 MHz Figura 114. Constelaciones obtenidas 16-QAM para modelo de canal MIMO 4x4 EPA 5 Hz con SNR de 25 dB y BW= 5 MHz. 134 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Conforme aumentamos observamos como aumenta la densidad de puntos, debido a que estamos mandando mayor cantidad de información. Para un ancho de banda de 10 MHz esta densidad de puntos es aún mucho mayor. Figura 115. Constelaciones obtenidas 16-QAM para modelo de canal MIMO 4x4 EPA 5 Hz con SNR de 25 dB y BW= 10 MHz. Es destacable observar cómo aumentar el ancho de banda también aumentamos la densidad de puntos y se puede observar que la constelación se encuentra mejor definida que la obtenida en MIMO 2x2 a 1.4 MHZ. Modulación y detección OFDM empleada en LTE: 4G ____________ 135 Simulación 4 4G: Modulación y detección OFDM empleada en LTE Objetivo Estudio de la modulación OFDM empleada en LTE mediante generación de código HDL. En esta pequeña simulación que se puede considerar como un pequeño anexo a la simulación anterior sobre 4G nos centramos en cómo tiene lugar el proceso de modulación OFDM. El código HDL generado puede ser empleado para implantarse en una FPGA y probar dicha modulación. Descripción del modelo42 de simulación La modulación por división ortogonal de frecuencia consiste en enviar la información modulada mediante un conjunto de portadoras de diferente frecuencia. Este tipo de modulación es muy robusta frente al multitrayecto y desvanecimiento común en cualquier entorno inalámbrico. En este ejemplo se pueden observar los problemas reales asociados con la implementación de una modulación y posterior detección OFDM. El modulador incluye la inserción de la portadora, sincronización de señal primaria y secundaria (PSS y SSS: Primary Synchronization Signal & Secondary Synchronization Signal) para determinar la identidad de célula de la capa física. En la siguiente figura aparece la estructura para el modulador y el detector OFDM: Figura 116. Estructura del modulador y demodulador OFDM. El sistema lleva a cabo la modulación OFDM de acuerdo con el estándar LTE y soporta todos los anchos de banda del canal LTE estándar. Estos anchos de banda posibles en LTE son los siguientes: Ancho de banda (MHz) Longitud IFFT Tasa de muestreo (Msímbolos/s) 1.4 128 1.92 3 256 3.84 5 512 7.68 10 1024 15.36 15 2048 30.72 20 2048 30.72 42 http://es.mathworks.com/help/lte/examples/verification-of-hdl-implementation-of-an-lte-ofdmmodulator-and-detector.html?s_tid=gn_loc_drop 136 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Estructura del modelo de simulación En la siguiente figura podemos observar el diagrama completo de nuestro modelo de simulación de modulación y detección OFDM. Figura 117: Estructura general del modulador y detector OFDM. En color verde podemos encontrar los dos bloques principales y que describiremos a continuación: el modulador y el detector. Modulador El modulador contiene los siguientes elementos involucrados en la modulación: • • • • • Mapeo de símbolos OFDM: Mapea la información de entrada a las subportadoras y reserva el número de muestras correcto para el Prefijo Cíclico (CP) Alineador de la transformada de Fourier: Reordena los datos para que la señal modulada se encuentre alineada en el espectro de frecuencias. Transformada Inversa de Fourier (IFFT): Realiza la transformada inversa de Fourier para modular los datos Ventana: Programa el prefijo cíclico y realiza la operación de la ventana. Filtrado: Efectúa el filtrado de señal para conformarla a los requisitos espectrales. Detector Para llevar a cabo la detección esta tiene lugar mediante los siguientes pasos y bloques en la simulación: • • Recuperación de la frecuencia: Tiene lugar en dos pasos: Estimación de la frecuencia mediante el Prefijo Cíclico y corrección de la frecuencia mediante el uso de un oscilador numéricamente controlado. Detección de la PSS: La detección de la PSS se lleva a cabo para determinar la identidad de la capa física dentro de un grupo de células y para calcular el tiempo de ajuste de la señal recibida. Tiene lugar a cabo mediante: Correlación cruzada Detección de picos Simulación del canal descendente PDSCH en LTE: 4G ____________ • • • • 137 Determinación de identificador de célula y desplazamiento Ajuste del tiempo: Este bloque se asegura de que la señal se encuentra correctamente alineada antes de aplicar la transformada de Fourier (FFT). Transformada Rápida de Fourier: Tiene lugar la demodulación de la señal OFDM mediante la transformada rápida de Fourier. Detección de la SSS: La detección de la SSS se emplea para identificar el grupo de células en la capa física. Determinar la ID de la célula: Usa la salida del detector de SSS y PSS para determinar la identidad de la célula que está transmitiendo la señal LTE. Estudio y resultados Tras ejecutar la simulación aparecerán 3 figuras con diferentes resultados. Estudiaremos cada una de las figuras a continuación. Estudio de la forma de onda transmitida En esta gráfica tenemos dos gráficas distintas que nos muestra la densidad de potencia espectral y la salida del modulador OFDM en el dominio del tiempo. -50 PSD of OFDM modulated LTE signal (BW = 5MHz) -100 -150 LST reference HDL Implementation -200 -250 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Frequency (MHz) Output of OFDM modulation 0.1 LST reference HDL Implementation Difference 0.05 0 140 160 180 200 220 240 Time [n] Figura 118: PSD y salida en el dominio del tiempo del modulador OFDM.BW= 5MHz En la gráfica superior tenemos la densidad de potencia espectral a la salida del modulador. Se observa como el ancho de banda utilizado ha sido de 5 MHz. En la parte inferior se puede observar una parte de la salida del modulador OFDM en el tiempo. 138 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles Amplitude PSD (dB) Si modificamos la opción del ancho de banda a 15 MHz se puede observar con la PSD se amplía al nuevo ancho de banda requerido. Figura 119: PSD y salida en el dominio del tiempo del modulador OFDM.BW= 15MHz Power Detección de la PSS y SSS En esta gráfica podemos observar la potencia de salida de la correlación cruzada de la señal recibida con la secuencia PSS. La señal de umbral se dibuja para facilitar el proceso de identificación. En los picos que superan el umbral se ha detectado la secuencia PSS. Se pueden observar los dos picos visibles correspondientes a las dos transmisiones de la secuencia PSS por trama de radio LTE. Figura 120: Correlación cruzada de la señal recibida con la PSS. Simulación del canal descendente PDSCH en LTE: 4G ____________ 139 En la siguiente gráfica se observa la salida de la detección de la SSS. En la siguiente gráfica se ilustra la potencia de salida del producto escalar entre la señal recibida y las posibles secuencias SSS. Los valores en el eje x corresponden a las posibles secuencias de SSS. La secuencia con mayor potencia de salida es elegida como la secuencia finalmente transmitida. Correlation of received signal with all LTE cell groups 3000 2500 Power 2000 1500 1000 500 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 LTE cell group (SSS sequence) Figura 121: Correlación de la señal recibida con todas las células LTE. Resultados de la simulación Esta última figura, resultado de la simulación, nos da información final en tres apartados: • • • ID de célula detectada: Nos da información sobre las células LTE finalmente detectadas. Valores de la correlación cruzada PSS: Potencia de pico y control de tiempo. Error de la implementación HDL: Valores RMS y pico del vector de error de la posible implementación en HDL en comparación con la señal LTE de referencia. 140 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles GLOSARIO DE TÉRMINOS 3 3GPP Third Generation Partnership Project 3GPP2 Third Generation Partnership Project 2 A AAS Sistema de Antenas Adaptativas ACK acknowledgement ADPCM Adaptive Differential Pulse Code Modulation AI Acquisition Indicators Air Interface AM Amplitud Modulada AMPS Advanced Mobile Phone System AMTS Advanced Mobile Telephone System ARP Address Resolution Protocol · ARQ Automatic Retransmission Request ASK Amplitude Shift Keying AT&T American Telephone and Telegraph B BCCH Broadcast Control Channel BEP Bit Error Probability BLER Block Error Rate BS · 10 Base Station BTS Base Transceiver Station C CCCH Common Control Channel CDD Cyclic Delay Diversity CDMA Code Division Multiple Access CMEA Cellular Message Encryption Algorithm CP Control Plane CPICH Common Pilot Channel CQI Channel Quality Indicator CRC Código de Redundancia Cíclica CS Control Station CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CD CSMA con Detección de Colisión D D-AMPS Digital Advanced Mobile Phone System DC Dedicated Control DCCH Dedicated Control Channel DCH Data Channel DECT Digital Enhanced Cordless DL DownLink |Enlace Descendente DL-SCH Downlink Shared Channel DPCCH Dedicated Physical Control Channel DPCH Dedicated Physical Channel DPDCH Dedicated Physical Data Channel DPSK Differential Phase Shift Keying DS Direct Sequence DS-CDMA Direct Sequence-Code Division Multiple Glosario de términos ____________ DS-SS Direct Sequence - Spread Spectrum DTCH Dedicated Traffic Channel DVRBs Distributed Virtual Resource Blocks 141 GMSK Gaussian Minimum Shift Keying GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications GTFM Gaussian Tammed Frequency Modulation E E-DCH Enhanced-Dedicated CHannel EDGE Enhanced Datarates for GSM Evolution E-DPDCH Enhanced Dedicated Physical Data Channel EGC Equal Gain Combining EMS Express Mail Service EPA Extended Pedestrian A model ETSI European Telecommunications Standards Institute ETU Extended Typical Urban model EVA Extended Vehicular A model F FACH Forward Access Channel · FDD Frequency-Division Duplex FDM Frecuency Division Multiplexing FDMA Acceso múltiple por divisón en frecuencia FEC Forward Error Correction FM Frecuencia Modulada FPGA Field Programmable Gate Array FS Fixed Station FSK Frequency Shift Keying H HARQ Hybrid Automatic Repeat Request HLR Home Location Register HPSK Hyper Phase Shift Keying HSDPA High SPeed Downlink Packet Access HS-DPCCH High Speed Dedicated Physical Control Channel HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel HSPA High Speed Packet Access HS-PDSCH High Speed Physical Downlink Shared Channel HSS Home Subscriber Server HS-SCCH High Speed Shared Control Channel HSUPA High Speed Uplink Packet Access I ICIC Inter-Cell Interference Coordination iDEN integrated Digital Enhanced Networks IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IMT International Mobile Telecommunications IMTS · 21 Improved Mobile Telephone System IoT Internet of Things ITU International Telecommunication Union G L GC LTE Long Term Evolution General Control 142 Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles LVRBs Localized Virtual Resource Blocks M MAP Mobile Application Part MCS Mobile Cellular System Modulation Coding Scheme MDP Modulación por Desplazamiento de Fase · MIMO Multiple In, Multiple Out Multiple Input Multiple Output MISO Multiple Input Single Output MME Mobility Management Entity MMS Multimedia Message Service MRC Combinación de Relación Máxima MS Mobile Station, terminal móvil · MSK Minimum Shift Keying MTS Mobile Telephone System N NACK No acknowledgement NMT Nordisk Mobil Telfoni Nt Notification O O&M Operación y Mantenimiento OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access · OSI Open System Interconnection P P2P peer-to-peer PAM Pulse Amplitude Modulation PAMR Public Access Mobile Radio PBCH Physical Broadcast Channel PCCH Paging Control Channel P-CCPCH Primary-Common Control Physical Channel PCH Paging Channel PDC Personal Digital Cellular PDCH Packet Data Channel PDC-P PDC Mobile Packet Data Communication System PDN-GW Packed Data Network Gateway PDSCH Physical Downlink Shared Channel PER Paquetes por Error PHS Personal Handyphone System PI Page Indicators PICH Page Indicator Channel PLMN Public Land Mobile Networks PM Phase Modulation o Modulación de Fase PMR Private Mobile Radio PoC Push to talk over Cellular PRACH Primary Random Access Channel PSK Phase-Shift Keying PSS Primary Synchronization Signal PSTN Public Switched Telephone Network PTT Push To Talk · 20 Q QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service Glosario de términos ____________ R RB Resource Block RDSI Red Digital de Servicios Integrados RNC Radio Network Controller RNS Radio Network System RRC Radio Resource Control RS Repeater Station RTD Round-Trip Delay RTG Receive-transmit Transition Gap S SACCH Slow Associated Control Channel SAP Service Access Point SAW Stop and Wait SC Combinación Selectiva S-CCPCH Secundary-Common Control Physical Channel SC-FDMA Single-Carrier Frequency Division Multiple Access SCH Synchronisation Control Channel Synchronization Channel SFN System Frame Number S-GW Serving GateWay SIB System Information Blocks SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Multiple Output SMS Short Message Service SNR Signal to Noise Ratio o Relación Señal-Ruido SON Self Organizing Network SS Spread Spectrum SSs 143 Subscriber Stations SSS Secondary Synchronization Signal T TACS Total Access Communication System TCH Traffic Channel TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol TDM Time Division Multiplexing TDMA Time Division Multiple Access TFCI Traffic Format Combination ID TFM Tammed Frequency Modulation TN Timeslot Number TTG Transmit-Receive Transition Gap U UE User Equipment UHF Ultra High Frequency UIT Unión Internacional de Telecomunicaciones UL Upload Link | Enlace Descendente UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems UP User Plane UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network V VHF Very High Frequency VPN VIrtual Private Network W WCDMA Wide CDMA · 46 W-CDMA 144 Wideband-CDMA WIFI Wireless Fidelity, red inalámbrica Tutorial de la Capa Física en Comunicaciones Móviles WiMAX Worldwide Interoperatibility for Microwave Access Bibliografía______ ____________ 145 BIBLIOGRAFÍA Cayetano Lluch Mesquida, José M. Hernando Rábanos. Comunicaciones móviles de tercera generación UMTS. Volumen 1. Madrid: Telefónica Móviles España , 2001 José María Hernando Rábanos. Comunicaciones Móviles. Tercera Edición. Editorial Universitaria Ramón Areces, 2004. RF Wireless World. http://www.rfwireless-world.com Martin Sauter. From GSM to LTE, an Introduction to Mobile Networks and Mobile Broadband. Editorial Wiley. Peter McGuiggan. GPRS in Practice, a companion to the specifications. Editorial Wiley. Ayman ElNashar, Mohamed A. El-saidny, Mahmoud Sherif. Design, Deployment and Performance of 4G LTE Networks, a Practical Approach. Editorial Wiley. Evgenii Koruk, Sergei Semenov. Modulation and Coding Techniques in Wireless Communications. Editorial Wiley Rappaport T.S. Wireless Communications, 2ª Edition. Editorial Prentice Hall, 2002. Chris Johnson. Radio Access Networks for UMTS. Editorial Wiley. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold, Per Beming. 3G Evolution, HSPA and LTE for Mobile Broadband. 2ª Edition. Editorial Academic Press, 2008. Jonathan Rodríguez. Fundamentals of 5G Mobile Networks. Editorial Wiley. Ramjee Prasad. 5G: 2020 and Beyond. Editorial River Publishers. Pedro García Teodoro, Jesús Esteban Díaz Verdejo, Juan Manuel López Soler. Transmisión de datos y redes de computadores. 2ª Edición. Editorial Pearson. Ramón Agustí. LTE: Nuevas Tendencias en Comunicaciones Móviles. Editorial Fundación Vodafone España. PSA Telefonía Móvil. https://sites.google.com/site/psatelefoniamovil/home Wikipedia. https://es.wikipedia.org/ Comunidad de intercambio de archivos de Matlab: MathWorks. http://es.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/?s_tid=gn_mlc_fx ORGANISMOS DE ESTANDARIZACIÓN The European Telecommunications Standards Institute (ETSI) http://www.etsi.org The 3rd Generation Partnership Project (3GPP) http://www.3gpp.org International Telecommunication Union http://www.itu.int WHITE PAPERS EDGE: The Introduction of High Speed Data in GSM / GPRS Networks. Wendy Florence. Ericsson South Africa. NGMN 5G White Paper. A deliverable by the NGMN Alliance. NGMN White paper – Looking Ahead to 5G. Nokia Networks.
