UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA MAESTRÍA EN TELEINFORMÁTICA BOGOTÁ D.C.

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1 ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO DE LOS ESQUEMAS DE ACCESO PROPUESTOS POR LA ITU (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS UNION) Y ETSI (EUROPEAN TELECOMMUNICATIONS STANDARD INSTITUTE) PARA LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS DE TERCERA GENERACIÓN, COMO SOPORTE DE LOS SERVICIOS MULTIMEDIA HERNÁN PAZ PENAGOS UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA MAESTRÍA EN TELEINFORMÁTICA BOGOTÁ D.C. 2002

2 ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO DE LOS ESQUEMAS DE ACCESO PROPUESTOS POR LA ITU (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS UNION) Y ETSI (EUROPEAN TELECOMMUNICATIONS STANDARD INSTITUTE) PARA LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS DE TERCERA GENERACIÓN, COMO SOPORTE DE LOS SERVICIOS MULTIMEDIA HERNÁN PAZ PENAGOS Proyecto para optar al título de Magíster en Teleinformática Director IVAN SÁNCHEZ Ingeniero Electrónico, Magíster en Telemática UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA MAESTRÍA EN TELEINFORMÁTICA BOGOTÁ D.C ii

3 NOTA DE ACEPTACIÓN Ing. IVAN SÁNCHEZ. Director Ing. ALVARO BETANCOURT U. Jurado Ing. IVAN GONZALEZ Jurado. Bogotá, Marzo del iii

4 TABLA DE CONTENIDOS Pág. INTRODUCCIÓN. xiii 1. COMUNICACIONES ALAMBRICAS E INALÁMBRICAS TIPOS DE ACCESO ALAMBRICO E INALAMBRCICO QUE DAN SOPORTE A SERVICIOS MULTIMEDIA INTRODUCCIÓN ACCESO POR PARES DE COBRE ACCESO MEDIANTE HÍBRIDAS FIBRA ÓPTICA Y CABLE COAXIAL ACCESO POR FIBRA ÓPTICA ACCESO INALÁMBRICO COMPARACIÓN ENTRE EL ACCESO ALÁMBRICO E INALÁMBRICO COMUNICACIONES CELULARES INALÁMBRCIAS INTRODUCCIÓN EVOLUCIÓN DE LA TELEFONÍA CELULAR POR GENERACIONES PRIMERA GENERACIÓN SEGUNDA GENERACIÓN TERCERA GENERACIÓN GENERALIDADES EVOLUCIÓN HACIA SISTEMAS DE TERCERA GENERACIÓN ORIGEN PROYECTOS PRECURSORES DE LOS SISTEMAS 3G OBJETIVOS DE LAS NORMAS 3G. 27 iv

5 ACCESO DE RADIO ASPECTOS ESENCIALES QUE CARACTERIZAN A LAS NORMAS 3G TIPOS DE TRÁFICO 3G ARQUITECTURA ESPECÍFICA 3G: UMTS NIVELES DE SERVICIOS 3G ESCENARIOS 3G CUARTA GENERACIÓN COMPARACIÓN ENTRE LAS GENERACIONES 1G-2G Y 2G-3G ESTADO ACTUAL DE LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS MERCADO DE LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS PARTICIPACIÓN DE 1G Y 2G EN EL MERCADO DE LAS COMUNICACIONES CRECIMIENTO EN USUARIOS DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES Y FIJOS PROYECCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS ACCESO RADIO INTRODUCCIÓN JUSTIFICACIÓN DEL ACCESO RADIO ESQUEMAS DE ACCESO EN COMUNICACIONES INALÁMBRICAS FDMA: ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE FRECUENCIA INTRODUCCIÓN OFDMA (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING ACCESS: ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE FRECUENCIA ORTOGONAL) W-OFDM (WIDEBAND ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING) VENTAJAS Y DESVENTAJAS TDMA: ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE TIEMPO INTRODUCCIÓN. 48 v

6 ESTÁNDARES INALÁMBRICOS CON TÉCNICAS DE ACCESO TDMA ESTRUCTURA DEL MARCO TDMA TRANSMISIÓN TDMA ESTRUCTURAS JERÁRQUICAS CELULARES: HCS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE TDMA CDMA: ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE CÓDIGO CONCEPTOS BÁSICOS TÉCNICAS DE ENSANCHADO TIPOS DE TÉCNICAS DE ENSANCHADO EN MODULACIÓN VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL ESPECTRO EXTENDIDO BENEFICIOS DE LA TECNOLOGÍA CDMA COMPARACIÓN ENTRE LOS ESQUEMAS DE ACCESO VELOCIDAD DE LOS DATOS SENSIBILIDAD FRENTE AL RUIDO CAPACIDAD DEL SISTEMA LIMITACIÓN EN EL ACCESO AL SERVICIO CUANDO SE HA ALCANZADO LA CAPACIDAD MÁXIMA DEL SISTEMA COBERTURA EXIGENCIA DE ESPACIO Y PLANTA DE ENERGÍA SINCRONIZACIÓN ESQUEMAS DE ACCESO DE TERCERA GENERACIÓN INTRODUCCIÓN EVOLUCIÓN DE LAS NORMAS NORMAS DE PRIMERA GENERACIÓN NORMAS DE SEGUNDA GENERACIÓN EN EUROPA EN ESTADOS UNIDOS EN JAPÓN EVOLUCIÓN HACIA TERCERA GENRACIÓN EVOLUCIÓN DE GSM HACIA 3G. 87 vi

7 EVOLUCIÓN DE TDMA HACIA 3G EVOLUCIÓN DE CDMA HACIA 3G INTRODUCCIÓN A LOS ESQUEMAS DE ACCESO 3G ESTANDARIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE TERCERA GENERACIÓN IMT-DS (SECUENCIA DIRECTA): UTRA FDD ó W-CDMA: (WIDEBAND CODE DIVISIÓN MÚLTIPLE ACCESS: ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE TIEMPO DE BANDA ANCHA) IMT-MC (MULTIPORTADORA): CDMA IMT-TC (PORTADORA EN EL TIEMPO): FD-SCDMA Y UTRA-TD TDD-CDMA (TIME DIVISIÓN DUPLEXING-CODE DIVISIÓN MULTIPLE ACCESS: DUPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE TIEMPO EN ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE CÓDIGO) IMT-SC (PORTADORA ÚNICA): UWC-136 EDGE IMT-FT (TIEMPO FRECUENCIA): DECT ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO DE LAS NORMAS SELECCIONADAS PARA TERCERA GENERACIÓN INTRODUCCIÓN EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA ESPECTRAL DE LOS ESQUEMAS DE ACCESO DE TERCERA GENERACIÓN EFICIENCIA ESPECTRAL EN W-CDMA Y CDMA EFICIENCIA ESPECTRAL EN UWC-136 Y DECT ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA EFICIENCIA ESPECTRAL EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE LOS ESQUEMAS DE ACCESO DE TERCERA GENERACIÓN CAPACIDAD EN LAS NORMAS W-CDMA Y CDMA CAPACIDAD EN LAS NORMAS UWC-136 Y DECT ANÁLISIS COMPARATIVO FRENTE A LA CAPACIDAD EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LAS NORMAS 3G FRENTE AL RUIDO Y LA INTERFERENCIA. 128 vii

8 DESEMPEÑO DE W-CDMA Y CDMA2000 FRENTE AL RUIDO Y LA INTERFERENCIA DESEMPEÑO DE UWC-136 Y DECT FRENTE AL RUIDO Y LA INTERFERENCIA ANÁLISIS COMPARATIVO FRENTE AL RUIDO Y LA INTERFERENCIA EVALUACIÓN DEL DESVANECIMIENTO POR MULTITRAYECTORIA EN LOS ESQUEMAS DE ACCESO DE TERCERA GENERACIÓN DESVANECIMIENTO POR MULTITRAYECTORIA EN W-CDMA Y CDMA DESVANECIMIENTO POR MULTITRAYECTORIA EN UWC-136 y DECT ANÁLISIS COMPARATIVO DEL DESVANECIMIENTO MULTITRAYECTORIA EVALUACIÓN DE LA COBERTURA EN LOS ESQUEMAS DE ACCESO DE TERCERA GENERACIÓN COBERTURA EN W-CDMA Y CDMA COBERTURA EN UWC-136 Y DECT ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA COBERTURA PROBABILIDAD DE ERROR EN LOS ESQUEMAS DE ACCESO DE TERCERA GENERACIÓN PROBABILIDAD DE ERROR EN W-CDMA Y CDMA PROBABILIDAD DE ERROR EN UWC-136 Y DECT COMPARACIÓN DE LA PROBABILIDAD DE ERROR W-CDMA INTRODUCCIÓN GENERALIDADES ASPECTO TÉCNICO BANDAS DE FRECUENCIA CARACTERÍSTICAS. 151 viii

9 6.6. MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN W CDMA CODIFICACIÓN W-CDMA ARQUITECTURA W-CDMA ESTRUCTURA JERÁRQUICA DE CELDAS FUNCIONAMIENTO SERVICIOS W-CDMA PROCESO DE MIGRACIÓN HACIA W-CDMA PROYECCIÓN DEL ESQUEMA DE ACCESO W-CDMA EN AMERICA LATINA Y COLOMBIA SOFTWARE EDUCATIVO W-CDMA INTRODUCCIÓN PROPÓSITO DEL SOFTWARE CONTENIDOS DEL SOFTWARE INTERFAZ GRÁFICA DEL SOFTWARE ALCANCE Y LIMITACIONES DEL SOFTWARE W-CDMA. 171 CONCLUSIONES. 173 GLOSARIO DE ACRÓNIMOS. 175 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 179 ANEXO ix

10 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1.1. Esquema de acceso a través de RTC. 2 Figura 1.2. Limites del cobre. 4 Figura 1.3. Esquema S-HDSL. 5 Figura 1.4. Configuración sistema ADSL. 6 Figura 2.1. Evolución de los sistemas de comunicaciones por radio. 15 Figura 2.2. El camino hacia el sistema UMTS. 21 Figura 2.3. Evolución de las tecnologías hacia el UMTS. 22 Figura 2.4. Aplicaciones de mayor ancho de banda en sistemas 3G. 29 Figura 2.5. Arquitectura de UMTS Figura 2.6. Escenarios de mercado 3G. 33 Figura 2.7. Hacia la cuarta generación. 34 Figura 2.8. Porcentaje de participación de 1G y 2G en el mercado de las comunicaciones inalámbricas. 39 Figura 2.9. Comparación en el crecimientos de usuarios fijos y móviles. 41 Figura 3.1. Ancho de Banda en FDMA. 45 Figura 3.2. Muestras digitales de un transmisor ocupando ranuras diferentes de tiempo en varias bandas de frecuencia. 49 Figura 3.3. Estructura de La trama de un sistema TDMA 50 Figura 3.4. Estructura del Marco en D-AMPS. 51 Figura 3.5. Asignación de ranuras en TDMA. 52 Figura 3.6. Estructuras jerárquicas de las células. 54 Figura 3.7. CDMA. 57 Figura 3.8. Ancho de banda en CDMA. 60 x

11 Figura 3.9. Ensanchado en CDMA. 61 Figura Comparación de una señal de banda estrecha con una señal SPREAD SPECTRUM de secuencia directa: la señal de banda estrecha es suprimida cuando se transmite en SPREAD SPECTRUM. 64 Figura FH-CDMA. 65 Figura Sistema CDMA de salto en el tiempo. 66 Figura Comparación de los esquemas de acceso. 71 Figura 4.1. Ancho de banda en GSM: 200 KHZ. 77 Figura 4.2. Marco de datos en GSM. 79 Figura 4.3. Asignación de canales en IS-54 TDMA. 82 Figura 4.4. Evolución de 2G a 3G. 86 Figura 4.5. Evolución de GSM. 88 Figura 4.6. Evolución de los estándares para TDMA. 94 Figura 4.7. MC-CDMA. 104 Figura 5.1. Capacidad W-CDMA. 123 Figura 5.2. Un sistema W-CDMA tiene de 8-12 dbs menos de interferencia que otros sistemas. 129 Figura 5.3. W-CDMA frente a la interferencia. 133 Figura 5.4. Recepción por diversidad de frecuencia en normas con espectro ensanchado. 137 Figura 5.5. Desempeño de W-CDMA frente al desvanecimiento. 140 Figura 6.1. CDMA de banda ancha. 146 Figura 6.2. Bandas centrales para IMT2000 / UMTS identificados en WARC92, WRC Figura 6.3. Arquitectura W-CDMA. 158 Figura 6.4. Capas de celdas propuestas en IMT Figura 7.1. Interfaz en software educativo. 168 xi

12 LISTA DE TABLAS Tabla 2.1. Tecnologías seleccionadas para los sistemas 3G. 21 Tabla 2.2. Clases de tráfico 3G. 30 Tabla 2.3. Comparación entre 1G y 2G. 34 Tabla 2.4. Comparación entre 2G y 3G. 35 Tabla 2.5. Servicios celulares de datos actuales y futuros. 37 Tabla 3.1. Comparación de estándares con acceso TDMA. 50 Tabla 4.1. Estándares de los sistemas celulares analógicos. 75 Tabla 4.2. Configuración final de las interfaces de componente terrestre IMT Tabla 4.3. Parámetros del sistemas CDMA Tabla 4.4. Parámetros del sistema UWC Tabla 4.5. Características de la interfaz radio DECT. 110 Tabla 5.1. Comparativo cualitativo de esquemas de acceso basados en CDMA y TDMA. 116 Tabla 5.2. Tipos de modulación según requerimientos de tráfico propuestos para interfaces radio basadas en TDMA (UWC-136 y DECT). 124 Tabla 5.3. Capacidad en canales de las normas 3G. 126 Tabla 5.4. Diferencias principales entre CDMA2000 y W-CDMA. 144 Tabla 6.1. Funciones de canalización. 161 xii

13 INTRODUCCIÓN La sociedad actual es esencialmente nómada y dinámica, y a este dinamismo responde una moderna tecnología de la información y comunicaciones, cada vez más rica en prestaciones y servicios. Por ello, la industria de las comunicaciones alambrcias e inalámbricas evolucionan para adaptarse a los requisitos impuestos por los usuarios en la sociedad interconectada. El trabajo de investigación es un análisis del RENDIMIENTO DE LOS ESQUEMAS DE ACCESO PROPUESTOS POR LA ITU (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATIONS UNION) Y LA ETSI (EUROPEAN TELECOMMUNICATIONS STANDARD INSTITUTE) PARA LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS DE TERCERA GENERACIÓN, COMO SOPORTE DE LOS SERVICIOS MULTIMEDIA; su desarrollo implicó una revisión bibliográfica exhaustiva de los esquemas de acceso (conceptualización, principios de operación, especificaciones técnicas, estandarización, evolución, etc.) a través de la primera y segunda generación de comunicaciones inalámbricas para llegar al conocimiento del estado del arte de las normas de acceso proyectadas para tercera y cuarta generación. El trabajo se estructura en siete capítulos coherentes entre sí: el primer capítulo es de carácter introductorio y recoge las características y aplicaciones de los tipos de acceso alambrico e inalámbrico que son considerados actualmente como la solución de la última milla. xiii

14 El segundo capítulo se ocupa de las comunicaciones celulares inalámbricas y su evolución; por consiguiente, incluye: las generaciones celulares, su comparación, el estado actual, mercado y proyección de las comunicaciones celulares inalámbricas. El tercer capítulo esta dedicado al acceso inalámbrico: clases, ventajas y desventajas de cada esquema de acceso radio, comparación, características técnicas. El cuarto capítulo aborda las técnicas de acceso de tercera generación, como resultado de la evolución de las normas de segunda generación. Se trata de esquemas de acceso muy importantes hoy en día, puesto que, buscan atender necesidades de mayor ancho de banda, menor interferencia y mejor calidad de servicio. El quinto capítulo, examina algunos aspectos (eficiencia, capacidad, desempeño frente al ruido y la interferencia, desvanecimiento ante la multitrayectoria, cobertura y probabilidad de error) en los cuales las normas más representativas 3G presentan un comportamiento diferenciado, evalúa sus resultados y selecciona la norma de mejor rendimiento. El sexto capítulo, presenta el esquema de acceso W-CDMA como una buena alternativa a las normas basadas en los esquemas de acceso TDMA (ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE TIEMPO), MC-CDMA (ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE CÓDIGO DE MULTI PORTADORA) y TDD (DÚPLEX POR DIVISIÓN DE TIEMPO) en las comunicaciones inalámbricas móviles de tercera generación. Comprende un estudio detallado del esquema de acceso múltiple W-CDMA: propone un análisis de sus especificaciones técnicas y los servicios que brinda. xiv

15 En el capítulo siete se exponen los contenidos del software educativo W- CDMA; acerca del manejo del aplicativo y el procedimiento a seguir para cualquier consulta se recomienda el anexo 1. xv

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