SISTEMA CDMA2000 1xEV-DO

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SISTEMA CDMA2000 1xEV-DO TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA PRESENTAN: Adelaida Flores Espinoza Marisol Guzmán Robles Asesores: M. en C. José Ernesto Rojas Lima M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna México, D.F. 2007

2 Agradecimientos Agradezco profundamente: A mi madre Virginia: En especial a ella por que siempre me ha motivado a salir adelante en todo lo que me propongo. Y ha soportado mis derrotas, mis ausencias, mis victorias, mis desordenes y mis temores. Te agradezco mamá por que gracias a ti soy lo que soy. Mis hermanos Mauricio y Adriana: Que también me han apoyado y me han impulsado a ser mejor persona, han estado a mi lado apoyándome en cada momento de mi vida, dándome ánimos para no dejarme vencer. A mi padre Mauricio: Por que me ha demostrado que antes de ser mi padre es mi amigo, que puedo contar con el y ha colaborado en mi formación académica, aunque no este cerca de mi. A mi abuela Celia: Por que siempre me brindó su cariño y comprensión. Y se que este donde este en estos momentos me protege y acompaña siempre velando por mi bienestar. A mis amigos Adriana, Memo, Carnal, Lugo, Carby, Marisol y Josué: Ya que son unas personas increíbles; que han estado al pendiente de mi demostrándome su amistad guiándome cuando hago algo malo y haciéndome recapacitar para bien, me han dado el apoyo y los consejos en los momentos mas difíciles y grandiosos de mi vida para no dejarme vencer nunca, han colaborado conmigo y han dejado una huella muy importante en mi vida. A los profesores Ernesto y Pedro: Por todos los conocimientos compartidos, la paciencia, sus regaños y consejos para la culminación de este proyecto, ya que sin sus enseñanzas no hubiera sido posible. Me dio mucho gusto haberlos tenido como profesores y gracias por enseñarme que siempre se puede dar más de lo que uno piensa. Adelaida Flores Espinoza i

3 Agradecimientos Agradezco profundamente: A mis padres Reynaldo e Ignacia: Por darme la oportunidad de estudiar, por haberme permitido llegar hasta este punto de mi carrera, gracias por todos sus desvelos, sus preocupaciones y principalmente el apoyo que me brindaron durante todo este tiempo. A mis hermanas Maribel, Anallely y Vero: Por que en ellas siempre encuentro a tres grandes amigas, por alentarme en los momentos en que más lo he necesitado, gracias por su apoyo. A los profesores José Ernesto y Jaime Pedro: Por todo su apoyo durante todo este año, por su paciencia, regaños y conocimientos, por que los dos son extraordinarios profesores que recompensaron el trabajo en conocimientos y que gracias a ellos, se logro llevar la finalización de esta tesis. A Marco Antonio: Por ayudarme y apoyarme en los momentos más difíciles de esta carrera, por estar conmigo en las buenas y en las malas, gracias por preocuparte siempre por mi. A mi fiel compañera y amiga Adelaida: Por haber realizado este trabajo juntas, gracias por estar conmigo desde tercer semestre pasando adversidades, finalmente llegamos al término de esta carrera realizando este trabajo, haciendo equipo siempre, gracias por tu apoyo y amistad. Al grupo de Liturgia: Por encontrar ahí grandes amigos, gracias por apoyarme y aconsejarme. Guzmán Robles Marisol ii

4 Objetivos Objetivos Conocer los conceptos básicos de Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) como una de las aplicaciones de las técnicas de espectro disperso. Conocer e identificar las generaciones de los sistemas celulares así como sus características principales. Conocer las características de diseño así como los servicios y aplicaciones de un sistema CDMA2000 1XEV-DO. Conocer los aspectos y criterios que intervienen en el diseño del enlace de un sistema CDMA2000 1xEV-DO. iii

5 Contenido Agradecimientos. Objetivos. Contenido. Introducción. i iii iv vi CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN A CDMA Concepto de Espectro Disperso Características de un sistema de Espectro Disperso Beneficios y aplicaciones Códigos de dispersión Secuencias de Pseudo-Ruido (PN) Códigos Walsh Códigos ortogonales de longitud variable Códigos Walsh en los sistemas IS Códigos Walsh en los sistemas CDMA Técnicas de espectro disperso Secuencia Directa (DS) Salto en Frecuencia (FH) Ganancia de procesamiento (P G ) Ganancia de procesamiento en Sistemas de Salto de Frecuencia Ganancia de Procesamiento para sistemas de Secuencia Directa Acceso Múltiple por División de código basado en Secuencia Directa Dispersión y contracción de la señal DS-CDMA. 16 Referencias 21 CAPÍTULO 2.- GENERACIONES DE LOS SISTEMAS CELULARES Sistemas de Primera Generación Sistemas de Segunda Generación Sistemas TDMA Sistemas CDMA CDMAOne: IS-95A Evolución hacia la Tercera Generación o 2.5G Sistemas TDMA Sistemas CDMA Sistemas de Tercera Generación Sistemas CDMA: W-CDMA Sistemas CDMA: CDMA CDMA x xEV-DO XEV-DV CDMA x Redes inalámbricas Sistemas de Cuarta Generación 36 Referencias 39 CAPÍTULO 3.- SISTEMA CDMA xEV-DO Introducción 1xEV-DO Revisiones del estándar IS-856 TIA/EIA Revisión A Revisión B Revisión C Características de diseño de 1xEV-DO Tasa útil promedio (Troughput) Turbo códigos. 44 iv

6 Contenido Enlace de Bajada 1xEV-DO Canal del enlace de bajada compartido Estructura del canal del enlace de bajada Modulación adaptable del enlace de bajada Algoritmos de Calendarización Enlace de subida 1xEV-DO Estructura del canal del enlace de subida Modulación de enlace de subida Solicitud de Retransmisión Automática Hibrida (H-ARQ) Señalización 1xEV-DO Capa Física Capa MAC Capa de Seguridad Capa de Conexión Capa de Sesión Capa de Flujo Capa de Aplicación Transferencia de llamada (Handoff) en 1xEV-DO 58 Referencias 61 CAPÍTULO 4.- ANÁLISIS PARA EL DISEÑO DEL ENLACE EN SISTEMAS BASADOS EN CDMA2000 1XEV-DO Introducción Análisis para el diseño del enlace Consideraciones para el diseño del enlace del canal de tráfico de bajada Geometría Tasa útil del usuario en el enlace de bajada Canal con desvanecimiento Ganancia por diversidad multiusuario Ganancia por diversidad en la recepción Cálculo del diseño del enlace. 71 Referencias 76 Conclusiones. 77 Apéndice A Canal con desvanecimiento: Modelos de canal de la ITU. Apéndice B CDMA en México. Siglas y acrónimos. A1 B1 SA1 v

7 Introducción Introducción A partir de los años 80 la gente veía a los celulares como un artículo de lujo; debido a que a penas se comenzaba con esta tecnología por lo que eran muy costosos, además solo estaban diseñados para servicios básicos de voz. Al mismo tiempo eran unos aparatos muy grandes, y la mayoría de las veces no se le proporcionaba al cliente una buena cobertura, o en algunos casos la calidad en la voz era deficiente. Pero hoy en día con la evolución de estos sistemas, se permite a los usuarios una gran movilidad, acceso a Internet de gran velocidad, mensajes multimedia con color y sonido, además de comunicación con otros dispositivos, por ello mucha gente los considera elementales en su vida cotidiana. En este trabajo se analizan, las características de diseño del sistema 1xEV-DO, los requerimientos básicos para formar una red con este sistema y describiremos cada uno de estos puntos. En el capítulo 1 se describe espectro disperso como una técnica de transmisión de la señal, en la cual, la señal ocupa un ancho de banda que es mucho mayor al mínimo requerido para enviar la información. En las técnicas de espectro disperso se emplean códigos o secuencias de dispersión para realizar la expansión del espectro de la señal en la transmisión y la contracción del espectro en la recepción. También se describen las técnicas de acceso múltiple, empleadas en los sistemas celulares, de las cuales las más comunes son Acceso Múltiple por División de Frecuencias (FDMA) el cual asigna una cantidad discreta de ancho de banda al usuario, Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) asigna ranuras de tiempo a cada usuario y Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) como una aplicación de las técnicas de espectro disperso, que permite a varios usuarios compartir el mismo ancho de banda de manera simultánea utilizando códigos de dispersión. Los sistemas CDMA emplean varios tipos de códigos, como son las secuencias de Pseudo-Ruido (PN: Pseudo-Noise) y los códigos ortogonales, cada uno con características específicas. Las secuencias de Pseudo-Ruido (PN), son secuencias binarias, periódicas, con características aleatorias como el ruido, las cuales cumplen con tres propiedades: balance, sucesión y correlación. Los códigos Walsh son códigos ortogonales y pueden ser de longitud fija y de longitud variable y finalmente se describen dos técnicas principales de espectro disperso, que son: Salto de Frecuencia en la cual la frecuencia portadora cambia en intervalos de tiempo regular de manera pseudoaleatoria y Secuencia Directa la cual se obtiene al aplicar una suma modulo 2 de los datos con un código de dispersión. En el capítulo 2 se describe la evolución de los sistemas de telefonía móvil. Los Sistemas de Primera Generación (1G) se desarrollaron a finales de los años sesenta con tecnología analógica e incluía servicios básicos de voz, además de que estos sistemas empleaban acceso múltiple por división de frecuencia y dentro de esta vi

8 Introducción generación los estándares característicos fueron: Servicio de Telefonía Móvil Avanzado (AMPS: Advanced Mobile Phone Services) en Estados Unidos y el Sistema de Comunicación de Acceso Total (TACS: Total Access Communication System) en el Reino Unido. Los Sistemas de Segunda Generación (2G) se desarrollaron en la década de los ochenta con tecnología digital, permiten el uso de las técnicas de acceso múltiple por división de tiempo y/o frecuencia como alternativa para separar a los usuarios; el acceso múltiple por división de código también fue considerado para ser implementado en los sistemas de segunda generación sin embargo solo Qualcomm lo implementa en el desarrollo de IS-95-A que es uno de los estándares representativos de esa generación al igual que el Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM: Global System for Mobile Communications) los cuales además de los servicios de voz incluían mensajes de texto. Un paso intermedio entre los sistemas de segunda generación y los sistemas de tercera generación fue 2.5G, en la que se mejoraron los sistemas de 2G. Los sistemas de la generación 2.5G se desarrollaron para permitir una transición gradual hacia la tercera generación (3G). La característica esencial de los sistemas 2.5G es la introducción de conmutación de paquetes, con lo cual se logra una utilización más eficiente de los recursos, los sistemas más significativos de la generación 2.5G son el Servicio General de Radio por Paquetes (GPRS: General Packet Radio Service) así como el sistema IS-95-B para CDMA. Los Sistemas de Tercera Generación (3G) se desarrollaron en la década de los noventa y su desarrollo se debió al rápido crecimiento en la demanda de servicios de datos, principalmente del Protocolo de Internet (IP: Internet Protocol), a altas tasas de transmisión y a la limitación del espectro. Estos sistemas incluyen mejor calidad de servicio de voz, mayor capacidad, servicios simultáneos, así como las técnicas de conmutación de paquetes y circuitos para los servicios de datos. En el capítulo 3 se describe la primera fase de la evolución de CDMA2000, a cual se conoce como Evolución de 1x para Solo Datos 1xEV-DO (Evolution-Data only). Y que esta definida en el estándar IS-856. Utiliza una portadora únicamente para datos; por que la voz y los servicios de datos de alta tasa tienen requisitos muy diferentes y por lo tanto habrá ineficiencias siempre que los dos servicios sean combinados. Las características de diseño en 1xEV-DO que permiten altas tasas son: Solicitud de Retransmisión Automática Hibrida (H-ARQ) en el cual los paquetes retransmitidos consisten solamente de bits de paridad adicionales, Esquemas de codificación y modulación adaptables (AMC: Adaptive Modulation and Coding) debido a que como los requerimientos del usuario y las condiciones del canal varían; la tasa de datos se determina y se asigna al usuario de manera dinámica, diversidad multiusuario a través de la Calendarización la cual decide a que terminal de acceso se le proporciona la tasa de datos requerida en un instante de tiempo dado y servicios de datos de banda ancha. 1xEV-DO ofrece tecnología de Internet inalámbrico a gran velocidad y de gran capacidad, que es compatible con redes de CDMA y optimizada para servicios de paquetes de datos. La estructura del enlace de bajada consta de cuatro canales, que están multiplexados en tiempo: piloto, MAC, tráfico y control. La estructura del canal de subida, se divide en canales de acceso y canales de tráfico. El canal de acceso; se divide en canal piloto y canal de datos, los canales de tráfico se dividen en Piloto, MAC, Datos y ACK. El canal MAC se divide en dos subcanales; Indicador de tasa de vii

9 Introducción subida (RRI: Reverse Rate Inicator); indica la tasa del canal de tráfico del enlace de subida y control de tasa de datos (DRC: Data Rate Control) indica la tasa y el sector del cual el móvil quiere recibir canales de tráfico. Las aplicaciones que existen de este sistema son: aplicaciones de datos de banda ancha, por ejemplo internet de banda ancha, descarga de música MP3, juegos 3D y descarga de video. En el capítulo 4 se proporcionan algunas pautas prácticas para la planeación de las redes de radio acceso CDMA2000 1xEV-DO, además de que se describen las suposiciones y los parámetros a considerar para realizar el análisis del diseño del enlace. Un diseño del enlace determina las pérdidas por trayectoria máximas permitidas de un enlace de comunicaciones dado. Para los sistemas inalámbricos, esto es simplemente la diferencia entre la Potencia Isotrópica Efectiva Radiada (EIRP: Effective Isotropic Radiated Power) y la sensibilidad del receptor, más la ganancia de la antena receptora, menos el margen de desvanecimiento, pérdidas por penetración en edificios y las pérdidas debidas a la orientación del cuerpo, así como las pérdidas por cables dependiendo del enlace. Es decir si el enlace es de la estación base a la terminal de usuario se consideran las pérdidas por cables, si el enlace es de la terminal de usuario a la estación base se consideran las pérdidas debidas a la orientación del cuerpo. El diseño del enlace para 1xEV-DO se compara con el diseño en IS-95-A en este caso para el enlace de bajada. Finalmente presentamos las conclusiones obtenidas de este trabajo así como el posible trabajo futuro a desarrollar. viii

10 Capítulo 1: Introducción a CDMA CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A CDMA 1.1 Concepto de Espectro Disperso. Espectro disperso (SS: Spread Spectrum), es la técnica en la cual, el ancho de banda de transmisión de la señal empleado es mucho mayor que el ancho de banda mínimo requerido para transmitir la información. A continuación se describen las características de un sistema de espectro disperso Características de un sistema de Espectro Disperso. Decimos que un sistema es de espectro disperso si cumple los siguientes requisitos: 1. La señal dispersada ocupa un ancho de banda mucho mayor que el ancho de banda necesario para enviar la información. 2. El ancho de banda de transmisión es dependiente de la razón de dispersión. 3. En el receptor, la contracción del espectro se realiza por la correlación de la señal dispersada recibida con una replica sincronizada de la señal de dispersión que se usa para dispersar la información [1]. Los sistemas de espectro disperso están basados en la Ley de Hartley-Shannon que calcula la capacidad de transmisión asintótica en un canal perturbado por Ruido Blanco Aditivo Gaussiano (AWGN: Additive White Gaussian Noise), la cual se define mediante la siguiente ecuación: C Sh B xlog 2 1 SNR (1.1) RF Donde: C Sh : Capacidad de transmisión del canal asintótico en bps. B RF : Ancho de banda del canal en Hertz. SNR: Relación señal a ruido. 1

11 Capítulo 1: Introducción a CDMA De acuerdo a esta ley, los sistemas que emplean un mayor ancho de banda, requieren una SNR mas baja que los sistemas con menor ancho de banda con la misma capacidad de transmisión en bits por segundo (bps) [2] Beneficios y aplicaciones Debido a la cantidad finita de espectro de radio asignado para los sistemas inalámbricos, la industria de las telecomunicaciones desarrolló técnicas de acceso múltiple para permitir que los usuarios múltiples compartan los recursos de comunicación disponibles eficientemente. Las técnicas de acceso múltiple más comunes son: Acceso Múltiple por División de Frecuencia (FDMA: Frequency Division Multiple Access): Asigna una cantidad discreta de ancho de banda a cada usuario. Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA: Time Division Multiple Access): Asigna ranuras de tiempo únicas a cada usuario, es decir, cada usuario tiene intervalos de tiempo específicos para transmitir la información. Acceso Múltiple por División de Código (CDMA: Code Division Multiple Access): Todos los usuarios comparten la misma banda de frecuencia todo el tiempo. Un código único asignado a cada usuario permite que sea distinguido de otros usuarios. En la Figura 1.1 se muestran las principales técnicas de Acceso Múltiple empleadas en los sistemas celulares. Figura 1.1. Técnicas de Acceso Múltiple Espectro Disperso fue creado para proporcionar seguridad en las comunicaciones y en los sistemas de navegación para los usos militares, promoviendo así el desarrollo de las tecnologías de espectro disperso. Sus principales objetivos son: 2

12 Capítulo 1: Introducción a CDMA Acceso múltiple sobre una sola portadora de frecuencia, al mismo tiempo o de manera simultánea. Reducción de la interferencia debido a la propagación por trayectorias múltiples. Privacidad entre usuarios. Esto es posible ya que la información transmitida en el sistema solo puede ser entendida por el receptor previsto, de esta forma, los receptores no autorizados tienen una probabilidad baja de interceptar la información. 1.2 Códigos de dispersión Los códigos y secuencias de dispersión se emplean en las técnicas de espectro disperso para realizar la expansión del espectro de la señal en la transmisión y la contracción del espectro en la recepción. Los sistemas de espectro disperso emplean varios tipos de códigos, cada uno con características específicas, para permitir que múltiples usuarios se comuniquen de manera simultánea. Los códigos identifican de manera única a los usuarios de modo que puedan transmitir la información simultáneamente además de que limitan la interferencia mutua o entre usuarios. Las estaciones base (BS: Base Stations) y las estaciones móviles (MS: Mobile Stations) generan códigos y secuencias específicas que permiten encriptar, multiplexar, dispersar y contraer las señales transmitidas. Dichos códigos contribuyen a la privacidad de los sistemas CDMA y definen su capacidad en términos de los usuarios que pueden soportar de manera simultánea [2]. La sincronización tiene un papel fundamental en los procesos contracción y demultiplexaje de las secuencias de dispersión, porque permite que las secuencias correlacionadas sean recuperadas mientras que las secuencias sin correlación queden dispersadas, comportándose como ruido. La sincronización entre las secuencias de dispersión implica recuperar la información original utilizando dos funciones XOR (ORexclusiva) ó una suma módulo 2, una en el transmisor y otra en el receptor, como se observa en la figura 1.2. Figura 1.2. Dispersión de la señal mediante secuencias de dispersión 3

13 Capítulo 1: Introducción a CDMA Estos códigos son configurados y sincronizados en cierto modo para asegurar una alineación perfecta entre las secuencias transmitidas por la estación base y la generada localmente en la estación móvil y viceversa. Si las secuencias son diferentes o no están sincronizadas entre la estación base y la estación móvil, la información recuperada presenta errores. Los sistemas celulares basados en CDMA tales como IS-95 y CDMA2000 utilizan dos clases de códigos de dispersión: las secuencias de pseudo-ruido (PN: Pseudo-Noise) y los códigos Walsh. En la siguiente sección se describen cada uno de los códigos de dispersión Secuencias de Pseudo-Ruido (PN) Las secuencias PN se utilizan para dispersar la señal, dándole características similares a las del ruido térmico, mientras que es totalmente previsible, ya que estas secuencias se generan mediante reglas matemáticas precisas y cada valor que toma puede ser determinado haciendo uso de dicha expresión, además de que son secuencias binarias y periódicas. Se utiliza el término pseudo-ruido porque estas secuencias no son completamente deterministicas ni verdaderamente aleatorias. Es decir, en el primer caso permitiría que cualquiera pudiera entender la información dispersada por la secuencia mientras que el segundo caso evitaría que incluso el receptor previsto para ese caso pudiera entender algo. La idea de una secuencia de PN es parecer aleatoria para que los receptores involuntarios mientras que es conocida tanto por el transmisor como por el receptor destinados para ese caso. Las secuencias PN se clasifican principalmente en: Secuencias de longitud máxima (MLS: Maximal Length Sequences) y Secuencias de longitud no máxima (NMLS: Non- Maximal Length Sequences). Las secuencias de longitud máxima, se generan por un circuito llamado registro de desplazamiento con retroalimentación lineal (LFSR: Linear Feedback Shift-Register), donde las secuencias de un registro LFSR con n etapas son periódicas, por que el número máximo de posibles combinaciones binarias que podemos obtener es 2 n, y por lo tanto podemos observar que el periodo no debe ser mayor de 2 n, debido a que si se alcanzara la condición de que todos sean ceros, no habría cambios en el registro de corrimiento, entonces siempre estaríamos en el mismo estado. Por lo tanto, el número máximo de estados posibles esta dado por [2,3]: =2 1 h (1.2) Cada pulso fundamental de la secuencia de PN se le conoce como chip o símbolo código de PN. 4

14 Capítulo 1: Introducción a CDMA Donde: n es el número de etapas del registro de desplazamiento. P es el periodo de la secuencia. Por ejemplo, si tenemos un generador de secuencias PN con n=4 (4-etapas) como el de la figura 1.3 con un estado inicial de , obtendremos la siguiente secuencia PN: Figura 1.3. Registro de desplazamiento lineal con retroalimentación de 4 etapas En cada pulso de reloj la sucesión en los registros de desplazamiento se puede observar en la tabla 1.1. Tabla 1.1. Sucesión en los registros de desplazamiento Después de 15 pulsos de reloj, el estado inicial en los registros de desplazamiento se repite, esto quiere decir que la longitud de la secuencia es 2 4-1=15. Con todo esto tenemos que la secuencia de salida S generada en un periodo es igual a: = Una representación de la secuencia mediante una forma de onda se muestra en la figura 1.4. Figura 1.4. Secuencia PN 5

15 Capítulo 1: Introducción a CDMA Las secuencias de PN poseen tres propiedades, las cuales son [1,2]: 1. Propiedad de balance: En un periodo completo P= 2 n -1 de una secuencia de PN, el número de unos difiere del número de ceros al menos por un dígito. Esta propiedad se observa en el ejemplo de la secuencia anterior, donde el número de unos es igual a 8 mientras que el número de ceros es igual a Propiedad de sucesión (run): En cada periodo se tienen sucesiones de 1s ó 0s, donde el tamaño total de la sucesión se determina; mediante 2 1, y es deseable que ½ de las sucesiones sean de longitud 1, ¼ de longitud 2, 1 / 8 de longitud 3 y así sucesivamente. En el ejemplo, para n=4 hay un total de =8 sucesiones de 1s y 0s, de las cuales =4 son de longitud 1 (dos sucesiones de 1 y dos sucesiones de 0), =2 de longitud 2 (una sucesión de 1 y una de 0). El restante puede ser de cualquier longitud (observamos que hay una sucesión de tres 0s consecutivos y una sucesión de cuatro 1s consecutivos). 3. Propiedad de correlación: Si el periodo de una secuencia se compara bit a bit con un desplazamiento cíclico del mismo, se requiere que el número de las posiciones donde coinciden difiera del número de posiciones donde no coinciden por no más de uno. La función de correlación R xx () de una señal periódica x(t), con periodo T o esta dada por la ecuación 1.3 en su forma normalizada: 2 () = 1 1 ()( +) 2 < < (1.3) Donde: /2 = 1 2 () /2 (1.4) x(t) es una señal periódica que representa la secuencia de PN. Para una secuencia de PN con una duración de chip unitaria y un periodo de P chips, la función de autocorrelación normalizada puede expresarse como: () = 1 ú (1.5) 6

16 Capítulo 1: Introducción a CDMA Para el ejemplo anterior, aplicando la ecuación 1.5 tenemos: ( =0) = 1 (15 0) =1 15 Ahora realizamos un desplazamiento cíclico: ( =1) = 1 15 (7 8) = 1 15 Realizamos otro desplazamiento cíclico: ( =2) = 1 15 (7 8) = 1 15 Continuando con este proceso se puede demostrar que: () = 1 =, = 0, ±1, ±2, 1 ( +) = () La representación gráfica de R xx () se muestra en la figura 1.5. FIGURA 1.5. Función de autocorrelación de una secuencia PN Códigos Walsh Los códigos Walsh se clasifican en: códigos Walsh de longitud fija y códigos Walsh de longitud variable. Estos códigos están dados por la matriz Hadamard que es una matriz 7

17 Capítulo 1: Introducción a CDMA cuadrada de elementos binarios, 0s y 1s. El orden de la matriz es siempre potencia de 2, es decir que solamente es posible formar matrices Walsh de orden 2 x [2,4]. Por definición, la matriz Hadamard de primer orden (una fila y una columna) se representa como 0. Las otras matrices Hadamard se crean utilizando un patrón recursivo de acuerdo a la siguiente ecuación: Donde: 2 = (1.6) =Matriz Hadamard de orden N, es decir N filas y N columnas =Complemento binario de la matriz 2 =Matriz Hadamard de orden 2N Una matriz Hadamard se genera de manera sistemática y recursiva. En la figura 1.6 podemos observar algunos ejemplos de matrices Hadamard de orden 2, 4 y 8 creadas a partir de la ecuación 1.6 [5,6]. 2 = = = Figura 1.6. Matrices Hadamard de orden 2,4 y En las matrices Hadamard, la primera fila y la primera columna siempre están compuestas por 0s. La nomenclatura utilizada para describir las filas tiene el siguiente formato, donde m indica la longitud de la matriz mientras que i indica el número de la fila. Las filas son numeradas desde el inicio hasta el final, de 0 hasta m-1, es decir, si tenemos la secuencia o código Walsh 1 8 nos estamos refiriendo a la segunda fila de una matriz de orden 8. Este código Walsh cuyos elementos son [ ], también se puede representar en términos de la amplitud de la señal, es decir los bits 0 se pueden representar como una señal de amplitud +1 y los bits 1 como -1, es decir en términos de la amplitud de la señal 1 8 =[ ], esto se puede apreciar mejor en la figura

18 Capítulo 1: Introducción a CDMA Figura 1.7. Códigos Walsh de longitud 8 en términos de amplitud Una de las principales características de estos códigos es que son mutuamente ortogonales el uno del otro dentro de la misma matriz, es decir que la función de correlación cruzada (CCF: Cross-Correlation Function) es constante e igual a 0. En una matriz de orden N, el número de bits de coincidencia y el número de bits de no coincidencia cuando se comparan dos códigos es siempre N/2. Por ejemplo, si 8 8 comparamos el código 1 con 5 observamos cuatro bits de coincidencia y cuatro bits de no coincidencia: 8 1 1: : Por lo tanto, tenemos que la función de correlación cruzada es: = (1.7) Donde: CC el número de coincidencias entre secuencias. NCC el número de no coincidencias entre secuencias. 9

19 Capítulo 1: Introducción a CDMA Continuando con el ejemplo anterior, tenemos: =4 4= Códigos ortogonales de longitud variable Estos códigos son tomados de un árbol de códigos como el que se muestra en la Figura 1.8. Cada nivel en el árbol corresponde a un cierto factor de dispersión. Cada nodo del nivel k representa un factor de dispersión variable ortogonal (OVSF: Orthogonal Variable Spreading Factor) [5,6]. Los códigos ortogonales de longitud variable se emplean en CDMA2000, siguiendo un comportamiento recursivo, como se muestra en la figura 1.8. Estos códigos tienen la característica de que son ortogonales entre si dentro del mismo nivel [3]. Además de que si se asigna un código, por ejemplo el código C 2,1 =(1,1) ya no se podrán asignar los códigos antecesores (código C 1,1 ) y los sucesores (códigos C 4,1 y C 4,2 ). Figura 1.8. Diagrama de árbol de los códigos Walsh de longitud variable Códigos Walsh en los sistemas IS-95 a) Enlace de bajada Los sistemas IS-95 emplean códigos Walsh de longitud 64. Estos códigos se utilizan en multiplexaje o en propósitos de canalización, es decir la selección de los canales lógicos (piloto, sincronización, voceo y tráfico) presentes simultáneamente en el enlace de 10

20 Capítulo 1: Introducción a CDMA bajada, debido a la ortogonalidad mutua es posible asignar un código a cada canal lógico (figura 1.9) [2,3]. Figura 1.9. Códigos Walsh empleados en canalización b) Enlace de subida Los códigos Walsh en los sistemas IS-95 se utilizan también en el enlace de subida con una longitud de 64. Estos códigos se emplean en la modulación ortogonal 64-aria Códigos Walsh en los sistemas CDMA2000 a) Enlace de bajada Los sistemas CDMA2000 utilizan códigos Walsh de longitud variable según la tasa de dispersión (SR: Spreading Rate), la tasa de bits de información para la transmisión y el canal en uso. La tabla 1.2 muestra las configuraciones de radio (RC: Radio Configurations) empleadas en los sistemas CDMA2000 [2,3]. SR SR1 SR3 Tabla 1.2. Configuraciones de radio para CDMA2000 (Rel A) Enlace de bajada RC Tasas de datos (Kbps) Tasa base, Tasa máxima Enlace de subida RC Tasas de datos (bps) Tasa base, Tasa máxima RC1 9.6 RC1 9.6 RC RC RC3 9.6, RC3 9.6, RC4 9.6, RC5 14.4, RC4 14.4, RC6 9.6, RC5 9.6, RC7 9.6, RC8 14.4, RC6 14.4, RC9 14.4, b) Enlace de subida El enlace de subida hace uso de algunos códigos Walsh de longitud 4 a 64, pero solamente para las operaciones con configuración de radio 3-4 (SR1) y 5-6 (SR3), como se puede observar en la tabla

21 Capítulo 1: Introducción a CDMA 1.3 Técnicas de espectro disperso. Hay dos técnicas principales de espectro disperso: Secuencia Directa (DS: Direct Sequence) y Salto de Frecuencia (FH: Frequency Hopping), las cuales se pueden observar en la figura Figura Técnicas de espectro disperso más empleadas Secuencia Directa (DS). La técnica de Secuencia Directa es la más usada en los sistemas de espectro disperso, y esto se debe a su relativa facilidad de implementación. Esta técnica no requiere un circuito de alta velocidad en el sintetizador de frecuencias como en los sistemas de Salto de Frecuencia. Como el nombre lo indica, la dispersión del espectro se obtiene de una modulación directa con la secuencia de PN. La técnica ocupa toda la banda de frecuencia disponible. En la práctica, el esquema de modulación mas empleado es la modulación por cambios de fase, como BPSK, QPSK y sus variantes. Otros esquemas de modulación distintos y más eficientes, como 8-PSK, 16-QAM y 64-QAM, se han propuesto en evoluciones recientes de los estándares para CDMA con la finalidad de alcanzar capacidades más altas en la transmisión [2]. Los bits de información, que son una señal digital de banda angosta, se dispersan en una señal de banda ancha por la secuencia PN y transmitidos después de iniciar la modulación. En el receptor, la señal es desmodulada y contraída por una secuencia de PN generada localmente. 12

22 Capítulo 1: Introducción a CDMA Para realizar la dispersión del espectro de la señal de información (bits), por ejemplo la voz digitalizada, se suma módulo 2 a una secuencia de PN. La suma módulo 2, equivale a una operación OR-exclusiva (XOR). La Figura 1.11 muestra un diagrama del proceso de dispersión mediante secuencia directa usando un código particular de PN, designado C 1. Figura Diagrama funcional de una Secuencia Directa. De la Figura 1.11 se observa que la tasa de la secuencia de PN es mucho mayor que la tasa de información. Por ejemplo, para una tasa de información de 10 Kbps, se aplica una tasa de dispersión de 1 Mcps (Mega Chips por Segundo), produciendo una señal de espectro disperso a una tasa de 1Mcps. En este caso, la función OR-Exclusiva usa 100 chips del código C 1, para procesar cada bit de información [3] Salto en Frecuencia (FH). En esta técnica, la frecuencia portadora cambia en intervalos de tiempo regular. Las frecuencias son seleccionadas por un grupo predeterminado dentro del espectro disponible y estas cambian en un orden definido por una secuencia de PN. La secuencia PN controla un sintetizador de frecuencias que es usado para la generación de las portadoras. Los códigos PN definen la secuencia de los saltos {f 1, f 2, f 3,..., f n } que son generados por un sintetizador de frecuencias para la transmisión a través de la interfaz de radio. La modulación, transmisión, recepción y desmodulación solo suceden si ambos generadores de secuencias de PN son compatibles y están sincronizados. El número de frecuencias usadas es variable. Hay otras implementaciones posibles para los sistemas FH, sin embargo, los sistemas FH se clasifican en dos categorías, dependiendo de la tasa de saltos: Salto de Frecuencia Rápido (FFH: Fast Frequency Hopping), la tasa de salto es igual o mayor que la tasa de bit de la señal de banda base. 13

23 Capítulo 1: Introducción a CDMA Salto de Frecuencia Lento (SFH: Slow Frequency Hopping), la tasa de salto es menor que la tasa de bit de la señal de banda base. Entre mayor sea la privacidad y la protección de la interferencia, mayor es la tasa de salto y el número de frecuencias requeridas [2] Ganancia de procesamiento (P G ) La ganancia de procesamiento se define como la relación entre la tasa de dispersión (Ws) y la tasa de transmisión de datos (Rd), como se ve en la Ecuación 1.8. Ws Pg (1.8) R d Cuando la tasa de datos es baja, Pg es grande y la interferencia se suprime debido a la relación Eb/No y es posible alcanzar una tasa de bit erróneo (BER: Bit Data Rate) baja. Por otro lado, para un servicio con tasa alta ocurre lo contrario. En los sistemas de espectro disperso, la señal transmitida se contrae en el receptor, para regresarla a su ancho de banda original. Esto se logra a través de una correlación, entre la señal recibida y la secuencia PN generada localmente. Para contraer y cubrir la señal, el receptor debe identificar y generar localmente la secuencia PN transmitida de tal manera que ambas secuencias PN tienen que ser idénticas. La energía de estas señales se reduce en la banda del filtro después del proceso de correlación. El proceso de contracción extrae la señal deseada en relación con otras señales. Esto se define como el cociente de la SNR en la salida y la SNR en la entrada del procesador de señal (ver Figura 1.12). Figura Cálculo de la P G (lineal). Si el valor esta expresado en db, la Ganancia de Procesamiento P G se define por la siguiente expresión: P G db SNR db SNR db (1.9) out in 14

24 Capítulo 1: Introducción a CDMA De acuerdo con la Ecuación 1.9, un procesador de señal con una SNR out de 10 db y SNR in de 4 db, tiene una ganancia de procesamiento de 6 db Ganancia de procesamiento en Sistemas de Salto de Frecuencia. La ganancia de procesamiento para los sistemas de Salto de Frecuencia, se define como el número de frecuencias disponibles para los saltos. PG N freq (1.10) O, en db: PG 10log10 N freq (1.11) De acuerdo a las ecuaciones previas, la ganancia de procesamiento incrementa con el número de frecuencias disponibles. La disponibilidad de más frecuencias para los saltos también reduce la interferencia en cada frecuencia específica, es decir, se reduce la densidad espectral de energía, suponiendo que la energía de interferencia se dispersa sobre el ancho de banda total Ganancia de Procesamiento para sistemas de Secuencia Directa. La técnica de secuencia directa usa una sola frecuencia portadora. El ancho de banda requerido para transmitir la información es idéntico al de la tasa de información, gracias a la eficiencia espectral de los esquemas de modulación; la ganancia de procesamiento puede definirse mediante la siguiente expresión: P R R (1.12) G PN Info Donde: R PN =Tasa de chip de la información dispersada (igual a la tasa de la secuencia de PN). R Info =Tasa de bit de la señal de información. Considerando la ganancia de procesamiento en db. PG 10log10 PN Info R R (1.13) De acuerdo con la Ecuación (1.13), para una tasa de dispersión (R PN ) de 1 Mcps y una tasa de información (R Info ) de 10 Kbps, la ganancia de procesamiento es 100 o 20 db [2]. 15

25 Capítulo 1: Introducción a CDMA 1.4 Acceso múltiple por división de código basado en secuencia directa Dispersión y contracción de la señal DS-CDMA. La Figura 1.13 ilustra el concepto de transmisión de DS-CDMA. Todos los usuarios comparten simultáneamente la misma banda de frecuencia para la comunicación, debido a esto no es posible distinguir uno del otro filtrando en el domino de tiempo o de la frecuencia, como en FDMA ó TDMA, respectivamente. En los sistemas celulares con CDMA, los códigos se asignan a cada usuario permitiendo la distinción de cada uno. Un diseño adecuado de los códigos de dispersión permite reducir al mínimo la interferencia entre usuarios múltiples. Figura Espectro Disperso en sistemas DS-CDMA. La Figura 1.13 y 1.14 muestran que cada señal transmitida s i (t) se dispersa por un código c i (t). Todas las señales codificadas, que corresponden a los símbolos de la modulación muestran que la amplitud y la ganancia de la información, se combinan en banda base. El resultado de esta operación modula la portadora, como se ilustra en la ecuación S TX n n n c i i i 1 t s t c t s t c t... s t c t Acosw t s t c t Acosw t c (1.14) 16

26 Capítulo 1: Introducción a CDMA Donde: s i (t)=señal del usuario número i. c i (t)=número de código i ( Código Walsh o Secuencia PN asociada al usuario i ) Figura Transmisor DS-CDMA. La antena transmite una serie de canales apilados, modulando la misma portadora de RF. La antena del receptor captura la misma señal, aunque esté atenuada, todavía lleva todos los canales apilados, como se muestra en la Figura Figura Receptor DS-CDMA. 17

27 Capítulo 1: Introducción a CDMA La Figura 1.15 muestra los procesos contracción y la desmodulación usados para recuperar la señal de un solo usuario del canal de comunicación. La desmodulación simultánea de varios canales se representa por este diagrama en varios tiempos, usando muchos códigos c n (t) como el número de usuarios activos [7]. La señal recibida siempre consiste de la suma de todos los canales de comunicaciones en uso, dentro de la misma portadora de RF. En el dominio de la frecuencia, o en el dominio del tiempo, los canales de la transmisión CDMA aparecen de una manera traslapada. Para la contracción de un canal dado, los dos códigos c i (t) generados por el transmisor y por el receptor requieren estar sincronizados. La contracción se lleva a cabo a través de la multiplicación de la señal recibida por el código asociado con el canal deseado, como se ilustra de la Ecuación (1.14) a la Ecuación (1.18) [8]. S t c t s t c t s t c t... s t c t A' w tc t 1 cos (1.14) RX n n c 1 S n 1 cos t c t s t c t s t c t A' w tc t RX i i 1 1 c 1 i21 (1.15) Por lo tanto: S RX n 1 i i 1 ' c 1 1 i2 t c t s t c t c t A cosw t s t c t A' cosw t c (1.16) Pero c t c t 1 y t c t c i (1.17) 1 La Figura 1.16 resume los procesos de la modulación y la dispersión realizados en un sistema CDMA. 18

28 Capítulo 1: Introducción a CDMA Figura Pasos del proceso de un sistema CDMA. Cuando i es diferente de 1, tenemos: S RX n 1 i i 1 ' c 1 i2 t c t s t c t c t A cosw t s t A' cosw t c (1.18) La expresión en los corchetes representa la suma de todas las señales dispersadas no deseadas del usuario, que causa interferencia al usuario 1. La última parte de la ecuación s1 t A'coswct representa la señal deseada, la contracción de la señal del usuario 1 [4]. 19

29 Capítulo 1: Introducción a CDMA Si los códigos generados por el transmisor y el receptor están sincronizados, la contracción de la señal deseada (incluyendo la información de la amplitud) se realiza y la señal es desmodulada al ancho de banda original. Otras señales usan diferentes códigos permaneciendo dispersas en el espectro. El filtro pasa bandas, se muestra en la Figura 1.16, el cual rechaza la mayoría de la energía de las señales de interferencia. Los canales que permanecen dispersados se consideran como interferencias para el usuario 1 y determina la SNR en la salida del correlador. Como un ejemplo, consideremos una tasa de datos máxima de 9.6 Kbps y una tasa de dispersión de Mcps. La ganancia de procesamiento, en este caso es 21 db, o 128 veces en escala lineal. Considerando que una SNR OUT de 7 db para garantizar que la calidad de la comunicación sea adecuada, entonces se puede obtener una SNR in de -14 db a partir de la Ecuación 1.9. Esto significa que el nivel de la señal deseada está 14 db debajo de la interferencia causada por la suma de la interferencia de otros usuarios y el ruido. 20

30 Capítulo 1: Introducción a CDMA Referencias [1] Bernard Sklar, Digital communications: Fundamentals and Applications, Prentice-Hall, [2] Leonhard Korowajczuk, Bruno de Souza Abreu Xavier, Arlindo Moreira Fartes Filho, Leila Zurba Ribeiro, Cristine Korowajczuk, Luiz A. Da Silva, Designing CDMA2000 Systems, Wiley, [3] Kamran Etemad, CDMA2000 Evolution: System Concepts and Design Principles, Wiley, [4] Jhong Sam Lee, Leonard E. Miller, CDMA Systems Engineering Handbook, Artech House, [5] Samuel C. Yang, CDMA RF Systems Engineering, Artech House, [6] Vijay K. Garg, Kenneth Smolik, Joseph E. Wilkes, Applications of CDMA in Wireless/Personal Communications, Prentice-Hall, [7] A.J. Viterbi, CDMA Principles of Spread Spectrum Communications, Addison-Wesley, [8] W. C. Y. Lee, Overview of Cellular CDMA, en IEEE Transaction on Vehicular Technology, vol. 40, num. 2, mayo 1991, pp

31 Capítulo 2: Generaciones de los sistemas celulares CAPÍTULO 2 GENERACIONES DE LOS SISTEMAS CELULARES Este capítulo proporciona una breve descripción sobre la evolución que han tenido los sistemas celulares desde sus inicios hasta el estado actual, ya que en los años 80 la gente veía a los celulares como un artículo de lujo; debido a que se comenzaba a desarrollar esta tecnología por lo que eran muy costosos, además solo estaban diseñados para servicios básicos de voz. Al mismo tiempo eran unos aparatos muy grandes y la mayoría de las veces no se le proporcionaba al cliente una buena cobertura, o en algunos casos la calidad en la voz era deficiente. Pero hoy en día con la evolución de estos sistemas, se permite a los usuarios una gran movilidad, acceso a Internet de gran velocidad, mensajes multimedia con color y sonido, además de comunicación con otros dispositivos, por ello mucha gente los considera elementales en su vida cotidiana Sistemas de Primera Generación Los sistemas de primera generación se caracterizaban por ser analógicos. En 1946 comienza a operar el primer Servicio de Telefonía Móvil publico (MTS: Mobile Telephone Service) colocando un transmisor potente en un edificio alto y asignando teléfonos móviles a un único canal permanente para enviar y recibir vía oprimir-para-hablar (pushto-talk), este empezó su funcionamiento en 25 ciudades de Estados Unidos. En 1960 se le hizo una mejora a este sistema, surgiendo el Sistema de Telefonía Móvil Internacional (IMTS: International Mobile Telephone System) que añade canales duales (full-dúplex) para enviar y recibir de manera simultánea [1,2]. Un descubrimiento muy valioso para la evolución de esta tecnología es la invención del microprocesador en 1971, ya que proporcionaba la capacidad de un procesamiento que era requerido en aquella época para seguir innovando esta tecnología. El primer sistema celular comercial de primera generación fue el Sistema de Comunicación Móvil L1 (MCS-L1: Mobile Communication System L1) que fue introducido en Japón en 1979 por la compañía NTT (Nippon Telegraph and Telephone) usando 600 canales de FM full dúplex, cada uno de 25KHz, operando en la banda de los 800 MHz. Ya que la mayoría de los sistemas de primera generación utilizaban FM, ofrecían una mejor inmunidad al ruido y con ello se mejoraba la calidad de la voz. 22

32 Capítulo 2: Generaciones de los sistemas celulares También se incorporaron dos elementos básicos del concepto celular: la reutilización de frecuencias y la partición de celdas para poder separar a los usuarios. En la Figura 2.1 se muestran estos elementos básicos del concepto celular [3], en una red celular, el área de cobertura está dividida en celdas, normalmente hexagonales, cada una es atendida por una radio base, la cual restringe su zona de cobertura a la misma celda. A su vez estas celdas se agrupan en conjuntos y el número de canales de radio disponibles se distribuye en el grupo, de tal manera que esta distribución se repite en toda la zona de cobertura. Así, el espectro de frecuencias se reutiliza en cada nuevo grupo de celdas, cuidando evitar las interferencias ente las celdas próximas. De igual manera el primer sistema celular comercial en Estados Unidos apareció en 1983 con el nombre de Servicio de Telefonía Móvil Avanzado (AMPS: Advanced Mobile Phone Services), este sistema ofrecía 832 canales de FM full dúplex, con ancho de banda de 30 KHz, en la banda de los 800 MHz. Los europeos también lanzaron su primer sistema celular en 1981 en Escandinavia, con el nombre de Telefonía Móvil Nórdica (NMT: Nordic Mobile Telephone), soportando 1000 canales de FM, con un ancho de banda de 25 KHz, operando en la banda de los 900 MHz. Figura 2.1. Disposición de la celda que ilustra a) La Reutilización de Frecuencia, b) Celda original y c) División de la celda. En 1982 y 1985 comienzan a operar en el Reino Unido el Sistema de Comunicación de Acceso Total (TACS: Total Access Communication System) y Sistema de Comunicación de Acceso Total Extendido (ETACS: Extended TACS) con una semejanza muy grande frente a AMPS. Sin embargo, el espectro de frecuencia utilizado era insuficiente para soportar la calidad de servicio que se requería Sistemas de Segunda Generación A finales de los años 80's se forma el camino hacia la era digital; es decir el gran salto de la primera generación hacia la segunda se debe principalmente al Procesador Digital 23

33 Capítulo 2: Generaciones de los sistemas celulares de Señales (DSP: Digital Signal Processor), así como a el uso de de Circuitos Integrados para Aplicaciones Especificas (ASIC s: Application-Specific Integrated Circuit); logrando con esto que los teléfonos celulares disminuyeran su tamaño y tuvieran al mismo tiempo características importantes de procesamiento. Sus servicios básicos son: voz y mensajes de texto. La segunda generación llegó al inicio de los 90 s y a diferencia de la primera se caracterizó por su naturaleza digital (primeros en emplear técnicas de codificación, tanto de bloques como convolucionales) para la detección y la corrección de errores en los canales de tráfico; ofreciendo con esto mejor calidad de voz. Además de la naturaleza digital de los sistemas de segunda generación, estos permiten el uso de las técnicas de acceso múltiple por división de tiempo y/o frecuencia como alternativa para separar a los usuarios. Excluyendo el sistema cdmaone el cual esta basado en CDMA, la técnica TDMA fue incorporada con FDMA para separar a los usuarios dentro de las bandas de frecuencia señaladas. La segunda generación fue diseñada para operar en la banda celular de los 810 a 960 MHz. Estos sistemas operan por medio de conmutación de circuitos, y así garantizan el enlace de las llamadas telefónicas con mayor eficiencia. CDMA también fue considerado una alternativa para la implementación de los sistemas de segunda generación, sin embargo solamente Qualcomm al desarrollar el sistema de cdmaone la adoptó como implementación de acceso múltiple. Subsecuente a la introducción de TDMA se adicionaron modulaciones digitales tales como Modulación por Desplazamiento Gaussiano Mínimo (GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying) y PSK Cuaternario (QPSK: Quaternary Phase Shift Keying). Aunque los investigadores sabían las ventajas de CDMA en ese momento decidieron no integrarlas completamente a los sistemas 2G por dos razones: La tecnología CDMA no fue estandarizada hasta 1993, que era casi el mismo tiempo en que otros sistemas de segunda generación se estaban implementando o instalando. Las arquitecturas basadas para TDMA eran bastante maduras en ese momento y por lo tanto se les podía desarrollar con el auge requerido. Para llevar a cabo un mejor análisis de esta generación, estos sistemas se agrupan, dependiendo de la técnica de acceso múltiple que emplean, es decir TDMA y CDMA. Por lo que se hará una breve referencia en la siguiente sección. 24