La Interfaz Radio del Sistema de Comunicaciones Móviles UMTSLa Interfaz Radio del Sistema de Comunicaciones Móviles UMTS

Luis Mendo TomásLuis Mendo Tomás

Grupo de Radiocomunicaciones

Departamento SSR

ETSIT - UPM

Grupo de Radiocomunicaciones

Departamento SSR

ETSIT - UPM

Índice

1. Historia

2. Objetivos del sistema UMTS/IMT-2000

3. Arquitectura general

4. Espectro ensanchado y CDMA

5. Interfaz radio WCDMA

1. Historia de UMTS

Norteamérica Europa

Generación 0

1ª Generación

2ª Generación

3ª Generación

IMTS

AMPSS TACS

NMT-450

IS-54

IS-136IS-95

GSM

GSM-1800

UMTS (WCDMA)cdma2000

IMT-2000

UWC-136

GPRSHSCSD

Asia

PDC

WCDMA

EDGE

PCS-1900

NMT-900

1. Historia de UMTS

1. Programas RACE (1988)

2. Programa ACTS/FRAMES (1995).Acceso radio FMA (FRAMES Multiple Access):– FMA1: TDMA de banda ancha con posibilidad

de DS-CDMA– FMA2: DS-CDMA de banda ancha

1. Historia de UMTS

3. Evaluación de tecnologías por ETSI (1997).Cinco grupos de propuestas:– concepto : WCDMA (basado en FMA2)– concepto : TDMA (FMA1)– concepto : OFDM– concepto : TD-CDMA (FMA1)– concepto : ODMA

1. Historia de UMTS4. Selección de tecnologías (1998):

– WCDMA () para FDD (bandas de frecuencias emparejadas: 1920-1988 / 2110-2170 MHz)

– TD-CDMA () para TDD (bandas no emparejadas: 1900-1920 y 2010-2025 MHz)

5. Perfeccionamiento de la norma y armonización con otros sistemas (Japón, USA)

6. Creación de 3GPP (Third Generation Partnership Project) (1998)

1. Historia de UMTS7. Selección de los sistemas terrenales de la familia IMT-2000 (2000):

– IMT-2000 CDMA Direct Spread– IMT-2000 CDMA Multi-Carrier– IMT-2000 CDMA TDD– IMT-2000 TDMA Single-Carrier– IMT-2000 FDMA/TDMA

8. Especificación definitiva por parte del 3GPP de UMTS, Release 99 (2000-2001)

8. Especificación definitiva (Release 99)

1. Historia de UMTSSituación en España:• Concurso público de 4 licencias de explotación en

Noviembre de 1999• Resolución en Marzo de 2000• Cuatro operadores con tres portadoras FDD y una

TDD.• Fecha obligada de puesta en funcionamiento:

Agosto de 2001• La tecnología no estará disponible hasta, al menos,

mediados de 2002.

2. Objetivos de UMTS/IMT-2000• Cobertura global• Gran capacidad• Variedad de servicios• Velocidades binarias elevadas:

– hasta 144 kb/s en entornos rurales– hasta 384 kb/s en entornos urbanos– hasta 2 Mb/s en entornos urbanos con movilidad reducida

• Estructura modular y arquitectura abierta• Seguridad de acceso y confidencialidad

3. Arquitectura general de UMTS

Iu

UTRAN

UE

Uu

CN Core Network

UMTS Radio Access Network

User Equipment

Red de acceso (UTRAN)

RNS

RNC

RNS

RNC

Core Network

Node B Node B Node B Node B

Iu Iu

Iur

Iub IubIub Iub

3. Arquitectura general de UMTS

4. Espectro ensanchado y CDMA

Espectro ensanchado (SS):Ancho de banda ocupado >> velocidad binaria

Tipos:

• Saltos de frecuencia (FH)

• Saltos de tiempo (TH)

• Secuencia directa (DS)

• Multiportadora (MC)

d(t)

-1

c(t)

m(t)

4. Espectro ensanchado y CDMASecuencia directa (DS-SS)

Secuencia de datos (bits)

Secuencia código (chips)

Secuencia ensanchada (chips)

DS-SS: espectros

1/TC

Señal original

Señal ensanchada

TC TB

4. Espectro ensanchado y CDMA

Factor de ensanchamientoo ganancia de procesado:

TB/ TC

Señal de datos

Señal de código

Modulador

Portadora

Señal ensanchada

DS-SS: diagramas de bloques

Señal recibida

Señal código

Demodulador(filtro adaptado)

Pulso de bit

TB

4. Espectro ensanchado y CDMA

DS-SS: ventajas

• Reducción de densidad espectral

• Privacidad

• Protección frente a interferencias

• De banda estrecha

• De banda ancha

• Resolución temporal y protección frente a multitrayecto

4. Espectro ensanchado y CDMA

Reducción de densidad espectral

Señal original

Señal ensanchada

4. Espectro ensanchado y CDMA

Protección frente a interferencias: banda estrecha

• El proceso de desensanchamiento de la señal deseada ensancha la interferencia

• Ésta puede reducirse en un factor igual a la ganancia de procesado, mediante un filtro adaptado a la señal deseada desensanchada

interferencia

señal interferencia

señal

desensanchamiento

4. Espectro ensanchado y CDMA

• El proceso de desensanchamiento de la señal deseada mantiene la interferencia ensanchada

• El grado de rechazo es del orden de la ganancia de procesado, y depende de la correlación cruzada entre secuencias código.

Interferencia

señaldesensanchamiento

interferenciaseñal

Protección frente a interferencias: banda ancha

4. Espectro ensanchado y CDMA

• La modalidad (b) permite mayor EB/N0.

• Requiere buenas propiedades de autocorrelación.

(a) Pulsos estrechos (b) Espectro ensanchado

Elevada resolución temporal

4. Espectro ensanchado y CDMA

• AB de señal >> AB de coherencia del canal: menor variación (menores desvanecimientos)

• La señal se distorsiona. La recepción debe llevarse a cabo mediante un receptor Rake (filtro adaptado a la señal recibida), que debe ajustarse a la forma del canal (estimación de canal adaptativa)

Protección frente a multitrayecto (frecuencia)

4. Espectro ensanchado y CDMA

chip

• Resolución temporal TC .• Sólo pueden interferir destructivamente

(desvanecimiento) ecos con diferencia de retardos < TC.• Menor TC implica mayor resolución y mayor protección

frente a desvanecimiento.

Protección frente a multitrayecto (tiempo)

4. Espectro ensanchado y CDMA

señalrecibida

coeficientesde canal

secuenciacódigo

sumador e integrador

TCTCTC

Receptor Rake

4. Espectro ensanchado y CDMA

• Se basa en la propiedad de rechazo a interferencias de banda ancha.

• Todas las señales se transmiten en la misma frecuencia al mismo tiempo. La interferencia se reduce gracias a las propiedades de las señales.

• Variantes:• Secuencias ortogonales• Secuencias no ortogonales (pseudoaleatorias):

• Recepción monousuario• Recepción multiusuario

Acceso múltiple por división de código (CDMA)

4. Espectro ensanchado y CDMA

Secuenciacódigo

Fuente Modulador Canal

TRANSMISOR

Ruido Secuenciacódigo

DestinoDemodulador

RECEPTOR

• Las demás señales se consideran ruido blanco• El receptor es un filtro adaptado (Rake)

CDMA con detección monousuario

4. Espectro ensanchado y CDMA

• Las señales se demodulan conjuntamente• Receptor más complejo pero mejores prestaciones

Secuenciacódigo

Fuente Modulador Canal

TRANSMISOR

Ruido Secuenciacódigo

DestinoDemodulador

RECEPTOR

CDMA con detección multiusuario

4. Espectro ensanchado y CDMA

A

B

D

A

B

D

A

Sistemas limitados por dimensiones

4. Espectro ensanchado y CDMA

• Número reducido de canales no interferentes (ortogonales)

• Formas de establecer los canales:

• Frecuencias (FDMA)

• Intervalos de tiempo (TDMA)

• Códigos ortogonales (CDMA)

• Necesidad de reutilización para remediar la escasez de canales.

Sistemas limitados por dimensiones

4. Espectro ensanchado y CDMA

Sistemas limitados por interferencia

4. Espectro ensanchado y CDMA

• Número prácticamente ilimitado de canales parcialmente interferentes (no ortogonales):

• Esta modalidad sólo es posible mediante la utilización de CDMA con códigos pseudoaleatorios.

• No es necesario reutilizar. La interferencia no se produce por reutilización, sino por la propia naturaleza de los canales.

Sistemas limitados por interferencia

4. Espectro ensanchado y CDMA

• Se diseñan como sistemas limitados por interferencia, pero se establece ortogonalidad entre algunas señales.

• En el enlace descendente la ortogonalidad se refiere a señales transmitidas por la misma base.

• En el ascendente se refiere a señales transmitidas por el mismo móvil (varias sesiones simultáneas)

• En el enlace ascendente con movilidad reducida se puede extender la ortogonalidad a móviles de una misma base. Ello requiere una sincronización muy estricta.

Sistemas CDMA utilizados en la práctica

4. Espectro ensanchado y CDMA

Lo anterior se consigue mediante la utilización de dos “capas” de código:

• Códigos ortogonales o de canalización para usuarios de una misma célula: identifican el móvil dentro de la célula en el enlace descendente.

• Códigos pseudoaleatorios o de aleatorización para células diferentes: identifican la célula en el enlace descendente, y el móvil en el UL.

La ortogonalidad es sólo parcial, debido a la dispersión temporal asociada al multitrayecto

Sistemas CDMA utilizados en la práctica

4. Espectro ensanchado y CDMA

• De este modo se consiguen las ventajas de la limitación por interferencia con la mejora añadida de que se elimina parte de la interferencia.

• A pesar de su reducido número, no es necesario reutilizar los códigos ortogonales gracias a la etapa de aleatorización.

Señal de datos:TB

Código de canalización:TC

Señal ensanchada:TC

Código de aleatorización:TC

Ensanchamiento: TB/TC No ensancha

Sistemas CDMA utilizados en la práctica

4. Espectro ensanchado y CDMA

Parámetros básicos:• Acceso múltiple DS-CDMA • Dos modos: FDD y TDD• Velocidad de chip: 3.84 Mchip/s• Ancho de banda por portadora: 5 MHz• Modulación QPSK• Secuencias código:

– canalización: códigos ortogonales de factor de ensanchamiento variable (OVSF)

– aleatorización: varios tipos de códigos pseudoaleatorios

5. Interfaz radio WCDMA

• Trama de 10 ms dividida en 15 intervalos• Factor de ensanchamiento variable entre 4 y 256.• Conmutación de circuitos y paquetes• Velocidad binaria variable estática y dinámicamente• Posibilidad de múltiples conexiones simultáneas• Incorporación de nuevas tecnologías:

– turbo-códigos– antenas adaptativas– detección multiusuario

5. Interfaz radio WCDMA

- Diversidad de interferencia

- Necesidad de control de potencia muy preciso

- Compromiso capacidad-cobertura

- Traspaso con continuidad (soft handover)

- Aprovechamiento de la actividad discontinua de fuente

- Protección frente a multitrayecto (receptor Rake)

- Codificación de canal de muy baja tasa

Se derivan de la limitación por interferencia:

5. Interfaz radio WCDMACaracterísticas

LIMITADO POR DIMENSIONES

•Reutilización de canales

•Número reducido de fuentes de interferencia

•Diseño en “caso peor”

LIMITADO POR INTERF.

•Canales no ortogonales

•Número elevado de fuentes de interferencia

•Menor variación para el mismo valor medio (ganancia de procesado)

interferencia interferencia

5. Interfaz radio WCDMADiversidad de interferencia

Necesidad: problema “cerca-lejos” (near-far):

• Enlace ascendente: diferente atenuación de las señales.

• Enlace descendente: diferente nivel de las señales de la célula relativo a la interferencia externa y la ruido térmico.

Problema “cerca-lejos” (near-far)

5. Interfaz radio WCDMAControl de potencia

El control debe ser dinámico, y se estructura en tres mecanismos diferenciados:

5. Interfaz radio WCDMAControl de potencia

• Bucle abierto: unidireccional, basado en medidas de nivel de señal. Compensa desvanecimientos lentos( 20 ms)

• Bucle cerrado: bidireccional, basado en medidas de S/I. Compensa desvanecimientos rápidos ( 1 ms)

• Bucle externo: ajuste de relación señal/interferencia objetivo

• UL: recepción en varias bases y selección/ combinación (RNC)

• DL: transmisión desde varias bases y combinación en el móvil (Rake)

5. Interfaz radio WCDMATraspaso con continuidad

Ventajas:

• Mayor continuidad de las llamadas

• Reducción de interferencia

• Mayor calidad (macrodiversidad)

Inconvenientes:

• Enlace ascendente: sobrecarga en la red (señalización y equipos radio)

• Enlace descendente: posible sobrecarga de interferencia en el medio de transmisión.

5. Interfaz radio WCDMATraspaso con continuidad

Usuario 1

Usuario 2

Usuario 3

Interferenciatotal

Diversidad deinterferencia

Menor interferencia

Mayor capacidad

Actividaddiscontinua

5. Interfaz radio WCDMA

Actividad discontinua de fuente

Mayor carga

Mayor interferencia

Mayor potencia necesaria

Menor cobertura

5. Interfaz radio WCDMARelación capacidad-cobertura

Célula pococargada

Menor interferenciasobre células vecinas

Mayor capacidadpara células vecinas

• La carga de las células tiende a equilibrarse, lográndose un uso más eficiente de los recursos.

• El equilibrio de carga se logra de manera más “natural” que en sistemas clásicos, en los que la compartición de carga exige asignación dinámica de canales

5. Interfaz radio WCDMACompartición automática de carga

Señal original

Secuencia deensanchamiento

Señal original

Secuencia deensanchamiento

Señal codificada(tasa 1/3)

Señalensanchada

Señalensanchada

Sin codificación de canal

Con codificación de canal

5. Interfaz radio WCDMACodificación de canal y combinación de servicios

• Las propiedades espectrales y estadísticas de la señal ensanchada no dependen de la velocidad binaria antes de ensanchar

• Esto permite la utilización de tasas de codificación más bajas que en sistemas clásicos

• Asimismo, simplifica la multiplexación de servicios con diferentes velocidades binarias

5. Interfaz radio WCDMACodificación de canal y combinación de servicios