Simulaciones de la capa física del estándar CDMA2000 1XEV-DO con ayuda de Matlab

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(1)S IMULACIONES DE LA C APA FÍS ICA DEL ES TÁNDAR CDMA2000 1XEV-DO CON AYUDA D E MATLAB. AYD A JAN ETH LÓPEZ BERMÚDEZ. UNIVERS IDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ 2007.

(2) S IMULACIONES DE LA C APA FÍS ICA DEL ES TÁNDAR CDMA2000 1XEV-DO CON AYUDA D E MATLAB. AYD A JAN ETH LÓPEZ BERMÚDEZ. Trabajo de grado para optar al título De Ingeniero Electrónico. Asesor RAFAEL C AMERANO FUENTES , PhD. UNIVERS IDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ 2007.

(3) A MIS PADRES, POR QUE SUS ENSEÑANZAS SON LA FUENTE DE INSPIRACIÓN QUE ALIMENTÓ EL LOGRO DE ÉSTE OBJETIVO.

(4) AGRAD ECIMIENTOS. Deseo expresar mis más sinceros agradecimientos a Rafael Camerano Fuentes PhD, por sus invaluables aportes a éste trabajo y a mi desarrollo como persona. A Roberto Bustamante M iller PhD, por sus contribuciones técnicas y orientación en el desarrollo del proyecto. A mis padres y. mi hermana, quienes siempre me han apoyado. incondicionalmente en el logro de mis objetivos, brindándome la fortaleza para siempre querer hacer las cosas de una mejor manera. A todos aquellos que de alguna u otra forma dieron su voz de aliento para estimularme a alcanzar éste logro, mil gracias..

(5) CONTENIDO. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................................................................1 1. REVISIÓN A LA ESPECIFICACIÓN......................................................................................................................................3 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.. CONCEP TOS BASICOS.........................................................................................................................................................3 CANALES FÍSICOS.................................................................................................................................................................7 ESTRUCTURA DE PAQUETES...........................................................................................................................................8 TRANSMISIÓN EN RED DE ACCESO...........................................................................................................................10. 2. MODELOS DE SIMULACION................................................................................................................................................15 2.1 CANAL DE COMUNICACIÓN............................................................................................................................................15 2.2. MODELOS DE P ÉRDIDAS DE TRAYECTO.................................................................................................................16 2.2.2. MODELO DE PÉRDIDAS DE TRAYECTO PARA EL ENTORNO DE PRUEBAS DE VEHICULOS........18 2.3. INTERFERENCIA CO-CANAL.........................................................................................................................................19 2.4. CANAL MULTITRAYECTORIA......................................................................................................................................21 3. PROCESAMIENTO PARA CANAL DE TRÁFICO Y CONTROL DIRECTOS....................................................25 3.1. TURBO CODIFICADORES................................................................................................................................................25 3.2. INTERCALACIÓN................................................................................................................................................................27 3.3. CODIFICADORES CONVOLUCIONALES...................................................................................................................27 3.4. P UNCTURING.......................................................................................................................................................................28 3.5. SCRAMBLING.......................................................................................................................................................................28 3.5.1. GENERACIÓN DE MACIndex...................................................................................................................................29 3.6. INTERCALADOR DE CANAL (CHANNEL INTERLEAVER)................................................................................30 3.7. MODULACION......................................................................................................................................................................30 3.8. REPETICIÓN DE SECUENCIA Y PUNCTURING DE SIMBOLOS........................................................................33 3.9. DEMULTIP LEXACIÓN DE SIMBOLOS........................................................................................................................33 3.10. ASIGNACIÓN DE CANALES ORTOGONALES.......................................................................................................33 3.11. P ROCESAMIENTO PARA P REAMBULO...................................................................................................................34 3.12. CANAL MAC.......................................................................................................................................................................34 3.12.1. REVERSE POWER CONTROL ( RPC) CHANNEL..............................................................................................35 3.12.2. REVERSE ACTIVITY ( RA) CHANNEL..................................................................................................................35 3.13. P ROCESAMIENTO DEL CANAL P ILOTO.................................................................................................................36 3.14. MULTIPLEXACIÓN..........................................................................................................................................................36 3.15. EXPANSIÓN EN CUADRATURA.................................................................................................................................37 3.15.1. SECUENCIAS PN.......................................................................................................................................................37 3.15.2. MULTIPLICACIÓN COMPLEJA............................................................................................................................39 3.15.3. GANANCIA DE POTENCIA....................................................................................................................................39 3.16. RECEP TOR...........................................................................................................................................................................39 3.16.1. TURBO DECODIFICADOR....................................................................................................................................42 4. ESTRUCTURA DEL SIMULADOR........................................................................................................................................46 5. RESULTADOS...............................................................................................................................................................................50 6. CONCLUSIONES.........................................................................................................................................................................54 7. TRAB AJO FUTURO...................................................................................................................................................................55 A. ANEXO: G ENERACION DEL CAMPO FCS EN LA TRAMA...................................................................................56 B . ANEXO: MATERIAL ADICIONAL.....................................................................................................................................58 C. ANEXO 3: CODIG O FUENTE EN MATLAB ..................................................................................................................59 B IB LIOG RAFÍA.................................................................................................................................................................................81.

(6) LIS TA DE FIGURAS. Figura 1. M odelo arquitectural de referencia. ..................................................................... 4 Figura 2. Arquitectura por capas para la interfaz de aire..................................................... 4 Figura 3. Protocolos Predeterminados ................................................................................. 6 Figura 4. Protocolos No Predeterminados ........................................................................... 6 Figura 5. Estructura de canales ............................................................................................ 7 Figura 6. Estructura del Canal Directo ................................................................................ 8 Figura 7. Estructura del Canal Inverso ................................................................................ 8 Figura 8. Formato de paquete de Canal de Control ............................................................. 9 Figura 9. Formato de paquete de Canal de Tráfico Directo ................................................ 9 Figura 10. Potencia de transmisión máxima con tasas de datos variables......................... 11 Figura 11. Estructura del Canal Directo ............................................................................ 13 Figura 12. Tasa de dato vs. Tipo de modulación: 1-QP SK,2-8P SK, 3-16 QAM, 4-64 QAM........... 14 Figura 13. Estructura del Canal de comunicación ............................................................. 16 Figura 14. Fenómeno de Difracción .................................................................................. 17 Figura 15. Reducción debida a la difracción de pantalla múltiple .................................... 17 Figura 16. Perdidas de trayectoria para ambiente exterior y pedestre............................... 18 Figura 17. Perdidas de trayectoria para ambiente vehicular.............................................. 19 Figura 18. Interferencia por celdas co-canal, tamaño de cluster = 3................................. 20 Figura 19. M etodología de simulación interferencia co-canal .......................................... 21 Figura 20. Efecto M ultitrayectoria .................................................................................... 22 Figura 21. Filtro Transversal ............................................................................................. 23 Figura 22. Turbo codificador ............................................................................................. 26 Figura 23. Número de bits de entrada contra bits de salida turbo codificador .................. 27 Figura 24.Estructura del codificador convolucional.......................................................... 28 Figura 25. Scrambling. ...................................................................................................... 29 Figura 26. Scattering plot modulación QAM .................................................................... 31 Figura 27. Scattering plot modulación 8-P SK................................................................... 31 Figura 28. Scattering plot modulación 16-QAM ............................................................... 32 Figura 29. Scattering plot modulación 64-QAM ............................................................... 32 Figura 30. Procesamiento de ortogonalidad ...................................................................... 34 Figura 31. M ultiplexación para formato de transmisión de 2 o 4 slots ............................. 36 Figura 32. M ultiplexación para formato de transmisión de 8 o 16 slots. .......................... 37 Figura 33. M ultiplexación para formato de transmisión de 1 slot..................................... 37 Figura 34. Generador secuencia PN basado en el polinomio generador PI (x) . ............... 38 Figura 35. Desempeño de turbo decodificador para modulación QPSK .......................... 43 Figura 36. Desempeño de turbo decodificador para modulación 8PSK ........................... 44 Figura 37. Desempeño de turbo decodificador para modulación 16 QAM ....................... 44 Figura 38. Desempeño de turbo decodificador para modulación 64 QAM ...................... 45.

(7) Figura 39. Interfaz gráfica del simulador.. ........................................................................ 47 Figura 40. Tiempo empleado por las distintas funciones.................................................. 48 Figura 41. M odelo de simulación. .................................................................................... 50 Figura 42. Respuesta del sistema para diferentes tasas de datos en el transmisor............. 51 Figura 43. Efecto multitrayectoria para varios ordenes de modulación. .......................... 52 Figura 44. Comparación entre los distintos canales de simulación disponibles............... 53 Figura 45. Efecto de las pérdidas en el comportamiento del canal. ................................. 53.

(8) LIS TA DE TABLAS. Tabla 1. Estructura del canal directo ................................................................................. 12 Tabla 2. Parámetros canal Interior-Exterior y Peatonal..................................................... 23 Tabla 3. Parámetros canal Vehicular ................................................................................. 24 Tabla 4. Ganancia de potencia en el canal directo de acuerdo con la especificación........ 39 Tabla 5. Formatos en los cuales se pierde información en el proceso de Puncturing en emisor.. 42 Tabla 6. Funciones y su utilidad........................................................................................ 46 Tabla 7. Secciones de la interfaz gráfica y su función ...................................................... 48.

(9) RES UMEN. En éste proyecto de grado se llevó a cabo la implementación en M atlab de un modelo de simulación de la capa física del sistema CDM A2000 1XEV-DO que se encuentra descrita en la especificación 3GPP2/CS0024-B v1.0 del año 2006. Se desarrolló la implementación en código del transmisor descrito en la especificación mencionada y se efectuó el diseño de un receptor, con el ánimo de poder analizar la operación del sistema bajo ambientes de simulación determinados. Los parámetros de estos ambientes fueron configurados de acuerdo al contenido de la recomendación ITU-R M .1225. El modelo de simulación se basa en la operación de un enlace sencillo entre la estación base y un solo Terminal de acceso, considerando únicamente el enlace directo del sistema. Las simulaciones efectuadas tienen en consideración efectos de perdidas de trayecto de acuerdo con el ambiente de simulación, canal multitrayectoria, canal AWGN y tasas de datos. El resultado final del proyecto es una interfaz grafica que permite la obtención de la representación BER vs. SIR para los formatos de paquete dados en la especificación, y todos los bloques de transmisión implementados estrictamente con los valores dados en el documento base. Los valores de SIR de las simulaciones son obtenidos mediante un análisis estadístico derivado de las condiciones físicas de sectorización, tamaño de cluster, potencia de transmisión, ganancia de la antena, tamaño de la celda, y ambiente de simulación..

(10) INTRODUCCIÓN. La creciente demanda de servicios de alta velocidad y aplicaciones multimedia en las comunicaciones celulares, ha obligado la evolución de la tecnologías de redes inalámbricas móviles hacía propuestas que puedan soportar las nuevas exigencias a nivel de servicios. Los sistemas de comunicaciones móviles han evolucionado en generaciones, es así como se tienen los sistemas de voz analógicos como la primera generación o 1G, seguido de los sistemas de voz digitales o 2G, para posteriormente evolucionar en sistemas digitales de voz y datos, mejor conocidos como 3G o tercera generación.. La tercera generación involucra no solo la transmisión de voz digital, si no también la transmisión de datos. En el año de 1990 y debido a la detección de las nuevas demandas del mercado celular, la Unión Internacional de Comunicaciones (ITU), coordinó varias entidades regionales de estandarización, en un esfuerzo por definir un grupo de especificaciones que rigiera a las tecnologías de tercera generación. Éste grupo se conoce como Estándar Internacional de Telecomunicaciones M óviles (IM T-2000) o UMTS en Europa. Las actividades de estandarización efectuadas por la ITU a través del grupo IMT2000,. comprenden. aspectos. como. espectro. de frecuencias. de operación. y. especificaciones técnicas de los componentes a integrar en un sistema de 3G. En una iniciativa del Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeo, nacen dos grupos que pretenden hacer mas eficiente el proceso de paso de tecnologías de 2G a 3G: 3GPP y 3GPP2, dedicados a la extensión de la tecnología GSM y CDMA, respectivamente.. De esta forma 3GPP2 creo su familia de estándares CDM A2000, dentro de la cual, se encuentra el grupo de especificaciones “High Rate Packet Data Air Interface” (HRPD) o también conocido como IS-856, el cuál describe la tecnología CDM A2000 1xEV-DO. En la actualidad esta tecnología tiene en su grupo de especificaciones las Revisiones 0, A 1.

(11) (jul. 2005) y B (may. 2006), cada una de las cuales presenta mejoras en sus tasas de transmisión de datos tanto para el canal directo como para el canal inverso respecto de su versión anterior. La tecnología 1XEV-DO solo soporta la transmisión de datos. Esta división se efectuó para poder obtener mayor eficiencia en la transmisión, dado que en el caso de la transmisión de datos se permite tener ciertos márgenes de latencia, mayor tamaño en las tramas, mayor eficiencia en las técnicas de codificación, asimetría en los canales, entre otras características. Esta tecnología puede soportar tasas de transmisión en el enlace directo superiores a 2.4576 M bps, utilizando un ancho de banda de 1.25 M Hz; esto representa una mejora notable respecto a la especificación IS-2000 en la cual se podía alcanzar tasas de datos de hasta 2.0376 M bps, utilizando un ancho de banda de 3.75 MHz.. Para el presente proyecto de grado se efectuaran simulaciones de la capa física de la tecnología CDM A2000 1XEV-DO Revisión B, basados. en la especificación. 3GPP2/CS0024-B v1.0. Con fundamento principal en los capítulos relativos a la capa física de la interfaz de aire definida en la especificación mencionada, se desarrollará el modelo de simulación que permita observar el comportamiento del sistema bajo diferentes condiciones de operación.. La implementación en código de éste sistema se constituye en un primer paso obligado en el proceso de la implementación computacional de modelos de las capas de esta tecnología, para posteriormente poder efectuar nuevos trabajos de investigación en el diseño y análisis de protocolos Cross Layer sobre CDM A.. 2.

(12) 1. REVIS IÓN A LA ES PECIFICAC IÓN. En éste capítulo se describirán las características más relevantes que definen la tecnología a ser simulada. En éste resumen se tratan aspectos técnicos correspondientes al enlace directo, pues las consideraciones de tiempo influyeron en delimitar el tema de manera tal que únicamente se efectuaran simulaciones de éste enlace, dejando el enlace inverso pendiente para su desarrollo en un trabajo posterior.. 1.1. CONCEPTOS BAS ICOS La capa física es la encargada de proveer los servicios de estructura del canal, frecuencia de trabajo, niveles de potencia, modulación y decodificación. Para éste proyecto de grado se desarrollarán simulaciones de la capa física definida por la especificación 3GPP2/CS0024-B v1.0. Entre las principales mejoras que incorpora esta especificación, cabe mencionar: utilización de turbo codificadores, modulación adaptativa y utilización eficiente de potencia. Por otra parte se tiene que la tecnología soporta asimetría en los canales, lo cual resulta bastante conveniente puesto que generalmente las tasas de transmisión en el enlace directo son mayores que las requeridas en el inverso. Lo anterior ocasiona que en esta nueva revisión de la especificación, la tasa pico de datos en el canal directo sea mayor que la del canal inverso; esto se logra mediante la incorporación de ordenes de modulación mayores en el canal directo. Éste canal soporta modulaciones: QPSK, 8PSK, 16 QAM y 64 QAM, entre tanto el Canal Inverso tiene habilitadas las modulaciones: BPSK y QPSK.. La especificación dentro de su modelo arquitectural de referencia define cuatro componentes principales: Terminal de acceso (AT), interfaz de aire, sector y red de acceso (AN).. 3.

(13) Figura 1. Modelo arquitectural de referencia.. Esta especificación, se encarga en su totalidad, de definir los protocolos que componen la interfaz de aire entre el AT y la AN.. La arquitectura del protocolo se encuentra conformada por capas, tratando de aproximarse muy de cerca al modelo arquitectural de referencia OSI. Las capas que componen la arquitectura de protocolo son: aplicación, flujo, sesión, conexión, seguridad, MAC y capa física.. Figura 2. Arquitectura por capas para la interfaz de aire.. En el lado del emisor, los mensajes generados por la capa de aplicación son procesados de manera sucesiva por las capas inferiores, cada una de las capas pondrá su propio encabezado y pasara el mensaje a la capa siguiente, hasta llegar a la capa física en donde el mensaje se transmite a través del medio físico. En el lado del receptor, el mensaje es recibido en la capa física y procesado por cada una de las capas reconociendo encabezados y enviado el mensaje a la capa inmediatamente superior. De acuerdo con lo. 4.

(14) 1 mencionado por Yang ,. en el transmisor. cada capa inferior presta un servicio de. transmisión a la capa inmediatamente superior, entre tanto, en el receptor cada capa inmediatamente inferior presta un servicio de entrega a la capa superior.. Cada una de las capas es encargada de realizar un grupo de funciones dentro del sistema. De acuerdo con lo expresado en la especificación, la capa de aplicación provee al sistema con múltiples servicios de señalización para transportar mensajes de protocolo y mensajes de usuario. La capa de flujo provee al sistema con multiplexación de diferentes cadenas de datos provenientes de la capa de aplicación. La capa de sesión aporta servicios de manejo de direcciones, negociación o configuración de protocolos y estado de servicios de mantenimiento. La capa de conexión brinda. servicios relacionados con el. establecimiento y el mantenimiento de la conexión. La capa de seguridad se encarga de encriptar y autenticar los paquetes. La capa M AC es la responsable de determinar los procedimientos para acceder al medio físico. Y por último, la capa física es la encargada de suministrar servicios de estructura de canal, frecuencia de operación, potencia de salida y modulación. De acuerdo con la arquitectura de protocolo definida por la especificación, la capa física esta compuesta por un protocolo predeterminado y tres protocolos que no lo son (Subtipo 1, Subtipo 2 y Subtipo 3). El protocolo subtipo 0 o predeterminado, es el protocolo correspondiente a la revisión 0 de la especificación que define la tecnología 1XEV-DO.. Considerando que el protocolo subtipo 3 es aquel que determina las características adicionales con respecto a la revisión 0 y la revisión A, en éste proyecto se realizaran descripciones y simulaciones solo de éste protocolo. Considerando que éste permite lograr tasas de transmisión en el Canal Inverso de hasta 1.8432 M bps y en el Canal Directo de hasta 4.9152 M bps, estas simulaciones serán suficientes para obtener resultados que permitan efectuar la evaluación de la tecnología bajo diferentes ambientes de operación.. 1. YANG, Samuel. “3G CDMA2000 Wireless System Engineering”.Mobile communications series.. 5.

(15) Figura 3. Protocolos Predeterminados. Figura 4. Protocolos No Predeterminados. 6.

(16) El protocolo subtipo 3 recibe datos de la capa inmediatamente anterior, es decir, de la capa M AC, mas específicamente se encuentra enlazado con los protocolos: de canal de control M AC mejorado, de canal de acceso al medio M AC mejorado, de multiportadora canal M AC directo y de multiportadora canal M AC inverso. La unidad de transmisión de éste protocolo es el paquete de capa física de protocolo subtipo 3, el cual contiene por lo menos un paquete de capa MAC.. 1.2. CANALES FÍS ICOS La capa física de la arquitectura CDM A2000 define dos canales fundamentales: Canal Inverso y Canal Directo. Cuando se habla del Canal Inverso se hace referencia al canal de comunicación entre el AT y AN, de manera tal, que Canal Directo hace referencia al canal de comunicación entre AN y AT. Como se puede apreciar en la Figura 6, el Canal Directo esta compuesto por los canales: Piloto, M AC (M edium Access Control), Control, Tráfico, RA, DRCLock, RPC y ARQ. Entre tanto el Canal Inverso se encuentra compuesto por los canales de: Acceso, Tráfico y canales directos de realimentación, cuya estructura detallada se muestra en la Figura 7. De los cuatro canales que define la especificación para el canal directo, solamente el canal M AC es capaz de enviar datos a más de un AT a la vez, (en paralelo).. Figura 5. Estructura de canales. 7.

(17) Figura 6. Estructura del Canal Directo. Figura 7. Estructura del Canal Inverso. 1.3. ES TRUCTURA DE PAQUETES La unidad de transmisión de la capa física son los paquetes de capa física. Estos paquetes pueden tener longitudes de 128, 256, 512, 768, 1024, 1536, 2048, 3072, 4096, 5120, 6144, 8192 o 12288 bits y deben portar por lo menos un paquete de Canal de Acceso MAC. El formato del paquete de capa física y su longitud, dependen del canal a través del cual éste será enviado. En el caso del canal directo, se utilizan específicamente paquetes de canal de Tráfico y de Control.. Los paquetes de Canal de Control tal como se observa en la Figura 9, pueden tener una longitud de 128, 256, 512 o 1024 bits. En el caso de los paquetes del Canal de Tráfico Directo, estos pueden tener longitudes de 128, 256, 512, 1024, 2048, 3072, 4096, 5120, 8.

(18) 6144, 7168 y 8192 bits. En el caso del Canal de Tráfico Inverso los paquetes pueden tener longitudes de: 128, 256, 512, 768, 1024, 1536, 2048, 3072, 4096, 6144, 8192 y 12288 bits. Los formatos de paquete para estos dos canales se muestran en las Figuras 8 y 9.. Figura 8. Formato de paquete de Canal de Control. Figura 9. Formato de paquete de Canal de Tráfico Directo. Es importante considerar que en el momento de la transmisión, los paquetes se envían del bit más significativo al menos significativo, considerando M SB como el bit mas a la izquierda de los diagramas de formato presentado en las figuras de éste documento. Cada trama tiene una duración de 26.66 ms o 16 slots de tiempo, lo que se traduce en una duración de 1.66625 ms por slot, y cada slot tiene 2048 PN Chips. Lo anterior nos señala que la estación base envía unidades de longitud fija 32768 PN chips con un tiempo de chip de 0.8136 µseg aproximadamente. Esta longitud fija es completada con paquetes de capa física de distintos usuarios. Para el caso de las simulaciones de éste proyecto de grado se asume que cada usuario envía únicamente un paquete de capa física, y los PN Chips de la trama son completados con paquetes de capa física de otros usuarios.. 9.

(19) Dentro de los campos mostrados para el formato del paquete se incluye el campo FCS (Frame Check Sequence) cuya principal función se encuentra en la verificación de errores. Éste campo es generado mediante el procedimiento de códigos de corrección de errores CRC (Cyclic Redundancy Check) o también llamados códigos polinomiales, su operación se encuentra determinada por polinomios generadores que se describen en la especificación. La ecuación (1) define el polinomio generador para campo de 16 bits, entre tanto la ecuación (2) define el polinomio generador para campo de 24 bits. g ( x ) = x 16 + x12 + x 5 +1. (1). g ( x ) = x 24 + x 23 + x 6 + x 5 + x + 1. (2). Como se puede apreciar en los gráficos de formato de tramas mostrados anteriormente, el campo de FCS de 16 bits es utilizado para algunos formatos de paquete de canal de control, en el caso de canal de trafico éste campo deberá contener 24 bits. A grandes rasgos se puede resumir el procedimiento de la generación de campo CRC como: efectuar un corrimiento en la señal mensaje del orden del polinomio generador; posteriormente efectuar la división modulo 2 de la señal corrida entre el polinomio generador; el residuo que se obtiene de la división debe ser anexado a la señal mensaje original y esta será la señal a enviar. Para la verificación de errores el receptor debe dividir modulo 2 la señal recibida entre el polinomio generador (que es el mismo que se uso en el emisor). Si el residuo es diferente de cero, significa que hubo error en la transmisión. Para mayor detalle acerca del procedimiento para generar el campo FCS se recomienda consultar el Anexo A de éste documento.. 1.4. TRANS MIS IÓN EN RED D E ACC ES O Con respecto al manejo de potencia, la tecnología 1XEV-DO tiene diferencias notables con respecto a IS-2000. En la tecnología CDM A2000, la estación base mediante el aumento de la potencia de transmisión para contrarrestar las perdidas de trayectoria, mantiene una potencia constante en el móvil. En la tecnología 1XEV-DO, la estación base se focaliza en dar las tasas de datos mas altas a los terminales que se encuentren en 10.

(20) mejores condiciones de potencia; cuando el Terminal se aleja de la estación base, su potencia disminuye como consecuencia de las perdidas de trayecto y la estación base responde a esta disminución bajando la tasa de transmisión de datos; esto permite que los usuarios que se encuentran en una mejor área de cobertura puedan alcanzar tasas de datos pico bastante altas. El concepto de manejo de potencia para 1XEV-DO se muestra en la Figura 10.. Con cada paquete de Canal de Tráfico y Canal de Control Directo, se envía una secuencia de preámbulo que permite al AT efectuar una sincronización de cada tasa variable de transmisión. Para efectos de éste trabajo de grado, se efectuaran simulaciones únicamente del enlace directo, por lo tanto, la descripción que se efectúa a continuación se basara principalmente en el funcionamiento y composición de éste enlace.. Figura 10. Potencia de transmisión máxima con tasas de datos variables. En la Figura 11 se muestra la conformación del Canal Directo, compuesto por los canales: Piloto, Control de Acceso al M edio y el Canal de Control o de Tráfico. Los anteriores canales se encuentran multiplexados en el tiempo y transmitidos al mismo nivel de potencia. Posteriormente son descompuestos en canales de Walsh en cuadratura por división de código multiplexado como se muestra en la Figura 19. En la tabla 1, se encuentra de manera resumida la función de cada uno de los canales mencionados. En la Figura 6, se puede observar que el canal M AC directo esta compuesto por 4 subcanales: Control de potencia Inverso (RPC), DRCLock, Canal de actividad inverso (RA) y el canal ARQ. 11.

(21) Tabla 1. Estructura del canal directo Canal Tráfico Control Piloto MAC RPC DRCLock RA ARQ. Función Transporta paquetes de capa física del usuario. Transporta mensajes de control y también en algunas ocasiones tráfico del usuario. Envía tramas de muestra y sincronización. Canal dedicado a las actividades referentes al control de acceso al medio. Transmite comandos de control de potencia usados por el Terminal de acceso para el control de potencia de lazo cerrado en AT. Transmite un indicador de la calidad del enlace inverso que es usado por la AN para seleccionar el sector. Transmite una cadena de bits de actividad de canal inverso (RAB). Transmite una especificación del AT indicando si los paquetes del canal Inverso de Tráfico de AT fueron recibidos satisfactoriamente por AN.. Los mensajes del Canal Directo deben consistir de slots de tiempo de longitud 2048 chips además las secuencias de PN deben estar alineadas con el sistema de tiempo CDMA para que de esta manera los canales puedan conservar su carácter de ortogonales. Como se menciono anteriormente, el Canal Directo tiene la facilidad de tener tasas de datos variables dependiendo de los requerimientos efectuados por el AT. Los paquetes de Canal de Tráfico y de Control Directo deben tener un formato de transmisión que consiste en: tamaño del paquete físico en bits, duración nominal de transmisión del paquete en slots y longitud de preámbulo asociado con el paquete en chips. Cuando se transmite un paquete de capa física a través del canal de control, los formatos permitidos son (128,4,1024), (128,4,256),(256,4,1024), (256,4,256), (512,4,1024), (1024,16,1024) y (1024, 8, 512). En el caso del canal de tráfico, lo formatos permitidos son 36 mas 14 formatos opcionales que no se consideraban en la revisión A versión 1.0 de la especificación. Dependiendo del formato de transmisión seleccionado se obtiene el tipo de modulación a utilizar para el paquete de datos. Los parámetros precisos de relación entre formato del paquete, tasa de codificación, tipo de modulación y tasa de datos, se encuentran descritos en la especificación. 12.

(22) Figura 11. Estructura del Canal Directo. Respecto a la modulación en el Canal de Tráfico, a medida que la longitud del paquete aumenta, el orden de modulación también. El canal directo es modulado con QPSK, 8PSK y 16-QAM , 64 QAM ; el uso de la modulación de 64 QAM es el que permite alcanzar la tasa de transmisión más alta en el sistema. Se puede decir entonces que a 13.

(23) medida que el esquema de modulación aumenta, también lo hace la tasa de datos como se muestra en la Figura 12. El canal M AC es modulado con BPSK. El Canal de Tráfico Directo puede soportar tasas de transmisión entre 4.8 Kbps y 4.9152 M bps. Entre tanto el Canal de Control puede tener tasas de transmisión de 76.8, 38.4 y 19.2 Kbps dependiendo del tamaño del paquete. MÁXIMA TASA D E DATOS vs TIPO DE MODULACIÓN 5000 4500. MÁXIMA TASA DE DATO S Kbps. 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0. 1. 1.5. 2. 2.5 TIPO DE MODULACIÓN. 3. 3.5. 4. Figura 12. Tasa de dato vs. Tipo de modulación: 1-QPSK,2-8PSK, 3-16 QAM, 4-64 QAM. A diferencia del Canal Inverso, los paquetes del Canal Directo son codificados usando tasas de codificación de 1/3 o de 1/5; sin embargo en éste canal se sigue haciendo uso de turbo codificadores para lograr mejoras en la capacidad del canal.. Cuando se transmiten los canales que componen el Canal M AC, a cada uno de estos canales se le debe asignar un código de Walsh que es identificado por un subíndice entre 0 y 127; esto permite que los canales sean ortogonales entre si. Sin embargo como se menciono anteriormente, para que la propiedad de ortogonalidad se mantenga a través del tiempo, cada canal debe ser transmitido en los slots de tiempo que permitan conservar esta propiedad.. 14.

(24) 2. MODELOS DE S IMULACION. El modelo de simulación para el canal Directo, consiste en la implementación por software de los diagramas de bloques que describen a cada canal y que se mostraron en el primer capitulo de éste documento. La especificación no describe un modelo de receptor, por lo tanto se desarrollo un modelo sencillo que consiste en efectuar a la señal recibida el procesamiento inverso al efectuado en el transmisor. Para el modelo de receptor no se considero receptor de Rake.. 2.1 CANAL DE COMUN ICACIÓN 2 De acuerdo con la teoría dada en Tantrer , un modelo de canal de comunicaciones debe. considerar dos efectos fundamentales, el primero de ellos compuesto por los efectos por desvanecimiento de gran escala o también llamados de desvanecimiento lento. Éste tipo de desvanecimiento se encuentra asociado con que a grandes distancias la señal enviada a través del canal pierde potencia debido a la atenuación del medio. Éste efecto se encuentra caracterizado en el modelo de canal de simulación por las perdidas de trayecto, el cual se encuentra especificado de acuerdo a la recomendación ITU-R M .1225 donde se definen 3 modelos de perdidas de trayecto : entorno de prueba de interiores, de exteriores a interiores y peatonal, y vehicular. El segundo efecto se denomina desvanecimiento de pequeña escala o desvanecimiento rápido; éste se ocasiona debido al movimiento en distancias cortas que resulta en cambios de fase en las componentes multitrayectoria, lo que deriva en atenuaciones en la potencia de la señal. El modelaje de éste efecto en la simulación se efectúa mediante el uso del canal multitrayectoria cuyos parámetros de 2. TANTRER, William; SHANMUGAN, Sam; RAPPAPORT, Theodore and KOSBAR, Kurt. Principles of Communications. Sy stems Simulation with Wireless Applications. Prentice Hall.2004. Cap 18.. 15.

(25) amplitudes de las señales y retardos se encuentran especificados también de acuerdo a la recomendación anteriormente mencionada. El modelo de canal a utilizar se encuentra caracterizado por el diagrama de bloques mostrado en la Figura 13.. x(t). Perd idas de Trayec to. r(t). Canal Mu lt it rayect oria. Interfe rencia Co-Canal. Ruído Gaussiano Aditivo. Figura 13. Estructura del Canal de comunicación. 2.2. MODELOS DE PÉRDID AS DE TRAYECTO A continuación se describen las características fundamentales de cada modelo de perdidas de trayecto. Es importante considerar que bajo ninguna circunstancia estas perdidas deberán ser menores a las perdidas de espacio libre. Por otra parte, las perdidas de trayecto o variaciones lentas, (debidas a variaciones en la amplitud de la señal), responden a una distribución logarítmico-normal. Entre tanto, las variaciones rápidas, (debidas a variación en la potencia), se encuentran caracterizadas por el modelo WSSUS de canal, el cual considera el efecto de multitrayectoria.. 2.2.1. MODELO DE PÉRDIDAS DE TRAYECTO PARA ENTORNOS DE PRUEBAS DE EXTERIORES A INTERIORES Y PEATONAL Debido a que en entornos urbanos y suburbanos se presenta la dispersión de la señal emitida como consecuencia de la existencia de bordes de difracción en su trayectoria, (véase Figura 14), éste modelo de perdidas de trayecto se encuentra caracterizado por ser una función de las perdidas de espacio libre, perdidas de difracción entre el tejado y la calle y la reducción debida a la difracción de pantalla múltiple tras las filas de edificios. Esta última, es dependiente de si la antena de la estación base se encuentra por encima o. 16.

(26) por debajo de la altura de los edificios, el modelo para esta componente viene totalmente especificado por la Figura 15.. Figura 14. Fenómeno de Difracción. Considerando valores típicos de altura media entre el edificio y la antena del receptor ( ∆hm ), distancia horizontal entre el borde de difracción y la antena del móvil (x) y separación media entre filas de edificios (d) de acuerdo con los valores que se muestran a continuación: ∆hm = 10.5m x = 15m d = 80 m. Figura 15. Reducción debida a la difracción de pantalla múltiple. 17.

(27) Se tiene que las perdidas de trayecto para entornos de prueba de exteriores a interiores son: Ldβ = 40Log10 ( R) + 30Log10 ( f ) + 49 (3) Siendo R la distancia entre el emisor y el receptor en Km. y f la frecuencia de operación en M Hz. Éste ambiente de simulación se encuentra caracterizado por un tamaño de celdas pequeño y baja potencia de transmisión. PERD IDAS D E TRAYECTO PARA AMBIENTE INTER IOR EXTERIOR Y PEDESTRE FRECUENCIA DE OPER AC ION 1900 MHz 200 190 180. PERDIDAS EN dB. 170 160 150 140 130 120 110 0. 2. 4. 6. 8. 10 12 DISTAN CIA EN Km. 14. 16. 18. 20. Figura 16. Perdidas de trayectoria para ambiente exterior y pedestre. 2.2.2. MODELO DE PÉRD IDAS DE TRAYECTO PARA EL ENTORNO DE PRUEBAS DE VEHIC ULOS Éste entorno de pruebas sugiere que la altura de la estación base es superior a la altura de los edificios. Considerando los mismos valores típicos utilizados para el modelo de pérdidas de trayecto para entornos de pruebas de exteriores a interiores y peatonal, se obtiene que las pérdidas de trayecto para el entorno de pruebas vehicular se encuentra descrito por:. [. ]. Ldβ = 40(1 − 4 *10 −3 ∆ hb ) Log10 (R ) − 18Log 10 ( ∆hb ) + 21Log10 ( f ) + 80dβ (4). 18.

(28) Siendo R la separación entre el emisor y el receptor en Km., ∆hb altura de la antena de la estación base, medida a partir del nivel medio de los tejados, cuyo valor medio para la simulación se fijara en 15m y f frecuencia de la portadora en M Hz. Éste entorno de simulación se encuentra caracterizado por celdas de mayor tamaño y mayor potencia de transmisión. PERDIDAS D E TR AYECTO PARA AMBIENTE EXTERIORES - INTERIORES Y PED ESTR E F RECUENC IA DE OPERACIÓN 1900 MHz 220 210. PERDIDAS DE TRAYECTO dB. 200 190 180 170 160 150 140 130 0. 5. 10. 15. 20 DISTANCIA EN Km. 25. 30. 35. 40. Figura 17. Perdidas de trayectoria para ambiente vehicular. 2.3. INTERFERENCIA CO-CANAL. Por interferencia co-canal, se debe entender el efecto de degradación generado cuando dos canales son asignados a la misma frecuencia, efecto que ocurre debido a la técnica de reuso de frecuencias en los sistemas celulares. M ás específicamente el fenómeno se genera cuando un móvil recibe simultáneamente señal de una estación base en su propia celda y una estación base ubicada en una celda adyacente; el mismo efecto puede ser observado en el Canal Inverso. Para éste efecto de interferencia co-canal, es importante considerar la distancia de reuso, que determina la distancia mínima a la que deben ser ubicadas las celdas co-canal para que el efecto de interferencia se vea disminuido. En la Figura 18, se muestra la ubicación de las celdas co-canal, para un tamaño de cluster de 3, 19.

(29) en donde se puede observar que la distancia de reuso determina el radio de la circunferencia sobre la cuál deben ser ubicadas las celdas co-canal. Para el caso mostrado en la figura esta distancia de reuso es 3R, en donde R representa el radio de celda predeterminado. Éste tipo de interferencia será modelado en la simulaciones como una replica del transmisor que se evalúa sometido bajo las mismas características de canal, cuya potencia de salida será escalada de tal forma que se cumpla el valor de señal interferencia (SIR) que se esté analizando.. En Tranter,2004 se puede encontrar un modelo de interferencia co-canal, cuyo algoritmo consiste en modelar la interferencia como la suma de señales con distribución logo normal. Éste análisis da como resultado una señal de la misma distribución; el modelaje de éste efecto será programado en M atlab de acuerdo con la metodología mostrada en la Figura 19. En ésta simulación se considera únicamente la primera corona de celdas cocanal dado que esta es la que proporciona mayor nivel de interferencia por ser la más cercana a la celda de interés.. Figura 18. Interferencia por celdas co-canal, tamaño de cluster = 3.. 20.

(30) Figura 19. Metodología de simulación interferencia co-canal. Los valores de SIR aportados por éste procedimiento serán utilizados como el parámetro de simulación a analizar con respecto a la tasa de error. Se utilizó éste modelo, puesto que permite obtener valores de SIR cuyo rango no es asignado aleatoriamente, si no que conserva dependencia con las condiciones físicas del sistema como lo son: tamaño de cluster, tamaño de celda, frecuencia de operación, sectorización y niveles de potencia.. 2.4. CANAL MULTITRAYECTORIA. El efecto multitrayectoria. se crea puesto que la señal recibida no tiene solo el. componente de señal de línea de vista si no que será la suma de esta y otras componentes que vienen retrasadas en el tiempo, y que siguen trayectorias diferentes debido a efectos de refracción y reflexiones como consecuencia del choque de la señal con obstáculos en el ambiente de propagación, como lo son edificios y otros objetos, como se muestra en la Figura 20.. 21.

(31) Figura 20. Efecto Multitrayectoria. Se tiene entonces que la salida de un canal multitrayectoria de N rayos, se encuentra caracterizada por: N. y = ∑ an (t ) * x (t − τ n (t )) (5) 1. En donde an (t ) es la atenuación del camino n y τ n (t ) representa el retardo de propagación del camino n. Estos dos parámetros se expresan como dependientes del tiempo, debido a que si la posición del móvil cambia, el número de caminos y sus atenuaciones varían.. Para propósitos de simulación se utiliza un modelo de canal multitrayectoria bastante conocido, que consiste en modelar el canal como un filtro transversal o filtro lineal variante en el tiempo. Éste tipo de modelo se conoce como lineal de retardo con tomas donde la ganancia de toma y sus correspondientes retardos son procesos aleatorios.. El modelo de canal según complejidad debe considerar el efecto del espectro doppler ocasionado como consecuencia del cambio de Posición en el móvil. Considerando que la portadora tiene un ancho de banda de 1.25 M Hz y calculando el máximo corrimiento doppler como. f d = v / λ , en donde v hace referencia a la velocidad del móvil y lambda. es la longitud de onda de la portadora, se encuentra que para una velocidad de móvil de 150 km/h, el máximo corrimiento doppler es de 111 Hz, lo cual significa que el ancho de banda de la portadora para condiciones estándar de operación es mucho mayor que el corrimiento doppler, por lo tanto el canal es de desvanecimiento lento. Lo anterior. 22.

(32) implica que el canal permanece estático para un número grande de símbolos consecutivos enviados a través de él. De acuerdo con lo anterior la señal en el receptor para cada fotografía estará representada por:. N. y = ∑ a n * x (t − τ n ). (6). 1. En donde la ganancia del salto y el retraso de la señal son independientes del tiempo.. Figura 21. Filtro Transversal 3 De acuerdo con lo expresado en la recomendación de la ITU , el modelo de canal. multitrayectoria esta conformado por seis saltos, conformados por una componente de línea de vista cuya distribución es Ricean y cinco componentes mas con distribución Rayleigh. Los parámetros de retardo y potencia promedio para cada uno de los tipos de ambiente simulados se presentan en las tablas 2 y 3. La recomendación propone dos tipos de canal para cada ambiente, sin embargo en éste trabajo se simulo únicamente el canal tipo B. Tabla 2. Parámetros canal Interior-Exterior y Peatonal. Retardo relativo (ns) 0 200 800 1200 2300 3700. Potencia media (dB) 0 -0.9 -4.9 -8.0 -7.8 -23.9. 3 UIT-R: Pautas de evaluación de tecnologías de las tecnologías de transmisión radioeléctrica para las IMT-2000.1997. 61 p. (ITU-R M.1225).. 23.

(33) Tabla 3. Parámetros canal Vehicular. Retardo relativo (ns) 0 200 800 1200 2300 3700. Potencia media (dB) 0 -2.5 -12.8 -10.0 -25.2 -16.0. 24.

(34) 3. PROCES AMIENTO PARA CANAL D E TRÁFICO Y CONTROL DIRECTOS. 3.1. TURBO CODIFICADORES El proceso de turbo codificación para sistemas CDMA2000 1XEV-DO, se efectúa mediante la utilización de códigos Convolucionales Recursivos Sistemáticos (CRS). La arquitectura de éste sistema plantea la utilización de turbo codificadores conectados en paralelo y separados por un intercalador o interleaver en ingles, como se muestra en la Figura 22. Una de las principales funciones que tiene el intercalador es lograr que las entradas de los codificadores convolucionales se encuentren sin correlación. De esta manera, es posible aplicar algoritmos sub-óptimos de decodificación que se encuentran basados en el intercambio de información no correlacionada entre los codificadores. De acuerdo con la teoría, cuando se utilizan intercaladores de tamaño superior a 1000 bits el desempeño del turbo codificador aumenta; sin embargo entre mayor es el tamaño del intercalador, mayor es el retraso que éste genera. Éste proceso de turbo codificación tiene como objetivo principal la disminución de errores en el receptor, y por otra parte el proceso de decodificación en la estación móvil requiere menos uso de potencia. Como lo muestran algunos estudios. 4. el uso de turbo codificadores para tamaños de paquete. grandes, presentan ventajas significativas sobre los codificadores convencionales. El proceso de turbo codificación se encarga de añadir algunos bits de redundancia a la secuencia de datos lo que permite alcanzar tasas de transmisión cercanas a la capacidad 5 del canal . La tasa de codificación nos indica el número de bits que codifican un bit, lo. cual se traduce en que si se indica tasa de 1/3, por cada bit que entra en el codificador, salen 3. Para el caso de codificación con tasa de 1/5, por cada bit que entra salen 5. Lo anterior se puede apreciar en la Figura 23, en donde se relaciona el numero de bits que 4 MÁRQUEZ, Victor. SALLENT, Oriol. Turbo Codificación para UMTS. Universidad Politecnica de Cataluña. 5 LAGOS, Jorge. SILVA, Carlos. Diseño de un turbo codificador análogico para el código de corrección de errores UMTS de 40 bits.. Grupo de microelectronica, Pontificia Universidad Catolica del Perú.. 25.

(35) entran al codificador con el numero de bits que salen. Nótese que en esta grafica se muestran formatos cuya tasa de codificación es de 1/5 así como de 1/3.. Figura 22. Turbo codificador. Dada la estructura del proceso de tubo codificación esta se puede considerar como de memoria, pues cada estado presente depende de los m bits anteriores. Lo anterior ocurre debido a que cada codificador convolucional esta compuesto por un registro de corrimiento, el cual se encuentra caracterizado por polinomios generadores como se explica mas adelante.. El proceso de puncturing o perforado que sigue a las salidas de los codificadores convolucionales, tiene como finalidad poder alcanzar tasas de código superiores a la tasa de datos de entrada, sin necesidad de alcanzar niveles de complejidad demasiado altos en el sistema de codificación.. 26.

(36) 10. NUMERO DE BITS DE ENTRADA vs NUMERO BITS DE SALIDA TURBO CODIFICADOR. 5. NU MERO DE BITS DE SALID A. (61 38 ,18 43 2) (7 16 2,21 50 4). (8 18 6,24 57 6). (5 14 4,15 36 0) (40 90 ,1 22 88 ). 10. (30 66 ,9 21 6). 4. (2 04 2,61 44 ) (101 8,5 12 0). (50 6,25 60 ). 10. (25 0,12 80 ). 3. (12 2,64 0). 10. 2. 0. 1000. 2000. 3000 4000 5000 6000 NUM ERO DE BIT S DE ENTRADA. 7000. 8000. 9000. Figura 23. Número de bits de entrada contra bits de salida turbo codificador. 3.2. INTERCALACIÓN La especificación define claramente el proceso que debe seguirse para generar la secuencia de intercalación de bits. De acuerdo a lo que se puede encontrar en algunas referencias, el proceso definido es el más adecuado para poder efectuar de manera más eficiente la decodificación. El algoritmo de intercalación utilizado en CDM A2000 es equivalente a escribir los valores de un contador en una matriz y luego mediante la regla de bit reversal permutar las filas en una secuencia congruente, para posteriormente leer las direcciones de salida por columnas.. 3.3. CODIFICADORES CONVOLUCIONALES En el caso especifico de esta tecnología, para el proceso de turbo codificación se utilizan dos CRS en paralelo, cada uno con una tasa de codificación de 1/3; por esta razón los dos codificadores en paralelo codifican a una tasa de 1/6, pero efectuando el proceso de puncturing se logra que esta sea de 1/3 o de 1/5. Cada codificador convolucional esta compuesto por un registro de corrimiento que se encuentra de acuerdo con los siguientes polinomios generadores: 27.

(37) d ( D) = 1 + D 2 + D 3 n0 ( D ) = 1 + D + D 3. (7) (8). n1 ( D) = 1 + D + D 2 + D 3. (9). En la Figura 24 se muestra cual es la estructura de cada uno de los codificadores convolucionales que se utilizan en el proceso de turbo codificación. Se puede notar allí que los polinomios generadores corresponden al numero de la salida de los registros que deben ser sumados modulo 2 con la salida realimentada.. Figura 24.Estructura del codificador convolucional. 3.4. PUNCTURING Si se desea saber un poco mas de los patrones de puncturing utilizados para alcanzar las tasas de codificación deseadas se recomienda consultar la pagina 128 del capitulo 13 de la especificación.. 3.5. SCRAMBLING A continuación del proceso de turbo codificación se tiene un bloque mezclador o de scrambling en ingles, cuya principal función es volver aleatoria la salida del turbo codificador. La realización de éste proceso permite también reducir la longitud de cadenas de 1´s y 0´s consecutivos, dado que la existencia de éste tipo de elementos dentro de la señal puede ocasionar problemas en el proceso de sincronización. La secuencia de scrambling en la simulación es generada a través del uso de un registro de corrimiento 28.

(38) realimentado de 17 saltos, cuyo polinomio generador es h( D) = D17 + D14 + 1 . La estructura del generador de secuencia de scrambling puede ser apreciada en la Figura 25.. Figura 25. Scrambling.. El estado inicial de los registros depende directamente de los parámetros M ACIndex y MACIndexbits que provienen de la capa MAC, dado que estos registros contienen como estado inicial los 8 bits de éste índice. Si M ACIndexbits igual a 0 el estado inicial del registro 7 es igual a 0, si M ACIndexbits igual a 1, el estado inicial del registro 7 es el valor del octavo bit de M ACIndex. Los registros con d y b se inicializan de acuerdo con 6 el contenido de la tabla dada para éste fin en la especificación ; estos valores iniciales. dependen directamente del formato de paquete que se esté trabajando.. 3.5.1. GEN ERAC IÓN DE MAC Index Éste índice se genera de acuerdo con el formato de paquete que se desea transmitir. Por otra parte éste define cuales serán los canales M AC que se utilizaran durante la transmisión. El parámetro M ACIndex esta determinado por dos factores: longitud del preámbulo y tipo de paquete a enviar (Tráfico o Control). De acuerdo con los anteriores factores, el rango del índice varía de acuerdo con el formato de paquete a ser enviado. Para efectos de las simulaciones efectuadas en el proyecto, éste índice fue generado de manera aleatoria cumpliendo con las características determinadas en la especificación,. 6 3RD GENERATION PARTNERSHIP PROJECT 2 “3GPP2”: cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification. May o 2006.1621 p.(C.S0024-B_V1.0). Tabla 13.4.1.3.2.3.3-1 Pág. 13-133, 13-134.. 29.

(39) dado que éste índice es uno de los datos que debe ser enviado por uno de los protocolos de capa M AC que es de nivel superior a la capa física.. 3.6. INTERCALADOR DE C ANAL (CHANNEL INTERLEAVER) La secuencia de bit codificados y mezclados se intercala haciendo uso de un channel interleaver. Éste intercalador esta compuesto por tres etapas: reordenación de símbolos, matriz de intercalación y secuencia de repetición corta. Éste bloque a pesar de que no tiene una contribución notable en la potencia, impacta fuertemente en el uso de memoria 7 y velocidad en el sistema .. 3.7. MODULACION Como se muestra en la Figura 11, la salida del intercalador de canal viene conectada directamente a un bloque modulador que como salida tiene una componente en fase y una en cuadratura. El modulador para el canal directo proporciona modulaciones QPSK, 8PSK, 16-QAM y 64-QAM ; éste tipo de modulación depende de la tasa de datos a la que esté transmitiendo el canal a ser modulado. Vale la pena mencionar que después de que la señal pasa por éste bloque, aun sigue siendo banda base por que ésta no es modulada si no hasta el final del proceso. Las graficas 26 a 29 muestran las constelaciones para cada uno de los tipos de modulación permitidos. Estas gráficas fueron obtenidas mediante el bloque de modulación programado para el simulador, cuyas magnitudes y fases de modulación se encuentran de acuerdo con la especificación.. 7. AMPANDU, Paul, KORNEGAY, Kevin. An effcicient Hardware Interleaver for 3G Turbo Decoding. Cornell Broadband. Communications Research Lab.. 30.

(40) SCATTERING PLOT MODULACIÓN QAM 0 .8. 0 .6. 0 .4. Q CHANNEL. 0 .2. 0. -0 .2. -0 .4. -0 .6. -0 .8 -0 .8. - 0.6. -0 .4. -0 .2. 0 I C H A N N EL. 0 .2. 0 .4. 0.6. 0 .8. Figura 26. Scattering plot modulación QAM.. SCATTERING PLOT MODULACIÓN 8-PSK 1 0 .8 0 .6. Q CHANNEL. 0 .4 0 .2 0 -0 .2 -0 .4 -0 .6 -0 .8 -1 -1. -0 .8. -0 .6. -0 .4. - 0.2. 0 I C H A N N EL. 0.2. 0 .4. Figura 27. Scattering plot modulación 8-PSK.. 31. 0 .6. 0 .8. 1.

(41) SCATTERING PLOT MODULACIÓN 16 QAM 1 0 .8 0 .6. Q CHANNEL. 0 .4 0 .2 0 -0 .2 -0 .4 -0 .6 -0 .8 -1 -1. -0 .8. -0 .6. -0 .4. - 0.2. 0 I C H A N N EL. 0.2. 0 .4. 0 .6. 0 .8. 1. Figura 28. Scattering plot modulación 16-QAM.. La suma de las componentes en fase y en cuadratura da como resultado la señal total. Dividir la señal en sus dos componentes permite obtener menor complejidad tanto en el circuito transmisor como en el receptor. La mayor ventaja que tiene la utilización de I/Q es que se pueden enviar dos señales independientes sumadas y posteriormente volver a obtener los canales I y Q. SCATTERING PLOT MODULACIÓN 64 QAM 1 .5. 1. Q CHANNEL. 0 .5. 0. -0 .5. -1. -1 .5 -1 .5. -1. -0 .5. 0 I C H A N N EL. 0.5. 1. Figura 29. Scattering plot modulación 64-QAM. 32. 1 .5.

(42) 3.8. REPETICIÓN DE S ECUENCIA Y PUNCTURING D E S IMBOLOS Éste bloque tiene como entrada los símbolos modulados de acuerdo con la longitud de paquete, dependiendo de esta magnitud y los parámetros de la especificación. La secuencia es repetida varias veces de manera completa y alguna de forma parcial de ser necesario, logrando de esta manera completar el tamaño de bloque que es necesario para transmitir a una tasa constante de 1.2288 Msps. De acuerdo con los datos que se muestran en la especificación, los bloques que se tienen hasta éste punto han tenido la función principal de incrementar de manera notable la tasa de datos del sistema, tratando de mantener una complejidad aceptable.. 3.9. DEMULTIPLEXACIÓN DE S IMBOLOS. Para las componentes en fase y en cuadratura que se obtienen a la salida del bloque de repetición de secuencia, se debe efectuar una demultiplexación de símbolos. Por lo tanto, la secuencia de salida del repetidor debe ser descompuesta en 16 cadenas paralelas, cuyos valores estarán dados a una tasa de 76.8 ksps.. 3.10. AS IGNACIÓN DE CANALES ORTOGONALES A cada una de las 16 cadenas demultiplexadas se le asigna un código de Walsh o código ortogonal. Cada código ortogonal es de longitud 16 e índice k que va de 0 a 15 es decir 16 que los códigos tienen estructura WK . Cada una de las secuencias obtenidas después del. proceso de demultiplexación tiene una tasa de dato de 76.8 Kbps. El uso de los códigos de Walsh asegura ortogonalidad entre las señales que una estación base envía a diferentes usuarios. Las cadenas de símbolos cubiertos con éstos códigos deben ser sumadas para formar una sola componente en fase y otra en cuadratura. El anterior procedimiento asegura que las componentes en fase y en cuadratura serán distribuidas a una tasa de 1.228 M cps. El procedimiento se ilustra en la Figura 30.. 33.

(43) Figura 30. Procesamiento de ortogonalidad. En el diagrama del procesamiento del canal directo se puede apreciar el uso de varias longitudes de códigos de Walsh. Esto se efectúa para poder manejar las diferentes tasas de datos que tiene cada canal, de manera tal que un canal con alta tasa de datos, requiere un código de Walsh de longitud corta y un canal que requiere una tasa de datos baja, se complementa con un código de Walsh de longitud larga.. 3.11. PROCES AMIENTO PARA PREAMBULO Con cada paquete de trafico o de control enviados debe ser transmitida una secuencia de preámbulo que es usada para fines de sincronización entre la estación base y el Terminal de acceso. La longitud del preámbulo se asigna dependiendo del formato de paquete de control o tráfico que se ha seleccionado para enviar. Para el preámbulo se utiliza una cubierta Walsh de 128 chips con subíndice dependiente del parámetro M ACIndex.. 3.12. CANAL MAC El canal M AC se encuentra conformado por 4 subcanales: RPC, DRCLock, RA y ARQ, como se muestra en la Figura 6. Estos canales son cubiertos por códigos de Walsh ortogonales y modulados BPSK o por corrimiento ON-OFF. Las cubiertas Walsh son 34.

(44) asignadas de acuerdo con el M ACIndex, el cual define una única cobertura de Walsh y una única fase de modulación.. 3.12.1. REVERS E POWER CONTROL (RPC) CHANNEL De acuerdo con la especificación, el canal RPC es el que se utiliza para control de potencia. Su funcionamiento consiste en que la red de acceso transmite un 1 o un 0 dependiendo de de la calidad de señal recibida en el canal inverso CDM A asociado a el canal directo en el que se esta transmitiendo. Cuando la calidad de señal recibida en el enlace inverso esta por encima de un nivel de corte predeterminado. se envía un 1. (DOWN) en el canal RPC. Si la calidad esta por debajo de un nivel deseado se transmite un bit de 0 (UP). Siguiendo la anterior definición, la Terminal de acceso debe ignorar los comandos RPC que sean transmitidos durante otros slots de tiempo, lo que asegura que el Terminal de acceso recibe los comandos RPC que van dirigidos específicamente al enlace que se tiene establecido entre AN y AT. La transmisión de éste bit de RPC tiene fundamental importancia en el proceso de control de potencia de lazo cerrado que se efectúa en el caso del enlace inverso, puesto que la Terminal de acceso debe variar la potencia de transmisión de cada bit en el canal piloto, dependiendo de cada bit recibido en el canal RPC.. 3.12.2. REVERS E ACTIVITY (RA) CHANNEL Éste canal informa a todas las terminales de acceso dentro del área de cobertura de la red de acceso acerca de la actividad actual de tráfico en el enlace inverso.. Considerando que la simulación que se desea realizar no es a nivel de sistema si no de enlace, la secuencia generada por el canal M AC fue generada aleatoriamente siguiendo las características de secuencia de Chips que deben componerla de acuerdo con la especificación.. 35.

(45) 3.13. PROCES AMIENTO DEL CAN AL PILOTO La señal del canal piloto es usada por el Terminal de acceso para la adquisición inicial, recuperación de fase, recuperación de tiempo. La señal del canal piloto es una señal no modulada que se transmite únicamente en el canal I.. 3.14. MULTIPLEXAC IÓN Gracias al proceso de multiplexación de canales que se describe en éste apartado, el sistemas 1XEV-DO es conocido como un sistema híbrido CDMA/TDM, pues considera el acceso múltiple por división de código al identificar sus canales y usuarios mediante la asignación de códigos ortogonales y efectuar la multiplexación en el tiempo de sus canales. Esto se hace con el fin de poder obtener una sola señal de salida formada por las componentes I y Q de sus canales.. El formato de la multiplexación depende del número de slots seleccionados para la transmisión del paquete de tráfico o control, es decir depende del formato de paquete definido por la capa MAC. La tasa de datos de salida después del proceso de multiplexación es de 1.22 M cps.. Figura 31. Multiplexación para formato de tran smisión de 2 o 4 slots.. 36.

(46) Figura 32. Multiplexación para formato de transmisión de 8 o 16 slots.. Figura 33. Multiplexación para formato de transmisión de 1 slot.. 3.15. EXPANS IÓN EN CUADRATURA. 3.15.1. S ECUENCIAS PN La primera parte de éste proceso final de expansión en cuadratura en el emisor, consiste en la generación de las secuencias PN. La utilización de estas secuencias de seudo ruido permite distinguir las señales de diferentes usuarios mediante la utilización del mismo ancho de banda y además ayudan a disminuir la interferencia que puede ocasionarse en la señal. Las secuencias seudo aleatorias de ruido son generadas mediante la utilización de registros de corrimiento realimentados. Se plantea que inicialmente se generen las secuencias lineales de máxima longitud cuyo periodo es de 2 n − 1 con n = 15 saltos. De 37.

(47) acuerdo con los polinomios propuestos, el periodo es de 32767. Una vez obtenidas estas secuencias cada vez que se genere en la secuencia de salida 14 ceros consecutivos se agregara uno mas, de manera tal que se puedan obtener las secuencias PN piloto exigidas por la especificación que deben tener un periodo de 215 . Es importante señalar que el estado inicial de los registros fue generado aleatoriamente, procurando que siempre por lo menos 1 de los registros esté inicializado en 1, para evitar el estado todos 0 que genera que las salidas de la secuencia sean todas cero.. Los polinomios asociados con los registros que generaran las secuencias seudo aleatorias de acuerdo con la especificación son: PI ( x) = x15 + x 10 + x 8 + x 7 + x 6 + x 2 + 1 (10) 15 12 11 10 9 5 4 3 PQ (x ) = x + x + x + x + x + x + x + x + 1 (11) Dado el orden de estos polinomios, los registros de corrimiento deben estar compuestos por 15 etapas. En la Figura 34 se muestra la estructura de los registros para el caso del polinomio generador PI (x) . Para la mejor comprensión de éste proceso de espectro 8 expandido se consulto a Haykin Capitulo 7.. Figura 34. Generador secuencia PN basado en el polinomio generador PI (x) .. Es importante señalar que tanto las cubiertas de Walsh como las secuencias PN están mapeadas de manera tal que ‘+1’ representa un valor binario de ‘0’ y ‘-1’ un valor binario de 1.. 8 HAYKIN, Simon. Communication Sy stems. 4ta Edición. John Wiley & Sons, Inc. 2001. 816 p.. 38.

(48) 3.15.2. MULTIPLICACIÓN COMPLEJA Éste bloque toma las secuencias PN y las opera con las señales de los canales Q e I. Las secuencias PN tienen una tasa de 1.228 M cps al igual que las señales Q e I que vienen del multiplexor en bloques de 16 slots, cada slot con una duración de 2048 chips. Se define entonces que la salida de éste bloque en el canal I está determinada por I ' = IPN I − QPNQ y en el canal Q por Q' = IPN Q + QPN I .. 3.15.3. GANANCIA D E POTENCIA De acuerdo con el tamaño de paquete se tiene que la ganancia del canal directo se encuentra especificada de acuerdo con la Tabla 4. Tabla 4. Ganancia de potencia en el canal directo de acuerdo con la especificación. Formato. Ganancia (dB). 128 256 512 1024 2048 3072 4096 5120 6140 7168 8192. 6.75 10 13.25 15.0 16.25 18.00 19.50 19.25 20.50 22.25 23.75. 3.16. RECEPTOR Inicialmente al receptor llega una señal que es la suma de las componentes I y Q montadas sobre una portadora sinusoidal. Esta señal esta expresada por: FW _ SIGNAL = I ' Cos(2π f c t ) + Q ' Sin (2πf c t ). 39. (12).

(49) En el receptor se efectúa inicialmente una multiplicación por las portadoras y un filtrado pasa bajos que permite eliminar las componentes de alta frecuencia que se dan debido a la multiplicación. A continuación se muestra el detalle. Cos (2π f c t ) * FW _ SIGNAL = I ' Cos 2 (2πf ct ) + Q' Sin( 2πf c t )Cos(2πf c t ). (13). Haciendo uso de las identidades: Cos 2 (2π f c t ) =. 1 + cos(4πf c t ) 2. Sin (2π f c t )Cos(2πf ct ) =. Sin( 4πf c t ) 2. (14). (15). Se tiene que: Cos (2π f c t ) * FW _ SIGNAL =. I ' I ' Cos (4π f c t ) Q ' Sin (4π f c t ) + + 2 2 2. (16). Se puede ver que es necesario eliminar las componentes de alta frecuencia para poder obtener de nuevo la señal I’. De igual manera se trabaja para obtener la señal Q.. Al obtener de nuevo los canales Q e I se efectúa el proceso inverso a la expansión en cuadratura. Teniendo en consideración que de acuerdo con la especificación el proceso de expansión en cuadratura en el emisor, esta determinado por I ' = IPN I − QPNQ y en el canal Q por Q' = IPN Q + QPN I , se pueden obtener las relaciones (1) y (2) que invierten la operación efectuada.. Q=. Q ' PN I − I ' PN Q PN Q + PN I 2. 2. I ' + QPNQ I= PN I. (17). (18). 40.

(50) Al obtener los canales antes del proceso de expansión en cuadratura, se efectúa el proceso de demultiplexación, en donde como resultado se obtienen de nuevo los canales de tráfico, M AC, piloto y preámbulo; a cada uno de ellos se efectúa el proceso inverso de lo realizado en el transmisor. El canal piloto únicamente requiere procesar la señal obtenida, (que debe estar en un formato NRZ), a formato binario corriente; de igual manera lo requiere el canal M AC y el preámbulo. En el canal de tráfico y control después de la etapa de demultiplexación, se desarrolla el procesamiento inverso banda base. En la primera fase de éste procesamiento es importante considerar que los códigos de Walsh son totalmente ortogonales entre ellos, lo que se demuestra puesto que el producto punto entre dos de estos vectores es igual a cero. Estos códigos son obtenidos mediante la generación de la matriz de Hadamard del orden solicitado. Las columnas y filas de esta matriz son ortogonales entre si y están organizadas de manera tal que el subíndice de la matriz, el cual corresponde al numero de cruces por cero que existe en la secuencia, está organizado de manera creciente. En el receptor se recupera fácilmente las señales enviadas antes de ser sumadas, mediante la multiplicación de la señal recibida por cada uno de los 16 ortogonales por los que fue multiplicada la señal en el emisor. Esto se puede efectuar gracias al carácter ortogonal que poseen los códigos de Walsh. Seguido a éste procedimiento se realiza la multiplexación en donde se recombinan los 16 canales I para obtener un solo canal I (igualmente en el canal Q), dejando atrás 32 canales para tener de nuevo dos. Se efectúa el proceso inverso de repetición de secuencia y puncturing de cada uno de los canales. Sin embargo en éste procedimiento se necesita implementar un algoritmo que permita recuperar de manera adecuada los símbolos que se eliminaron debido al proceso de puncturing, por lo que algunos de los formatos disponibles no deben ser utilizados en el proceso de simulación, ya que no se implemento ningún algoritmo que permita la predicción adecuada de dichos símbolos. La utilización de dichos formatos en al simulación deriva en la obtención de altas tasas de error de bit. Los formatos que no deben ser utilizados se muestran en la Tabla 5. En el emisor, estos formatos son totalmente validos. En el receptor no son validos a partir del proceso de inverso de repetición y puncturing de secuencia, puesto que al hacer el proceso de puncturing para estos formatos se pierde información. Como trabajo posterior se propone diseñar la 41.