1ul ¿ ,í...YAPROBADA POR EL SIGWECOMITÉ At TESLS DEF¡;NDlDA POR...
Transcript of 1ul ¿ ,í...YAPROBADA POR EL SIGWECOMITÉ At TESLS DEF¡;NDlDA POR...
¿li1_j:/A''rššë›ãë_u_v:IZ1\__ul1_¿___,í___§\
AI:JAÁ¿____h'Éä_:__¿ÍÉ¿ÃA/¡_/ïä4'4\1g_É/_\_p_“/El
_-=¦-;;=-.-:\\\\;..;¦.-...;-;-_..__=;-;¿--¦-==;-;==¦--;-
.\
Y APROBADA POR EL SIGWE COMITÉ
At
TESLS DEF¡;NDlDA PORArlette Graciela Alvarez Quiñones
,¬-ÍIVLC. Jorge Enri 'do Velasco
' 11111.7 V111 \
Director del A-.\ omíté
'L
M.C. Raúl Tmfì/'ayo Fernández Dr. 3/osé Luis Medina Monroy
Miembro del Comité Miembro del Comité
,;z. L .
IVLC. José Luis Briseño Cervantes
Miembro del Comité
7.
V V V Í *V V/ .i of t « /V J
Dr. Jísé Luis Medina Monroy Dr. Federico Greåi/Zfehl
Jefe del Departamento de Electrónica y Director de Estudios de PosgradoTelecomunicaciones
2 de diciembre de 1999
CENTRO DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA YDE EDUCACIÓN SUPERIOR DE ENSENADA
A CICGSG
DIVISIÓN DE FISICA APLICADA
DEPARTAMENTO DEELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
ESTUDIÓ DE TÉCNICAS PARA EFICIENTIZAR LATRANSMISIÓN DE SERVICIOS MULTIMEDIÓS ENsIsTEMAs DE CÓMUNICACIÓNES MÓVILES DE
LA TERCERA GENERACIÓN
C TESIS
que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtenerel grado de MAESTRO EN CIENCIAS presenta:
ARLETTE GRACIELA ALVAREZ QUIÑONES
Ensenada, Baja California, México. Diciembre 1999 -
RESUMEN de la Tesis de Arlette Graciela Alvarez Quiñones, presentada comorequisito parcial para la Obtención del grado de MAESTRO EN CIENCIAS enELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. Ensenada, Baja California, México.Diciembre de 1999; E
ESTUDIO DE TECNICAS PARA EFICIENTIZAR LA TRANSMISIÓN DESERVICIOS MULTIMEDIOS EN SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES
DE LA TERCERA GENERACIÓN.
Resumen aprobado por: I
M.C. Jor ado Velasco.Director esis.
En los últimos años, el gran crecimiento de los sistemas de comunicaciones móvilesha ocasionado la saturación del espectro de frecuencias, de manera que entonces seproponen diferentes técnicas para maximizar el transporte de la información minimizandolos requerimientos de espectro de los servicios de comunicaciones personales inalámbricosfuturos. Además, las limitaciones de los sistemas existentes, han propiciado el desarrollo delos conceptos de un sistema móvil de tercera generación. Planeados para iniciar suoperación en el siguiente milenio, los sistemas de tercera generación están actualmentesujetos a investigación y el desarrollo de su estandarización, la cual es realizada por la ITU(International Telecommunications Union) y otros organismos. De esta forma, aparecen elUMTS (Universal Mobiie Telecommunications System) y el IMT-2000 (InternationalMobile Telecommunications at year 2000). UMTS integrará, en una estructura única, todoslos servicios ofrecidos por los Sistemas actuales; al mismo tiempo, hará disponible en“cualquier lugar” y en “cualquier tiempo” más servicios de los existentes en sistemasactuales con una comunicación de calidad comparable a la de las redes alámbricas. Elprincipal reto es en la interfaz de radio más adecuada para transportar la información quesatisfaga un amplio intervalo de requerimientos en donde el análisis se enfoca en laadopción de la técnica de acceso CDMA.
' Por ello, en esta investigación se analizó la factibilidad de transmitir serviciosmultimedios en redes de comunicaciones inalámbricas; de especial interés fue que estosservicios fueran introducidos en los sistemas de comunicaciones móviles de tercerageneración. De esta forma, se analizó el desempeño del sistema DS-CDMA en términos dela capacidad de usuarios, introduciendo conceptos de antenas direccionaies en la estaciónbase, considerando los efectos de la sectorización imperfecta, monitoreo de actividad devoz y control de potencia imperfecto, las cuales disminuyen la interferencia; así como lainterferencia intra e inter celda que limitan la capacidad. De los resultados obtenidos, se
observa que las técnicas anteriores son ampliamente deseables, ya mejoran el descmpenodel sistema DS-CDMA en el contexto de los sistemas de tercera generación incrementandola capacidad del sistema y manteniendo a la vez una calidad de servicio aceptable.
Palabras clave: UMTS, IMT-2000, interfaz de radio, DS-CDMA, sectorizaciónimperfecta, interferencia intra e intra celda.
ABSTRACT of the Thesis of Arlette Gracieia Alvarez Quiñones, presented as a partialrequirement to obtain the degree of MASTER IN SCIENCES in ELECTRONICS ANDTELECOMMUNICATIONS. Ensenada, Baja California, Mexico. December of 1999.
STUDY OF TECHNIQUES TO IMPROVE EFFICIENCY OF TI-IETRANSMISSION OF MULTIIVIEDLA SERVICES IN SYSTEMS OF
MOBILE COMMUNICATIONS FOR THIRD GENERATION
In the last years, the growth of mobile communications systems has caused the frequencyspectrum saturation, so that different approaches has been studied to maximize thetransport of the information while minimizing the spectrum requirements for futurewireless personal communications services. In addition, the limitations of the existingsystems have led to develop concepts for a third generation mobile system. Planned tobegin operation at the beginning of the next milleniurn, third generation systems arecurrently the subject of research, development and standardization by organisms as theInternational Telecommunications Union (ITU). Recently there are Universal MobileTelecormnunications System (UMTS) and Intemational Mobile Telecommunications atyear 2000 (IMT-2000). UMTS will offer "anywhere" and "anytime" services integratingvoice, data and video in a Imique structure with a comparable quality of services (QOS) asin a Wired network. The main challenge is to adapt the radio interface to transport theinformation which satisfies a wide range of requirements. This 'thesis work focus in theDS-CDMA access technique. The feasibility to transmit multimedia services in wirelesscommunication networks was analyzed , using DS-CDMA in third generation mobilecommunications system. The performance of DS-CDMA system in terms of user capacitywas analyzed, using directional antennas at the base station, considering the effects of animperfect Sectorization, voice activity monitoring, and imperfect power control in orderto decrease the interference power, as well as the intra and inter cell interference in orderto model the total interference present in a real system. From the results obtained, it isobserved that the previous techniques are widely desirable to improve the performance ofDS-CDMA system in the context of third generation systems increasing the systemcapacity and Simultaneously keeping an acceptable quality of service. A
Keywords: UMTS, IMT-2000, radio interface, DS-CDMA, imperfect sectorization, intraand inter cell interference.
DEDICATORIA
A mis papitos:
Mario y Enoé
Por el amor y cariño que durante toda mi vida me han brindado,sin el cual no habría sido posible lograr ésta y
otras tantas metas que he fijado en mi vida.Gracias. Los quiero mucho.
A mis hermanos:
Mario y Gibran Enrique
Por ser tan queridos para mi.
A Juan Zitlalpopoca B.
Por ser siempre mi apoyo y adoración; una de las personas que han sido mimotivación en la lucha por lograr esta meta.
AGRADECIMIENTOS
A mi director de tesis, M.C. Jorge Preciado V., por las facilidades y apoyo brindados, sinlos cuales este trabajo de tesis no habría sido posible.
A los miembros de mi comité de tesis: M.C. Raúl Tamayo F., Dr. José Luis Medina M. yM.C. José Luis Briseño C., por las aportaciones y comentarios a esta tesis, sin su apoyo nosería posible presentar este trabajo.
A mis maestros, por contribuir a mi formación profesional.
A mi adorado Juan Zitlalpopoca B., por sus aportaciones a este trabajo; y antes quecualquier cosa, por el enorme amor, apoyo y comprensión que me ha brindado desde que loconocí; ha sido maravilloso compartir nuestras ilusiones, gracias amor por tanta felicidad.
A mi abuela Jael Zárate L. y a todas mis tias, por todo el cariño manifestado desde pequeña.Las quiero mucho. `
A la querida Eriquita Ruiz I., por el apoyo, buen humor y cariño que siempre demostró, quehan significado mucho en mi vida.
A Julio C. Cruz M., Gerardo de la Fuente T., Plácido Zaca M., Francisco Domínguez C.,por los momentos tan agradables que vivimos en estos años de estancia en el CICESE.
A mis compañeros de CICESE, por su amistad.
A Edith García C., por las palabras de aliento que siempre tuvo para mí.
A Julián Delgado J., por sus valiosas aportaciones al trabajo de simulación; a SilviaCamacho L., por su apoyo en la solución de problemas durante el mismo.
A1 CICESE, por brindarme la oportunidad de continuar mis estudios profesionales.
Al CONACYT, por el apoyo económico otorgado para la realización de mis estudios demaestría.
Arlette A.
CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓNI.l Objetivos _ . . . . . . . . . . . _ . _ . . . . _ . . . . . _ . . . . . . . . _ . _ _ . _ _
1.2 Alcances de la tesis . . . . . . . . _ . . . . _ _ _ . . . . _ . _ . . . _ . . _.
I.3 Organización del trabajo _ . _ . . . _ . . . . . . . . . . _ . . . . . . _ _
II COMUNICACIONES MÓVILES INALÁMBRICAS
II.1 Introducción . . . _ . . . _ . _ _ . _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . . _ . . _ . . . _ _ . . _ _
II_2 Evolución de los sistemas de telecomunicaciones _ _ _
i
página
1
. - . . . . - - . . - › . . - - ¢ . - . . . - .-4
. . - . - ¢ - . . - - . . . - ¢ . - . . . . . .-4
. . . . . . . . - . . - . › . . . . « « - . . -.S
6
. . . . . . . _ _ . . . . . _ _ _ . . . . . . ..6
. . . . . . . . . . . . . . _ _ _ . _ . _ . . ..6
II.3 Sistemas de Comunicaciones Móviles de la Tercera Generación _ _ _ . . _ _ . _ _ _ . _ _ 8
II_3.l
II.3.2
H.-4 UMTS
II.-4.1
II.4.2
' II.4_3
II.4_4
II.4.5
PCS . _ . . . . . . . _ _ _ _ . . . . . _ . . . . . . . . _ . . . . . . _ _ _
IMT-2000 _ . _ . . _ _ . . _ . . . . _ . . _ . . . . _ . . . _ _ . . _.
Actividades de estandarización europea. _ _
Objetivos de UMTS . . _ . _ . _ _ . _ _ . . _ . . . . _ . _ _
Ambientes de UMTS . . . _ . _ . . _ _ _ . . _ _ . . . _ _ _
Tipos de celdas . _ . . . _ _ _ . _ . . . . . . _ _ . . . _ . . . ._
Interfaz de radio . _ _ _ . . _ . . . _ _ . . . _ _ . . . . _ . _ _ _
H.4.5.1 Sistema CODIT . . . . . . . . . _ _ . _ . _ _
III ESQUEMA DE ACCESO MÚLTIPLE CDMA
III.l Introducción . . _ . . . . _ . . . _ _ . . _ . _ _ . . _ _ . . _ _ . . . . . _ _ . . _ _
III.2 Espectro Esparcido _ . . _ _ _ . . . _ . _ _ . _ . _ . . . . . _ . . _ . . . . _ _
III_2.l CDMA en secuencia directa (DS-CDMA) _
IlI.2. 1.1 Ganancia de esparcimiento . . . . _.
IH.2_l _2 Codificación del enlace de bajada
lII.2.l.3 Codificación del enlace de subida
. . . . . . - › ¢ - . › . - . . - . ¢
_ . . . . . . . _ . _ _ . . . . . . . _ _ _. 13
. . _ _ _ . . . . _ _ . _ . _ _ _ _ . . . _. 13
. _ _ _ _ . . . _ . . _ _ . . . . . _ . . _. l5
. . _ . _ _ _ . . . . . . . . _ . _ . . . ._ 16
_ . . . _ . _ . . _ . . . _ _ . . . . . . _. l7
_ . . . . . _ . . _ . _ . _ _ . . . . . . _. 18
_ . . . . _ . . . . _ _ . _ _ . . . _ . _ . _ ._9
. . . _ . . _ . _ . . . . . . . . _ _ . . __ 10
.._._11
22
. . . _ . . . _ _ _ . . . . . . . . _ . . ..22
_ _ _ _ _ _ . _ . _ . . . . . _ _ _ . . _ ..22
. . . . . . . . . _ _ . . . _ _ . . . . . _.25
. . _ . . _ . . . . _ _ _ . . . . _ . . . ..28
. . . . . . . . . . . . . . . . . _ . . ._28
_ _ . . _ _ _ . . . . . . . _ _ . . _ . ._28
III_2.2
III_2_3
III_3
III.3.l
IIl.3_2
III.4
IlI_4_l
III.4_2
III.4_3
HI.4.4
III.4.s
Códigos
ii
CDMA con saltos en frecuencia (FH-CDMA) _ . . . _ . . . _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ 29
CDMA con saltos en tiempo (TH-CDMA) . _ . _ . . . . _ . . . . . . . . . _ . _ . _ _ 30
_ . . _ . . _ . . _ _ . _ . . . . . . . _ _ _ _ _ . _ . . . . _ . _ _ . . . . . . . . _ _ . _ . . . . . . . _ . _ _ . . . _ . _ _ 31
Códigos seudoaleatorios _ . . _ . . . _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ . _ . . _ . _ _ . _ . _ _ _ . . . _ . __ 32
Códigos ortogonales . . . . _ _ _ . . _ _ . . _ _ . _ _ . . . _ _ . . . . _ . _ _ . _ . _ . . _ . . . _ . __ 34
Técnicas para mejorar el desempeño de DS-CDMA _ . . . . . . _ _ . _ _ _ . . . . . . _ _ _ _ _ 36
Control de potencia _ _ . _ . . . _ . _ . _ _ _ _ _ . . . . . . . . . . . . . . . . _ _ _ . _ . . _ . _ . . _ _ 36
[lI.4.l.l Control de potencia de lazo abierto y de lazo cerrado en elenlace de subida _ _ _ . . . _ . . . . . . _ _ _ _ . . . _ _ . . . _ . _ _ . . . . . _ . . _ _ 38
llÍI.4. l .2 Control de potencia en el enlace de bajada _ _ . . _ . _ . _ . . . _ _ 40
Sectorización _ _ . . . . . . . _ _ _ . . . . . _ . _ . . _ . _ . . . _ . _ _ . . _ _ _ . . _ . . _ _ . . . . . . _ _ 40
IlÍ[.4.2.l Directividad de la antena y ganancia . . . _ _ _ . . . _ . . _ . _ _ . _ _ _ 42
Ill_4.2_2 Ancho de haz de la antena. ._ _ .V_ . . . . _ . . _ . . _ _ _ _ . . . _ . . . _ _ _ 42
III_4_2.3 Razón frente-atrás (front-to-back) dela antena . . . . . _ . _ _ _ 43
Interferencia inter-celda . . . _ . _ . . . . . . . . . _ _ _ . . _ _ . . . _ _ _ . . _ . _ . . _ . . . _ _ 43
Monitoreo de actividad de voz . _ _ _ _ . . _ . . _ _ _ _ _ . _ _ . . _ _ . _ . _ . . . _ . . . _ _ 45
Procesamiento de la llamada . . . _ . . _ _ . _ _ . . . . _ . . _ _ _ . _ _ _ . . . _ . . . . _ . _ _ 45
III.4_5.l 'Transferencia más suave de llamada (sofier handofi) _ _ _ _ _ 48
MODELO MATEMÁTICO PARA EL SISTEMA PROPUESTO50IDS-CDMA
IV. l Introducción . _ . . _ _ _ . . _ . . . _ . . . . . . . _ _ . _ _ . _ _ . . _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . . . _ _ _ . . . _ _ . _ . . _ . _. 50
IV2 Patrón de la antena direccional _ . . . _ . . . . . . _ . . _ . . . . . . . _ . _ _ _ _ . _ . . _ . _ . _ _ . . . . _ _ 51
IV3 Capacidad de la celda DS-CDMA . _ _ . _ . . _ . _ _ . . _ . . _ . . _ . _ _ _ _ . . . _ . . _ _ . . . . _ _ _ 54
IMPLEMENTACIÓN DE Los MonELos DE SIMULACIÓN 59Vl Introducción _ . . . . . . . . . _ . _ . _ . _ _ . . _ . . _ _ _ . . _ _ _ _ _ . . _ _ . . _ _ _ _ _ . _ . . _ . _ _ _ . _ _ . . . _. 59
V2 Modelo de red . . _ . _ _ . _ _ _ _ . . . _ _ . _ _ _ . _ . . . _ _ _ _ _ _ . . . _ _ . . _ . . . _ _ . . . _ . _ _ . . _ _ _ . __ 60
V3
V3.l
Modelo de nodo _ . . . _ . . _ _ _ _ . . . _ _ _ . . . _ . . . _ _ _ _ _ _ . . . . . . . . . . _ . . _ _ _ . . _ . . _ . _ . _ _ 63
Modelo de nodo para la estación móvil . _ _ _ . . _ . . _ . . . _ _ . . . . _ . . _ . . _ _ 64
\Z3_2
\¿3_3
\/Í3_4
\(3_5
V3_6
V3.7
V3.8
V3_9
V3_l0
VÍ3_ll
V3.l2
v3.13
iii
Modelo de nodo para la estación base _ _ . . _ . _ _ . . _ . _ _ _ _ _ . . _ . . . . . _ _ _ 65
Modelos de proceso _ . . _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ . _ . _ . _ _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ 67
Modelo de proceso: genera tráfico en la estación móvil __ _ _ _ . . . _ _ _ _ 68
Modelo de proceso: asigna código en la estación móvil _ . _ _ _ . _ _ _ . _ _ 69
Modelo de proceso: detecta voz en la estación móvil _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ 70
Modelo de proceso: acceso al canal en la estación móvil . . _ _ _ _ . _ . _ _ 71
Modelo de proceso: apuntador de antena en la estación base _ _ _ . _ _ _ 73
Modelo de proceso: correlación de códigos en la estación base. _ _ _ _ 74
Modelo de proceso: asigna un sector en la estación base _ _ _ . _ . . _ _ _ _ 75
Modelo de proceso: filtra paquete en la estación base _ _ . . _ . _ _ _ . . _ _ 78
Modelo de proceso: recibe paquete en la estación base . _ _ . _ _ _ _ _ _ _. 79
Modelo de proceso: genera estadísticas en la estación base _ _ . _ . _ _ _ 80
V4 Modelo de parámetros _ _ _ _ _ . . _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . . _ . _ . _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ . . _ _ _ _ __ 81
V4_l
\l4_2
SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE Resumnos
Modelo del patrón de las antenas direccionales . _ . . _ _ _ _ . _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ 83
Modelo de la tabla de modulación _ . _ . _ . _ _ _ _ . _ . . . _ _ _ _ _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ S6
'svVI.l Introducción . _ _ _ . _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . . _ . _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ '87
VI_2 Análisis de desempeño del enlace de subida de un sistema sectorizado yde un sistema sin sectorización _ _ . _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ . _ . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ 88
VI_3 Análisis de desempeño del sistema sectorizado . . . _ . _ . _ _ . _ _ _ . _ . . _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ 92
VI.3_l
Vl.3.2
VI_3.3
VI_3_4
Directividad del haz de radiación de las antenas direccionales de laestación base _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ . _ . . . _ . _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ . . . _ . _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _. 92
Tasa de bit erróneo (BER) del sistema sectorizado _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ 97
VI.3_2_l Desempeño del sector uno _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ . . . _ _ _ . . _ . . _ . _ _ _ _ __ 98
VI_3.2.2 Desempeño del sector dos _ _ _ . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . _ _ . _ _ _ _ . . _ . ._ 100
Vl_3_2_3 Desempeño del sector tres . _ _ _ . . _ . . _ . . . _ . _ . _ _ _ _ _ . _ _ . _ __ 103
Relación portadora a interferencia (C/1) del sistema sectorizado _ _ _ 107
Control de potencia para compensar la interferencia en el sistemasectorizado _ _ _ _ . _ . . . _ _ _ _ _ . . _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . . _ . . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ 110
iv
VI_3.5 Tasa de bit erróneo (BER) con control de potencia del sistemasectorizado . . . _ _ _ _ . . . . _ . _ _ _ . . . . . _ _ _ _ . . . _ . . . _ _ _ _ _ . _ _ . _ . . . _ _ . _ _ . _ _ 113
VI.4 Análisis de desempeño del sistema sin sectorización _ . _ _ . . . _ . _ _ . . _ _ _ _ _ _ . _ _ 118
^ VI.4_l Comparación de la tasa de bit erróneo (BER) del sistema sectorizado ydel sistema sin sectorización . _ _ _ _ . _ _ _ . _ _ _ _ . . . _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . . _ _ 118
VI_4_2 Comparación de la relación portadora a interferencia (C/I) del sistemasectorizado y del sistema sin sectorización _ _ . _ _ _ . _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ 121
VI_5 Capacidad del sistema DS-CDMA _ _ _ _ _ . _ . . . . _ _ . . . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . _ . _ _ _ _ . . ._ 123
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 127
VII_l Conclusiones _ . _ _ _ _ . . . . _ _ _ _ . . _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ . _ . . _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ . . _ _ . . ._ 127
VlI_2 Recomendaciones _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ . _ . _ _ . . _ _ _ . _ _ . . . . . _ _ _ _ . _ . . _ _ . _ _ __ 129
LITERATURA CITADA 131
LISTA DE FIGURAS
Figura página
I. Localización de UMTS _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ . . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _
2. Ambientes de operación de UMTS _ _ _ _ . _ _ _ _ . . _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ . . _ _ _ . . . . . _ _
14
15
3. Esquema de transmisión y recepción de espectro esparcìdo _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ . . _ _ _ 23
4. CDMA en secuencia directa (DS-CDMA). _ _ _ _ . _ . _ . _ . _ _ _ . _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . _ _ _ _ _ _ 25
5. Diagrama a bloques del transmisor DS-CDMA _ . . _ _ _ . . _ _ . . _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 25
6. Generación de una señal de espectro esparcìdo. _ _ . _ . _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ 26
7. Diagrama a bloques del receptor DS-CDMA. _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ . _ _ . _ _ . _ . _ _ 27
8 Ocupación de frecuencia/ tiempo de las señales FH-CDMA _ _ _ . _ _ _ _ . _ . _ _ . . . _ _ _ _ _ 30
9. TH~CDMA_ _ _ _ _ _ . _ _ _ . _ . _ _ _ . . _ . _ _ _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ 31
10. Registro de conimiento con retroalimentaciónlineal con cuatro etapas_ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ 33
11. Efecto cercanía-lejanía. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ . _ _ . _ . _ _ _ _ . _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _. 37
12. Control de potencia en el enlace de subida. Mostrando que cada móvil controla _su propia potencia _ _ . _ _ _ _ . _ _ . _ . _ _ . _ . _ _ . . _ _ . . . _ _ . . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . . _ _ _ . _ _ _ _ 39
13. Sectorización_ Configuración de tres sectores _ _ _ _ _ _ _ . . _ . _ _ _ _ _ . . . _ . . _ . _ _ _ . _ _ _ _ . _ ._ 41
14. Ancho de haz de la antena. . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . . _ . _ . _ _ . _ _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 42
15. Relación frente-atrás de la antena. _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 43
16. Interferencia en el sistema DS-CDMA _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . . . _ _ 44
l7 _ Mecanismo de transferencia dura de llamada. _ _ . _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . _ _ . _ _ 46
18. Mecanismo de transferencia suave de llamada en CDMA. _ _ . _ . . _ . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ 48
19. -Patrón de antena direccional. _ _ _ . _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ . _ _ . . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ 52
20. Geometría usada para el sistema bajo estudio _ _ _ _ _ . _ _ _ . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ 55
21. Modelo de red para el sistema multicelular DS-CDMA _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . _ . . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ 62
22. Modelo de nodo para la estación móvil_ _ _ _ _ . _ _ _ . . _ . _ . _ _ . _ _ . . _ . _ _ _ _ . . . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ 65
23. Modelo de nodo para la estación base. _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 66
24. Modelo de proceso para generar tráfico en la estación móvil_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ 68
25. Modelo de proceso asigna código en la estación móvil. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ . . _ _ . _ _ _ 69
vi
LISTA DE FIGURAS (Continuación)
Figura 8 Página
26. Modelo de proceso detecta voz en la estación móvil ___________________________________________________ _. 71
27. Modelo de proceso de acceso al canal en la estación móvil. _ _ __________________________________ __ 72
28. Modelo de proceso aptmtador de antena en la estación base. _ ___________________________________ __ 74
29. Modelo de proceso correlación de códigos en la estación base. _________________________________ __ 75
30. Modelo de proceso asigna sector en la estación base. ________________________________________________ ._ 76
31. Modelo de proceso filtra paquete de la estación base__________________________________________________ __ 78
32. Modelo de proceso recibe paquete de la estación base________________________________________________ __ 79
33. Modelo de proceso genera estadisticas en la estación base_________________________________________ __ 80
34. Patrón de una de las antenas direccionales con valores de ganancia para el plano
¢=0° _____________________________________________________ _; ____________________________________________________________________________ ._ 84
35. Patrón de una de las antenas direccionaies con valores de ganancia para dos
planos_________________________________________________________________________________________________________________________________ __ 85
36. Tabla de modulación QPSK______________________________________________________________________________________ __ 86
37. Patrones de antena utilizados en la simulación. __________________________________________________________ __ 89
38. Niveles de SNR en los tres sectores de la celda. _________________________________________________________ __ 96
39. BER de los servicios de voz y datos en el sector uno variando la densidad de
usuarios _______________________________________ _____________________________________________________________________________________ __ 99
40. BER de los servicios de voz y datos en el sector uno. ______________________________________________ __ 100
41. Tasa de bit erróneo para los diferentes servicios en el sector dos variando la
densidad de usuarios________________________________________________________________________________________________________ __ 102
42. Tasa de bit erróneo de los servicios de voz, datos y video en el sector dos _______________ __ 103
43. Tasa de bit erróneo para los diferentes servicios en el sector tres variando la
densidad de usuarios________________________________________________________________________________________________________ _. 10544. Tasa de bit erróneo para los servicios de voz, datos y video en el sector tres__.__ _ _ _ _ 106
VII
LISTA DE FIGURAS (Continuación)
Figura Página
45. Relación portadora a interferencia de los servicios de voz, datos y video en los
tres sectores de la celda____________________________________________________________________________________________________ __ 109
46. SNR detectada en cada uno de los tres sectores de la celda cuando se aplica
control de potencia____________________________________________________________________________________________________________ __l 12
47. Tasa de bit erróneo en los tres sectores aplicando control de potencia _____________________ __ 115
48. Tasa de bit erróneo para un sector aplicando control de potencia. ___________________________ __ 116
49. BER para el servicio de datos en el sistema sectorizado y el sistema sin
sectorización_____________________________________________________________________________________________________________________ _. 1 19
50. BER para el servicio de voz en el sistema sectorizado y el sistema sin
sector-ización.._'_ _________________________________________________________________________________________________________________ __ 120
51. BER para el servicio de video en el sistema sectorizado y el sistema sin
sectorización_____________________________________________________________________________________________________________________ ._ 121
52. Relación (C/D para el servicio de datos en los dos sistemas simulados ____________________ ._ 123
' viii
LISTA DE TABLAS
Tabla página
I.
II.
III.
IV
V
VI.
VII.
VIII
IX.
Servicios de UMTS y sus características. _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . _ _ . . _ _ _ _ _ . _ _ 14
Tasa de transmisión maxima soportada para los diferentes ambientes de UMTS. _ _ _ 16
Tipos de celdas utilizadas en UMTS _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ . _ _ _ _ _ _ . . _ _ . _ _ _ _ _ . . . _ . . _ _ _ _ _ _ _ 17
Tasas de chip propuestas en el sistema CODIT_ . _ _ . _ . _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ . . . _ _ _ _ _ 18
Parámetros de los servicios ofrecidos _ . _ . _ _ . . . . _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ 87
Grado de servicio a cumplir _ _ _ . . . . _ _ . . . _ _ _ _ . . _ . _ _ . _ _ _ _ . . . _ _ _ . _ _ _ _ . . _ . . _ . _ _ _ . . _ _ 88
Parámetros de las corridas de simulación _ _ . _ . . _ _ . . _ _ _ _ _ . _ . _ _ _ _ _ _ _ _' _ _ _ . . . _ _ _ _ _ . _ _ 88
Predicción de la capacidad de la celda para una celda aislada con G¡,=25 dB,dependiendo del E1, /No mínimo. _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 124
Predicción de la capacidad de la celda en un ambiente multi-celular con Gp=25dB, dependiendo del Eb/No mínimo to1erable_ _ _ . _ _ . _ _ . _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ . . _ _ _ _ . _ _ _ _ _ 126
ESTUDIO DE TECNICAS PARA EEICIENTIZAR LATRANSMISION DE SERVICIOS MULTIMEDIOS EN
sIsTEMAs DE COMUNICACIONES MOVILES DE LATERCERA GENERACIÓN
1 INTRODUCCION
En los últimos años, el gran crecimiento de los sistemas de comtmicaciones móviles
ha ocasionado la saturación del espectro de frecuencias. Por esta razón, se han propuesto
diferentes aproximaciones para maximizar el transporte de la infonnación minimizando
los requerimientos de espectro de los servicios de comunicaciones personales inalámbricos
futuros. El objetivo entonces, es encontrar una forma de optimizar la utilización del espectro
disponible.
Una manera de incrementar la capacidad sin ocupar parte del espectro adicional, es
reducir el tamaño de las celdas [Lee, 1991]. Esto ha dado lugar a que los tamaños de las
celdas en sistemas de comunicaciones celulares emergentes sean mucho más pequeños que
los tamaños empleados por los sistemas móviles diseñados anteriormente. Más aún, para
maximizar la capacidad de los sistemas celulares, se propone el empleo del esquema de acceso
múltiple CDMA (Code Division Multiple Access), DS-CDMAl(Direct Sequence CDMA),
ya que en este sistema la banda de frecuencias es compartida por todos los usuarios y es
reutilizada en cada celda. Se utilizan códigos para ensancha: la señal sobre todo el ancho de
banda lo que provee la ganancia de esparcimiento a cada usuario en el sistema. El arreglo
de la celda en un sistema DS-CDMA no está sujeto a alguna estructura dependiente de la
2
reutilización de frecuencias, sino que su diseño está limitado por la interferencia acumulada
de los otros usuarios transmitiendo, en la misma celda y en las celdas vecinas, de manera que
la interferencia afecta el diseño de la celda, y la capacidad es más pequeña si esta interferencia
se extiende más allá de una fila de celdas vecinas.
Si la interferencia se puede controlar en el sistema DS-CDMA, puede lograrse una
mayor capacidad de la celda. En consecuencia, se estudian técnicas que permitan disminuir el
nivel de interferencia del sistema. Las técnicas utilizadas en DS-CDMA son: la sectorización,
utilizando antenas direccionales en cada sector en que se divide la celda; el monitoreo de
actividad de voz, para detectar los tiempos de silencio del usuario; y el control de la potencia,
que controla la potencia de transmisión de los usuarios en la celda. Estas tres aproximaciones
tienen como objetivo minimizar la interferencia en el sistema, lo que da lugar a un incremento
en la capacidad de»usuarios_
Los sistemas de comunicaciones móviles son el sector más creciente en la industria de
las telecomunicaciones a raiz de la implementación de los sistemas de segunda generación
que tuvieron una rápida aparición en todo el mundo. Las limitaciones tanto de técnicas
como de espectro de los sistemas de segunda generación, han propiciado el desarrollo
de los conceptos de un sistema móvil de tercera generación. Planeados para iniciar su
operación en el siguiente milenio, los sistemas de tercera generación están actualmente
sujetos a investigación y el desarrollo de su estandarización, la cual es realizada por la ITU
(Intemational Telecornmunicatiorrs Union) y otros organismos. De esta forma, aparecen el
3
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) o el referido por la terminología ITU,
IMT-2000 (International Mobile Telecommunications at year 2000).
UMTS inte ará, en una estructura única, todos los servicios de los sistemas de rimera81' P
y segunda generación que actualmente son ofrecidos por varios sistemas. Al mismo tiempo,
permitirá en “cualquier lugar” y en “cualquier tiempo” un amplio intervalo de servicios
con tasas de transmisión mayores que las ofrecidas por los sistemas de primera y segunda
generación así como calidad de servicio, sean alcanzables por los usuarios. En particular,
UMTS soportará servicios de datos de hasta 2 Mbps [Barberis y Berruto, 1997].
El principal reto entonces, es definir la interfaz de radio más adecuada para transportar
la información. Esta interfaz de radio para los sistemas móviles de tercera generación, no sólo
debe reemplazar todos los sistemas móviles actualmente en operación, sino que también debe
ser extremadamente versátil y adaptable para satisfacer las demandas de tráfico y servicio
presentes y futuras. En consecuencia, el sistema debe estar basado en unainterfaz de radio
que satisfaga un amplio intervalo de requerimientos [Barberis y Berruto, 1997].
La selección de un esquema de acceso múltiple jugará un papel preponderante para
lograr una gran capacidad y alto desempeño. Existen dos aproximaciones: TDMA (Time
Division Multiple Access) y CDMA, las cuales se propusieron como las interfaces de
radio de UMTS. Después de emplear criterios cualitativos y cuantitativos, cada uno de
los esquemas mostró ciertas ventajas, sin embargo, CDMA aparenta ser el esquema de
acceso más adecuado para satisfacer los requerimientos de los sistemas de tercera generación
debido a sus características que le permiten una alta adaptación para dichos requerimientos.
4
Particularmente, en el proyecto CODIT (COde Division Testbed) [Barberis y Berruto, 1997],
se realizó el análisis para que UMTS adapte la interfaz de radio CDMA.
Este trabajo de tesis se enfoca al estudio del esquema de acceso CDMA como la
interfaz de radio para los sistemas de tercera generación, considerando las técnicas para
incrementa la capacidad, como son la sectorización, el monitoreo de actividad de voz, y
el control de potencia, para posteriomrente mediante simulación, determinar el desempeño
del sistema que pemrita alcanzar una máxima capacidad.
I.1 Objetivos
Realizar investigación sobre técnicas y modelos de red que permitan eficientizar la
transmisión de servicios multimedios en sistemas de comunicaciones móviles de la tercera
generación y utilizando el simuìador de redes OPNET proponer un modelo que ofrezca las
mejores características de desempeño. “
I.2 Alcances de la tesis
Simular el esquema de acceso DS-CDMA como interfaz de radio de UMTS, haciendo
uso de las técnicas que permiten efìcientizar la trasmisión de servicios multimedios,como son
la sectorización, el monitoreo de actividad de voz y el control de potencia. En lo que respecta
a la sectorización, se requiere simular y analizar primero el comportamiento de las antenas
direccionales que se utilizarán en el sistema DS-CDMA propuesto.
5
Analizar ei desempeño del sistema DS-CDMA en términos del número de usuarios
considerando ias técnicas antes mencionadas, al tiempo que se pone interes en que dicho
sistema satisfaga la calidad de servicio requerida
Analizar el efecto de la transferencia más suave de llamada (softerhandofi) en el
sistema DS«CDMA.
Comparar el desempeño de un sistema DS-CDMA sectorizado y de un sistema DS-
CDMA sin sectorización.
1.3 Organización del trabajo
En ei capítulo II se describen los sistemas de tercera generación, su objetivo,
caracteristicas principales y ambiente de operación. E1 capítulo III explica el esquema de
acceso múltiple por división de código (CDMA) debido a que es una técnica que se adapta _a los
requerimientos de los sistemas de tercera generación. Además se describen las técnicas que
permiten eficientizar la transmisión de servicios multimedios. En el capítulo IV se formula
un modelo matemático que permite medir el desempeño del sistema DS~CDMA_ El capítulo
V describe los modelos de red, de nodo y de proceso desarrollados para la simulación, su
implementación y parámetros. En el capítulo VI se establecen las condiciones en que se
llevaron al cabo las simulaciones en OPNET_ Los resultados se analizan en el capítulo VII,
mientras que las conclusiones y recomendaciones, consecuencia de este trabajo de tesis se
dan a conocer en el capítulo VIII.
II COMUNICACIONES MóvILEsINALÁMBRICAS
II.1 Introducción
Actualmente la tecnologia GSM (Global System for Mobile Communications) está
siendo aplicada en los sistemas de telefonia inalámbrica en Europa. Sin embargo, GSM
emplea el esquema de. acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), en el cual una alta tasa
de transmisión provoca problemas de multitrayectorias que causan interferencia intersímbolo_
Varias técnicas están bajo consideración para ia siguiente generación de sistemas
digitales, las cuales permiten mejorar la capacidad de la celda, presentan inmunidad a las
multitrayectorias y además proporcionan flexibilidad. Una de ellas es CDMA, que puede
tener diversas aplicaciones; asimismo, por sus propiedades, esdeseabie para los sistemas de
comunicaciones móviles de la tercera generación (3G)_
II.2 Evolución de los sistemas de telecomunicaciones
La era celular móvil comenzó en la década de los 80”s_ Las comunicaciones móviles
han tenido cambios significativos y han experimentado un enorme crecimiento desde aquel
entonces.
La primera generación de sistemas móviles se caracterizan por el empleo de técnicas de
acceso múltiple simples como FDMA (Frequency Division Multiple Access) y transmisión
analógica. Además de que solo permitían la transmisión de voz. Se desarrollaron varios
7
estándares: AMPS (Advanced Mobile Phone Service) en los Estados Unidos; 'DXCS (Total
Access Communication System) en el Reino Unido, NTT (Nippon Telephone and Telegraph)
en Japón, y otros más.
Estos sistemas tienen baja capacidad de usuarios y problemas de seguridad debido a
la interfaz de radio simple utilizada.
La segunda generación de sistemas que utiliza transmisión digital, se introdujo a
finales de la década de los 80”s. Estos sistemas ofrecen alta eficiencia espectral, mejores
servicios de datos y una cobertura más amplia que los sistemas de primera generación. GSM,
PDC (Personal Digital Cellular), IS-136 (Digital-Al\/IPS) y IS-95 (CDMA en Estados Unidos)
pertenecen ala segunda generación. Los servicios que ofieccn estos sistemas son transmisión
de voz y datos de baja velocidad. i
Los sistemas de segtmda generación están evolucionando hacia los sistemas de tercera
generación para ofrecer servicios más avanzados con velocidades de transmisión más altas,
mayor flexibilidad y servicios múltiples para el usuario con distintos requerimientos de
calidad [Ojanpera y Prasad, 1998].
En la tercera generación de los sistemas de comunicaciones móviles, las
comunicaciones serán personales, móviles y universales. Se espera que la capacidad del
sistema incremente alrededor de 10 veces la capacidad de los sistemas de primera generación.
Esto podrá realizarse empleando técnicas de acceso múltiple complejas, como CDMA o una
extensión de TDMA.
8
II.3 Sistemas de Comunicaciones Móviles de la TerceraIIGeneracion
La expansión del empleo de redes digitales ha llevado a la necesidad de diseñar redes
de comunicaciones de más alta capacidad. La demanda de sistemas celulares en Europa se
predice de alrededor de 15 a 20 millones de usuarios para el año 2000 [Swales y Beach,
1994], siendo en los Estados Unidos ya de 30 millones [Rappaport, l996]. Los servicios
inalámbricos han estado creciendo a una tasa mayor al 50% por año [Rappaport, 1996], y con
el sistema GSM actual se espera que pueda atenderse la capacidad predecida para inicios del
año 2000.
Por otro lado, ia industria de las telecomunicaciones está cambiando, demandando un
intervalo más amplio de servicios, como video conferencia, servicios de Internet, redes de
datos y servicios multimedios. Esta demanda para redes de más alta capacidad ha dado lugar
al desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles de la tercera generación (3 G).
Uno de los sistemas propuestos para la tercera generación es el UMTS, cuyo objetivo es
proveer mayor flexibilidad, más alta capacidad y servicios mejor integrados. Otros sistemas
están desarrollándose alrededor del mundo, sin embargo se espera que todos se combinen en
UMTS.
El WWW (World 'Wide Web) ha venido a ser un importante medio de comunicación,
tanto que su utilización ha incrementado dramáticamente en los últimos años. Esto ha
ocasionado una mayor demanda de los servicios de redes de computadoras, el acceso a Internet
y las comunicaciones de voz. Alrededor de un 60% de usuarios se conectan al Internet desde
9
localidades residenciales [Livingston, 1995], donde el ancho de banda es limitado, lo que evita
la posibilidad detener audio y video en tiempo real. Este crecimiento demanda la integración
de más servicios que requieren tasas de datos más altas y una interfaz universal para una gran
variedad de servicios. La conectividad requerida deber ser ofrecida en “cualquier lugar” y en
“cualquier tiempo”, dando lugar a un incremento en la demanda de sistemas inalámbricos.
Esta demanda ha dado lugar a la necesidad de desarrollar los sistemas de comunicaciones
móviles con mayor capacidad y fiabilidad.
El desarrollo y despliegue de los sistemas de tercera generación tiene el propósito de
resolver algunas fallas de los sistemas inalámbricos actuales para ofrecer alta capacidad y la
integración de servicios. Importantes investigaciones y desarrollos en el mundo convergen
a esta evolución. En los Estados Unidos surgen los PCS (Personal Commmunications
Systems), 1a*ITU viene proponiendo los sistemas IMT-2000 y similarmente en Europa se
está desarrollando el UMTS. Estos sistemas son semejantes en conceptos, caracteristicas y
objetivos [Raj, 1995] y preveen implementarse comercialmente a inicios del siglo XXI.
Con la finalidad de denotar el marco de referencia en que se desenvuelve este trabajo,
en el siguiente apartado se abunda en los sistemas de comunicaciones móviles de la tercera
generación.
II.3.1 PCS
Según la definición de la FCC (Federal Communications Commision), PCS es un
sistema por el cual cada usuario puede intercambiar información con alguien a cualquier
10
hora, en cualquier lugar, a través de algún tipo de dispositivo y utilizando un número único.
Según la TIA (Telecommunications Industry Association), los PCS están definidos como un
conjunto de capacidades que permite la combinación de servicios de movilidad de terminal y
movilidad personal. Los PCS pueden incluir varios servicios de acceso inalámbricos como:
telefonia celular, fijo (cordless), redes de datos, sistemas de radiobúsqueda (paging) etc.,
pero con énfasis en servicios que son aplicados dentro del nuevo espectro de frecuencia al
que fiieron destinados los PCS. Gran parte de las ventajas de los sistemas PCS radican en
que es posible su interconexión a redes heterogéneas como CATY ISDN, redes celulares
tradicionales, favoreciendo la movilidad de los usuarios. En los Estados Unidos, la FCC
destinó 3 MHz del espectro de radio cercano a los 900 MH1 para PCS de banda angosta
(narrowband PCS) y 120 MHZ próximo a los 2 GHZ para PCS de banda ancha (broadband
Pcs). ^ '
113.2 IMT-2000
IMT-2000 es un sistema global de tercera generación que pretende unificar los diversos
sistemas de hoy, posicionados dentro de un ambiente de radio y empleando una infraestructura
que es capaz de ofrecer una amplia gama de servicios con calidad comparable a la red de
telecomunicaciones fijas para el año 2000.
El potencial de IMT-2000 radica en la utilización de una misma banda de fiecuencias
para una interfaz de radio global, io que también ofrece un fuerte incentivo para trabajar
en dirección de una norma global ITU, si se van a simplificar los equipos móviles para la
operación en múltiples ambientes de radio. También ayuda sirve a la solución de necesidades
ll
básicas de telecomunicaciones en regiones menos desarrolladas del mundo optando por
soluciones de costo/beneficio favorables a sus economías [Callendar, 1994].
II.4 UMTS
La tercera generación de sistemas de 'comunicaciones móviles desarrollándose
actuahnente en Europa está destinada a integrar los diferentes 'servicios de la segimda
generación y cubrir una amplia gama de nuevos servicios de banda ancha (voz, datos, video,
multimedios) en una forma coherente y compatible con las tecnologias actuales de redes de
telecomunicaciones fijas [ Schward DaSilva y Fernandes, 1995].
Algunos atributos que caracterizan a los sistemas de comunicaciones móviles de la
tercera generación son servicios que requieren velocidades de transmisión más altas y una
mejor eficiencia espectral. En la ITU, los sistemas de tercera generación son llamados IMT-
2000, mientras que en Europa la ETSI (European Telecommunications Standard Institute), los
denomina UMTS. Desde 1985, la ITU ha estado desarrollando IMT-2000 yq la ETSI comenzó
la estandarización en 1990 cuando se estableció el sub-comité técnico SMG5 [Ojanpera y
Prasad, 1998].
Las actividades de investigación europeas para los sistemas de tercera generación se
dirigen hacia el desarrollo de los estándares, y pueden dividirse en 3 fases principales: estudios
básicos, desarrollo de conceptos del sistema y la comparación/consolidación. También la
Comisión Europea fundó los programas de investigación RACE (Research of Advanced
Communication Technologies in Europe) y ACTS (Advanced Communication Technologies
12
and Services). El programa RACE I, lanzado en 1988 y que finalizó en 1992, fue el que
inició las actividades de investigación. Los principales estudios de RACE I se concentraron
en tecnologías individuales como estudios de propagación, manejo de canales, codificación,
etc. Muchas de estas tecnologías se emplearon después como base para el desarrollo del
programa RACE ll
Entre 1992 y 1995, en el programa RACE II, se desarrollaron los proyectos CODIT y
ATDMA (Advanced TDMA) como propuestas para la interfaz de radio y se probaron como
accesos de radio para UMTS. Se realizaron pruebas de laboratorio para ambos sistemas y
después pruebas de campo para CODIT Un grupo de interés en RACE II, el SIG5 comparó
las interfaces de radio CODIT y ATDMA utilizando criterios cualitativos y cuantitativos
[Pizarroso y Jiménez, 1995]. Dependiendo del ambiente de radio seleccionado y escenario
de servicio, cada uno de los esquemas mostró ventajas, sinembargo, no se decidió a favor de
ninguno como el candidato principal para UMTS. ,
El programa ACTS fue lanzado a finales de 1995 para soportar investigación móvil
colaborativa. Dentro de ACTS, el proyecto FRAMES (Future Radio Wideband Multiple
Access System) investigó tecnologías de acceso múltiples híbridas con el fin de seleccionar
la mejor combinación para tener el mejor sistema de acceso de radio en UMTS.
Además de los programas RACE y ACTS, varios proyectos industriales han
desarrollado tecnologias para UMTS e IMT-2000. Desde 1992 a 1995, un concepto de CDMA
de banda amplia reportado en [Ojanpera y Rikkinen, et al. 1996; Westman y I-lolrna, 1997]
fué desarrollado por Nokia. Mas aún, una prueba de CDMA de banda amplia fiié desarrollada
13
de 1992 a 1995 con capacidades de transmisión hasta de 128 Kbps para aplicaciones de video
[Pajukoski y Savusalo, 1997].
lI.4.1 Actividades de estandarización europeas
La gran aceptación del sistema GSM impactará fuertemente la estandarización de los
sistemas de tercera generación en Europa, por lo que se intenta desarrollarlos como una
evolución del sistema GSM y ofrecer así una transición suave de los sistemas de segunda
hacia los sistemas de tercera generación.
Dentro de la ETSI, el Comité Técnico SMG lleva a cabo la estandarización para
UMTS, y dentro de SMG existen varios sub-comités para la estandarización técnica detallada
de UMTS. El sub-comité SMG2 responsable de la estandarización del sistema UMTS, inició
la definición de UMTS UTRA (Terrestrial Radio Access) en 1996 [Ojanpera y Prasad, 1998].
II.4.2 Objetivos de UMTS
Los principales objetivos de UMTS son proveer una alta capacidad de red unificada
en ambientes alánibricos e inalámbricos. UMTS permitirá que convergan los servicios
inalámbricos y fijos. Habrá tres tipos de conexiones principales: una tasa móvil de 144
Kbps, una tasa portátil de 384 Kbps y una tasa de interiores a 2 Mbps [Livingston, 1995].
UMTS necesitará, en base ala demanda, proveer asignación variable de ancho de banda. Así
también, combinará un amplio intervalo de aplicaciones.
14
Se han identificado muchos servicios para UMTS, que pueden ser categorizados en
base a los requerimientos de tasa de transmisión y calidad de servicio (fiabilidad y tasa de
bit erróneo). La figura l muestra la localización UMTS con respecto a otras tecnologías
inalámbricas existentes así como los ambientes en donde operará.
Møvilidad
Møviule li,
I D
0.1 1 10 100
Tasa de transmision [Mbps]
Figura l. Localización de UMTS.
Cada uno de los servicios tiene características diferentes en términos de tolerancia a
retardos y tasa de bit erróneo permitible. La tabla I muestra las características de algunos de
los servicios de UMTS [LaWrey, 1997].
Tabla I. Servicios de UMTS y sus caracteristicas.
ll Servicios Tasa de transmisión requeridatí MCalidad de servicio nïjuerida
M
% CUaj=r(±io Kbps) ip M >lto BERílífifmail
[I Voz Éaja (4-zo Kbps)U7 M
ajqBER(<i›r1o 3)El ;=lÉ L an aim comøpgea pgìiüè (>1o Kbps-1oo1<bps C no BER (<1›r1o_9)1%>1M
íldeoconferencia< ei >-1Ita (100 Kbps-l Mbps) M caro BER CK
M
MIP M Ita 7(lt)0~300 Kbps)> í ã
M
M
udio de alta calidad
Acceso a bases de datos ÉMedia (>30 Kbps) É
caro si-:R pMuy a1±«ÍšER
M
15
Las características de los datos detenninarán los métodos de transmisión. Los tipos de
datos asociados con cada servicio determinarán el tipo de ambiente en el que el servicio será
soportado.
II.4.3 Ambientes de UMTS
El objetivo de los sistemas UMTS es proveer servicio en “cualquier lugar” y en
“cualquier tiempo”, así el ambiente de operación variará dependiendo de la localización del
usuario. El ambiente en que opera el sistema inalámbrico, afecta su capacidad asi como los
eden ofrecerse. La figura 2 muestra los ambientes de operación detipos de servicios que pu
mmUMTS.
UMTS I IMT2000
Figura 2. Ambientes de operación de UMTS
16
La tabla ll muestra algunos de los ambientes en los cuales UMTS ofrecerá cobertura
[Lawrey, 1997].
Tabla Il. Tasa de transmisión maxima soportada para los diferentes ambientes de UMTS.
Ambiente ; Tasa de transmisión *máxima (Kbps) W,
Negocios (interior) WW KCLiuSub-urbano_ (interior-exterior)
l Vehicular urbano (exterior) 144
Pedestre urbano (exterior) W 'W144, rijoairrerior) pg 1441334 1
Local (exterior) 2000
La tasa de transmisión soportada para cada ambiente determinará el tamaño de celda
requerido para prover una adecuada cobertura en determinado ambiente.
II.4.4 Tipos de celdas
Se requiere una red celular para asegurar que UMTS ofrezca una red de alta capacidad
y cobertura total. En un sistema celular, la capacidad total de la red depende del tamaño de la
celda empleada. Si las celdas son más pequeñas, hay una mayor capacidad total. Sin embargo,
el tamaño de la celda está limitada por la cantidad de infraestructtna que debe establecerse.
El tamaño de la celda también determina la máxima capacidad de canal para cada celda y los
efectos de propagación de la señal tales como multitrayectorias y desvanecimientos, obligan
a que las celdas más grandes manejen tasas de transmisión más pequeñas. Para optimizar la
red celular se utilizan tres tipos de celdas: pico-celdas, micro-celdas y macro-celdas. Los tres
tipos de celdas establecen un compromiso de tamaño de celda, capacidad total y servicios
17
ofrecidos. La tabla III muestra los tres tipos de celdas propuestas en UMTS y algunas de sus
características [Lawrey, 1997].
' Tabla III. Tipos de celdas utilizadas en UMTS.
Picocelda _ Microcelda i Macrocelda
Radio de la celda < 10 mts. i < 1000 mts. V < 20 Kms. Ñ
i Antena Montaje en azoteaopared * Montaje a una altura por Montaje a una altura por `debajo de azotea arriba de azotea
i Ambiente/aplicaciones Interior/exterior. Negocios? (interior), fijo Í Areas de baja densidad, t- En edificios y centros de 1 (exterior). Areas de ciudad áreas urbanas y suburbanas
l
ciudad i muy densas y fijo (exterior)
Servicios/tasa de bit Todos los servicios (hasta 2 Limitado (hasta 384 Kbps.) 1 Limitado (hasta 144 Kbps.) 1' Mbps.)
El tamaño y tipo de cobertura de cada tipo de celda determina los probiemas de
propagación que pueden encontrarse, lo que entonces, determinará la técnica de transmisión
más deseable a utilizar.
II.4.5 Interfaz de radio
Uno de los objetivos identificados para UMTS es ofrecer una interfaz inalámbrica
comparable a la ofrecida por las conexiones alámbricas. Los requerimientos para ofi'ecer
servicios con tasas de transmisión de 2 Mbps con asignación de ancho de banda flexible en
base a la demanda, así como una determinada tasa de transmisión solicitada para im amplio
intervalo de ambientes, generan una revolución en las técnicas de acceso de radio que se
emplearán para UMTS.
18
La interfaz de radio está actualmente bajo una investigación sustancial, estudiandose
el desempeño de CDMA y TDMA [Swain, 1995]. Actualmente, CDMA aparece como el
candidato más apropiado para soportar las tasas altas de transmisión requeridas.
II.4.5.l Sistema CODIT
Dentro del programa RACE, el proyecto CODIT Lleva al cabo el estudio detallado
del concepto de la interfaz de radio del sistema DS-CDMA, intentando satisfacer todos
los requerimientos de un sistema de comunicación móvil avanzado. En CODIT, se han
establecido tres tasas de chip, que se muestran en la tabla IV [Barberis y Berruto, 1997], para
las cuales se requiere una interfaz de radio con múltiples múltiples tasas capaz de soportar el
intervalo amplio de servicios UMTS [Barberis y Berruto, 1997].
Tabla IV Tasas de chip propuestas en el sistema CODIT.,im
* Tasas de chip D1 O23 Mclups/5 ll5 Mchlps/s
.1.
mmm-20 46 Mchlps/s
Estas tasas corresponden a anchos de banda de 1 MHZ (canal angosto), 5 MHZ (canal
medio) y 20 Mi-Iz (canal amplio). Durante la fase de establecimiento de la llamada, tan pronto
como se conozca el servicio requerido, un manejador fuente ejecutará una “transformación”
de la tasa de bit de información a la tasa de “chip” más apropiada para satisfacer los
requerimientos de calidad de servicio.
19
En CODIT, los canales físicos son organizados en períodos de tiempo de 10 ms,
llamados tramas CDMA. Cada 10 ms, dependiendo de las necesidades, se transmiten
diferentes tamaños de bits de infonnación en una t:rama llamada PDCH (Physical Data
Channel). El PDCH es el canal físico obtenido por el ensanchamiento del canal DICH
(Dedicated Information Channel), que es el canal lógico resultante de multicanalizar en
tiempo el canal de tráfico TCH (Traffic Channel) que lleva el tráfico de usuario y el
canal de control dedicado DCCH (Dedicated Control Channel) que maneja el tráfico de
señalización. En paralelo al canal PDCH, un canal PCCH (Physical Control Channel) se
transmite continuamente para prover al usuario final de la información fimdamental de la tasa
de bit actuaì [Barberis y'Bern1to, 1997].
Control de potencia
Para garantizar que cada estación base reciba ias señales del usuario en el nivel
deseado, se adopta el control de potencia de lazo cerrado y lazo abierto. En la estación base,
la potencia recibida de cada PCCH en el enlace de subida se compara con el umbral deseado
y entonces se envían a la estación móvil los mandos de corrección apropiados por el canal
PCCH. En CODIT, la información del control de potencia se transmite sobre el canal PCCH
cada 0.5 ms.
Serial de ensanchamiento
El ensanchamiento de las señales en los sistemas CDMA puede ejecutarse adoptando
dos aproximaciones: el ensanchamiento sincrono (basado en códigos cortos) y el
ensanchamiento asincrono (basado en secuencias largas).
20
El empleo de códigos cortos permite el diseño de un conjunto de códigos ortogonales y
ei control de la interferencia mutua; la desventaja, consiste en la necesidad de un buen manejo
de los códigos debido a que el número de éstos es corto.
La utilización de secuencias largas tiene la ventaja de que el número es virtualmente
infinito, haciendo innecesario cualquier manejo de funcionalidad de códigos, además de que
no requieren ninguna forma de sincronización y presentan una buena flexibilidad con respecto
a las tasas de transmisión variables para los servicios.
En CODIT, se han adoptado las secuencias cortas y largas en los canales de acceso
aleatorio, de sincronización y piloto, mientras que los códigos largos se emplean para los
canales restantes PDCH, PCCH, Paging, etc. Los códigos largos se obtienen proporcionando
diferentes desplazamientos de fase a una secuencia PN con período 241-I.
Una de las características importantes de ios sistemas DS-CDMA es la seguridad.
El proceso de ensanchamiento ejecutado por medio de ia secuencia seudoaleatoria que
no es conocida por usuarios no autorizados, provee automáticamente un cierto nivel de
confidencialidad [Barberis y Benuto, 1997].
Cobertura de la celda, transferencia de llamada
Debido a que en DS-CDMA los usuarios transmiten al mismo tiempo asignándoseles
un código único, ios sistemas celulares 'DS-CDMA no requieren pianeación de fiecuencia,
siendo un punto muy fuerte de DS-CDMA, pues los sistemas futuros como UMTS en este
momento aún no estiman exactamente las demandas del usuario. Si la carga de tráfico crece
21
más de lo esperado, se podrán agregar estaciones base sin ejecutar la planeación de frecuencias
como en otros sistemas [Barberis y Berruto, 1997].
Otro aspecto importante, es la fácil implementación de la transferencia de llamadas.
Durante el movimiento entre celdas, la comunicación se mancjará de una estación base a
otra sin más cambio que el de un código seudoaleatorio, lo que se denomina transferencia
suave de llamada (sofihandoft). Al mismo tiempo, la reutilización de frecuencias permite la
recepción simultánea de la señal de la estación móvil por más de ima estación base (recepción
con macrodiversidad). La macrodiversidad es la situación cuando una estación móvil se
conecta a más de una estación base al mismo tiempo. Esta técnica permite reducir los efectos
de desvanecimientos y ensombrecimientos debido a la automática transferencia de llamada
de CDMA. La estación móvil monitorea continuamente el nivel de ,potencia recibido de
los canales pilotos de las estaciones base vecinas de manera que cuando el nivei detectado
está arriba de un mnbral predefinido, la estación base correspondiente entra al “conjunto
activo” (el conjunto de las estaciones base que se comunican con el mismo móvil en el modo
macrodiversidad), del mismo modo, las estaciones base “malas” se remueven dei “conjunto
activo”.
Si el movimiento es entre sectores de la celda, no se requiere un cambio de frecuencia,
ni de código seudoaleatorio, y se conoce como la transferencia más suave de llamada (sofier
handofl).
III ESQUEMA DE ACCESO MÚIIFIPLE CDMA
III.1 Introducción
Lo básico para diseñar la interfaz de radio es definir como compartir el medio de
transmisión entre los usuarios, esto es, el esquema de acceso múltiple.
En los últimos años se han llevado al cabo extensas investigaciones para la aplicación
del sistema de acceso múltiple por división de codigo DS-CDMA, como un esquema de acceso
para la interfaz de radio de los sistemas de tercera generación IMT-2000/UMTS, siendo
entonces el candidato más fuerte para los sistemas de comunicaciones móviles de la tercera
generación.
Por las razones mencionadas en el capítulo II, en este trabajo se analiza el esquema
de acceso DS-CDMA que hay que utilizar para la interfaz de radio del sistema de tercera
generación por proponer. ' ›
IIL2 Espectro Esparcido
_ Las técnicas de espectro esparcìdo han sido desarrolladas para superar la interferencia
y evitar la intercepción de la señal, ya que transmiten la información a nivel del ruido de piso.
Algunas de las propiedades de los sistemas de espectro esparcìdo son:
1 La señai contiene componentes no predecibles o seudoaleatorios.
2 El receptor necesita extraer la señal deseada de la señal ensancbada correlacionándola con
23
una copia generada del componente seudoaleatorio.
Una característica clave de espectro esparcìdo es que se incrementa el ancho de banda
de la señal transmitida en una razón mayor que el ancho de banda de la señal original. El
receptor de espectro esparcìdo debe reconstruir la señal original de la señal de ancho de
banda esparcida con un proceso llamado correlación (0 des-ensanchamiento), como se puede
observar en la figura 3.
Señal deseada
Interferencia yruido esparcìdo
Banda base
sefia| Destwésg* de|fi|±fo
interferenciaÉ;
Figura 3. Esquema de transmisión y recepción de espectro esparcìdo.
El ambiente de radio no sólo incluye la señal deseada del transmisor en el receptor,
sino también señales de interferencia (las cuales pueden ser otros usuarios en la misma
banda), como se observa en la figura 3a). Cuando el receptor recibe una mezcla de señales,
incluyendo las señales de espectro esparcìdo y señales de interferencia no deseables (ruido
24
o interferencia), la señal deseada es extraída en un ancho de banda angosto por medio de
un des-ensanchamiento, pero las señaies de interferencia que no fueron ensanchadas por el
mismo código, no se reducen en ancho de banda por el receptor.
El hecho de que la interferencia pennanezca esparcida en el gran ancho de banda
permite al receptor filtrar mejor la señal, seleccionando sólo el ancho de banda necesario
para la señal deseada que si es des-ensanchada, como se ilustra en la figura 3b). Por lo tanto,
la interferencia se reduce por el proceso de ensanchamiento de espectro esparcido. Debido a
que en el receptor es posible filtrar la interferencia, la razón del ancho de banda esparcìdo al
ancho de banda de la tasa de transmisión describe la ganancia de esparcimiento del sistema de
espectro esparcìdo, la cual es un parámetro clave del desempeño. Esta ganancia describe la
cantidad por la cual las señales de interferencia son atenúan en comparación con un sistema
convencional, el cual no tiene ensanchamiento. Entre mayor sea la ganancia de esparcimiento,
es menor la proporción de señales de interferencia que se mantienen en la señal en banda ,base
(des-ensanchada).
Existen varias formas de clasificar los esquemas de espectro esparcido. La principal se
basa en el método de modulación que se emplea para obtener la señal. Esta división da lugar a
trestipos de CDMA, en secuencia directa (DS Direct Sequence), con saltos en frecuencia (FH
Frecuency Hopping) y con saitos en tiempo (TH Time Hopping) [Ojanpera y Prasad, 1998].
25
III.2.1 CDMA en secuencia directa (DS-CDMA)
En un sistema DS-CDMA, todos los usuarios transmiten en la misma frecuencia y
lo hacen simultáneamente utilizando el ancho de banda completo. La figura 4 muestra la
utilización del espectro en DS-CDMA.
TiempoPotencia
Ffecuencia
Figura 4. CDMA en secuencia directa (DS-CDMA).
En DS-CDMA, la señal de información se modula por una señal de código digital. La
señal de datos puede ser analógica o digital, en la mayoría de los casos es una señal digital.
En este caso, la señal de datos se multiplica por la señal de código y la señal resultante mochila
una portadora para su transmisión. La figura 5 muestra el diagrama a bloques del transmisor
DS-CDMA.
DIIDI x
Figura 5. Diagrama a bloques del transmisor DS-CDMA
26
Cada usuario tiene asignada una secuencia de código (código de ensanchamiento),
que se utiliza para codificar la señal de información. Esta secuencia consiste de un número de
bits de código llamados “chips” cuyos valores son +1 ó -l. Para obtener el ensanchamiento
deseado, la tasa de “chip” del código necesita ser mucho más grande que la tasa de transmisión
de la señal de información. Un “chip” denota un símbolo al referirnos a la señal de código.
Cada bit de información es codificado por un número de “chips”. El número de “chips”
utilizados para codiñcar cada bit de información depende de la tasa de “chip” deseada. En la
figura 6, se transmiten 8 “chips” de código por im bit de información (la tasa de “chip” de
código es 8 veces la tasa de los datos), existiendo una ganancia de esparcimiento igual a 8. A
la señal generada se le llama señal de espectro esparcido. _
, Periodo de hit ; Perindgüde chip
Datos› 1 1 ›| - 1 1 ›1 1 › ›› _ 1 › u
i I I I I I Datos x Código
Figura 6. Generación de una señal de espectro esparcido.
Para la modulación pueden utilizarse varias técnicas, donde las más usuales son algmia
forma de modulación por desplazamiento de fase, ya sea binaria BPSK Ušinary Phase Shift
Keying), cuaternaria QPSK (Quatemary Phase Shift Keying), entre otras.
Después de la transmisión, el receptor des-ensancha la señal empleando ima secuencia
de código generada localmente. Para ejecutar el des-ensanchamiento, el receptor no sólo
27
necesita conocer la secuencia de código utilizada para ensanchar la señal, sino que los códigos
de la señal recibida y los códigos generados locahnente deben estar sincronizados. Esta
sincronización se inicia en la recepción y debe mantenerse hasta que se haya recibido la
señal completa. Esta operación la ejecuta el bloque de sincronización. Después del des-
ensanchamiento resulta una señal modulada, que al demodularse, permite recobrar los datos
originales. La figura 7 muestra un diagrama a bloques del receptor DS-CDMA.
z.,;..¿.;;.e....;..e.,.;; ¡ f =›-«›-1 “Im”
Figura 7. Diagrama a bloques del receptor DS-CDMA.
Debido ala codificación y al gran ancho de banda resultante, las señales de espectro
esparcìdo tienen propiedades que difieren de las propiedades de las señales de banda angosta.
Algunas de estas propiedades son las siguientes: _
i 1 Capacidad de acceso múltiple.
2 Protección contra la interferencia multitrayectoria.
3 Privacidad.
4 Rechazo a la interferencia.
28
5 Baja probabilidad de intercepción.
III.2.1.1 Ganancia de esparcimiente
Uno de los conceptos más importantes requeridos para entender DS-CDMA es la
ganancia de esparcimiento. La ganancia de esparcimiento indica la mejora en la ganancia
o señal a ruido exhibida por el sistema espectro esparcìdo debido a la naturaleza del proceso
de ensanchamiento. La ganancia de esparcimiento del sistema de espectro esparcìdo es la
razón del ancho de banda de transmisión Bu, y la tasa de transmisión de información R y
puede ser escrito como la ecuación (l):BG = _” 'P R (1)
III.2.1.2 Codificación del enlace de bajada
El enlace de bajada, de la estación base a la estación móvil en el sistema DS-CDMA,
utiliza secuencias ortogonales que son secuencias seudoaleatorias especiales, llamadas
códigos Walsh que se emplean para separar a los múltiples usuarios en el mismo canal
[LaWrey, .1997].
III.2.1.3i Codificación del enlace de-subida
En el enlace se subida, de la estación móvil a la estación base, se originan señales
de diferentes fuentes, las cuales provienen de los usuarios en el sistema. La transmisión de
cada usuario arribará en diferentes tiempos debido al mecanismo de propagación y errores
de sincronización. Debido a los inevitables errores entre los usuarios, se utilizan secuencias
29
seudoaleatorias que no están correlacionadas y no son ortogonales. Ya que el enlace de subida
no es ortogonal, existe la interferencia inter~usuario. Por esta razón, el enlace de subida
establece la capacidad del sistema [Lawrey, 1997].
III.2.2 CDMA con saltos en frecuencia (FH-CDMA)
En este tipo de CDMA, la frecuencia portadora de la señal de información no es
constante, sino que cambia periódicamente. Durante los intervalos de tiempo T, la frecuencia
portadora es la misma, pero después de cada intervalo de tiempo la frecuencia salta a otra
(0 posiblemente la misma) frecuencia. El patrón de saltos se decide por el código de
ensanchamiento, y el conjunto de frecuencias de salto disponibles es igual ala ganancia de
ensanchamiento. Por ejemplo, si la ganancia de esparcimiento es de 30 dB, existirán 1000
fiecuencias disponibles donde la portadora puede saltar.
La frecuencia de ocupación de unsisterna FH-CDMA difiere de un DS-CDMA
considerablemente. Un sistema DS-ocupa el ancho de banda completo cuando un usuario
transmite, mientras que el sistema FH usa solo una parte del ancho de banda, cuya localización
difiere en el tiempo dependiendo del código, como se muestra en la figura 8. V
En FH-CDMA se realiza ima distinción basada en el salto de la portadora. . Si el
número de saltos es mucho más grande que la tasa de transmisión de los datos, se consideran
saltos rápidos en frecuencia (F-FH). En este caso, la frecuencia portadora cambia varias veces
durante ia transmision de tm bit de información, así que un bit es transmitido en diferentes
frecuencias. Si el número de saltos es mucho más pequeño que la tasa de transmisión de los
30
Palencia
Frecuencia
señal deseadasala de una
-ne-P. hccueneia a olla
Figura 8. Ocupación de frecuencia/ tiempo de las señales FH-CDMA
datos, se les llama saltos lentos en frecuencia (S-FH). En este caso se transmiten múltiples
bits en la misma frecuencia.
III.2.3, CDMA con saltos en tiempo (TH-CDMA)
En el esquema espectro esparcìdo con saltos en tiempo (TI-I-CDMA), la señal de datos
se transmite en ráfagas rápidas a intervalos de tiempo determinados por el código asignado al
usuario. El eje del tiempo se divide en marcos y cada marco a su vez, en ranuras de tiempo.
Durante cada marco, el usuario transmitirá en una de las ranuras de tiempo, en cual ranura
transmite un usuario depende de la señal de código asignada.
En la figura 9 se observa que en TH-CDMA un usuario utiliza el ancho de banda
completo en periodos cortos de tiempo [Ojanpera y Prasad, 1998].
3 1
Potencia
Tiempo
Frecuencia
Figura 9. TH-CDMA.
III.3 Códigos
Es importante que los códigos asignados a cada usuario tengan buenas propiedades de
correlación con el objetivo de que el receptor pueda distinguir a cada usuario en el sistema sin
problema. La autocorrelación de los códigos es muy importante, ya que establece la buena
sincronización de la secuencia de código recibida con la generada localmente.
Las secuencias de código utilizadas para los sistemas CDMA 'deben cmnplir las
siguientes propiedades: -
l Fácil generación
2 Periodicidad larga
3 Tener ortogonalidad
4 Estar balanceadas entre ceros y tmos
32
Las familias de códigos utilizadas en los sistemas CDMA son: códigos ortogonales,
entre los cuales están los códigos Walsh, y las secuencias PN, a las que pertenecen los códigos
de máxima longitud (ML), códigos Gota y códigos Kasami.
HI.3.1 Códigos seudoaleatorios
Las secuencias de ruido seudoaleatorias (PN) se emplean extensamente en los sistemas
de comunicaciones digitales para codificar datos debido a sus propiedades aleatorias. Estas
secuencias son periódicas, generadas por tm registro de corrimiento con retroalimentación
[Faruque, 1996]. Un registro de conimiento con retroalimentación consiste de una memoria
de dos estados o etapasde ahnacenamiento y una lógica de retroalimentación. Lassecuencias
binarias se desplazan a través del registro de corrimiento en respuesta a pulsos de reioj. Los
contenidos de las etapas se combinan lógicamente para producir la entrada de la primera
etapa. El contenido inicial de las etapas y lógica de retroalimentación determinan el contenido
sucesivo de las etapas. A un registro de corrimiento se le llama lineal cuando la lógica de
retroalimentación consiste completamente de sumadores en módulo 2 [Garg y Smolik, et al;
1997]. I
' La figura 10 muestra un registro de conimiento con retroalimentación que tiene
cuatro etapas para almacenar y desplazar, un sumador en módulo 2 y una trayectoria de
retroalimentación sumada a la entrada del registro. La operación del registro se controla por
una secuencia de pulsos de reloj. En cada pulso de reloj, el contenido de cada etapa en el
registro se desplaza hacia la siguiente etapa a la derecha. También, en cada pulso de reloj,
33
el contenido de las etapas X3 y X4 se suma en módulo 2 y el resultado se retroalimenta a la
etapa X1. La secuencia del registro de corrimiento es tomada a la salida de la etapa X4.
Sumadormódulo 2
X1 X2 X3 X4
I Rolo]
Figura 10. Registro de corrimiento con retroalimentación lineal con cuatro etapas. .
Salida
El número de salidas o ciclos que pueden generarse por medio de tm registro de
corrimiento de n bits es dado por la ecuación (2):
W “ N a 2" - 1 (2)
Por ejemplo, en el registro de corrimiento de 4 bits de la figura 10, se generan
24 -É 1 = 15 ciclos. Si inicialmente la etapa X1 tiene un 0 y las restantes tienen 0,0,
y l respectivamente, la salida del primer ciclo será l, y ejecutando los desplazamientos,
sumadores y operaciones de retroalimentación, los resultados restantes de cada ciclo son
0,0,0,1,0,0,i,l,0,1,0,l,l,l, es decir, el contenido del registro se repite después de 24 - 1 = 15
ciclos. Por lo tanto, se obtiene una secuencia de código de 15 bits.
Aunque hay numerosas secuencias PN disponibles, pocas se utilizan para
comunicaciones celulares debido a sus propiedades de correlación. A las secuencias PN que
tienen propiedades de correlación cruzada igual a 0, se les conoce como códigos ortogonales.
La defunción y generación de estos códigos se muestra en la siguiente subsección.
34
III.3.2 Códigos ortogonales
Un par de secuencias son ortogonales si su correlación cruzada es igual a 0. Para
dos secuencias de n bits: 3:1, 2:2, ..., :nn y yl, yg, ..., yn, la correlación cruzada está dada por la
ecuación (3):
R=w(0) = Zïtyf = 0 ' (3)'i=1
La función de correlación cruzada de dos señales z:(t) y y(t) está definida como la
correlación entre dos señales diferentes [Faruque, 1996]. A continuación se muestran 2
ejemplos de la correlación cruzada entre dos secuencias de código de 4 bits.
Ejemplo l:x É 0 0 1 1
V y = O 1 1 O
Reemplazando ceros por tmos negativos y evaluando, el resultado será: ,a:=-i-111 . -y=-1 11-1
R,,,(0) = 1 -1 1 --1 = 0
La correlación cruzada es O, por lo tanto, estos códigos son ortogonales, además, ambos
códigos tienen el mismo número de unos y ceros.
Ejemplo 2:
I-*O ›-O Or-I On-I$1
yz
Realizando el mismo procedimiento y evaluando:ar:-1-111ya-=11-1-1
R,,(o)= -1 -1 $1 -1 =-4
' 35
A pesar de que los códigos mostrados tienen igual número de ceros y unos, su
correlación cruzada no es cero, por lo tanto, estos códigos no son ortogonales.
Se puede mostrar que un código de n bits tiene solo n códigos ortogonales, los cuales
tienen un mismo ntunero de unos y ceros. Por ejemplo, una secuencia seudoaleatoria de
64 bits prove sólo 64 códigos ortogonales de un total de 264 - 1 2 1.84a:1019 secuencias
seudoaleatorias; Por lo tanto, se concluye que tm código ortogonal tiene dos propiedades
básicas [Faruque, 1996]:
1 Un mismo número de ceros y unos.
2 La propiedad de correlación cruzada igual a cero.
Existen tres diferentesitipos de códigos seudoaleatorios utilizados en CDMA.
Códigos Walsh. Estos códigos se conocen como códigos Hadamard, es un conjunto de
64 códigos ortogonales que se" emplean en el enlace de bajada.
Códigos largos PN. Estos códigos se generan con un registro de conimiento de 42 bits,
teniéndose tm total de 242 - 1 = 4.398a:1012 códigos diferentes, los cuales son usados en el
enlace de bajada y el enlace de subida. '
Códigos cortos PN. Se generan de un par de registros de corrimiento de 15 bits, por lo
que se tienen 215 - 1 = 32767 códigos. Estos se emplean para la identificación de una celda
reutilizada. `
36
III.4 Técnicas para mejorar el desempeño de DS-CDMA
Existen tres técnicas principales para mejorar el desempeño del sistema DS-CDMA:
1 El control de potencia para combatir el efecto cercanía-lejanía.i
2 La sectorización utilizando antenas direccionales.
3 El monitoreo de actividad de voz para disminuir la potencia de interferencia detectada en
la antena receptora [Jansen y Prasad, 1995].
Estos son elementos fundamentales de DS-CDMA que pueden aplicarse en los
sistemas de tercera generación y pemriten obtener tura mayor capacidad en el sistema, que se
traducen en la posibilidad de atender más usuarios ofreciendo la calidad de servicio requerida.
III.4.1 Control de potencia
En el enlace de subida de un sistema DS-CDMA, los requerimientos de control de
potencia son puntos clave en el sistema. El control de potencia surge por la interferencia de
acceso múltiple. Todos los usuarios en DS-CDMA transmiten su información utilizando el
mismo ancho de banda al mismo tiempo, interfniendo unos usuarios con otros. Debido al
mecanismo de propagación, la señal recibida en la estación base de un usuario cercano a la
estación base será más fiierte que la señal recibida por la estación base localizada en la frontera
de la celda. Por lo tanto, los usuarios distantes serán dominados por los usuarios cercanos. A
esto se le llama efecto cercanía-iej anía. Este efecto se refiere a la razón entre la potencia de
la señal de un móvil cercano y la potencia de la señal de un móvil que esta más alejado. La
37
interferencia cercanía-lejanía degrada el desempeño, reduce la capacidad y causa pérdida de
llamadas [Faruque, 1996]. El problema se muestra en la figura ll.
W sn zsm¿ll-1%.-L
M¿v¡| 1 Móvil 2
Figura 11. Efecto cercanía-lejanía.
Si dos móviles transmiten la misma potencia desde distancias diferentes, la razón entre
ia potencia de las señales recibidas en la estación base está dada por la ecuación (4):
SRI _ ¿2 “SR;(d1) <4>donde:
SR1 es la señal recibida del móvil 1, SR2 es la señal recibida del móvil 2, dl la distancia
entre el móvil 1 y la estación base, dg la distancia entre el móvil 2 y la estación base y n valor
de ia envolvente de pérdidas por trayectoria (depende del ambiente).
La ecuación 4 implica que si la distancia 111 7€ dg entonces las señales recibidas
seran diferentes para cada móvil dependiendo del ambiente de propagación y las distancias
respectivas. Por lo tanto, la potencia de transmisión de cada móvil tiene que ser controlada de
38
manera que la potencia recibida en la estación base sea constante en un nivel determinado
y no ser dependiente respecto a la distancia. El control de potencia, por lo tanto, tiene
como objetivo producir una potencia nominal recibida de todos los móviles en una celda
determinada.
En DS-CDMA, el control de potencia se realiza en un proceso de [Faruque, 1996]:
Control de potencia de lazo abierto y de lazo cerrado en el enlace de subida.
Control de potencia en el enlace de bajada
III.-1.1.1 Control de potencia de lazo abierto y de lazo cerrado en el enìace de subida
El control de potencia de lazo abierto es principalmente una función de las estaciones
móviies. La meta del controi de lazo abierto es que la estación móvil ajuste rápidamente
la potencia de transmisión de acuerdo a los cambios en la potencia recibida de ia estación
base. Las estaciones móviles miden el nivel de potencia recibido de la estación base y ajustan
su potencia de transmisión en una manera indirecta El control de potencia de lazo abierto
intenta que ias señales de todas las estaciones móviles transmitiendo arriben en la estación
base con el mismo nivel de potencia nominal. La estación base soporta la función control lazo
abierto permitiendo una calibración constante a las estaciones móviles que está sirviendo. La
calibración constante es determinada por la potencia radiada efectiva (PRE) de la estación
base, de modo que si la estación base transmite a un nivel mayor que la PRE nominal necesita
infonnar a los suscriptores para que transmitan a un nivel menor de la potencia requerida, el
mismo caso se tiene para estaciones base transmitiendo con niveles menores de PRE.
39
Lo anterior se muestra en la figura 12, donde cada móvil calcula las pérdidas por
trayectoria y las compensa ajustando su potencia de transmisión.
Pna1
SR -.ml-1 4' %¿__<______. PRE 2 "°"" 1
. Móvil 2sn¢*l@
\PRE 3.1*Q-
%Móvil 3
Figura 12. Control de potencia en el enlace de subida. Mostrando que cada móvil controlasu propia potencia
La estación base juega un rol activo en las ftmciones del controi de potencia de lazo
cerrado. La meta del control de lazo cerrado es que la estación base proporcione correcciones
rápidas ai control de lazo abierto estimado de ia estación móvil, para mantener la potencia de
transmisión óptima. La estación base mide el nivel de la potencia recibida de las estaciones
móviles y lo compara contra un umbral.
El control de potencia de lazo abierto se realiza por medio de un mando originado
en la estación base indicando el incremento o decremento en la potencia. Este es un bit de
control de potencia que se inserta en la cadena de datos cada 1.25 ms. Una vez que el móvil
recibe este mando de la estación base, responde ajustando su potencia por l ó 0.5 dB. Dichos
parámetros se utlizan para el sistema DS-CDMA.
40
III.4.1.2 Control de potencia en el enlace de bajada
El control de potencia en el enlace de bajada se realiza con un proceso en el cual la
estación base controla su potencia de transmisión de manera que el rnóvii reciba potencia extra
para superar el desvanecimiento, la interferencia, etc. El ajuste de potencia se determina a
partir de las mediciones proveídas por la estación móvil. El propósito es reducir o incrementar
las potencias de las estaciones móviles en función de la cercanía a la estación base. El proceso
de ajuste ocurre cada 15 ó 20 ms.
Por lo tanto, el desempeño del control del potencia es un factor importante que decide
ia capacidad del sistema DS-CDMA [Ojanpera y Prasad, 1998]. H '
IH.4.2 › i Sectorìzación
Uno de los probiemas más serios en los sistemas DS-CDMA es la interferencia multi-
usuario. Debido a que todos los usuarios transmiten en la misma frecuencia y las correlaciones
cruzadas de los códigos son raramente cero, ia razón señal a interferencia, y por lo tanto,
el desempeño se degrada confonne el número de usuarios incrementa, lo cual muestra que
el sistema DS-CDMA es un sistema limitado por interferencia, más que limitado en ruido
[Ojanpera y Prasad, 1998]. ~ U
Una forma de reducir la interferencia multi-usuario e incrementar ia capacidad
del sistema DS-CDMA es la sectorización, que puede establecerse utilizando antenas
direccionales en la estación base. La celda se divide en un número de sectores, lo que implica
41
que las señales de interferencia se recibirán sólo en un angulo limitado, además de que el
mismo espectro de frecuencia es reutilizado en cada sector.
La sectorización en los sistemas DS-CDMA incrementa la capacidad en proporción al
número de sectores por celda.
Una sectorización de 120° se logra dividiendo la celda en tres sectores de 120°, como
se muestra en la figura 13.
Figura 13. Sectorización_ Configuración de tres sectores.
Para ia configuración mostrada en la figura 13, se emplean varias antenas-direccionales
en cada sector para un total de tres antenas por celda. Debido a que el ancho del haz de la
antena es angosto, ios canales pueden repetirse más a menudo, ampliando la capacidad. Esta
configuración se utiliza generalmente en ambientes urbanos densos.
Algunos parametros de las antenas, esenciales para la ingeniería de la celda, se
describen en las siguientes subsecciones.
42
III.4.2.1 Directividad de la antena y ganancia
La directividad de la antena detennina el grado de concentración de energía en una
dirección con respecto a otras direcciones. Esto se traduce a tma ganancia de potencia.
III.4.2.2 Ancho de haz de la antena
El ancho de haz de la antena se mide por la ecuación (S):
w = 2@ (5)
donde to es ei angulo con respecto al punto donde se tiene la máxima ganancia (boresight),
punto en el cual el valor de ganancia se reduce 3 dB con respecto al valor máximo. Esto se
muestra en la figura 14.
El desempeño de la celda sectorizada depende ampliamente dei ancho de haz de la
antena [Faruque, 1996]. _' Punto de máxima
ganancia_ 9° ¶0
3 gg Sd!!
0 dB
'\,4GFigura 14. Ancho de haz de la antena.
43
III.4.2.3 Razón frente-atrás (front-to-back) de la antena
La razón frente-atrás se defme como la razón entre la potencia radiada desde el lóbulo
principal a la radiada del lóbulo de atrás, y está dada en la ecuación (6):
FB = 10109 Í-3%@-_-°"f”'” (6)lobatras
, La figura 15 muestra la relación fiente-atrás de la antena.
Plobprírlcipfn'
¿lg - IdB
. > 0 dB
ÍPlobatras
Figura 15. Relación frente-atrás de la antena.
I1I.4.3 Interferenciainter-celda
En un sistema celular, la estación móvil recibe interferencia no sólo de las estaciones
móviles en la celda anfitriona (interferencia intra-celda), sino también de las terminales
localizadas en celdas adyacentes (interferencia inter-ceida) Uansen y Prasad, 1995], como
se muestra en la figura 16.
44
1.11. * =-;:1†--W*-'~,x.= ~;»'¢.-› «iv « ., ~«' «,-†~~v,~r--.eo 'mv _», -r , ».~~~,» N ~-' - ,
»xx-» »ff -1*' era; ria-'«:<'_^~'1~,; »Z :1,ï='%;«?/'¡^§^*< ›` *ri ~` Ifí-
¿Éf ar»»r-.ze “~ W ~*¬';;=~,› ;~,,«,-\
'erfv' .Ã/' W W
tra, .¡ v,,,, 1
toi*
'P A
;.^-,, l
Figura 16. interferencia en el sistema DS~CDMA _
Es posible calcular la interferencia total recibida de todas las celdas en el sistema, asi,
Fm es la razón entre la potencia de interferencia total recibida de las celdas de afuera Im y la
potencia de interferencia generada por los usuarios en la celda anfitriona I;,, que se representa
en la ecuación (7) [Jansen y Prasad, 1995]:
a{†_f±_ fmF _ _ 7"' It W- na “donde Nes el número de usuarios por celda y 5,, es la potencia recibida de un usuario en el
caso de un control de potencia. El valor de Im depende del valor del exponente de pérdidas
por trayectoria n y del número de filas de celdas consideradas en el sistema. Para un número
grande de usuarios, la razon Fm es una constante, ya que Im es proporcional a N [Jansen y
Prasad, 1995].
J
_ 4,5
III.4.4 Monitoreo de actividad de voz
Una ventaja real de CDMA es aprovechar la naturaleza de la conversación humana.
El ciclo de actividad de la voz humana es de 35%, el resto del tiempo se está oyendo. En
DS-CDMA, todos los usuarios transmiten al mismo tiempo, de modo que cuando algunos
usuarios en el sistema no están hablando, los restantes se benefician con menos interferencia
en el sistema. Así, el ciclo de actividad de voz reduce la interferencia mutua por un 65%,
incrementando con ello la capacidad del sistema [Lee, 1991].
El monitoreo de actividad de voz implica que el transmisor no está activo durante los
periodos de 'silencio de la voz humana. Es posible detectar periodos de silencio en la señal
de voz y lograr que el transmisor detenga la transmisión durante este periodo. Factores de
actividad de voz entre 35% y 40% se han reportado en {Gilhousen, Jacobs, et al. 1991].
Estudios realizados en Europa sugieren que la actividad total, debido a la voz y ruido de
fondo, es mayor en un ambiente móvil que en un ambiente alámbrico, teniendo valores de
entre 50% y 60% [Braun, Cosier, et al. 1990].
IH.4.5 Procesamiento de la llamada
El propósito principal del proceso de transferencia de llamada (handoiï), es asignar un
canal nuevo o frecuencia cuando el móvil se desplaza hacia celdas adyacentes. Por lo tanto,
este proceso le permite al usuario movilidad y continuidad de su llamada. La transferencia
de llamada (handoff) se lleva al cabo estableciendo un valor de umbral, de manera que si el
C46
nivel de la señal recibida está por abajo de dicho umbral, se asigna a la llamada otro canal
más fuerte. La figura 17 muestra el proceso de transferencia de llamada (handofi).` Estación ` Efiacün
baso 1 ¡na 2
Potencia de la p°1¢m;¡¡_¢|¢ |¡'1 señal en señal en 1
GSÍICÍÓÍI IJBSG 1 Qgfgçión bag@ 2
_ %__...._.......
Figura 17. Mecanismo de transferencia dura de llamada.
El procedimiento de transferencia de llamada (handofl) mostrado en la figura 17 es
el proceso convencional de interrumpir antes ide ejecutar (break-before-make), aplicado
en sistemas que utilizan esquemas de acceso como FDMA y TDMA, en donde la voz se
desactiva momentáneamente al realizarse un cambio de fieeuencia. A este proceso se le llama
transferencia dura de llamada (hard handofl).
CDMA, por el contrario, pennite realizar una transferencia suave de llamada (soft
handoff). Conforme el móvil se desplaza hacia la frontera de su celda, la estación base
adyacente asigna un canal a la llamada, mientras que la estación base actual continúa
manejando la llamada. La llamada se atiende por las dos estaciones base en un procedimiento
de ejecutar antes de interrumpir (make-before-break). Esta diversidad en la transferencia
suave de llamada ocurre cuando ambas estaciones base manejan la llamada hasta que el
47
móvil se encuentra lo suficienternente cercano a una estación base, la cual, entonces, maneja
exclusivamente la llamada.
El procedimiento de transferencia suave de llamada puede dividirse en tres fases:
medida, decisión y ejecución. Durante la fase de medida, en el enlace de bajada, el móvil
ejecuta algunas mediciones como: calidad de su señal y nivel de las señales de su celda y
de celdas vecinas; en el enlace de subida, la estación base mide la calidad de la señal. En
la fase de decisión, las medidas resultantes se comparan contra umbrales predefmidos y se
decide si debe iniciarse o no la transferencia suave de llamada. Además, debe ejecutarse
un control de admisión para verificar que el nuevo usuario pueda ser atendido en la nueva
celda sin degradar la calidad de los usuarios existentes. En la fase de ejecución, el móvil
entra al estado de transferencia suave de llamada y se agrega o libera una nueva estación base
[Ojanpera y Prasad, 1998]. › -
Lafìgura 18 ilustra el procedimiento de transferencia suave de llamada. Existen
retardos asociados al agregar y remover las señales de las estaciones base involucradas en
la transferencia suave de llamada. Cuando el nivel de la señal de la estación base 2 excede
el nivel de umbral de suma, el móvil entra al estado de transferencia suave de llamada, en el
cual, es atendido por dos estaciones base simultáneamente (el nivel de la señal en la estación
móvil es la suma de las señales de las estaciones base participantes). Si el nivel dela señal en
la estación base 1 está por abajo del nivel de umbral de caída, la estación base l se remueve
al finalizar el tiempo de caída. A
48
Potencia
S. Surm dn señales deM' '" ambas ulaclonnataclén ba. ¦
b¡”1 - Sc libera. canalde la ullal 1
¢nn--¢----Umbral de sumaI"I'I'II¦¦¦¦IIIIII1IQIll|I
-J-
IIIIIIIIIIIt{IIIIUmhrat de caída ga-;¡-En--------
estación S' "WMbn. ¡ otro canal a
señal 2 iš_.L, ›V Tiempo
Figura 18. Mecanismo de transferencia suave de llamada en CDMA.
Debido a que en el sistema CDMA todas las celdas emplean la misma frecuencia,
durante el procesode transferencia suave de llamada, la comunicación no es interrumpida (no
hay desactivación momentánea de la voz), lo cual representa una ventaja del sistema. Además,
es un mecanismo importante, ya que permite comunicación de calidad y una transición más
suave, comparada con la transferencia dura de llamada (hard handofi).
La transferencia suave de llamada es una de las características más discutidas de
CDMA. Por otro lado, brinda un incremento en el desempeño debido a un incremento en
la diversidad, aunque es necesario implantar medidas para evitar la excesiva interferencia de
celdas vecinas [Ojanpera y Prasad, l_998].
III.4.5.1 Transferencia más suave de llamada (softer haudofi)
En un sistema sectorizado pueden presentarse dos géneros de transferencia suave de
llamada cuando el usuario se desplaza de un sector a otro. Si el movimiento se presenta
49
entre dos sectores de celdas diferentes, al proceso se le llama transferencia suave de llamada,
y si el desplazamiento ocurre entre dos sectores de una misma celda, el proceso se llama
transferencia más suave de llamada (softer handofl) [Lee y Steele, 1998].
En la transferencia más suave de llamada no se requieren transacciones entre
estaciones base y, por ejemplo, el controlador de la estación base. Así, la transferencia
más suave de llamada puede establecerse mucho más rápido que una transferencia suave
de llamada ya que en el sistema no se requiere señalización. De esta manera, es muy útil
implementar este proceso en micro celdas sectorizadas para reducir el tiempo de realización
[Ojanpera y,Prasad, 1998].
IV MODELO MATEMÁTICO PARA EL SISTEMAPROPUESTO DS-CDMA
OfIV1 Introduccion
La capacidad de los sistemas DS-CDMA está limitada por la interferencia. Por lo tanto,
cualquier reducción en la interferencia causará im incremento en la capacidad del sistema.
Desde otro punto de vista, en el sistema DS-CDMA, el desempeño del enlace para cada
usuario se incrementa conforme el número de usuarios disminuye.
Como se mencionó anterionnente, existen varias técnicas que pueden utilizarse para
lograr una mayor capacidad en el sistema DS-CDMA, puesto que reducen la interferencia.
Una forma de reducir la interferencia es emplear antenas direccionales. Las señales
recibidas por las antenas direccionales son únicamente de una fi*acción« de los usuarios,
dando lugar a una reducción de la interferencia. Otra forma de incrementar la capacidad
del sistema DS-CDMA es operar en un modo de transmisión discontinua, donde se toman
ventajas de la naturaleza intennitente de la voz. Así, la capacidad promedio del sistema DS-
CDMA puede incrementarse por un factor inversamente proporcional al factor de actividad
de voz. Debido a que el sistema DS-CDMA puede reutilizar el espectro completo para todas
las celdas, se incrementa la capacidad por un amplio porcentaje con respecto al factor de
reutilización de fiecuencia empleado en sistemas FDMA o TDMA. Adicionalmente, si se
utiliza un esquema de control de potencia, la interferencia puede controlarse de manera que
sea posibìe incrementar la capacidad del sistema.
Si
El modelo que se propone en este trabajo parte del establecimiento de una ecuación
para modelar el patrón de una antena direccional para la estación base, para posteriormente
calcular la ganancia con respecto a la capacidad, asi como determinar la eficiencia de la
sectorización, dado que el modelo considera una configuración con sectorización imperfecta
(ne ideal). I
El siguiente paso en el modelo es calcular la relación señal a mido (SNR) considerando
inicialmente una sola celda, para después modelar el sistema completo, es decir, tomando en
cuenta la interferencia creada por celdas vecinas. s
Finalmente, se determina la capacidad de la celda a partir de la relación SNR,
estableciendo una equivalencia entre ésta y la relación portadora a interferencia (C/I),
considerando la sectorización, el monitoreo de actividad de voz y el control de potencia,
demostrando que estas técnicas permiten incrementar la capacidad (número de usuarios en el
sistema).
El modelo también permite - determinar el desempeño del sistema DS-CDMA
propuesto basándose en una relación SNR requerida en el receptor para obtener un desempeño
de la tasa de bit erróneo previamente establecida.
IV2 Patrón de la antena direccional
Para unarreglo de tres sectores, el patrón de la antena tiene un ángulo de cobertura
de 120°, lo que da lugar a que un sector solo reciba un tercio de las señales generadas en
'52
el sistema, existiendo una ganancia en la capacidad que sería tres veces la de una celda no
sectorizada [Fan1que, 1996].
El patrón de radiación utilizado para la antena direccional se aproxima por una función
parabólica dada por la ecuación (8) [Kajiwara, 1997]:
1 _ 2 (§)2 ¡e| 5 \/0.4951»G (9) = (3)
s 0.01 en otro caso.donde 0 es el ángulo de elevación y w es el ancho de haz de la antena.
La figura 19 iiustra el patrón de radiación de una de las antenas de la estación base
utilizando una sectorización de 120°,la cual pertenece al primer sector. En el sistema, la
estación base tiene tres sectores, uno cubriendo la región de -60° a 60°, el segundo cubre la
región de 60° a 180° y el tercero una región de 180° a -60°.. S 1
13 . B-`\ ¦ I1 T5 f' -
iso DS - an,' I ..a , .¬
I J M `
un - 1 1- n'. f r'
I ..`› -1.
n' \ 4 ~
21! ` _ ,/ 331`f~ r4 ¬__ 1 ,.," ,1 -~r-* \, r 14nzu - an
† rm
Figura 19. Patrón de antena direccional.
Existe un traslape entre los sectores debido a que el patrón de radiación de antenas
prácticas no es ideal. Este traslape y anomalías de lóbulos laterales da lugar a que la estación
base reciba aún cierta interferencia, de manera que la interferencia en celdas sector-izadas con
53
un ángulo de traslape (sectorización imperfecta) es más grande que la de celdas sectorizadas
sin ángulo de traslape (sectorización perfecta). Sin embargo, se sabe que la segunda opción
no es posible en la práctica.
Las imperfecciones de la antena se modelan con un ángulo de traslape v. Debido a
la sectorización imperfecta (ángulo de traslape), la estación base (sector), recibe aún cierta
interferencia de los usuarios en otros sectores.
Para estimar la interferencia recibida en una celda sectoiizada, puede derivarse una
relación entre la potencia de interferencia recibida de un sistema sectorizado y uno sin
sectorización, dada por la ecuación (9) [Jansen y Prasad, 1995]:_ F; Pm __ _1_+ 21) 9
“"P«n,0se<;”“ D 360° - U
Siv =r0° corres onde auna sectorización erfecta, la combinación D = 1 v = 0°Y ›
corresponde a una situación sin sectorización.
Ei patrón de antena mostrado en la figura 19 tiene un ángulo más grande que el ángulo
nominal de 120°, asi, el ángulo de antena es de 120° + ii. Por lo tanto, la interferencia delos
sectores vecinos que será posible bloquear al emplear una celda sectorizada con ángulo de
traslape v está dado por la ecuación ( 10) [Lee y Steele, 1998]:
Ib= (10)
La ganancia en la capacidad con respecto a un sistema no sectorizado está dada en la
ecuación (ll) [Lee y Steele, 1998]: '_ 360° H
A g°_w+v ( )
54
Como se puede determinar por la ecuación (ll), el ancho de haz tu y el ángulo de
traslape 1/ determinan el grado de interferencia, de manera que si el sistema es sectorizado,
existe una disminución en la interferencia, que, por lo tanto, pemiite incrementar la capacidad.
La razón entre la ganancia en la capacidad con un patrón de antena con ángulo de
traslape 1/ y la ganancia en la capacidad con un patrón nominal (sectorización perfecta), será
llamada eficiencia de la sectorización, que matemáticamente se expresa por la ecuación (12)
[Lee y sieele, 1998]; ` 360°_ tu -I- v5 _ 360° (12)
w .
_ Si gc = 3 y e = 1, corresponde a una sectorización perfecta. Para un ángulo de
traslape v = 5°, el incremento enla capacidad se reduce, siendo gc = 2.88, mientras que la
eficiencia de la sectorización también se reduce a e == 0.96. De lo anterior, se establece que la
interferencia en el enlace de subida incrementa conforme el ángulo de traslape u aumenta,
causando que la ganancia de ia capacidad y la eficiencia de la sectorización se degraden
proporcionalmente. t ` t
IV3 Capacidad de la celda DS-CDMA
Se comienza el análisis utilizando una geometría como la mostrada en la ñgura 20,
donde existe una celda central y una fila de celdas adyacentes, y se establece que la fila de
celdas adyacentes contribuye a un nivel de interferencia total hacia un usuario localizado en
la celda central.
55
E¢|-aa-rana? En-acusan; |t
suma.:-un ~en/ \
%+
Ellílflífi
Figura 20. Geometría usada para el sistema bajo estudio.
Si inicialmente se asume un celda central aislada, entonces el ruido en el sistema será
determinado por el número de usuarios dentro de la celda. Sea P, la potencia recibida de un
usuario en la celda central con control de potencia y P; la potencia de interferencia promedio
producida por los otros usuarios transmitiendo en la celda; se obtiene que la relación señal a
ruido está dada por la ecuación (13):. P.SNR H É (13)
Ahora, si se considera que la celda central no está aislada, esto es, que existe
interferencia de celdas adyacentes, se debe tomar en cuenta un factor que modele la
interferencia producida por estas celdas. Esto da lugar a establecer a Fm como la interferencia
inter-celda, y reescribiendo la ecuación (13), se tiene la nueva ecuación (14):PsNRe†-L-«-- 14
PI(1+Fm) ( )
Si Fm =-~ 0 no existe interferencia de celdas adyacentes.
Para lograr un incremento en la capacidad, la interferencia de los usuarios necesita
reducirse. Una fonna de lograrlo, como se mencionó antes, es mediante la sectorización. Si
56
la celda se divide utilizando tres antenas, cada una con un ancho de haz de 120°, entonces
la interferencia vista por cada antena es una tercera parte de la que genera una antena
omnidireccional. Esta mejora debida a la sectorización se modela por un factor Fs, el cual
considerando una sectorización imperfecta está dado en la ecuación (9). Por lo tanto, la
ecuación (13) ahora será:Pt 1SNR = -.-í'-- 15P,(1 + 1~¬,,,)F, i )
Una configuración de tres sectores incrementa la capacidad casi tres veces, sin
embargo, debido al ángulo de traslape entre sectores, el valor de 1/F, es ligeramente menor
que 3.
Asi mismo, si se considera el monitoreo de actividad de voz de manera que el
transmisor esté apagado durante los periodos de no actividad de voz, se reduce el nivei de
interferencia por la reducción del ciclo de actividad de voz de la señal transmitida. Sea v el
factor de actividad de voz establecido en 50%, la ecuación (15) ahora es:P, 1,1SNR a __.--__-_Pfn + Fm) F, U (16)
Ahora bien, una vez que se estableció que la SNR contempla sólo el ruido como la
interferencia de los usuarios transmitiendo, es posible definir una equivalencia entre la SNR
y la relación C/I_ Asi, la ecuación (17) denota la relación C/I .C' P.- 1r = emm; W)
Debido a que el ruido en el canal se reduce por la ganancia de esparcimiento durante
la demodulación, el ruido en cada bit después de la demodulación será menor. Por lo tanto,
57
la razón entre la energia recibida por bit y el ruido está dado en ia ecuación (l 8):E-1 = GpsNR (is)No
El desempeño del modelo se basa en la obtención de una relación señal a ruido (SNR)
requerida en el receptor para lograr una tasa de bit erróneo previamente establecida que
proporcione la calidad de servicio requerida. El valor de umbral 7 para la razón señal a
interferencia está dado en la ecuación (19) [Jansen y Prasad, 1995]:
_ L (19)'T G, No
La capacidad de una celda DS-CDMA depende de muchos factores. Para este caso,
la capacidad es afectada por: las transmisiones DS-CDMA de celdas vecinas utilizando
la misma frecuencia y causando interferencia se consideran en el factor Fm; existe una
reducción en ia interferencia debido al monitoreo de actividad de voz v y si se emplean antenas
direccionales en la estación base existe una mejora contra la interferencia denotado por F,.
Por lo tanto, matemáticamente se expresa la capacidad de DS-CDMA por la ecuación (20):
M=a,,¿¿¿,¿,±¿¿ asGp es la ganancia de esparcimiento del sistema de espectro esparcìdo que cuantifica el
grado de rechazo ala interferencia. El valor de Ef,/No se establece al inicio de la pianeación
del sistema, es un valor minimo aceptable para no degradar la calidad del mismo. Así, existe
un compromiso del valor de E1,/No minimo para el cual la tasa de bit erróneo (BER) tenga
un desempeño aceptable logrando una alta capacidad [Fa1uque, 1996].
58
Con el modelo desarrollado es posible determinar la influencia del control de potencia,
la sectorización y el monitoreo de actividad de voz en la capacidad de un sistema DS-CDMA.
v IMPLEMENTACIÓN DE Los MODELOS DEi SIMULACIÓN
IfVI1 Introduccion
Para desarrollar los modelos propuestos se 'hizo utilizó el programa de simulación
OPNET que se emplea para simular sistemas de comtmicaciones de diferentes tipos.
OPNET provee un ambiente de desarrollo comprensivo para el modelado y evaluación
del desempeño de redes de comunicación y sistemas distribuidos. Consiste de un número de
herramientas, cada una enfocada a aspectos particulares del modelado, dichas herramientas
se agrupanen tres categorías principales que corresponden a tres fases de los proyectos de
modelado y simulación que son: especificación, colección de datos y simulación y anáìisis.
La especificación es la parte donde se desarrolla la representación del sistema bajo estudio.
Uno de los objetivos del modelado es obtener medidas de desempeño del sistema y observar
su comportamiento; esto es posible ya que OPNET prove de un modelo ejecutable con el que
se estima el desempeño y comportamiento ejecutando simulaciones. La tercera fase involucra
examinar los datos coleccionados durante la simulación, que son aimacenados en archivos y
posterionnente son consultados por medio de la herramienta de análisis. OPNET soporta la
especificación por medio de cinco herramientas o editores que capturan las características del
comportamiento del sistema modelado. Los cinco editores son de red, de nodo, de proceso,
de formato de paquetes y de parámetros, y están organizados en forma jerárquica, es decir,
las especificacioues del editor de red llevan a especificar elementos en el editor de nodo y
60
cuando el desarrollador utiliza el editor de nodo, toma ios modelos desarrollados en el editor
de proceso. El editor de formato de paquetes permite la creación o modificación de formatos
de paquetes. El editor de parámetros se emplea para definir varios modelos de datos que
después se referencian por modelos de nodo o de proceso, por ejemplo antenas. Los editores
presentan una interfaz gráfica donde el usuario manipula los objetos que componen el modelo.
El trabajo implementado consistió en realizar ima interfaz de radio utilizando el
esquema de acceso DS-CDMA. Debido a que OPNET no cuenta con el esquema de acceso
CDMA, la implementación se realizo via programación. Para definir el sistema propuesto
mediante el simulador OPNET, se tiene que desarrollar primero el modelo de red, los modelos
de nodo y los modelos de proceso correspondientes, así como también se deben desarrollar
los modelos de parámetros necesarios. Finahnente, se despliega el modelo de pruebas para la
simulación, el modelo de simulación mismo y el modelo de análisis, los cuales generan datos
que pemuten realizar el análisis de desempeño del sistema.
En las siguientes secciones se mostrará como se realizó la definición de los modelos
de red, de nodo, de proceso y de parámetros.
V2 Modelo de red
El modelo de red define completamente el sistema que va a ser simulado. Es la
descripción de más alto nivel de los objetos contenidos en el sistema. El modelo de red
especifica los objetos en el sistema, su localización fisica, su interconexión y su configuración.
61
El papel del dominio de red es definir la topología de la red de comunicación. Las
entidades que se comunican se llaman nodos, y las capacidades o ñmciones de cada nodo se
definen en su modelo.
OPNET permite que la red tenga nodos móviles. A los nodos móviles se les pueden
asignar trayectorias predeñnidas que especifiquen su posición, la cual está en función del
tiempo a lo largo de una corrida de simulación. Muchos nodos requieren la habilidad de
comunicarse con otros para ejecutar alguna función en el modelo de red. Los nodos móviles
se comunican a través de enlaces de radio. Un enlace de radio puede existir entre cualquier par
de canales transmisonreceptor y puede establecerse dinámicamente durante la simulación. En
las simulaciones de OPNET, los parámetros como banda de frecuencia, tipo de modulación,
potencia de transmisión, distancia y pdireccionalidad de la antena son los factores comunes
para determinar si en un tiempo particular existe _o no el enlace de radio. Así, el enlace de
radio está en función de las condiciones dinámicas, y no está representado estáticamente por
un objeto.
Los transmisores y receptores de radio juegan un papel importante para determinar el
comportamiento del enlace de radio. Ya que el enlace de radio no es un objeto, los atributos
de los transmisores y receptores de radio contienen los valores requeridos para la “etapa de
canal” (pipeline stage), donde se realizan los cálculos que determinan si el paquete es recibido
satisfactoriamente. Si las condiciones del modelo así lo requieren, esta etapa puede sufi'ir
modificaciones; una descripción completa de ésta se encuentra en [MIL3, 1997].
La figura 21 muestra el modelo de red para el sistema DS-CDMA propuesto.
62
É ~ .'" ¿FE Nølwwk Edlwfl tr-lyø¢_d0w ...aire' ¦ ' 1 ' ' : FJ
0 ' ` Éu_=1as;
. . OE “R15 'tx_v.L16 ,...__ ............ _. ................_., .................. _. . ._ ........ ............ .. ,5 5 ¦ u_u: 5: . ¦ O ¦ :gg ; ¡ u_vcs 5 5
'-F-fm io E = O 0E “_-“U5 HS E Q Í'-V" urvuz <
0 5 Q E E “_” E Su_u? t-I_vi-1? QE E 0 Q 0
2. .................... --z-------------------“-°F°-----¿O--------- -. _-M---“-41°--.a.............. --4.-__., v,,.._...... .¦ ¦ __v3G 6 ¦ -
i 0 u_vm 2 5É `“-"U2 0 2 o 5 D «(232
7 Q '
¡¦›_ gi'
0 ¦ 1; V1 ¦ 1:: vil ¦ ¦u_-41.21 :fx = - 1-.¬..., ~ I ¦ 0 O ;i “-37 \ u-üzi W OV32 ur*2 u”u2 i
I â Ó ' E “ 0 í 'stfx,,<!3_2 __ __0_ uowr_____H__.¢_ë?________________ ,_ “-4”--- " 4.. tar = u * 1 - *--- : u_4s4 :2 ¦ ` ' i É OÉ E t:__v.\2 " Á3 5 “$13 §t¡,vá.13
E O 5 E ` E E*=9fl1 “-““*ì=«°«= 5*-;~ 9 «fa 0 -: : _ 'fl_v3 : ¦ : *I n E: ¦ ¦ : : _." ¦5 D 5 ¦ : -4 _ ___. ,,,,,,, _. _...._________ Í _ __ ' 0. ____ __ ¦...............- - E |¡¡_v¡4 ._ u_u; ..-- -- u_v¡¿3.... aa..¦..._6....-............i...
4
O
Il' 1¬›ç-›/
¡I [$0
“Ong § E 2 u_u _-" 2 H 0 s a 0* â
i h'-Mi uqns E agus f*-¿.23 0 M91-02 "gm 2Q : 0 : Q " : : u_v33 ¦ :t=_aa4 (j U V44 §u_«n4 _ 5 ''=-Y* ' s = O s ã
;.......................¡ .................. ..........._ . ,i †.I_v¡.2S E gg i
i E W835 E .. . . . . . .z a †==_«zs 0 s «.°a; f-¬-.us a sa a rana; s ` s e s21 Él 1° 3 F 'FE Lu
Figura 21. Modelo de red para el sistema multicelular DS-CDMA.
Como se observa en la figura 21, hay dos tipos de nodos: las estaciones móviles y
las estaciones base. Como se mencionó en capítulos anteriores, se tiene una celda central y
una fila de celdas adyacentes compuesta por 6 celdas. La celda tiene un radio de l km. Las
estaciones móviles se localizan aleatoriamente por todos lados de la región de las celdas,
existiendo estaciones que transmiten voz, video y datos. Las estaciones móviles oscuras
representan las estaciones a las cuales está dirigida la antena direccional correspondiente a
cada sector, por lo tanto, en cada celda se observan tres estaciones móviles oscuras. Así
mismo, en el modelo puede observarse una estación móvil en un radio de aproximadamente
63
500 mts. ala que se definió una trayectoria alrededor de la estación base con el objetivo de
implementar la transferencia más suave de llamada (softerhandofl).
V3 Modelo de nodo
Como se mencionó en la sección anterior, las funciones de cada nodo se defmen en su
modelo, y a este modelo se le llama el modelo de nodo.
El dominio de nodo permite el modelado de los dispositivos de comtmicación que se
emplean en el modelo de red. En OPNET, un modelode nodo está compuesto de una serie de
bloques, llamados módulos. Algunos módulos tienen capacidades predefinidas que pueden
ser configuradas a través de sus parámetros, como generadores de mensajes, transmisores-
receptores (que pueden enlazarse a través de los enlaces de comunicación), antenas, etc. Otros
módulos, llamados procesadores y colas son altamente programables, y su comportamiento
esta preescrito por un modelo de proceso asignado.
Un modelo de nodo puede tener cualquier níunero de módulos de diferentes tipos.
Los módulos se conectan para interactuar, por medio de diversos medios. Para la realización
del modelo se utilizan cadenas de paquetes (streams). Las cadenas de paquetes permiten
transportar mensajes (paquetes) con cierto fonnato de un módulo a otro.
Para el sistema propuesto se desarrollaron los modelos de nodo para la estación base
y para la estación móvil. A continuación se muestran dichos modelos.
64
\(3.1 Modelo de nodo para la estación móvil
El modelo de nodo para la estación móvil se compone de cinco módulos. Los tres
primeros módulos, que son procesadores y colas, tienen su modelo de proceso asociado,
mientras que los restantes módulos, el canal de radio y la antena, no tienen ningún modelo de
proceso.
Las funciones de la estación móvil son las siguientes:
1 Generar tráfico de voz, video y datos.
2 Para el servicio de voz, detectar los periodos de habla.
3 Asignar a cada estación móvil ,un código único para transmitir.
4 Cuando una estación móvil necesita transmitir, verificar el permiso para tener acceso al
sistema y asignarle un canal aleatorio.
5 Modular la información y transmitir.
La figura 22 muestra el modelo de nodo para la estación móvil generando tráñco de
video.
Cada función es ejecutada por un módulo en el orden en que se presentan en la
figura 22. Como se mencionó anteriormente, los módulos estan interconectados a través de
cadenas de paquetes para que interactúen, de tal manera que el procesamiento de cada módulo
contribuye a que la información de los diferentes servicios sea transmitida.
65
_ ,_ ,, , _, ___ afla-fipunnnuíií2 ng! En -1%? ín|u|fi%|*ï Nm" Edìlwi §'¡.,'_3 ïmwn I I I 1 I M í , M í ___í
mt idea
_ Á ` ~†_ ,El 'Ég¢n¢:¡_\u`l.u as_ood ourJamas: h_v.ì.d¢o
Figura 22. Modelo de nodo para la estación móvil.
\Z3.2 Modelo de nodo para la estación base
El modelo de nodo para Ia estación base se compone de veintiocho módulos. Dichos
módulos se distribuyen entre los sectores en que se dividió ia celda. Ya que se implementó
una sectorización de tres, en la estación base se tienen tres antenas direccionales, cada una
dirigida a una estación móvil localizada en forma tal que el haz de su antena correspondiente
este en su máxima ganancia. Las funciones dela estación base son las siguientes:
1 Apuntar cada una de las tres antenas hacia la estación móvil deseada.
2 Recibir los paquetes transmitidos.
3 Correlacionar códigos.
4 Detectar si el paquete recibido es una petición de acceso al sistema o es información.
5 Controlar el acceso al sistema.
6 Coleccionar las estadísticas de desempeño del sistema.
66
La figura 23 muestra el modelo de nodo para la estación base. En ella se puede observar
un conjunto de nueve módulos interconectados que pertenecen al sector uno, y el módulo
canal receptor es el único que no tiene modelo de proceso asociado, mientras que los módulos
restantes, que son procesadores y colas, si tienen su modelo de proceso. De la misma manera,
los siguientes nueve módulos conforman el sector dos, y el conjunto de los últimos nueve
pertenecen al sector tres. Para cada conjunto de módulos se observa, pmalelo al módulo de
antena, un módulo apuntador de antena que se utiliza para dirigir la antena' hacia una estación
móvil localizada en la posición donde se obtenga la máxima ganancia de la antena direccional.
c i fc .afro-¿seran-.s_~«;r me *amenac-ïï" W* ffiãìàíyàlçw g' _
stšfilâfilrliltf'-“° enrn ¡.q_unn cmnutmn :m._fll
r sfumwu lnlmh
a!_"!: :nan
1:¢e.ib¢_wl ¡p\mM_fla¶
En del ¿- con:n1¿_ tu nnu._f|os mt._¡:¢_2
1
n¢.t.Iu_henlil
n_n;un tot_1IM
nel-§¢_vidca
rnäštnårn5».
xl 4,
` El_ q›w›€a_tl'l I
r---1
t.ør_t s *`n"t'" ¢nrn1.¡_t:u om.a.l._t.|:u .mt_n_3SGC II
2
1:: n fl«1_vì|l¢¢
U
Figura 23. Modelo de nodo para la estación base.
67
\C3.3 Modelos de proceso
Como se mencionó en la sección anterior, los módulos procesadores y colas son
elementos altamente programables por el usuario. Las tareas que ejecutan estos módulos
se llaman procesos. Un proceso puede ser concebido como la ejecución de un programa de
computadora, ya que el proceso mantiene un conjunto de instrucciones y una memoria. Los
procesos en OPNET se basan en los modelos de proceso.
Los modelos de proceso se realizan en un lenguaje llamado Proto-C, el cual es
una combinación de diagramas de transición de estados, librerías de alto nivel llamadas
procedimientos Kernel, y facilidades de programación en lenguaje C. Un diagrama de
transición de estados define un conjunto de estados en los que el proceso puede estar, y
para cada estado, define ias condiciones que podrían causar que el proceso se mueva a otro
estado. A ia condición necesaria para cambiar de estado y el estado destino asociado, se
le llama transición. Debido a que el lenguaje Proto-C se enfoca al modelado de protocolos
y algoritmos, prove una extensa librería de 300 procedimientos que pueden invocarse para
realizar acciones determinadas.
Como se mencionó anteriormente, los modelos de nodo correspondientes a la estación
móvil y a la estación base tienen módulos programables, de tal forma que la siguiente
subsección explica los modelos de proceso asociados a los módulos contenidos en los modelos
de nodo.
ss
\{3.4 Modelo de proceso: genera tráfico en la estación móvil
Este modelo de proceso se encarga de generar tráfico de voz, video y datos de acuerdo
a los parámetros que lo caracterizan, dicho tráfico es transmitido entonces a la estación base
de acuerdo al modelo de [Tamayo, 1997].
Los tres servicios ofrecidos por el sistema tienen diferentes características y
requerimientos de tráfico, lo que implica la necesidad de desarrollar un modelo de proceso
para cada uno de los servicios en el sistema. A
La figura 24 muestra el modelo de proceso para generar tráñco de video.
~" fi' † ' :PromssE|:Iìtor:pv --- V-'Í
ì _ _I DH í í í í í
-*
Figura 24. Modelo de proceso para generar tráfico en la estación móvil:
Dado que el modelo de nodo de la estación base tiene un módulo procesador que
genera tráfico, se requiere un modelo de proceso para ejecutar las funciones necesarias. Tal
modelo, que es un diagrama de estados, se compone de dos estados y dos transiciones, y su
funcionamiento es el siguiente: el estado INICIO es siempre el primero en ejecutarse, y es
donde se inicializan las variables y funciones de distribución utilizadas para generar el tráfico
que estan apegadas a los parámetros mostrados más adelante en la tabla V. Las funciones de
69
distribución que se cargan dependen del tráfico a generar; inmediatamente después de estas
inicializaciones, se transita al siguiente estado, que se encarga de determinar el tipo de servicio
y su duración de acuerdo a la función de distribución usada; finalmente se envía el paquete
de infonnación al siguiente módulo en el proceso de nodo.
\l3.5 Modelo de proceso: asigna código en la estación móvil
En el sistema DS-CDMA los usuarios transmiten al mismo tiempo utilizando todo el
ancho de banda. Esto es posible debido a que cada usuario tiene asignado un código único.
El modelo de proceso que a continuación se describe, realiza esta tarea. En el estado INICIO
se inicializan las variables necesarias para almacenar las secuencias asignadas (códigos) a
las estaciones móviles. Del estado INICIO hay una transición al estado GEN_COD, que se
encarga de asignar a la estación móvil tm código único, verificando primero si el código que
se le asignará es único, es decir, si el código por asignar no es una secuencia ya asignada a
otra estación móvil.
La figura 25 muestra el modelo de proceso para asignar el código a una estación móvil.
É1" Í' ~~_, jj pm¢ess"Éd¡m,¡
'IÍ - .- ` ` ` "*- fi.- _-7':_; )°"“”°) ,_,|
E 'A
Figura 25. Modelo de proceso asigna código en la estación móvil.
70
La asignación de código a cada estación móvil es muy importante, es por el cual éstas
pueden transmitir. En el otro extremo, la estación base tiene una réplica del código de la
estación móvil de modo que pueda recuperar la información de dicha estación móvil. Si la
estación base no tiene una réplica del código, no puede detectar la información que recibe,
ignorando la información, ya que la ve como ruido.
or\/13.6 Modelo de proceso: detecta voz en la estacion móvil
Los servicios ofrecidos en el sistema tienen características y requerimientos de tráfico
diferentes. La voz requiere entrega en tiempo real, pero trabaja con una tasa de bit erróneo
menor que lxl0”3, además de que para el servicio de voz es posible detectar los periodos de
silencio y transmitir sólo en dichos periodos. Los datos no requieren entrega en tiempo real,
que no es el caso del servicio de video, que si requiere ser entregado en tiempo real. Para
dichos servicios se maneja una tasa de bit erróneo menor que lxl0'6.
El modelo de proceso que detecta la voz en la estación móvil, tiene fimdamento en un
modeio diseñado por [Tarnayo, 1997]. Dicho modelo se basa en una conversación telefónica
en donde existen dos estados, el estado de habla y el estado de silencio. La duración del
estado de habla sigue una distribución exponencial con media igual a 1 segundo; el estado
de silencio también tiene una distribución exponencial con media igual a 1.35 segundos. La
fìgma 26 muestra dicho modelo.
71
IN¡> , Í ' 1% pfucøsa_voz
¬-~-_,_I _ _ _ _ _ __ _p \
I
rn <lut.1:o9(op_pto_s¢.l_t())\(¶I.ll_I.L.Fl!I.DI)/op__p _ I
f
_)l
*AliÍ 101.12)
¬~__i tddnlt-)r
\
rogdestny (op_yro_s e.l.t ()), J
-r
-.-.___
_*_
)/°P_P
t-r
ecta voz en la estación móvil.Figura 26. Modelo de proceso det
VÍ3.7 Modelo de proceso: acceso' al canal en la estación móvil
Este modelo de proceso verifica si la estación móvil puede transmitir o no teniendo
1 capacidad del sistema. La figura 27 muestraal; la decisión depende de a
,ã"2
acceso a un can
dicho modelo.
El modelo de proceso normalmente está en el estado ESPERA, “a la espera” de una e
internlpción. Ocurre un cambio de estado a RECIBE si se recibió una interrupción que indica
la llegada de un paquete de información o cuando se recibió una interrupción de la estación
base que es un mensaje que indica el acceso 0 no acceso a un canal. Si fue un paquete de
información, se registra la estación móvil de donde proviene y entonces se transita al estado
' etición de solicitud de canal a la estación base. SiCANAL_A, que se encarga de enviar una p
72
i- : -1 'P ` " $5; É Process Editor: pperm_da ' W-fjgi "I _ _ I ra'
_; jimmy; “'“°°” 11%,: (,,,,._,,,_,,,,_ ._ _: ,4d `,__ __,`
--Wi -_-\ .' -Wr 1 r t , 't r (default) 1
<a¢:mn;› tu-nao) , , ' l\ | ¡ ,\`_ 1 ¡ /
-1" L(r›zm:rsn__on) í
r \ "m "
1 I Á 1 J .'1
_r "J
1 1 1
44\
-_
'
/
\ \ \
\ \
,____.-
\ \
fl (sm')`~. \\J \ \(acceso): \ ›
P \ (P-BTILIN Q4I'Il))'Une Ig¢n¢t¡().jm̀, `\___/ `
(default) `*-_-
4Á'l
Figura 27. Modelo de proceso de acceso al canal en la estación móvil.
la estación base le da acceso a la estación móvil, envía una interrupción con un mensaje
PERMISOWOK que le indica que ha accedido a un canal y entonces puede transmitir su
información; para ello existe una transición al estado TRANSMITE. Si la estación base no
otorga el acceso, debido a que la capacidad es excedida, se envía el mensaje PERMISO_OFF
para entonces transitar al estado DESC_PK que descarta la información.
En el modelo puede observarse un estado RETRANSMITE, el cual tiene como función
realizar una retransmisión del paquete de datos si éste fue recibido en la estación base con un
BER menor al establecido para mantener la calidad del sistema. Esta retransmisión ocurre
cuando la estación móvil recibe una intenupción indicándole que el paquete que transmitió
tiene un BER bajo y entonces tiene que retransmitir el paquete, lo que se realiza después de
la terminación de un tiempo para evitar ima situación igual a la anterior.
73
Debido a que se realizó una sectorización de l20° en la estación base, los modelos de
proceso en la estación base están triplicados, de fonna que un conjunto de nueve módulos
pertenece al sector uno, otro al sector tres y un último conjunto que pertenece al sector dos.
Por lo tanto, a continuación se detallan los modelos de proceso desarrollados en la
estación base pertenecientes a un solo sector, ya que el proceso de ejecución de los modelos
en cada sector es el mismo, a excepción de algunos cambios que se realizan en los modelos
de proceso apuntador de antena para cada sector, y en ios modelos asigna sector utilizados
para registrar a las estaciones móviles atendidas en cada sector.
\¿3.8 Modelo de proceso: apuntador de antena enla estación base
Este modelo de proceso es el encargado de dirigir el patrón de la antena direccional
hacia una estación móvil. Se realizaron tres modelos de proceso, uno para cada sector debido
a la sectorización propuesta. El modelo de proceso está asociado a un módulo de antena, por
lo tanto, este modelo de proceso es un módulo procesador adicional que se requiere debido
al empleo de antenas direccionales en el sistema, ya que actúa como la ampliación necesaria
para modelar la antena direccional, y permite al usuario modificar los atributos de la antena
de modo que aptmte a ia estación móvil deseada.
De esta forma, la figura 28 muestra el modelo de proceso encargado de apuntar la
antena direccional del sector uno hacia una estación móvil dentro del sector uno localizada
en la frontera de la celda, que es el punto donde la antena tiene su máxima ganancia.
74
-mr-=,_=mas W, en-r.;;;,3;;,¿¿iL'
/"\_ _ _(fl: I I0..U`.)/ \
-*/ \___..-
.n Yi
Figura 28. Modelo de proceso apuntador de antena en la estación base.
El modelo consta de un estado único POINT; que se activa al inicio de la simulación
y su tarea es obtener la posición de la estación móvil a la que se el haz.
\Z3.9 Modelo de proceso: correlación de códigos en la estación base
Este modelo de proceso se encarga de verificar que todas las transmisiones que recibe
la estación base pertenezcan a una estación móvil registrada en el sector de interés. Si la
estación base no tiene la secuencia de código de ima estación móvil determinada, la estación
base ignorará la señal recibida en forma de ruido, y no habrá comunicación. La estación base
es capaz de generar todas las secuencias de código de las estaciones móviles del sistema para
poder decodificar la información recibida.
En la figura 29 se muestra el modelo de proceso implantado para realizar la correlación
de código, que se basa en el modelo diseñado por [Ga1van, 1999]. El funcionamiento es
el siguiente: se transita al estado ARRIBO al recibir un paquete de información; en este
estado, el sector de interés produce todas las secuencias de código de las estaciones móviles
registradas en su base de datos de sector. Se transita al estado ESPERA y este es el estado
75
activo mientras no arribo un paquete. Otra tarea simultánea es obtener las secuencias de
código en base a la información recibida de todas las estaciones móviles, y se realiza en
el estado CORRELA, que lleva a cabo la correlación entre todas las secuencias de código
recibidas en la estación base. Si la información recibida es efectiva, se transita al estado
TX_PK en donde el paquete de información se envía al siguiente módulo.
í es fmcas E.Wì.=..~",mà Í ~e~±;í†í,*,;ff1=--~†-,A
(mino)
i (muro) , ' ' Í ` " \ _` ('l“l_Pl<)
-› { O la-sal]“_” 1/ 1, i--W--V(afmifi ' ¿'
ltwflllll-\
if '›
ll .
.|
Figura 29. Modeio de proceso correlación de códigos en la estación base.
\{3.10 Modelo de proceso: asigna un sector en la estación base
Este modelo de proceso, es el encargado de atender las solicitudes de las estaciones
móviles para tener acceso a un canal. Cuando la estación móvil desea transmitir, envía primero
una petición a la estación base solicitando un canal y es entonces cuando este modelo de
proceso inicia su ejecución. Dicho modelo se muestra enla ñgura 30.
Es importante recordar que para cada sector existe un modelo de proceso que asigna
un sector: Los tres módulos trabajan en forma simultánea; de esta ferina, es claro que las tres
76
WM@ Ed¡1ør=|›fi|n_=ø¢V _ V _ _ 7 É Mi S _ _”
1
(mano) _
f"' "_ -,"' (Anno) , ¡I E
1 ?
`\
.A-\_If
,¢AJ^\\ f1¡
1 /:1 ,I ,yI 1I I| I|II
l I6:hulk) bano" ) _
, ,
\\ .Jr
II 1 I I
- / I, ( mima) \ ` ~ r _ inmune)/ ,,_,. \ \ _ ,_,
I 'I \ _ V 7I, ji 1',' , _ \ ,_ _
___ '(IIl.I2Í0) ' ' _`~ † (mn-_mum) _
i l W _ ' 'W ,
Figura 30. Modelo de proceso asigna sector en la estación base.
antenas reciben las señales de las estaciones móviles pero, en cada transmisión, únicamente
una antena detectará el nivel de la señal lo suficientemente fuerte, y las antenas restantes
recibirán esta señal como interferencia. Es decir, el sector que detecte la SNR por arriba del
umbral predefinido será el que atenderá la transmisión de la estación móvil, mientras que los
sectores restantes, que detectan entonces un nivel por abajo del umbral predefmido, ignorarán
la transmisión.
En la figura 30 se observa el estado INICIO, que se encarga de registrar en su base de
datos a la estación móvil después de haber determinado que si pertenece al sector y comprobar
que si hay capacidad para atenderla sin degradar la calidad de los servicios ofiecidos. Del
estado INICIO se transita al estado ARRIBO cuando se recibe un paquete de solicitud de
i
77
canal; del paquete se extrae la SNR, que se utiliza para determinar cual de los tres sectores
atenderá la transmisión de la estación móvil. Cuando se obtiene la SNR y entonces se conoce
que sectordetectó el nivel de SNR arriba del umbral predefmido, se envía a la estación móvil
la respuesta de acceso al canal para que transmita su información. En este estado también se
realiza una búsqueda en la base de datos del sector para determinar si la estación móvil que
soiicita el acceso es un nuevo usuario en dicho sector, un usuario ya registrado en la base de
datos del sector o un usuario que solicita acceso debido a una solicitud de transferencia más
suave de llamada proveniente de otro sector. En el otro extremo, los dos sectores detectan el
nivel de la señal de la estación móvil por abajo del nivel de umbral predefinido, y determinan
que esta transmisión no les pertenece. A1 suceder esto, ambos sectores realizan una consulta
en su base de datos para determinar el registro de la estación móvil transmitiendo. Si ya está
registrada (con una transmisión anterior), es necesario eliminar su registro de la base de datos
apropiada. En el caso de no existir registro de esta estación móvil (transmite por primera vez
en ei sector), únicamente se elimina del sector la solicitud, siendo claro que la estación móvil
ya está siendo atendida por otro sector.
Si se determina que la estación móvil es un nuevo usuario en el sector, se transita al
estado NUEVO__USUARIO y se registra en la base de datos. Si la estación móvil es tm usuario
ya registrado (atendida anteriormente en ese sector), se transita al estado ACTUALIZA ya que
este usuario sigue siendo atendido por el mismo sector En el caso de que exista registro de
la estación móvil en la base de datos y además que el nivel de ,SNR del paquete recibido
esté por abajo del umbral, se transita al estado REG__I-IANDOFF cuya tarea es eliminar el
registro de la estación móvil y solicitar la transferencia más suave de llamada a alguno de los
78
sectores vecinos, siendo el sector que detecte mayor SNR quien atienda dicha solicitud. Asi
mismo, también se transita al estado BORRA cuando el nivel de SNR del paquete recibido
está por abajo del umbral y no hay registro de la estación móvil, y simplemente elimina el
paquete actual en el sector. Finalmente, el estado SOLICI'lA_HAND se activa al recibir una
interrupción proveniente de cualquiera de los dos sectores restantes que indica una solicitud
de transferencia más suave de llamada, y su tarea es determinar si hay capacidad para atender
la solicitud y si es asi la estación móvil solicitante se da de alta en el sector correspondiente.
Como se mencionó, el mismo modelo de proceso se lleva a cabo paralelamente en
cada sector, por ello, por fines prácticos solo se muestra el sector uno (figura 30).
\Z3.1I Modelo de proceso: filtra paquete en la estación base
Este modelo de proceso', mostrado en la figura 31, se encarga de distribuir los paquetes
que recibe la estación base para los diferentes servicios disponibles en el sistema como voz,
video, datos y de acceso.
Hucess Edìlol' filtrajk VJ
Iliinirriiol ` V' '-›
Figura 31. Modelo de proceso filtra paquete de la estación base.
79
Dependiendo del tipo de paquete recibido, se envía el paquete al módulo
correspondiente. Como se mostró en el modelo de nodo de la estación base, hay tres módulos
procesadores para los tres tipos de información y uno más para procesar el paquete de acceso.
El modelo consta de dos estados, donde el estado RECIBE se activa cuando se recibe
un paquete y determina que tipo de paquete se recibió extrayendo el valor del campo del
paquete tipo. Después envía el paquete al módulo siguiente.
\Z3.12 Modelo de proceso: recibe paquete en la estación base
Este modelo de proceso se encarga de recibir los paquetes, existiendo un modelo de
proceso para cada tipo de servicio. La figura 32 ilustra el modelo para el servicio de voz.'I "'F' ' E ¡¡ _ ¡eg°_u_B
f--'z.;¿._¬:.;`~~-› l J
, '¿
(tii)
Figura 32. Modelo de proceso recibe paquete de la estación base.
El estado RECIBE se activa al recibir un paquete y es entonces cuando se extraen los
valores de los campos que ahnacenan la relación Ef,/NO, C/I y BER para realizar los cálculos
que permitan medir el desempeño del sistema. El modelo se encarga de obtener los valores
de los campos mencionados para cada uno de los paquetes recibidos y almacenarlos, para
después manipular dichos valores. Cabe hacer notar que estos campos no existen en una
80
transmisión real, sino que se utilizan en este modelo para facilitar la medida de desempeño
del sistema. D
\¿3.13 Modelo de proceso: genera estadisticas en la estación base
En este proceso se lleva al cabo el cálculo de los diferentes parámetros necesarios
para medir el desempeño del sistema. Los cálculos se almacenan en valores escalares que
posteriormente se utilizan para generar gráficos que muestren el desempeño del sistema. La
figura 33 muestra este modelo.
msm 5.1710" rgnmiíäi 7-«W- IE
'_/<?=Ãñš»É__v›Í¿›"̀t
-''J
Figura 33. Modelo de proceso genera estadisticas en la estación base.
Como se observa en la figura 33, existen dos estados, en donde el estado TERMINO se
activa al finalizar la simulación. Dicho estado se encarga de tomar los valores coleccionados
de los parámetros que se han de medir, que se obtuvieron de todos los paquetes recibidos en
la estación base. '
8l
V4 Modelo de parámetros
Un modelo de parámetros es un conjunto de datos estructurados los cuales se utilizan
para caracterizar propiedades más complejas de los objetos. Los datos están organizados
en tablas de dos o tres dimensiones. OPNET pennite manejar cinco géneros diferentes de
modelos de parámetros, de los cuales se explicarán solo los dos de interés para la realización
de este trabajo de tesis:
Funciones de modulación. Las cuales se emplean para caracterizar la vulnerabilidad
al ruido de un esquema de modulación. Estas funciones grafican la tasa de bit erróneo (BER)
de una señal de información en función de la relación señal a ruido efectiva (Eb/NO).
Patrones de antena. Se utilizan para modelar las propiedades de ganancia de la antena
en función de la dirección. El patrón de la ganancia especiñcado mediante un modelo
de parámetro para la antena, prove los valores de ganancia dependientes de las posiciones
relativas de los nodos.
Como se mencionó anteriormente, los modelos de parámetros que se implementaron
para el modelo son los referentes al patrón de las antenas direccionales y la tabla de
modulación para el esquema que se emplea en este sistema. Ambos modelos pueden
establecerse gráficamente en el editor de parámetros de OPNET, sin embargo, éste es
inevitablemente impreciso. La manera más precisa para especificar los modelos anteriores
es a través del desarrollo de una aplicación Ema (External model access) que entonces puede
ser apreciada en el editor de parámetros de OPNET.
'82
Ema es un témiino en OPNET que se define como la técnica por la cual, OPNET puede
tener acceso a un modelo externo (por ejemplo, sin emplear los editores gráficos de OPNET).
La definición de acceso a dicho modelo incluye su creación, modificación y extracción de
datos. Ema se implementa por medio de una libreria de funciones de C/C++ que sirven como
especificación programática, a tal librería se le llama paquete Ema. V
El desarrollo de estas aplicaciones se debe, entre otras cosas, a los requerimientos de
los usuarios de OPNET que necesitan, por ejemplo, desarrollar grandes modelos involucrando
muchos objetos e interconexiones, lo cual es tedioso si se realiza desde el editor gráfico,
además de que es una situación propensa a errores cuando se especifican los valores de los
atributos de los objetos.
Dentro de Ema, los atributos de los modelos de OPNET se describen en una
metodoìogía orientada a objetos, lo que reduce drásticamente el número de funciones
que deben aprenderse para especificar modelos. Además, permite que los programas de
aplicación que procesan los modelos sean escritos en un estilo genérico; esto es, en un estilo
“independiente del modelo”. Por ejemplo, puede escribirse im modelo Erna que imprima el
contenido de un modelo utilizando el mismo algoritmo, sin tomar en cuenta el tipo de modelo
involucrado.
Algunos de los modelos soportados por Ema son modelos de red, modelos de nodo,
modelos de proceso, patrones de antena y funciones de modulación, por mencionar algunos.
Puesto que los datos necesarios para el modelo del patrón de antena están organizados
en tablas, file necesaria una etapa anterior a la implementación del modelo. En esta etapa se
83
realizó un programa en MATLAB, donde se utilizó la ecuación del patrón de antena descrita en
el capítulo de modelo matemático para obtener los valores de ganancia. De la misma manera,
para obtener los datos referentes al esquema de modulación, previamente se desarrolló un
programa en MATLAB para recopilar los resultados.
\Z4.1 Modelo del patrón de las antenas direccionales
El principal papel de los patrones de antena es describir la ganancia direccional de tipos
específicos de antena. Los patrones en OPNET son funciones numéricas de tres dimensiones
especificadas en un espacio de coordenadas esféricas. Las variables independientes de la
función son los ángulos 45 y 6, y la variable dependiente es la ganancia 9 en la dirección
espeeificada por qô y 9. Los valores de çó representan superficies de cono que se “traducen” en
coordenadas cartesianas y se describen por funciones numéricas de dos dimensiones llamadas
planos. Para cada plano de 2 dimensiones, la abscisa de la función es 9 y su ordenada es el
valor de ganancia asociado 9. El patrón de la antena de tres dimensiones es así representado
por una colección de planos de dos dimensiones. El número de divisiones de 0 es siempre dos
veces el número de divisiones de (15. Por omisión, las divisiones de ¢› se establecen en 36 y las
divisiones de 9 en 72. El intervalo de gb es de 0° a 180° y el de 9 es de 0° a 360°. Los valores de
la ganancia van desde valores negativos a valores positivos, medidos en unidades de dB. Al
especificar los valores de ganancia para todos los puntos de 9 de un plano, se define el patrón
de dicho plano. A su vez, todos los valores de ganancia especificados para la colección de
planos, define el patrón de tres dimensiones de la antena.
84
En el patrón de las antenas direccionales para la estación base, se especifican 36 planos
para ¢ y por lo tanto, existen 72 puntos de 6? que describen la ganancia. Para los planos de
¢› = 45° a qä = 0° la ganancia es mayor. Dicho patrón fue obtenido vía el desarrollo de una
aplicación Ema.
En la figura 34 se muestra el panel gráfico del patrón de una de las antenas. En dicho
panel, se define cada plano qä especificando los valores de ganancia para varios grados de
0. En ia parte superior izquierda del panel gráfico, se despliega el valor actual para qt 2 0°,
indicando que la fimción actual representada en el panel gráfico es la del plano de 0°, para el
cual existe un valor de ganancia. La ganancia de q'› = 0° es 0 dB y permanece constante para
todos los valores de 9.
l 01! «Mr-II (Il I Ill ' 0 (lll)
| 1 I |3¢S'8¦
, >-...__-___í .-°i
i
=, 1-"'”“mí ¦°, 3,»- ¦¦ø 115 ÍÍIIlll-A (Ilfl
| ¡mn-.¬. pi-u' V 1 V W za- ¢-.ie aun». ¡um»1-
ÉïdÍIÍJÍI I V 7
1
l
Figura 34. Patrón de una de las antenas direccionales con valores de ganancia para el plano<,z'› = 0°.
85
En la figura 35a), se muestra que para el plano qö = 90° la ganancia es de -20 dB y
permanece constante para cualquier variación de 9, mientras que la figura 35b), muestra los
valores de ganancia para el plano 45 = 45° en -4 dB.
1i
1
ll 7
1 -inl
` _ ~ , ,1 gm (uuu: :Il t M1 I $0 (UI)l su i
10 ff,i. 1
x sïlïlïl-----11i ` Tïlèí"-n ~ Â 12 F ¡10 ll! IÍQmu ru gi
t-u]1I 0Uuu:
|=-_--=¢¬.¢¢.¢a- i
a) Plano 4') =-7 90°.
4J
nu nm-› <o› | un - es mm D
¡I ~ ff- -
IIS Iuna (ug)
AT
i reïí
, Í
O l»
Wp|ip,ip lFigura 35. Patrón de una de las antenas direccionales con valores de ganancia para dos planos
Z Z Z lÍ)Plano¢=-445 .
\C4.2 Modelo de la tabla de modulación
En la misma fonna que se desarrolló ei modelo para la antena, se implemente un
modelo para la modulación QPSK que se utiliza en el sistema, y se muestra en la figura
36. En dicha figura, se observa la tasa de bit erróneo (BER) en función de la relación E1, N@
para el esquema de modulación QPSK.
l V H fwiññlvaf-a|rn|nrE¢iInr.qpsi';Í1짛rl '='==="1"" H M K__ K:'ri a f __
|`I
Í@
IS'0,0
0 0125
001
0 0075
ñ O05
o ooz;
l
. 1 l10u ` `¡fi 5 7.5 12 s rs 11 s al 22.5
lhlm
Figura 36. Tabla de modulación QPSK.
vi SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DERnsunnwos
IfVI.1 Introduccion
En este capítulo se muestran los resultados de las simulaciones que se llevaron al
cabo utilizando el modelo propuesto. Con los resultados es posible analizar el desempeño
de dicho modelo. E1 plan de corridas de simulación constó de varios grupos de seis
conidas, cada corrida con una duración de 6 horas; dicho tiempo fue suficiente para obtener
resultados adecuados, considerando un tiempo de calentamiento necesario para que el modelo
se estabiiizara y pudiera generar resultados confiables y lo más reales posibles. En la tabla
V se muestran ios parámetros para la generación del tráfico en el modelo propuesto según
[Tarnayo, 1997]. _
' Tabla V Parámetros de los servicios ofrecidos.
Voz (telefonía)
lp Tasa de interarribo (media) _ 0.5 llamadas/hríusrDuración de la llamada (media) l20 seg.Datos (transmisión de archivo)
Tasa de interarribo (media) _ 0.05 conex./hr/usrDuración de 1aiumada(m¢an) W 1.6 Mayas
pl \rraep(v¡d¢o±=1ef0n¡a) Í pi*Tasa de interarribo (media)W , 0.1 llammlas/hr/usr i
Duración de la llamada (media) - l'2tlÍseg.V
Modelo de interarribo para los tres servicios t Pcnssonl 1 Modelo de duración de llamada para los tres servicios Exponencial
88
La tabia VI especifica el grado de servicio a cumplir para los diferentes servicios
disponibles en el modelo, de manera que tenga un desempeño aceptable, y la tabla VII muestra
los parámetros de la interfaz de radio del modelo propuesto DS-CDMA los cuales siguen las
especificaciones de CODIT [Barberis y Berruto, 1997].
Tabla VI. Grado de servicio a cumplir
“Grado de servicioacumplir |í Voz H Datos I] Videor H[I rasadeibqiienónwman) ì<1x1o”3_|] <1x1o"6 [| <1x1o†§"l]
Tabla VII. Parámetros de las corridas de simulación
[fMoìdelo propuesto DS-CDMAlnterfaz de radio Í
¡`:2""....=Ii2$=$èíííí íåí
H Esquema de acceso múltiple DS-CDMA
H Esquema de modulación QPSK
|rAncho de banda del sistema 26U Tasa de transmisión Ñ _ 64 KbpsH Duración del marco 10 ms
VI.2 Análisis de desempeño del enlace de subida de unIf
sistema sectorizado y de un sistema sin sectorización.
Se desarrollaron dos modelos de simulación que permitieran llevar al cabo el análisis
del desempeño de un sistema que utiliza antenas direccionales (sectorizado) y otro que emplea
una antena omnidireccional (sin sectorización) en la estación base. Con los dos modelos, cada
uno con su patrón de antena, es posible realizar una comparación clara entre los efectos de
ambos tipos de antenas en la tasa de bit erróneo (BER) en función de la directividad. Los dos
patrones de antena se muestran en la figura 37. h
89
El primer sistema tiene un patrón de antena ornnidireccional para la estación base, que
es un patrón utilizado en los modelos tradicionales de sistemas celulares, y se muestra en ia
figura 37a).
El segundo sistema presenta la configuración empleada para ima sectorización de 120°
en la estación base. En el modelo, la estación base tiene tres antenas (una por cada sector en
que se dividió la celda); el patrón de una antena cubre la región de -60°a 60°, el de la segunda
abarca la región de 60°a 180° y el de la tercera región va de 180° a -60°. En la figura 3'/b) se
ilustra el primer sector._ 1 9 1
[2 . H DI , HDB ›__, -¬:- ' ___.__ 0.75
.f '-.<=-== 2 s15! / 1' ` . " ._ `- 3 *B -' ¬ .L 0-5 .' ` 3¬-.' -.'._°-*.' ' «' sr' : N -'.' \,' ¦ ':'- ` * .' ¬ ' ' 2 -'. . , , . « ,- , 3 ¦ . .,.' ._ . .ru ~_, . __ _ ,-1 .-'¦-:.` _›` t __'/_ , UV. ._. ` '_`i.. ,\-' ›¬ `,',' -1 1 ›. . i . › *., .' - .
1 0- |› I, , . .
in ~----- ¬ -g--¿'.:::;--f---J › › › u II ----;- - -¬~_›~--f _. ,r , - . ¡I ' 1 .',' \`*._¡'- .' W '_\- ¬ I -f 4 - » 4*.' -K .' 'f *. ' .' `f. ' ›' - -y' ~ 1 - › i c , `-` `.\ ~._ | 1 _ . ,3. ¬ ; -ur--' «_ ,› ~,.
-- '. ¦ ( .' ¬- .- _ 1 _. 4 ` _, . . .211 ~ , -_;__¬-_ ,f 33 zll _ ,* IiX; ~ »_ ', _
1 r-._ _______ -' - . - i. _ - , ¡ .. _21 - 3 240 - 1
2.) omnidireccienai b) DneïcionaiFigura 37. Patrones de antena utilizados en la simulación.
Para evaluar ei desempeño de los dos sistemas en el enlace de subida, los dos modelos
de simulación utilizan una geometría como la ilustrada enla figura 20.
En la figura 20 existe una celda central y una fila de celdas adyacentes, y se establece
que la fila de celdas adyacentes contribuye a un nivel de interferencia total hacia mi usuario
localizado en la celda central. En ambos modelos de simulación, los usuarios se distribuyen
aleatoriamente dentro de ia celda, existiendo un número K de usuarios por celda. Las pérdidas
por trayectoria para cada usuario se calculan de acuerdo al modelo de pérdidas por trayectoria
90
según [Rappaport y Blankenship, et. al., l997]. La ganancia de esparcimiento del sistema
DS-CDMA es Gp = 316.
Se aplica un control de potencia que compensa las pérdidas por trayectoria, evitando
entonces el efecto cercanía-lejanía.
En la simulación de los dos modelos, la densidad de usuarios varía desde 19 hasta
117, en incrementos de 19 usuarios, de modo que en cada corrida de simulación del plan
establecido cambia la densidad de usuarios en la celda. Esto da lugar al involucramiento de
diferentes niveles de interferencia, que se modelan en la relación C/I, según la ecuación (17).
En las siguientes secciones se muestran los resultados obtenidos de las simulaciones para los
dos modelos mencionados, y se muestra ciaramente la influencia de la interferencia en los
sistemas DS~CDMA, razón por la que se les ilama “sistemas limitados por interferencia”.
El procedimiento para determinar el desempeño del sistema sectorizado y del sistema
sin sectorización y realizar una comparación entre el desempeño de ambos sistemas es
exactamente el mismo. La diferencia radica en que en el sistema sectorizado la medición de
los diferentes parámetros se realiza por sector, mientras que en el sistema sin sectorización,
el análisis se realiza por celda.
El análisis de desempeño de los dos modelos de simulación, se basa primero en la
formulación del modelo matemático descrito en ei capítulo \§ que permite determinar la
capacidad en términos del número de usuarios, considerando la sectorización, monitoreo de
actividad de voz, así como el control de la potencia. A la vez que el modelo también plantea
una ecuación para modelar la relación C/I, además de incluir a la tasa de bit erróneo (BER)
91
deseada en el receptor. Los valores resultantes de dicho modelo, se cotejan entonces con los
resultados de la simulación de los dos modelos mencionados.
La capacidad teórica encontrada es de 110 usuarios en la celda central con sectorización
y monitoreo de actividad de voz según la ecuación (20) mostrada en el capítulo V
En la simulación de los modelos, primero se determina el valor de la relación C/I
para cada usuario en ia celda central, según la ecuación (17). En el caso del sistema sin
sectorización F, 2 1, mientras, que F, = 0.3611 para el sistema sectorizado de 3 sectores
ya que se considera una sectorización imperfecta. Después, se procede a calcular la tasa de
bit erróneo (BER) para cada usuario dentro de la celda central. De este procedimiento queda
establecido que la tasa de bit erróneo en el enlace de subida para el i-ésimo usuario en la celda
central se calcula a partir de la relación C/I.
Una vez que se obtuvieron los valores de la relación C/I y la tasa de bit erróneo para
cada usuario en ia celda central, las tasas de bit erróneo resultantes para cada usuario se
promediaron para obtener una tasa de bit erróneo promedio para la celda o para el sector,
según sea el caso. Así, la tasa de bit erróneo en simulación se determinó para 117 usuarios
transmitiendo en la celda central y los 702 usuarios restantes interfiriendo (localizados en las
celdas adyacentes), sólo contribuyen al cálculo de la relación C/I.
Se obtuvieron resultados para los dos modelos, los cuales corresponden a diferentes
etapas en que se desarrolló la simulación, en donde cada etapa realiza una prueba determinada.
Pruebas para el sistema sectorizado:
92
a) Directividad del haz de radiación de la antena direccional empleada.
b) Tasa de bit erróneo.
c) Relación portadora a interferencia (C/I).
d) Control de potencia para compensar la interferencia en el sistema.
e) Tasa de bit erróneo con control de potencia.
I) Relación portadora a interferencia (C/I) con control de potencia.
Las pruebas se realizaron para cada uno de los sectores de la celda bajo estudio,
excluyendo las pruebas a) y c), puesto que éstas no requieren un anáiisis individual por sector.
Pruebas para el sistema sin sectorización:
g) Tasa de bit erróneo.
h) Relación portadora a interferencia (C/I).
VL3 Análisis de desempeño del sistema sectorizado
VI.3.1 Directividad del haz .de radiación de las antenas direccionales dela estación base '
El análisis mostrado en esta sección se lleva al cabo por sector. Es decir, primeramente
se muestran los resultados de los parámetros antes mencionados para el sector uno, después
para el sector dos, para fmalizar con ios resultados del sector tres.
93
Esta prueba tiene como objetivo probar la directividad de ia antena direccional
desarrollada para la estación base. Estos resultados permiten observar como varía la ganancia
de la antena dependiendo de la locaiización de la estación móvil transmitiendo su señal.
Como se mencionó, la celda central se divide en tres sectores, donde cada sector
tiene una antena direccional y cada antena tiene un ancho del haz de 120°, de manera que
la estación base tiene en total de tres antenas direccionales con las que se cubren los 360° de
ima circunferencia. Para lograr el objetivo de la prueba se situó un móvil en la celda central, al
que posteriormente se le defmió una trayectoria circular alrededor de la estación base dentro
del radio de la microcelda. La trayectoria para el móvil en cuestióncomienza en el sector
uno, continúa en el sector tres y finaliza en el sector dos.
De ios resultados obtenidos en ia simulación es posible observar la variación de los
niveles de SNR detectados por la estación base provenientes de la estación móvil transmisora
que está en movimiento, y comprobar que, debido a que las señales recibidas provienen de
diferentes localidades (debido al movimiento del móvil), la ganancia de la antena cambia, io
que explica los distintos niveles de SNR detectados.
Se realizaron varias pruebas de este tipo variando la cantidad de tráfico en la celda,
para comprobar la afirmación antes mencionada y se obtuvieron resultados similares, por lo
que no se considero necesario incluirlas todas. Es importante destacar que dichos resultados
comprueban que las antenas implementadas en el modelo son completamente direccionales y
que trabajan de manera eficiente.
94
En la figura 38 se puede observar la variación de los niveles de SNR detectados en la
estación base. Comenzando el análisis en el sector uno, en la figura 38a), se puede apreciar la
variación del nivel de SNR detectado por el sector uno, presentándose niveles altos (señales
fuertes) que provienen del móvil localizado en dicho sector. Así mismo, se observan otras
señales detectadas por el sector uno, cuyo nivel es muy pequeño (señales de interferencia,
muy débiles), que son señales que sensa la antena del sector uno cuando la estación móvil
se aleja de su área. Mientras la estación móvil Se encuentra en el sector uno, el nivel de
las señales en el sector uno es elevado, y cuando la estación móvil ha salido del sector mio
(debido a su trayectoria), el nivel de las señales detectadas en el sector uno es pequeño. Es
decir, estas señales son señales de interferencia detectadas por el sector que provienen del
móvil que ahora se encuentra en algún sector vecino. Las señales de interferencia entonces,
son señales que la antena “rechaza”, ya que provienen de transmisiones de otro sector
La figina 38a) muestra el sector uno. Mientras el móvil se encuentra en este sector, la
antena detecta señales con nivel fuerte (-11 dB) provenientes de un móvil en dicho sector.
Sin embargo, conforme el móvil sigue su trayectoria, llega un momento en que la antena
detecta señales con nivel débil (-21 dB), dicho nivel se debe a que el móvil ha salido del
área del sector uno y se encuentra en alguno de los sectores vecinos.
La situación antes descrita, es similar en cada sector.
En la figura 38b), se muestra como el nivel de las señales detectadas por la antena del
sector tres varían conforme la trayectoria de la estación móvil sigue su curso. Mientras la
estación móvil se encuentra en este sector generando tráfico, el nivel de las señales es alto
95
(-11 dB). Sin embargo, a medida que la estación móvii se aleja del sector tres, el nivel de las
señales se debilita, hasta que finalmente, al cruzar la estación móvil la frontera de este sector,
el nivel de las señales es muy débil (-21 dB).
Por último, se analiza el caso del sector dos. La figura 38c) ilustra que mientras el
móvil se encuentra en este sector, el nivel de las señales es alto (-11 dB), sin embargo, a
medida que el móvil se aleja del sector, el nivel de señal disminuye, y al igual que en los otros
sectores, cuando el móvil cruza la frontera, la antena detecta señales muy débiles (-21 dB
_”¡_›0mX0t0l___(Qu_hn0_L0u___,_mm
___
M
_M
IEIEEE!
7ì7ìI___________M
_WW_H__
_
Wšiiìlm||||¡É,__ì_¡¡¡_EEA ì[›
_
ÍW
__W___'__¡Í_ll|'¡l'_lÍ_l_Á_|-[________l_l[_+¡¿___|___l___t_Lt,`
ÉM_”H_NWH¿Íd_k___É
_W
Í
U_
llll_I_'_I__¦_¡___l
__
4533S22511500ì_DD"_D1X(›9¡_›(íWrOtCCSQ
W›___I___tÍMcQI(CUhn0MM____
______`__________J.___I_|__¡_____'x__¡]_¡____'_____<_ì_ì__
_
_
iii!lãlìiflE
___
_____i_|
S3 4)00001I(mM___2
|_I_|_|__I_____l_']_¡I______¡¡_I¡__r__'_2
S11S0
A_0
SCUIOtCGS)__D
m)___0GÍu0____,(__u›n0¡_GM_.__nC
__¡!__¡_
F¿N
El!¦_EIETIE¡_F___¦¡_¡¦__3Eihiì____É¡ÉI
__
_
W_
E!_¡___¡____¡____¦__'___¡__¦___¡_ï_¡¿__¡
__
M_HM
WppppppI {ÉÉET_ÉT____
_4
_
¦
š_Á__
050S0S
05050505USUS12233'__d22331̀___¿_¿__”3_ 1
_
1)00001___()Í-___(m
wdMtCBS)C
ad1BC816dSmOtGCSSCHS01nCSBdSG1G_WN8_33
5WD_"F
Cd_3n0tCW3U31_0Cwmd0m6S6UqmmSC13DO_lC__m3%bWD__HOMZH3CrCSO,M1OWOrOP
S3_nOtCBWUü1CdS0'Id8ÍS01m_mmVWmD___mMWHEamd_1CCM3tSBSWMüVymn,O_1CatSC31
97
alrededor de la estación base. Con ellas, se determinó el nivel de umbral para iniciar el proceso
de transferencia más suave de llamada en el sistema DS-CDMA. Los resultados de las pruebas
fueron similares, de manera que se puede afirmar, que cuando el nivel de la señal de la estación
móvil está abajo de 5 dB, la estación móvil se encuentra en la frontera de dos sectores -
saliendo de uno y entrando a otro-, y es necesario realizar la transferencia de la llamada. El
valor de 5 dB no cambió durante las pruebas realizadas, por lo tanto, se concluye entonces
que aunque existan móviles más alejados o más cercanos a la estación base, el nivel de umbral
para la transferencia de llamada se mantiene sin cambio.
En conclusión, estas pruebas fueron importantes, ya que permitieron detenninar el
grado de directividad de la antena (al definir la trayectoria del móvil por los sectores de ia
celda), así como el nivel de umbral para realizar la transferencia más suave de llamada.
VI.3.2 'Basa de bit erróneo (BER) del sistema sectorizado
La probabilidad de error Pe y la tasa de bit erróneo (BER) se utilizan en fonna
intercambiable aunque en la práctica tienen significados distintos. PE es una expectativa
teórica (matemática) de la tasa de bit erróneo para un sistema determinado y BER es un
registro empírico del verdadero rendimiento de bit erróneo de un sistema.
En el modelo desarrollado, se utilizó modulación QPSK. Según resultados reportados
en [Galvan, 1999], esta es la técnica de modulación que maneja de manera eficiente los
servicios futuros de los sistemas de 3G utilizando DS-CDMA. Además, dicho esquema de
modulación es más resistente a los distintos tipos de interferencia [Galvan, 1999].
98
A continuación se muestran las gráficas obtenidas del BER y de la relación C/l para
los seivicios de voz, video y datos disponibles en los tres sectores de la celda, es decir, en el
sistema total.
VI.3.2.1 Desempeño del sector uno
La figura 39 muestra la tasa de bit erróneo promedio contra el número de usuarios en
el sistema. Puede apreciarse como aumenta la tasa de bit erróneo conforme el número de
usuarios se incrementa.
En la figura 39, se puede observar que mientras el número de usuarios en el sistema
no sobrepasa el límite teórico calcuìado según la ecuación (20), se mantiene la calidad de
servicio requerida para todos ios usuarios en la celda. Como se mencionó anterionnente, el
número máximo teórico de usuarios por celda transmitiendo al mismo tiempo que se encontró
es 110, y cuando el número de usuarios alcanza esta cifra, el valor del BER obtenido cumple
con el establecido para ofrecer una buena calidad de servicio.
En el caso del sector uno el BER para ei servicio de datos es mostrado enla figura 39a),
y se puede observar que con 19 usuarios (primera densidad de usuarios en la simulación) el
BER es muy pequeño, y conforme incrementa el número de usuarios progresivamente, el BER
se incrementa, de modo que cuando en el sistema hay alrededor de ll 7 usuarios, el BER se ha
incrementado a 8.712: 10-6, sin embargo, aún se mantiene en el orden de magnitud requerido
(1x10"6).
99
La figura 39b), ilustra el BER para el servicio de voz, y la situación es similar a la
figura 39a) cuando aumenta graduahnente el número de usuarios en el sistema. Así, el BER
sufre un incremento. A pesar de ello se mantiene la calidad de servicio para más de 110
usuarios. Si el número de usuarios en el sistema es 19, el BER es de 1.2O:c1O"23, en el caso
de 117 usuarios el BER es 4.90xl0_5. Estos resultados son mejores que los exigidos para la
voz, de modo que el sistema propuesto ofrece una buen calidad de servicio.'tun de Bit. Erroneo (ID) para datos en el neto: me lxlz-IG)
3 ' ' 7 ' i †"†'í' 2 f _ 2 a= a
¬._..¿..._.,.._...,. .mts.__-.;.,_._._._.._.._____..-.._l_...._.--___,...
....¦.._a.x...........,.__......
\\
\. me 2 _ 1 -_ __ Ni a AT * .___ , ya _ 1 _..._¬__.-_-_.
i“K _ mi ""_"`l”” _ _
1 - s ^13 r _E . _
! ¡ 2 2 2 !_____ ¡_____ † 1 5 __ V __. _ , __ ,___ __ ` 2 _i 1 . .
. 7 _ __ i = 1e rr- f i _ t - V -1 M--efi _ _ ,_ , _ 1,, _ ã1é ' mg É `, ' _
10 20 30 40 $0 60 70 IB S6 100 110 120
a) BER para datos.
H
O
Usuuiøs
'hn de Mt 211-once (tn) para vn: un c.I. sector um (xlc-IIS)
5 ' ' 5 T" ¿ **"'r ffiìfi _ ff"'ï"r 'rrrr'
4 "'* ' ' › _ . =É 2 . ___.__¬______ ....__l__._._, â E ã 13 ¿_...._. ,, V- _ "_ †~- _ _, ...._- V ..._
i: t !1 __ _-__ -† 'ÍÁÍ = è r W
.......__..T........_....,...._.¡___._¬._
_......_._-..1_....._....__..É.
..!.__
I l
_ i = _1 - "~ _ i r = ~ ~^ ' -er "' M ^~- _§ ' ' i ¡ s5 E __ _ _I
0 Í 3 1 W, , †10 20 40 50 S0Q Q-___... -a 9 00 LA ci H o_. Q un 1- a n N Q
Vnuio t
b) BER para voz.
Figura 39. BER de los servicios de voz y datos en el sector uno variando la densidad deusuarios.
La figura 40 proporciona datos en una escala normal, en donde no es posible apreciar
de forma clara los incrementos de la tasa de bit erróneo conforme aumenta el número de
usuarios. Por lo tanto, en la figura 40 se grafica la tasa de bit erróneo en escala logarítmica,
100
de manera que proporcione una mejor visión de los resultados y se establezca una conclusión
sobre ellos.
BER para el sector uno
1.24141--------------- --' -- - - f « ~ ~ ~ › - ~ - - - - - - - --Í--; ~~~~ -----; ; _ ï > +. ' V -'
~ _ _ - ›.- _-«_ ._.A»_4.¢-f-'$7 ,_ _ _ _1.E-Úfi -~ - - » - - - - - † _ ~ . . - . a . _ _ _ _ . .Í___-...-:›-- - - -L ~' '._____?__ __. _
1_E_0a 1 _.:..._...¬“i,.¬,,_,, i._.........: _.__..,.J†,,,.,1a...:...._._..__;.....,,..,_ Í, ,.rr.
113.10 ___... - .
- 1,5421 _ , r ., , ,
BERprornado _
.ia ; ................ _. .............. 1-_ Y - i 1 7
Í 11.2.16 -W., »_ ~ --' -- ------------- ----------------------- “_1.E-1B- - - - - « --› - - - - ~ ¬ - - - ~ - ~ ¬ - ~ ~ ~ ~ - - ~ » - - - - -~- -- - - - - -¬- † ¬ - - › - ~- ~ - - - - - --›- - - - - ~ - ~ › › ~«~›-«__ i
_1
'LE-20 ~ M › --- - - ¬ ~~ -
1_E_12 ¬ _. _ _ . W _, . . .. . .. . .. -_¬___ _ _ , __ _*_v°l ___ _ _ _
1.E.24 J.¬..---- ~~ - - ~~~~- ----- - ¬ ¬- _ ¿V -I--Datos _.
1.¡;.2a- ---------------------------- ................... -¬¡_s 1 _ _ | _
-¬_ _ _ _ 1 _
. 1 - 1 _ = 1 .LE-28 -F ¡
10 Zll 30 IB 5II fllil 70 B0 BU 100 110 120
Número de usuarios
Figura 40. BER de los servicios de voz y datos en el sector uno.
VI.3.2.¦2 Desempeño del sector dos
La figura 41 muestra los resultados que se obtuvieron correspondientes al sector dos.
Como en el caso del sector uno, el análisis del desempeño se realiza siguiendo la misma línea.
Tal figma ilustra la tasa de bit erróneo promedio con respecto al número de usuarios. De ella
puede determinarse que el sistema tiene un buen desempeño, ya que ofrece la calidad deseada
para los servicios de voz, datos y video soportados en el sistema. Como se puede determinar
de la figura 41, el sistema puede dar servicio satisfactoriamente a 110 usuarios, cifra muy
aproximada a los resultados obtenidos en la simulación. En el caso del servicio de datos,
-l01
cuando hay en el sistema 19 usuarios, el BER es de 1.92a:l0"27, y al incrementarse el número
a 117, el BER obtenido es de 8.71:c10*“6. Por lo tanto, se observa que el sistema puede dar
servicio con la calidad deseada a ligeramente más de los 110 calculados según la ecuación
(20).
La figura 4lb) proporciona los resultados para el servicio de voz, según los cuales
cuando hay en el sistema 19 usuarios el BER es de 1.14:c10"24 mientras que el BER para 117
usuarios es mayor, siendo de 2.50a:10_5. De acuerdo a este resultado, puede observarse que
el servicio de voz tiene una buena calidad.
Por último, se observan los resultados del servicio de video en la figura 41c), en tal
caso, para 19 usuarios el BER es de 1.41:n10_26 y para 117 usuarios, la cifra aumenta a
1.21a:10'5.
A Nuevamente, el BER para los servicios de voz, datos y video se mantiene en ei orden de
magnitud de 1:r10"6 y de 1x10_6, respectivamente, y por consiguiente, el sistema proporciona
buena calidad.
201
ht50___1X(_-h___G¡_c.___1._m'_MI_IIIIP"_I(0On0n.__C¡_II_¢l._IT
___%___
VÑWM_ì___ _WM,ìHJyyyy“_W
W
W,_ ___l_¡¡__n
EME¡ÉìlÍ LN ¿_v__"Ñ
LãmLLìL_¡_L_|_!_N
Í
L|ÍK_¬_i,_=_lìynäëFK___Í_í¿i,,,,HY W_ W_1ì"¿;__¡¡__l_¦___|l_|_ì_,___š_WÉTÄWHšã¿Í¡Í!llllIU¡L_¡¡_NWWM_NW_V
_¦__¡`_¡|_'_¡¡_¡¦________¡__¡!__I__ìì___¿____M,,,,L¦__l¶_,¡rLLE____TL_ìTN,_WZ†_
W0
1
9875543210
cmw3daHpHBMM,
°
0 2'_
_]]__I1|I______¡___:___””_Í1
yy1VW
ÍÍÑu7WN_mV"_
›S0_l1X<ÍO_¢___u___._Í1._m80V_-___ID›BwnM0H._Q_LI._6l“T
___¡¦____l_¡____`__†VAfi¡"____¡__¡___,-____1_____im
AmM___m1T1_¡M!_¡___r¡__|l___†____¡L}._m'_UUUUUUU!M
_ ___
V0
¡_¡_¬¡¿¿¡¡¡¡¡__W___ã†ì¿,¡_S__H_
_ ___
__¡___t|¡_¡_,_0
_____š__ú¡1¡†¡_¡l____|__¡|_w|¡|W8__
_
____1__”t¡____+__¡i_¡¿_¡ì__l__|__¡T__l|
_W
"_G
_H
,¡L¿__________¡_¿ã__šÍ_¡¡¡_||||__0
WV_,
_
Í_
_____]____+__;__4!_____|__|š¬¡l_%¡_¡_____íN
__
____W
¡¡¡Á_J_.______[____¡__¦!__¡¦¿_¡__†¡________ll__________'wEKE;L______ã__¿#11`_fl¡__¡|¡T___|†ìj“___
WV
W_
Ñ_____
W_
i|¡L|I0
1
3S,_5150
LL“_
L0VBMmPREB)b
)5D_.1ü___°6Ih___.___1._mN.__¡_VI2__9__,H0MnQK1B__aIET_EREL________I_L_____¿¡1___¡__¡__i______F_`¡|1w ¡¡¡¡_¦¡¡__¡____fi¡___¡¡_____|_¡'_¡_U
wi"_¡W
E¡_!__¦___¡T_¡¡1|'_____J”_
mM_
__¡_L,_š___Z___¡___ã____”
_[_
Í_____¡¬_¦___¡L___¡______i__ì1¿|“
__V›I____›_¡_¡_¡¡__`__W¡_tl___¡o
¦_¿_¦!¡____________l_5Á*_ì_________¦___¡___¡__¡___il___¡l___¿__¡l_'_,N
__WW
_
_*_
¡________¡___¡ìt¡________L_]`_ì1__N
__________
__|||_|'_¡¡|¡l_'|l0
1
51S55027_2__0_100
___0________"u
QCMVmaPREB)c
81OMMVSOdrOtCCSICmS0__l_mWBSSWmÉ1
dS013Mp06,MUBübem¿WH
U
mm0
Ld4MHdmmg_CHd
M3CSCnCS0d_]WÉOS01C_mCSSCkuS016d0CM"__Ct'1bCd3M313ygCHpSCd248rugfi__aL
_mCBm8BdCUPCSEZH3MV1_1Nm'MmSCACUq3YWmCdmw,dImCBS163Mp3CMwS01
que conforme se incrementa el número de usuarios, la tasa de bit erróneo incrementa. Sin
embargo, aún cuando se llega al limite de la capacidad según ecuación (20), la tasa de bit
erróneo para 110 usuarios en el sistema, se mantiene en el intervalo requerido.
BER para el sector do S
LE -03 f
1.2.05 T --------------------------- -- --------1.E~07
'LE -III
1.E-11~ ------ --------------- ~- - -------------------- --
BERpromedio
_
"rr
4
_
_
_.._._
_ _~¬
-a-VOZ
-Q-DM-0
-¡_-Vido
//*Lewis J------- -------- - - ---- --1.5-15 ----- ----- --- - - ~ A ~---------- ---- --- - ---«1.5.11 ~---- _ -~ ¬¬1.:-19 # ------ ---- - -,_------------------------------------- --1-E-21 - ------ - ------ --_-----1,523 _...'.,_.É _ -H-2----V-.__-_-¿VM-. _-- _ ........ AAA --_
1.5.2: -_------ ------- ------ ------ ---- --1.s.27 ¬ L _» L ~ L
1. 1' 1' Í' Í' Í. 1'
_ Número de usuario
Figura 42. Tasa de bit erróneo de los servicios de voz, datos y video en el sector dos
VI.3.2.1! Desempeño del sector tres
Por último, se realiza el análisis del sector tres, siguiendo nuevamente la misma linea
establecida iniciahnente.
La figura 43 muestra los resultados de la tasa de bit erróneo de la simulación del sistema
ofieciendo los servicios de voz, datos y video.
Para el servicio de datos, el BER tiene el mismo comportamiento que se observo en los
sectores vecinos. De este modo, el BER para 19 usuarios corresponde a 4.89:_:10 ,mientras
F' I I
1II HI 1II
-28
104
que para ll? usuariosel vaìor es 9.7311: 10-6. Por lo tanto, también se considera que el sistema
tiene buena calidad de servicio, aún excediendo ligeramente los 110 usuarios calculados de
acuerdo a la ecuación (20).
En cuanto al servicio de voz, el BER para 19 usuarios es de 1.20:_:l0”", que se
incrementa cuando se tienen 117 usuarios correspondiéndole im BER de 3.7x10“4. Esto
proporciona una referencia de como afecta la interferencia total del sistema en el número
de usuarios que pueden transmitir simultáneamente.
Para fmalizar, en lo que se refiere al servicio de video, cuando se tienen 19 usuarios
en el sistema, el BER es de 1.l4m10_22 que entonces se incrementa cuando el número de
usuarios que transmiten aumenta a 117, siendo el BER igual a 5.38:i:10"5. En este caso, el
valor sobrepasa el establecido de 1:i:10“'6 para el servicio de video. Sin embargo, se puede
apreciar que el número de usuarios que transmite es de 117, que es una cifra mayor a los 110
usuarios transmitiendo en el sistema calculados al aplicar la ecuación (20).
_ 105
fun 6: b.I._: crmmn (nu) pure data: en :L note: tn: (zi:-K)
1° ' ' ' ,_ ' _ _ WK)-___ _ _ , _. ~~~._ _ f“W _ W " _ _ ' /__.. _... _.,_ ._ A .,, Í.- ___, 2 1 77- _ _ _,.__¬ _
...-_-_.....¬`..._.___......1._........._.........._.._†._. m_._1__.__..-.,__1_.._.-._.._..._,._._.|..__.L....i.....›_.._._.._...._4_...... _l--___...,
\__ _E E i___ ;
-"' "e . _ _WM ` _ i_1 .
40 $0 W 70 00 SD 100 110 120QH I:› N Q u ci
a) BER para datos.
Tu; de hit urnnco (I) para voi cn ¡L nota: tx-u (xtllfln)
4 ' = ' §
_+.-..J..r_a..l3.5 “'-- ,~“ Í " -_', f ii i . W
zi --- --qf / ~; __ __
2_S - ~ fi ' rr "' _
2-- ~ ~ rr ~~f ~
J--_;r;si_..
1.5 ~-- r -
_'-S rr ' _...-...š E_ K - _ _ :
Q 'Í ' ~ ' _,, ' - ' † †~10 20 40 50 ¡II 70 ¡II $0 100 110 120
' b) BER para voz. mm”
'nn un Mt arranco (BER) pan video en u neu: tres {x1r-IS) _6 , ,
-..._._,.,_.,,.,_.._____________¬ ,¬,,,¿ \
_ ,_ , , /5 __ _4, ___ ~ -~ ~ † ¬ __ /_ - -
_iv _
i { - i =2 ---W ; “Á -- Í'-" f ' = ' i W" - __ š ï ± '
_ _ _ `1 'W ' _ ““" _ _ ; _ i z f_ E é ! i 1 `
0 ¿W † _ _ Í _ _ - i N _
in zo su so 70 ao so inn no un
c) BER para video. “mmssu9 -A'=__
Figura 43. Tasa de bit erróneo para los diferentes servicios en el sector tres variando ladensidad de usuarios. _
Con el objetivo de apreciar mejor el cornportamíento de la tasa de bit erróneo en el
sector tres, la figura 44, muestra el BER en escala logarítimica, en donde pueden observarse
los resultados proporcionados anteriormente.
106
BER para el sectortres
1¿4z,_ ~ ¿ef ¿ ¿ ; 'fra,__ › 1 1 1 1 1 1 L- › › › | | 1 1 L. | 1 1 1 1 | | | ¡__ 1 1 1 1 1 t t
Í Í | Fu __ì_ -0,LE-I4- ' - ' ' ' "“ . ;¿rd__ ¡i :ii 1 __,~;
1-H' ~ ----- ~~1.E~II-` - - - - - -« ^;;>'›-”'§"*“"":""'
1x41 i 1 ------ -f- --~%!;;;;à~<f7Íe?Í~--~%-~-~~f-~~~. . ,
1¿44« ------ -- - ----~ ~ ------------ ~~
-IÓ
HI ..s Pd Pïi t. 1141 ÁI 41;1
.t1
----¬--›¬--¢--¬---f-¬«-
«|1|›t t|tt.;1 †|.\..r Ki.tt1t`.11t1.›.._11›"|II\II
--..i-.†-..\.-...\..-_...|.--.›.--
..t.t|.«›\¬.tt ItI`I|I \›-››..1 \|!II\ ›-<.»|1t
.-_:..__f-__<.-..'--V'.-1'.-...J...
I|\I|IIi |,›-.› t1t.t=›› ...«.¬-›IIKI¡1Ii ..;›|t|1|.››.<1. ,-.||1t.
¬-r--.--r-1--f'-1r--vr'
|....†..|«|.|›..
LIIIII|I ›|-|--K. ›|||..›| ›|1|i||1 ›|\|11.|--r-¬-~r^-~¬“'-1--¬--v---141 1tt1
›t| tkI
t| ›.
v › ;
_-___L--____-_-K___±__
1IIFFtI1iI1IIII
--›. ..|›.››..|1111.1-r-¬¬"¬'r-'1--1-“rr-¬lIiIII..||1t-.›.1. ÁIIIII1|I|1A\I||¡¡t.|1.1-r-¬-«.--«-.--.-¬ ›r.,..|..=...t.1.1.|.t.1 ›|¦t1.iII†I1›||›t1
_E_1. __. . _ _ _ _ . . † ^ *-'-“1“ ' "1'-'“ “ “ " ¬ “ “ * ^ ^ ` '-
1.{.1s~ - ~ - - - - - - - - - --"*†'~*~“ -
1.5.3- › - - - - - - ^'-1-"--_ ' ' “ " '* " -4-V: ” ' ' ' ' “'
1_¡.¡¡~ . A - - - _ - - - - › - - - - - ~ ~¬~¬~---------- -------- -- 4-»Datos - - - ' - -'
.Hi -------- --vlm ~~~~~ ¬«†~a.. .. .....i.r.t¬.-¬
.... ..›...I1 ..-_ ........ ..1. i.,___ ........ ., ., .. .1¬-¬ .4.i . . . . . ¬-_- . . . . . 1 , . . . . . . . . ._ . . . . . . . . II ..II .... . f I
..¬.. . r . . . .
__¬-. . . . . . .
LE-28
al_J N ___ Ii ,i__ Ju _ III __t__ O __.- Ñ _ É , II _W- -I Ó__. Q Il A -rLean †¬ *Z 1111
Númerodeusuaños
Figura 44. Tasa de biterróneo para los servicios de voz, datos y video en el sector tres. p
Como se observó en ios resultados de esta sección, la tasa de bit erróneo para cada
uno de los sectores manejando los servicios disponibles tuvo un comportamiento muy bueno,
desde que había pocos usuarios (19), hasta que el número incremento a 117, ya que los
valores obtenidos dei BER estuvieron aproximados a los requeridos. Además, debido a que
el sistema ejecuta un control de potencia para evitar el efecto cercanía-lejanía, en las gráñcas
resultantes es posible observar el incremento del BER (debido a la interferencia existente)
que corresponde a un incremento del número de usuarios., Cabe hacer notar, que como el
principal interés de esta sección es comprobar como afecta el número de usuarios (es decir
la interferencia) al desempeño de la tasa de bit erróneo, sólo se aplica un control de potencia
para compensar las pérdidas por trayectoria de la señal, que se implementa posicionando todas
las estaciones móviles transmitiendo a una misma distancia; es decir, en este punto, aún no
107
se ejecuta un mecanismo de control de potencia completo que permita que las señaies de las
estaciones móviles sean recibidas en un mismo nivel y el BER se vea afectado por ésto; dicho
trabajo se implementa posteriormente.
VI.3.3 Relación portadora a interferencia (C/1) del sistema sectorizado
La relación C/I es un parámetro importante para medir el desempeño del sistema DS-
CDMA. Es por ello que este parámetro se incluye en el análisis del desempeño del modelo
bajo estudio. La relación C/I se determina por las características de propagación del canal de
radio. Así mismo, como se mostró en el capítulo Y esta relación representa la interferencia
que existe en el sistema, la cual está compuesta por la interferencia que generan los móviles en
la celda de interés, así como por la interferencia que crean los móviies localizados en celdas
adyacentes. -
En el modelo de simulación se especifica el valor de cada uno de estos contribuyentes,
de manera que se demuestra, con las gráficas resultantes de la simulación, que cada usuario
que se agrega al sistema contribuye al nivel total de interferencia en un instante dado, de
modo que, para un número de usuarios determinado, corresponde una relación portadora a
interferencia, que no será la misma en otro instante, cuando el níunero de usuarios en el
sistema se ha incrementado.
Analizando en forma más específica lo descrito anteriormente, la figura 45 muestra la
relación (C/I) contra el número de usuarios en el sistema. Se muestra una gráfica para cada
uno de los sectores en la que se incluyen los tres servicios recibidos. En la gráfica 45a), se
108
ilustra la relación C/I en el sector uno para datos cuando se tienen 19 usuarios es de -7.27 dB
y para 117 usuarios de -15.30 dB. Así como los valores para voz, que corresponden a --8
dB para 19 usuarios, mientras que para 117 usuarios es igual a -16.25 dB, cabe hacer notar
que no hay resultados para el servicio de video debido a la distribución aleatoria de usuarios
que generan tráfico de los tres diferentes servicios. La relación C/I en el sector dos se ilustra
en la figura 45b), en donde los valores obtenidos para los servicios son adecuados, de modo
que el sistema trabaja de manera eficiente. La relación C/I para datos con 19 usuarios es de
-7.31 dB y cuando se tienen 117 usuarios, como la interferencia incrementa, el valor de la
relación C/I es igual a - 15.31 dB. Además, la gráfica 45b) también muestra los valores de la
C/I para voz, cuyos resultados son de -7.89 dB para 19 usuarios, siendo más pequeña para
117 usuarios con un valor de -15.7 dB. Por último, se proporcionan los resultados para la
relación C/I dei servicio de video. Cuando se tienen 19 usuarios, la relación C/I es -7.41
dB y para 117 usuarios disminuye a -15.43 dB ya la interferencia en el sistema es mayor.
Analizando la relación C/I del sector tres resultante de la simulación, (figura 45c)), muestra
los valores obtenidos para el servicio de datos con 19 usuarios, los cuales son de -7.23 dB y
con 117 usuarios de -15.35 dB. Para el servicio de voz, la relación C/I es de -9.6 dB para
19 usuarios y para 117 es igual a -17.5 dB. Finahnente, para el servicio de video, con 19
usuarios, la relación C/I es de -7.63 dB, mientras que para ll? usuarios su valor es de -15.5
dB. `
0 ¡non portadora a intnrturuuzia (CII) dq ht-ns en cl notar mo [db]O ¡non portador: 1 :lnhrtlnnclc (UI) du von: un 11 lector no [dll]
109
¬1 "
"Tni __ __ã
¬_l_.-3 __, »..- Z i< 11 !-10 . -_
! l\\ .¡_...-É iE 1_ 1 1 ..s...__._ ll” l .LJ “Ti_ 1 2 ..n..._.__' Í "'""l`
-13 _ _.
›__.l
.í_” ____,_
_¡5 ___,
"T-¡¡ __Í__ 'i W-L-17
10
o ¡non port-¡aora 4 inbartxrmcin (c/I) paraO Razon portadora 1 .intnrhruicia (0/I) paraIJ Razon portadora 3 intcrhtmcia (I:/I) para
"___Q U.......Q a D un 0""'”`
a) Sector uno.
datos ui el sector dos [dl]video en nl sector dos [dl]wz un al sector du: [G3]
su 'fu Í" W no so mn H u 9 M N nUnnrto1
-1 ' t{ E
1 1i
.-1_ 17 1 =
_; ._ _______.
É,\\ .---L
l__._l_-10
J-11_.._¢
t
-12 _ _
l..._L. a...... _ __l.___,_-13 ___ _
, -14 -- --¬-~L.'†
\\\¬-*___ åäg-._¬-¬.__ 7
ì¬_
E_______
i-15 ...__
i._..-
“H Ñ = É Í _ § _
-IG- 10 20 30 'Im so su 10 ao so :oo no no
b) Sector dos.
n num pandora a interferencia (0/I) Pan data: an ¢.I. noto: trol [DI0 ¡amm portadora 1 jnterfcrcnnh (c/I) para von en el sector tre: [db]El Razon portadora 1 interferencia (C/I) para video en el sueter tres [da]
Usuarios
iiiir l É l 1 É iÍ1 ~ 7 ¬ -.._ _ 1 ,__ ›¡ 1 =i 1
.___.._._____._,-15 _ __.
"""i'-12.5 ~-f -- †~~
iE _ . ; ›
._ ____¡_.______,-1; _ ~ _
._._.l_ il2 CT--¬›š-C rr;
¬l'::'e-^±__-11.5 ~ ~Í l 1
-20 _10 20 loa 40 ii so sn
c) Sector tres.
__", ,__ ___” _, ___ ,_ _ °__ ,#770 lill S0 lll iio i 120
UHIIILOS
Figura 45. Relación portadora a interferencia de los servicios de voz, datos y video en lostres sectores de la celda.
110
Todos estos valores indican que el sistema se desempeña adecuadamente aún cuando
hay hasta 117 usuarios transmitiendo en la celda central y se está contemplando la interferencia
que generan los 702 restantes usuarios localizados en la fila de celdas adyacentes. Es
importante considerar estos usuarios, ya que la principal contribuyente a la interferencia,
después de la celda central, es la primera fila de celdas adyacentes. En -lo referente a los
números obtenidos para los diferentes servicios, es importante hacer mención que debido a
sus características, DS-CDMA puede trabajar con relaciones C/I negativas lo que entonces
permite disminuir el nivel de interferencia en el sistema; ésto pudo observarse en los
resultados de la simulación y puede afirmarse que son los recomendables para que el sistema
trabaje eficientemente.
Las pruebas descritas en ias dos subsecciones siguientes se realizaron para determinar
como se comporta el sistema con control de potencia y como afecta el control de potencia al
BER, el cual permite describir la capacidad del sistema.
VI.3.4 Control de potencia para compensar la interferencia en el sistemasectorizado
Como se mencionó en capítulos anteriores, el control de la potencia en DS-CDMA es
muy crítico, ya que su implementación permite que haya menor interferencia en el sistema y
haga posible dar servicio con calidad a los usuarios.
En DS-CDMA, en el proceso de control de potencia, la estación base le indica a la
estación móvil que incremente o disminuya su potencia de transmisión dependiendo del nivel
de potencia recibido. De esta fonna, la estación base controla la potencia recibida proveniente
lli
de todas las estaciones móviles en el sistema, logrando evitar el efecto cercanía-lejanía y
manteniendo la caiidad requerida en los servicios ofrecidos.
Al implementar el control de potencia en el modelo de simulación se obtuvieron los
resultados mostrados en la figura 46. En esta figura, se ilustran tres gráficas, cada ima
perteneciente a un sector, y se observa que mientras el móvil está dentro del área del sector
al que pertenece, el nivel de su señal (SNR) es controlado. Sin embargo, dado que el control
de potencia implementado en el modelo no es ideal, se pueden apreciar algunos risos en los
niveles de potencia que están siendo controlados. Para cada uno de los sectores de la celda
también se observan caídas en el nivel de la señal (SNR) que se presentan en los instantes de
tiempo que el móvil se desplaza a la fi'ontera de su sector - sale de uno y entra a otro-_ Además,
también se observa un nivel de SNR constante, el cual se considera interferencia, pues se
genera por las transmisiones de un móvil en la celda vecina, y se detecta muy débilmente por
la antena de los sectores vecinos.
› En la figura 46a) se muestra el control de potencia en el sector uno, y se observa
lo descrito anteriormente; en la figura 46b), se puede observar el control de potencia
implementado para el sector dos, el proceso se repite para el sector restante, tal como se
observa en la figura 46c).
:Ill en al neta: no con control. la pntumia. [G3]
-15
17.5
-ZIJ
22.5
J ___Í_ _,..¡.......-._¬
___l_._¿__ ¿__-25
27.5
-30
32.5
---+ ---i
_;_._ "Wi__..r._.........Ei
-350 0.5
-15
-11.; - -~ --20
-22.; - --~~
Sn un nl. nel-or
1 1.5 2 2.5
a) Sector uno.
un con control dz potencia. [dl]
u 3.5 JTiago (seg) (¡10000)
1 Z 1 É¡ s _5 . E .
r _¢__.
_ š_ __ ___ _¡__*T5_ ~- ~~+ - i~~~~~~-- i
1
__._...|. __._l. ”'“"`|
~ 1
-25 ~ - -M -= - """" --- -
-21. 5 ~ - ' "¬- - ~~ ¦1
_ iJ-HD -" “' '_' "' E ¦
-sz. s † ----
-12. 5
-15
*17. 5
-2D
-22. S
-25
-27. 5
-30
Figura 46. SNR detectada en cada tmo de los tres sectores de la celda cuando se aplica control
.._«¿__ tlt
5111 en 11 neto:
35_0 0 M u un N.5
› b) Sector tres. _
¿ax con control. de potencia. [da]
2.5 u 3.5 4'Iiupo (ng) (INIDIIO)
I É ¦¬" s " r --Mi 11"* \"'V-M1*-7_ _ vw. 1?;-_-r' """'¡
-i 12 . _š_ _ __. _ ,___ ._
i S l-___
lmñ W ã _' " 11
.¬_.r.....~ _ ' ! ,..._,
.ml _..._1,..
de potencia.
N
C c) Sector dos.
-35 _ - __III 0.5 1 1.5 2_5 3 3.5
fiflpn (ng) (¡1D000)4
113
VI.3.5 'Ilasa de bit erróneo (BER) con control de potencia del sistema sec-torizado
La prueba descrita en esta sección se realizó para obtener la tasa de bit erróneo
aplicando un control de potencia a todos los usuarios dentro de su propia celda, de tal fonna
que la potencia incidente de cada usuario en la antena de la estación base sea más o menos
estable y entonces compense la interferencia en el sistema.
A diferencia del control de potencia implementado anteriormente (colocando todos las
estaciones móviles a la misma distancia), en este caso, el proceso de control de potencia, es
el siguiente: cuando se ha determinado que la estación móvil se encuentra en ei sector (por el
nivel de SNR recibido), la estación base en el sector correspondiente se encarga de decidir si el
valor de SNR recibido es el suficiente para que el BER satisfaga los requerimientos de calidad
de servicio. En este punto pueden ocurrir dos situaciones, primero, que el valor de SNR sea
menor y no permita cumplir con dicho BER, por lo que se requiere un aumento de SNR. La
contraparte se presenta cuando el valor de SNR es mayor, causando más interferencia en el
sistema, por lo tanto, se requiere disminuir la SNR. El nivel de SNR que permite que el BER
se satisfaga, se denominará SNR promedio.
Puesto que el control de potencia del sistema es imperfecto, la señal recibida en la
estación base proveniente de la estación móvil, al cual ya se le ha aplicado un control de
potencia, presenta fluctuaciones de 1 dB por arriba y por abajo de la SNR promedio, como
se observa en la figura 47a), b) y c). Esta señal recibida cumple con el BER requerido para
satisfacer la calidad de servicio establecida.
114
La figura 47 ilustra la tasa de bit erróneo con un control de potencia para cada uno de
los sectores en que se dividió la celda. Se puede observar que se cumple con la calidad de
servicio requerida, ya que el BER se mantiene en el intervalo de 1:1:10'6, así como también
es posible observar cambios drásticos, que se deben a las fluctuaciones alrededor de la SNR
promedio.
Como se ilustra en la ñgura 47a), el control de potencia muestra que dtuante el tiempo
de simulación, ya sea con pocos o con el máximo número de usuarios, se asegura un buen
servicio, ya que el BER se mantiene en el intervalo de 1:1; 10-6, lo que indica que aplicando
un control de potencia en el sistema es posible atender un mayor número de usuarios ya que
ei nivel de interferencia disminuye.
Situación similar se observa para las figuras 4'7b) y 47c) en las que el BER fluctúa
cercano a i:r:1O"6. 4
115
o 'lun de IM: Irroneo (Ill) con control de pobenole para dato: en el sector no (lie-06)O tua de IU. zreoneo (all) con control de potencia pure We en el. not-or um (zle-08)
2,1 12- P' -- -
1: _ ig _ si j xi___,___,__ te\ ____,>, _7!_¿___,/___¬L__ ¡___.._.._i__...t ___._l__.__l__..
1.4 W ef - † - -mi_ l1.3 ' ' ~~- - __ r
10 20 30 40 S0 S0 70 80 B0 100 110 120Usuarios
a) Sector uno. _
0 n_n de bit «craneo (In) om control de potencia pen hee: en el secta: tu (11:-07)O Tasa de bil; ernneo (ln) nun oonbrol de potencia pen vo: en el sector du: (eje-O7)D fue de bit. errnneo (Dll) uan control de potencia para video en el neto: dos (nie-07)
22.5 7 ' ` 77 ' 7"
2, __ _ _ -___ _›.__=i -n±...¬_,_ ' 1
r__1<ï_Ñ11.; f ef ~ « = -- - ~ ~
15 ""““' '“ "_ '“7" '" " "7'“ 7' -
1z.s † -~ \!ï/ -
u 9» c N.9................. W_._O_..___.. MÉ;...._._...__l ¡-n.___.___..._ Q uN 0ao 40 so ' to vo ' ao Ufluios
b) Sector dos. p _
o fue de bit. erroneo (ln) con bonhrnl de potencia para datos en el sector tres (ade-DS)0 fue de hit. en.-onen (lll) concnnlzrol de potencia pere voz en el notar tres (nie-06)D n_n de bit erroneo (Int) con control de ¡ictericia ¡nn v-¿dee en e.I. sector ere: (xl:-06)
N¡AJ R»La
_.._l._...¿_._ _..-.-_..__.m __§_._.._'...__.-_ al-_ _-
._._._..-..i.......
.3 -¡ ---~ ¬- -----~ ~~~ - ~~-- --- - --_ _ _. ___. ___, _ _ __
i I 5 __ :___ 7 E _ _____1.; - e ~~~~-- -----«f _» _ f - --/'
,°unun
l
-..___..,_...|±.
1
`,
`....._.__.,..._+.
l
_....._..__* ..-.....-.-.rL...._,.,__.___-.-
r
_..._.....,.........,...........g....._._.....A.........¡.......-.
l l
W___..Q........._._.__._._..._ uQ.___..._.._.__..__._.....0 5__._i_._l__._un ›- no Q
___ _ __L_, _ 7 .__ ÍÑWQ1 _ ___. - __
D _10 20 3 U 4 G 50 S0 70 Vicario!
c) Sector tres.
Figura 47. Tasa de bit erróneo en los tres sectores aplicando control de potencia
116
La figura 48 muestra la tasa de bit erróneo en escala logarítmica para un sector en
donde puede observarse como al incrementar el nivel de interferencia (debido al incremento
en el número de usuarios), la calidad de servicio se mantiene en el orden de magnitud de
1a:10_6 a pesar de que el número de usuarios se incrementó a 110.
BER para los servicios con control de potencia
ELE-UG ¬ i ¬ _ † †i-0-DIIIIS
É--J-VII
' ¡¬fiV|de0. i 1 - ;- 1 . ;
-_ ' ' ' 1i = 1 f 1 `A . , `
r -\ - `\ _ * i
` . 7 /*l_“ K . *_/ _ _ _ _ A _ . . . . . . . . . . _ _ .. _ . . _ _ _ _ . . . . . . . _ __¬2,5415 aV . . . . . ______________ - - _ - - _ _ ,
BERpromed'o
2 ¬ _ / _ \\: , ± `' ' 1 Í `\ _ _ ; ¦ \ _,,_†--A/ ` ` ' - __..,--if-.-¬\ 1
¦ rx : I / 2 i ; : . s`' › \., . 1 .
«
1.E.05 -f 1 - ~ill 20 30 lil 50 60 TI] BII . 90 100 HII 120
l .r.. ¢
V Número de usuarios
Figura 48. Tasa de bit erróneo para un sector aplicando controì de potencia.
Puede afirmarse que aplicando un controš de potencia a los usuarios es posible
disminuir el nivel de interferenciaxy dar servicio a todos los usuarios con la misma calidad
de servicio, siendo la calidad muy buena, del orden de 1a:10"6 tanto para 19 como para ì00
usuarios; ésto no se observó en los resultados del BER de la sección anterior, en donde la
potencia de las estaciones móviles no se controlaba. V
117
Una vez mostrados los resultados obtenidos y analizando el desempeño delsistema
con control de la potencia, se puede concluir que el aplicar un control de potencia es
importante para que el sistema DS-CDMA tenga alta capacidad con buen desempeño, ya
que se disminuye de manera importante el nivel de interferencia en el sistema, dicho efecto
puede observarse porque la calidad de servicio es la misma para 19 usuarios y hasta para 110
LISIIBIIOS.
Por último, se muestran los resultados del BER para el sistema sectorizado y del
sistema sin sectorización y se dan a conocer los beneficios de la sectorización.
ns
OI
VI.4 Análisis de desempeño del sistema sin sectorización
VI.4.1 Comparación de la tasa de bit erróneo (BER) del sistema sector-izado y del sistema sin sectorización
Uno de los objetivos de este trabajo de tesis es demostrar como incrementa la capacidad
del sistema al utilizar la sectorización por medio de antenas direccionales para cada sector en
que se divide la celda. De esta forma, esta sección analiza los resultados de la simulación de
los modelos sin sectorización y sectorizado, mostrados en las figuras 49, 50, 51 donde puede
observarse el incremento en la capacidad del sistema sectorizado con respecto a un sistema
sin sectorización.
i La figura 49 muestra el BER del servicio de datos para el sistema sectorizado y el BER
para el sistema sin sectorización. Los valores del BER para el sistema sin sectorización son
mayores comparados con los resultantes para cada uno de los sectores del sistema sectorizado.
- En la figura 49 se puede observar quepel BER del sistema sin sectorización para 39
usuarios transmitiendo datos, está casi en el límite establecido para ofrecer la calidad de
servicio, siendo su valor igual a 1.23:c10"6, lo que implica que tal sistema puede atender con
calidad de servicio sólo a 40 usuarios aproximadamente. En el caso del sistema sectorizado,
puede visuaiizarse que cumpliendo con el grado de servicio establecido es posible dar servicio
a aproximadamente 117 usuarios, puesto que el BER de un sector es de 8.71a:10“6. Por io
tanto, está claro que mientras el sistema sin sectorización puede atender un máximo de 40
usuarios, el sistema sectorizado atiende a 110 usuarios aproximadamente ofieciendo la misma
calidad de servicio. Es importante recalcar la influencia de la sectorización imperfecta, lo que
t 119
explica que la capacidad del sistema sectorizado no se incrementa tres veces, como sería en
un caso ideal.
BER para el servicio de datos
1.E-02 1 Y *Z
1,5413 _ . . _ _ , V .M l _ ._ . ........................................ Ñ , V Ir . _ . . _.1.E-04- ------ -~- - Y › A ~ - --1 - - - - - - ~ - ~ ~ ~ - - -- - - - - - - Y › ~ ~ --1 - - - - - - --¿------«¿¬›~~›-_;~ - - - - - --1_E_|]5_,,_ ' I ,
Q 1,5433 “___ _ ¬- _ . ¬_ .......___j_ _ . . ...._f._.....;..¬-,,. _..........;....,.“__,,É 1 '1.5417 .u.. Hi, _ . . . . . ¬,__i¿...._..V...__¿__.,_,¬_ï,, r......______-__,,.,.,,.,,,.†......_.__
«zm -.._ 11.E.us ----- - ~ - - - - - - - W › ~ ~ ~ › - ---- ------ ¬¬¬¬¬ --
ll 1.5-10 ----- v _IU ' : i ; 1 t 1Q 1,541 ¬. _ . _ ..¬. ~ _ _ . W W _ . . . - .,††_¬¿›A . _ Ä . . _ . . _ . . . . .. ¬ V , _ _ _; . . Á . _ . _; . . _ . . . W .»_ . . . . _.,
l I ¿ ; Í -4--AntenaLE42 “VU _ ¡Á M ` ' Ú --1"'/if *EUA-U_;Í" I ' ' ' ¬ V 7 7 7 V omnidireccionnl
prome
1'E`13 "W" “_ _ 7 uinfli'/`7“ï“"'“i` ' ' “ ` V K K k A M -u-Antonadiracclonal "1.E.14-†--- ~ ------- -1se-16 ¬ +~ L - ; 2 ; 2 . . ¬ .
1 20 30 4 50 GB 10 00 III 100 110 120
Número de usuarios
Figura 49. BER para el servicio de datos en el sistema sectorizado y el sistema sinsectorización. 4
La figura 50 muestra los resultados obtenidos en los sistemas para el servicio de voz.
El BER resultante para el sistema sin sectorización es mayor al BER de mi sector del sistema
sectorizado, sin embargo, debido a que el servicio de voz tiene requerimientos de calidad de
servicio a cumplir más bajos (BER<1a:10“3) que para el servicio de datos (BER<1x1O'6),
es posible atender aproximadamente a 40 usuarios en el sistema sin sectorización, mientras
que el sistema sectorizado puede dar servicio a 110 usuarios (casi el triple del sistema sin
sectorización) ofreciendo la calidad de servicio adecuada. Para 39 usuarios transmitiendo
en el sistema sin sectorización, el BER es de 1.24:c10"6- y el valor de BER para el sistema
sectorizado es de 9.13:r10_13; cuando el número de usuarios en el sistema se incrementa a
120
H7 el BER es mayor. Para el sistema sin sectorización el valor es de 3.3:r:10"3, mientras que
para un sector del sistema sectorizado su valor es de 2.50:rl0"5, este valor muestra que tal
sistema puede atender ligeramente más usuarios de los calculados teóricamente. -
De los resultados obtenidos, es claro que cada nuevo usuario que ingresa al sistema
contribuye al nivel de interferencia total.
BER para el servicio de voz
1.E›02 fi 1l
1.E¬03~`-----~-¬ f- ¬ r 1 ¬'1 ¬ -- ¬¬~~ ~ M
1_5_g4 ,,__r _ _ _ _ ,dr _ _ . _ _, ,__r-,
1.5415 _____ -_ _ ----------- __ __ . _ _ _ - . _ - . _ _ . _ . _ __'_ Las _-_ _ ¿ _ _ _ _ _ - - - __
.E411 - ----------- ------ ---------------------------------------------------- --son ___ --------- «««« ------ A ----- --------------------- ....................... -_
BERpromedo
.m. = V r ¬ = ._ , . , ;¿.09 _¿_ . . . . ._r.__.. _ __ . _.-.¿l .....`3 / i i-u-Antena direccional §
1,540 .___.......__i_›.. .....;._.. _ _ _ _ _ .,___i
_. ..... .............. ,-_ 1 -ø-Amena omnvnilreccloaal1.5.12 _---- ~ - - ¬ ¬- - -- -1-E-1@ ¬ 1 L ¬§ ã fi L i : _; : H .
10 20 30 II] 50 Gll 70 00 90 101] 110 120
Número de usuarios
Figura 50. BERpara el servicio de voz en el sistema sectorizado y el sistema sin sectorización.
En el caso del análisis para los servicios de video, los resultados de la simulación se
muestran en la figura 51, en donde el sistema sin sectorización muestra que un máximo de
39 usuarios pueden transmitir garantizando la calidad de servicio requerida. Si el número de
usuarios es mayor a tal cifra, por ejemplo, 80 usuarios, la calidad de servicio disminuye, y el
BER es de 4.57:::10“4, de forma que no existe buena calidad de los servicios ofrecidos. Por
otro lado, la curva para los servicios de video del sistema sectorizado, muestra que cuando
'121
se tienen 98 usuarios transmitiendo en el sistema sectorizado, el BER es de 2.081:10_6. Los
98 usuarios resultantes de la simulación es una cifra aproximada a la capacidad teórica, de
tal forma, que si existe una buena aproximación. Se demuestra entonces, que el número de
usuarios a los que se puede dar servicio en un sistema sectorizado es casi tres veces el número
de usuarios atendidos en un sistema sin sectorización.
BER para el servicio de video
1.E-02 ~~ . ~ _' _-a
1.2413 ~ ---------------------------------------------------------------------------------- -_
1.5415 _ -------------- -------------------------------------------------------- __1_¡5_g4 . _ . . . . _ _ _ _ _ _ . . . _ . _ . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - . . . _ _ . _ . _ . _ . . » . _ _ _ _ _ . _ _ . . . . . . . _ _ . . . . _ . . . _ _ . . . _ . ¬ _ _rT _
i . _O 115115 _¿___....._ _ - _ _ Y . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. i . . . . _ . . . .. . . . _.
.E411 ___ _____ «- ------------------- -- -
BERpromed
.na _E_g3 _._,_,._ ,_ __._....._..;._ _ ,. _ . , _ , _ _ _ _ . _ , _ _ . . . . _ _ _ _ _ __
_E,|]g -.___.... .:, _ . _ .. _ _ _ , _ .. .. . _ _ . . _ . _. _ ...__ _ _ _ _ _ _ _ _ _ , _ _ . .. . . _, _ . . _ _ ._
1_|§_1|] -,,..___.._É._.,__ . . . _ . . _ . . . _ _ . - _ _ _ _ . .__1_E_H V _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ -0»-Anienadlrceclnnal ___
i= 1 -
1.E-12 ------- - - - - - - - « - - - ^ - › ~ - › - - - - - - - ~ - - - - - - - - - - ~ ~ “ - - - - - › › - - - - ~ -~ +An“n¡ ~1,513 _ ...... _____ __; . . . _ . _ - - - _ - - - _, . - - - - - - _ _ _ . . _ Mi _ _ - _ _ -___ .... __ ofnnidirecclonal __.
1-E-14 ¬~ F i | ' i i i " i r † . .'IB 10 30 Ô 50 GI] 10 sfl Qu 100 110 12”
Núm oro de usuarios
Figura 51. BER para el servicio de video en ei sistema sectorizado y el sistema sinsectorización.
VI.4.2 Comparación de la relación portadora a interferencia (C/I) del sis-tema sectorizado y del sistema sin sectorización
Este parámetro se muestra en la figura 52, en donde se ilustran los valores de la relación
C/I para el sistema sectorizado y del sistema sin sectorización, ambos para ei servicio de
datos. Se puede observar como al incrementar el número de usuarios disminuye la relación
122
C/I para ambos sistemas. Como se mencionó anteriormente, este parámetro es importante
porque modela la interferencia en el sistema y la interferencia influye enormemente en la
capacidad de usuarios soportados por el sistema. '
La relación C/I para el sistema sin sectorización es menor que la obtenida para
el sistema direccional, lo que es lógicamente claro, ya que la antena omnidireccional
genera mayor interferencia haciendo que la C/I disminuya. Con el empleo de tres antenas
direccionales en cada sector, el sistema presenta menor interferencia ya que un sector solo
recibe l/3 del total de la interferencia que se recibe en un sistema sin sectorización, por lo
tanto, claramente la relación C/I es mejor, lo que da lugar a que exista una mayor calidad de
los servicios ofiecidos por el sistema.
En la figura 52 se puede observar la relación C/I contra el número de usuarios para
el sistema sin sectorización y para el sistema sectorizado. Cuando se tienen 19 usuarios
transmitiendo, la relación C/I para el sistema sin sectorización es de -11.31 dB, mientras
que el sistema sectorizado presenta una relación C/I igual a -7.31 dB. De este modo, existe
una mejora de aproximadamente 4 dB para el sistema sectorizado con respecto al sistema sin
sectorización.
Si existen 117 usuarios transmitiendo en los sistemas, se observa tambien la diferencia
aproximada de 4 dB entre ellos, y los valores obtenidos son, para el sistema sin sectorización
igual a -19.33 dB y para el sistema sectorizado de -15.31 dB.
123
Razón portadora a interferencia CII para datos
2 ' 2 2 ' Í -m-i)i1ecclun¡i.SectorI.lnu-B Amonaumnhnmcchmu .__l
1° _Hw4_j___ _u_D|roccInnuI.SociorDos
Í ¡ -1-DirecccIo|1uI.Soc1orTrI¢-
._ -12 - ______ ---- ------ ______ --=-------- ffffff ~: ------ ------ _; ------- ~z------ --m i ¿ _ _ _ . _ , ; . .3 ; _ í § 1 2 f ¦ ;
.14 -..___.__;__.____.;.___ ~ . . . . _ . . . _; ........__; ....... _.
› 1 1 1 a 2 1 ; i _ _U .19 _ ...... _í ______ _.2¬¬¬¬¬¬¬ -1 - - - - - - . - _ _ _ _ - . _ _ . . _ - _______________ «_ .......... __________ -_`_ = 1 ' = . t - ii 1 -. . . . i = 1 . i'. ¬ = _ - _ - Z › ._ _ _ ,.13 ___.
.20 5. ; = 1 1 1 › = = r
-22¬ H 2 _š ; ¿_ 2 s se . ae 110 20 30 40 G0 G0 10 B0 00 100 110 120
Núm ero de usuarios
Figura 52. Relación (C/I) para el servicio de datos en los dos sistemas simulados.
Resultados similares se obtuvieron para los servicios de voz y video, por lo tanto, no
se consideró necesario incluir sus gráficas. _
VI.5 Capacidad del sistema DS-CDMA
La capacidad de la celda de un sistema DS-CDMA es dependiente del ancho de banda,
representado en la ganancia de esparcimiento Gp, y la tasa de bit erróneo (BER) permitida.
Para el sistema modelado, se emplea una Gp = 25 dB, donde cada usuario tiene una tasa
de transmisión de 64 Kbps. Dado que la capacidad de un sistema DS-CDMA depende de la
tolerancia al ruido, y estableciendo una relación Eb/No = 10.5 dB, podrá lograrse el valor
de BER aceptable para los servicios de voz, datos y video ofrecidos en el sistema.
124
A continuación, se muestra la capacidad del sistema en función del Eb/NQ mínimo
tolerablepara el cual la tasa de bit erróneo tenga un desempeño aceptable. Como se observa
en los resultados, es posible diseñar un sistema con una alta Eb/NO -como el caso del sistema
simulado-, permitiendo un menor número de usuarios en el sistema, sin embargo, tal Eb/No
se compensa, ya que existe una mejor calidad en los servicios ofi'ecidos en el sistema.
La capacidad se ve afectada por la sectorización y el monitoreo de actividad de voz,
por lo tanto, en los resultados siguientes estas técnicas son consideradas.
Para el caso de una celda aislada, la tabla VIII muestra la capacidad del sistema en
fimción de la relación Ei,/No minima aceptable.
Tabla VIH. Predicción de la capacidad de la celda para una celda aislada con Gp=25 dB,dependiendo del Eb/No mínimo. -
1 Eb/No Número dei usuarios
en una celda sin_ › j sectorización y
l _ .` sin monitoreo
Númerode usuarios enuna celda consectorización ysin monitoreo
Número
una celde usuarios en
dsectorización ycon monitoreo l
3 C011
6 79.4 219.97 439.94
6.5 70.7 196.05 392.107 63.0 174.73 349.4ó
7.5 56.2 1 l5§.73 3n.463 50.1 l3d.79 2'/'v7.58
44.6ss 123.70 i 247.409 _
99.8__l
110.24 220.4919.5 35.4 98.25 196.51
31.6101, s7.s7 ,17s.1428.110.5 Í 78.04 †l56.09
ll 25.1 69.56 i 139.12
125
Los resultados muestran que pueden atenderse a pocos usuarios, de 25 hasta 79, cuando
no se utiliza ni la sectorización ni el monitoreo de actividad de voz; sin embargo, la eficiencia
de DS-CDMA puede mejorarse empleando ambas. Si solo se aplica una sectorización de tres,
la capacidad idealmente se triplica, sin embargo, debido al ángulo de traslape entre sectores
la capacidad es ligeramente menor a 3 y únicamente es posible atender de 69 a 219 usuarios;
aún más, si se asume un factor de monitoreo de actividad de voz del 50% y la sectorización de
tres, se incrementa la capacidad del sistema alrededor de 5.5 veces, con respecto al anterior,
permitiendo de 139 hasta 439 usuarios por celda.
En DS-CDMA la misma frecuencia se re-utiliza en todas las celdas, así, idealmente se
tiene un factor de reutilización de l. En la práctica, sin embargo, la eficiencia de este factor es
menor a 1 debido a que las celdas vecinas causan interferencia, dando lugar a una reducción
enla capacidad. En un sistema multicelular, la capacidad de la celda DS-CDMA es igual a
la capacidad de la celda aislada reducida por el factor de reutilización. La tabla IX muestra
los efectos de este factor en la capacidad de la celda DS-CDMA. La capacidad es muy baja si
no se emplea la sectorización y el monitoreo de actividad de voz; claramente, el sistema sólo
puede tener de 17 hasta 56 usuarios por celda. Si se utiliza la sectorización, pero sin monitoreo
de actividad de voz, el número de usuarios por celda es de 49 hasta 155. Sin embargo, si el
sistema aplica una sectorización de tres y el factor de actividad de voz de 50%, la capacidad
se incrementa alrededor de 5.5 veces, permitiendo de 98 hasta 310 usuarios por celda.
Tabla IX. Predicción de la capacidad de la celda en tm ambiente multi-celular con G,,=25dB, dependiendo del Ei,/No mínimo tolerable.
E,/No i Númerousuarios
cCn Llflfl
*dei
elda sinsectorización ysin monitoreo
Númerode usuarios enuna celda consectorización ysin monitoreo
Númerode usuarios enuna celda consectorización ycon monitoreo
3 56.057 iss.239 310.4796.5 ` 49.960 13s.3s7 9 276.714
7 44.527 123.311 l 246.622
7.5 39.685 109.901 Í 219.802 l3 35.362 97.949 195.399
*as 31.š23 s7.iå7 Mi l'/'4.595
¿X9 28.095 11.šì)4 p lsšlsospÍ 9.5 25.039 69.343 ip 13s.6søW
10 X 22.316 srsoa 123.6@K 10.5 i 19.889 55.081 í 110.162 p
ll 17,726 49.091* Z Í 93.182 9
VII CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
VII.1 Conclusiones
En este trabajo se presentó un estudio de las técnicas que permiten eficientizar la
transmisión de servicios multimedios en sistemas de comunicaciones móviles de la tercera
generación.
Dado que DS-CDMA es el esquema de acceso más deseable para la interfaz de radio
requerida por los sistemas de tercera generación, el análisis se enfoca al estudio de este
esquema mejorando su desempeño utilizando las técnicas que eficientizan la transmisión;
lo anterior da lugar a que el sistema así propuesto sea más eñciente pennitiendo dar servicio
al máximo número de usuarios satisfaciendo la calidad de servicio requerida.
El objetivo entonces fue conocer las técnicas para posteriormente desarrollar los
modelos de simulación necesarios que describan el sistema DS-CDMA incluyéndolas. Las
técnicas que se encontraron, que permiten eficientizar la transmisión, son la sectorización,
el monitoreo de actividad de voz y el control de la potencia. Es ampliamente deseable la
inclusión de dichas técnicas, ya que permiten disminuir el nivel de interferencia en el sistema
DS-CDMA lo cual es de gran importancia, ya que como se mostró a lo largo de este trabajo,
la interferencia.es el ptmto débil de los sistemas DS~CDMA.
Se formuló un modelo matemático que incluye los diversos factores que determinan
el desempeño de dicho sistema. De tal forma que los resultados obtenidos de la simulación
de los modelos están fimdamentados en dicho modelo matemático.
128
Según resultados del modelo de simulación propuesto del sistema DS-CDMA que
considera una sectorización de tres, un factor de actividad de voz del 50% y un esquema de
control de potencia, se muestra que dicho sistema puede atender ligeramente a un poco más
de 110 usuarios; dicho resultado es muy bueno, considerando que el sistema sin sectorización
(contra el que se comparó), puede dar servicio únicamente a 39 usuarios satisfaciendo la
misma calidad de servicio. Es importante destacar que ambos sistemas (sectorizado y sin
sectorización) toman en cuenta la interferencia existente que se genera por los usuarios en
la celda central y en la primera fila de celdas adyacentes. Estas interferencias contribuyen
fuertemente a la disminución en la capacidad de usuarios, por lo que es de gran importancia
incluírlas para obtener resultados los más cercanos posibles a la realidad. Así mismo, una
consecuencia de que los sistemas propuestos DS-CDMA satisfagan un BER< la:1O_6, que
garantize la calidad de servicio, es la disminución en el número de usuarios. En lo que
se refiere al esquema de control de potencia implementado en los modelos propuestos, se
puede afirmar que cuando se controla el nivel de interferencia en el sistema, la calidad de los
servicios ofrecidos se mantiene en el mismo orden de magnitud (BER de la-10-6) aún para
117 usuarios transmitiendo en el sistema.
Los resultados de la simulación de los sistemas sectorizado y sin sectorización,
permitieron determinar que el sistema sectorizado es mejor. Aún más, si el sistema incluye
además de la sectorización, el monitoreo de actividad de voz, evidentemente se convierte en
un sistema muy deseable, ya que como se mostró en los resultados, estas técnicas disminuyen
el nivel de interferencia en el sistema dando la posibilidad de atender un mayor número de
usuarios. Por lo tanto, el sistema incluyendo estas dos técnicas es el mejor. A1 aplicar el
129
control de la potencia en el sistema, se mostró como la calidad de los servicios ofrecidos se
mantiene en un intervalo de valores deseables para que el sistema sea bueno.
Por otro lado, es importante destacar que en el sistema DS«CDMA existe un
compromiso entre la calidad requerida para los servicios ofiecidos y el número de usuarios.
Esto es, que a mayor calidad demandada en el sistema, existe un menor número de canales
disponibles. Además, se mostró que el sistema DS-CDMA es un sistema limitado por la
interferencia, por lo que se concluye que las técnicas aqui tratadas son deseables ya que
permiten disminuir la interferencia lo que da lugar a un sistema con mejor desempeño.
Los resultados de la simulación son altamente similares a los resultados calculados
mediante el modelo matemático formulado, por lo tanto, bien vale la pena destacar la
importanciaide llevar a cabo un desarrollo matemático que fundamente los resultados de
modelos de simulación.
VII.2 Recomendaciones
Se puede continuar el estudio más amplio de temas relacionados con este trabajo,
algunas de las lineas de investigación que se proponen son:
Llevar al cabo un análisis más profundo del esquema de control de potencia de DS-
CDMA de manera que pueda realizarse una mejor implementación de éste. La importancia
de esto radica en que el control de la potencia en DS-CDMA es muy cñtico.
130
Realizar un análisis del canal de radio con el objetivo de estudiar los efectos que sufre
la señal al propagarse por este medio de transmisión, ya que aunque los servicios inalámbricos
son accesibles en cualquier lugar, ciertamente están limitados por la movilidad del usuario.
' LITERATURA CITADA
Barberis, Sergio y Benuto, Ennanno. 1995. “A CDMA based radio interface for third
generation mobile systems”. Baltzer Science Publishers. 2(l): 19-29 p.
Callendar, M. 1994.“Future Public Land Mobile Telecommunications Systems”. IEEE
Personal Communications. 1(4).
CSELT Technical Report. Vol. XVIII No. 3. “Voice control of the Pan~Eurpean digital
mobile radio system”. 1990.
Faruque, Saleh. 1996. “Cellular Moobile System Engineering”. Artech House. Primera
Edición. Norwood, MA. USA. 283 pp. 4
Galván, A. A. 1999. “CDMA como Protocolo de Acceso al medio para Servicios
Ofrecidos por UMTS”. Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones,
CICESE, Ensenada, B.C., Tesis de Maestría en Ciencias.
Garg, Vijay K., Smolik, Kenneth F. y Wiikes Joseph E. 1997. “Applications of CDMA in
Wireless/Personal Communications”. Prentice Hall. Primera Edición. Upper Saddìe
River, NJ. USA. 353 pp.
Gilhousen, K.S., Jacobs J.M., Padovani R., Viterbi A. J., Weaver L.A. y Wheatly C. E.
l99l. “On the Capacity of cellular CDMA system”. IEEE Trans. Veh. Technol.
4o(*2); 302-312 p. 132
Jansen, Michel G. y Prasad, Ramjee. 1995. "Capacity, Throughput, and Delay Analysis of
a Cellular DS CDMA System With Imperfect Power Control and Imperfect
sectorization”. IEEE Trans. Veh. Technol. 44(1): 67-74 p.
Kajiwara, Akihiro. 1997. “Effects of Cell Size, Directional Antenna, Diversity, and
Shadowing on Indoor Radio CDMA Capacity”. IEEE Trans. Veh. Technol. 46(1):
242-246 p.
Lawrey, Eric. 1997. “The suitability of OFDM as a modulation technique for wireless
telecommunications, With a CDMA comparison”. Computer Systems Engineering.
James Cook University. North Queensland, Australia. Tesis de Licenciatura.
Lee, Chin-Chun y Steele, Raymond. 1998. “Effect of Soft and Sofler Handoffs on CDMA
System Capacity ”. IEEE Trans. Veh. Technol. 47(3): 830-841 p.
Liberti, Joseph y Rappaport, Theodore. 1994. “Analytical Results for Capacity
Improvements in CDMA”. IEEE Trans. Veh. Technol. 43(3): 680-690 p.
Livingston, G. 1995. “Third Generation Wireless Standards to Shape Internets Future”,
WirelessNOW. http://www_commow_com/3rd_Generation.html.MIL3, Inc. 1997.
OPNET Modeler Overview. Washington, D.C.
Oj anpera, Tero y Prasad, Ramjee. 1998. “Wideband CDMA for Third Generation Mobile
Communications' '_ Artech House. Primera Edición. Norwood, MA. USA. 435 pp.
Pandya, Raj. 1995. “Emerging Mobile and Personal Communications Systems”. IEEE
Communications Magazine. 133
Pajukoski, K. y Savusaio, J. 1997. “Wideband CDMA Test System”. Proceedings of
PIl\/[RC”97. 825-829 p.
Pizarroso, M. y Jiménez J. 1995. “Preliminary Evaluation of ATDMA and CODIT System
Concepts”. SIG5 deliverable l\/[PLA/TDE/SIG5/DS/P/002/bl. t
Qualcomm ïncorporated, I992. “An Overview of the application of code division multiple
access (CDMA) to digital cellular systems and personal cellular networks”.
QUALCOMM, San Diego, CA 92121-1617. 59 p. L
Rappaport, Theodore. 1996. “Wireless Commtmications, Piinciple and Practice”. IEEE
Press, Prentice Hall. Primera Edición. Upper Saddle River, New Jersey. USA. 641
PP-
Rappaport, Theodore, Blankenship K. y Xu H. 1997. “Propagation and Radio System
Design Issues in Mobile Radio Systems for the GioMo Project”. Bradley
Department of Electrical and Computer Engineering. Virginia Polytechnic Institute
and State University. Virginia, USA. 29 p.
SWain,R.S. 1995. “UMTS A 2lst Century System”. http://www.vtt.fi/tte/nh/UMTS/umts.
html.
Swales S. y Beach M. 1994. “Third Generation' Wireless Networks”. Future
Communication Systems Course. University ofBristol. Bristol, United Kingdom.
Tamayo, F. R. 1997. “Interconexión Inalámbrica de Sistemas de Comunicaciones Móviles
para Transmisión de Servicios Multimedios”. Departamento de Electrónica y
Telecomunicaciones, CICESE, Ensenada, B.C., Tesis de Maestría en Ciencias. 134
W. C . Y. Lee. 1991. “Overview of cellular CDMA”. [EEE Trans. Veh. Technol. 40(2):
291-302 p.