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TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTAN:
Diego Armando Delgadillo Martínez
Luis Ángel Nápoles Olguín
Pablo Sánchez Guerrero
Asesores:
M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna
M. en C. José Ernesto Rojas Lima
Objetivos:
¾ Analizar y comprender la técnica de espectro disperso utilizada en los sistemas de tercera generación de telefonía móvil.
¾ Estudiar la estructura de canales en los estándares cdmaOne y cdma2000, así como los principales elementos que componen estos sistemas.
¾ Comprender la importancia del control de potencia en los sistemas basados en CDMA, específicamente los estándares cdmaOne.
¾ Con base al algoritmo de transferencia de llamada especificado por el estándar cdmaOne, proponer un algoritmo simplificado.
¾ Desarrollar un ambiente de simulación para evaluar el algoritmo de control de potencia en el estándar de cdmaOne.
¾ Interpretar el manejo de la Eb/Noy la razón de tramas erróneas (FER) en la
simulación del algoritmo de control de potencia en el enlace de bajada y el enlace de subida para cdmaOne.
Lista de Siglas y Acrónimos
3G Tercera generación de comunicaciones móviles
A
AGC Control automático de ganancia
ADD_INTERCEP Umbral de detección del canal piloto en cdma2000
AMPS Sistema avanzado de telefonía móvil
B
BS Estación base
BSC Controlador de estaciones base
BPSK Modulación por cambio de fase binario
C
CDMA Acceso Múltiple por División de Código cdma2000 Estándar 3G, evolución de cdmaOne
cdmaOne Tecnología de telefonía móvil de segunda generación
código PN Código de pseudo-ruido CRC Código de redundancia cíclico
D
DROP_INTERCEPT Umbral de caída del canal piloto en cdma2000
E
0
/N
Eb Energía de bit a densidad espectral de ruido
F
FDD División de frecuenica Duplex
FDM Multiplexaje por división de frecuencia FDMA Acceso múltiple por división de frecuencia
FER Razón de tramas erróneas
FL Enlace de bajada
f-dtch Canal de tráfico dedicado f-ctch Canal común de tráfico r-csch Canal común de señalización r-dsch Canal de señalización dedicado r-dtch Canal de tráfico dedicado
r-cmch Canal común de control de acceso al medio de subida
F/R-FCH Canal fundamental
F/R-SCCH Canal suplementario codificado F/R-SCH Canal suplementario
F/R-DCCH Canal de control dedicado F-PCH Canal de voceo
F/R-DMCH Canal dedicado de control de acceso al medio
F/R-CCCH Canal de control común F-DAPICH Canal piloto auxiliar dedicado F-APICH Canal piloto auxiliar
F/R-PICH Canal piloto F-SYNC Canal de sincronía
F-TDPICH Canal piloto de diversidad de transmisión
F-ATDPICH Canal piloto auxiliar de diversidad de transmisión F-BCH Canal de Broadcast
F-QPCH Canal rápido de voceo
F-CPCCH Canal común de control de potencia F-CACH Canal común de destino
FPC_MODE Modo de de control de potencia del enlace de bajada en cdma2000
G
GPS Sistema global de posicionamiento
GSM Sistema móvil global
I
IS-54 Estándar de telefonía móvil basado en TDMA IS-95 Estándar de telefonía móvil basado en CDMA IS-136 Estándar de telefonía móvil basado en TDMA ISI Interferencia intersímbolo
K
Kbps Kilo bits por segundo
L
M
MAC Control de acceso al medio
MCD Máximo común divisor
Mcps Mega chips por segundo MSC Centro de conmutación móvil
O
OFDMA Acceso Múltiple por división de Frecuencia Ortogonal OTD Diversidad de transmisión ortogonal
P
PCB Bits de control de potencia
PCG Grupo de control de potencia PCS Sistema de comunicación personal
PLDCF Función de convergencia de capa física
dependiente
PLICF Función de convergencia de capa física
independiente
Pr Potencia de recepción
PSK Modulación por cambio de fase
Pt Potencia de transmisión
Q
QAM Modulación de amplitud en cuadratura
QPSK Modulación por cambio de fase en cuadratura
R
R-ACH Canal de acceso
RC Configuración de radio
R-EACH Canal de acceso mejorado
RF Radio frecuencia
RL Enlace de subida
Rx Equipo receptor
S
S-FH Salto de frecuencia lento
SF factor de dispersión
SR Tasa de dispersión
SS Espectro disperso
STS Dispersión de espacio y tiempo
T
T_ADD Umbral de detección del canal piloto TDM Multiplexaje por división de tiempo TDMA Acceso múltiple por división de tiempo T_DROP Umbral de declive del canal piloto
Tx Equipo transmisor
U
UMTS Sistema universal de telecomunicaciones móviles
W
CONTENIDO
Objetivos II
Lista de siglas y acrónimos III
Contenido Introducción
VII IX
CAPÍTULO 1Espectro Disperso
Pág. 1.1 Historia de espectro disperso. 2 1.2 Concepto de espectro disperso. 3 1.3. Técnicas de espectro disperso 4 1.3.1 Secuencia directa 4 1.3.2 Salto de frecuencia 5
1.4 Códigos de dispersión 6
1.4.1. Secuencias de pseudoruido 6
1.4.2. Códigos Gold. 8
1.4.3. Códigos Kasami 8
1.4.4. Códigos Ortogonales 9
1.4.4.1. Longitud fija. 1.4.4.2. Longitud variable
9 9 1.5 Técnicas de acceso múltiple 10
1.5.1 TDMA 11
1.5.2 FDMA 12
1.5.3 CDMA 13
1.5.4 OFDMA 14
Referencias 16
CAPÍTULO 2 cdmaOne y cdma2000
2.1 cdmaOne(IS-95) 19
2.1.1 Características principales 19
2.1.2 Canales en cdmaOne 21
2.1.2.1 Enlace de bajada 21 2.1.2.2 Enlace de subida 23 2.1.3 Transferencia de llamada 24
2.1.4 Control de potencia 27
2.2 cdma2000 28
2.2.1 Características principales 28
2.2.2 Canales en cdma2000 32
2.2.2.1 Enlace de bajada 38 2.2.2.2 Enlace de subida 41
2.2.3 Control de potencia 43
2.2.4 Transferencia de llamada 48
CAPÍTULO 3 Control de potencia en cdmaOne y cdma2000 Pág 3.1 Control de potencia en cdmaOne 54
3.1.1 Control de potencia en el enlace de bajada 54 3.1.2 Control de potencia en el enlace de subida
3.1.2.1 Control de potencia de lazo abierto en el enlace de subida 3.1.2.2 Control de potencia de lazo cerrado en el enlace de subida
55 55 57 3.2 Control de potencia en cdma2000 61 3.2.1 Control de potencia en el enlace de bajada 63 3.2.2 Control de potencia de lazo abierto en el enlace de subida 68 3.2.3 Control de potencia de lazo cerrado en el enlace de subida 69
Referencias 72
CAPÍTULO 4 Evaluación de control de potencia en cdmaOne
4.1. Simulación y modelado 75
4.1.1 Métodos de evaluación de desempeño 76 4.1.2 Principales áreas de aplicación de una simulación 77 4.1.3 Sistemas y modelos de simulación 78
4.2 Modelos de propagación 80
4.2.1 Desvanecimientos por obscurecimientos 81 4.2.2 Desvanecimientos correlacionados 83
4.3 Ambiente de simulación 84
4.3.1 Simulación de eventos discretos. 84
4.3.2 Trazado del cluster 84
4.3.3 Antenas 85 4.3.4Pérdidas por trayectorias y desvanecimientos correlacionados 86 4.3.5 Generación y modelo de movilidad de los usuarios dentro de la
celda
87 4.3.6 Algoritmo simplificado para la transferencia de llamada en
cdmaOne
88 4.3.7 Control de potencia en cdmaOne 90 4.3.7.1 Enlace de bajada 90 4.3.7.2 Enlace de subida 90
4.4 Descripción 92
4.5 Resultados 93
4.5.1 Transferencia de llamada 93 4.5.2 Control de potencia 95 4.5.2.1 Enlace de bajada 95 4.5.2.2 Enlace de subida 101 4.5.2.3 Enlace de subida con paso adaptable 104
Referencias 108
Introducción
El incesante avance de la tecnología dentro de las comunicaciones se da a pasos agigantados, uno de los dispositivos que en sus inicios se consideraba un aditamento de lujo hoy se ha convertido en una verdadera necesidad, la telefonía celular es hoy en día uno de los tantos rubros de las comunicaciones que mas avances tecnológicos ha experimentado.
Cuando se inicia la comercialización de los sistemas de segunda generación (2G) , que tienen a GSM entre sus mayores exponentes, en 1982 esta tecnología de origen francés ofrecía servicio para 8 usuarios que compartían el medio multiplexados en tiempo con canales de 200 KHz, utilizaban esquemas de acceso múltiple tanto en frecuencia como en tiempo (FDMA y TDMA). A pesar del rotundo éxito que tuvieron en gran parte de Europa y hoy en día en países como el nuestro las tasas de transferencia que maneja y la utilización de los recursos de comunicaciones dejan mucho que desear cuando se requiere la integración de otros tipos de servicios como datos multimedia ó transferencias de altas tasas de datos.
Es por eso que nace una tercera generación de telefonía celular (3G) que tiene como su antecesor al estándar IS-95 también conocido como cdmaOne, el cual emplea una técnica de espectro disperso con la que el ancho de banda de la señal que se transmite es mucho mayor que el necesario para llevar a cabo esta tarea, y en la cual la distinción entre los usuarios del sistema se lleva a cado por medio de códigos que cumplen con ciertas características de ortogonalidad y que son fundamentales en el proceso de reducción de interferencia del sistema.
Además mencionaremos las principales características de códigos de dispersión como el Gold, Kasami, secuencias de Pseudo ruido y naturalmente los códigos ortogonales.
Para el segundo capítulo y habiendo revisado de manera puntual los tópicos antes mencionados, decidimos nombrarlo cdmaOne y cdma2000. Esto con la intención de conocer primeramente el sistema cdmaOne, características tales como que en este sistema los usuarios comparten el mismo canal de radio, la distinción entre un canal lógico y un canal físico y las limitantes que forman parte de los primeros sistemas considerados 3G. Y de esta forma con conocimiento del tema emigrar a la evolución de cdma2000 que es el sistema que surge como mejora del anterior, de este sistema conoceremos los servicios que ofrece, las distintas configuraciones de radio que determinan sus tasas de transmisión, nuevos canales que en cdmaOne no existían o al menos no se utilizaban, y una introducción a lo que son las técnicas de control de potencia que manejan, pues cabe recalcar que al ser los sistemas CDMA limitados por interferencia, el buen manejo de un recurso tan importante como este nos va a determinar la capacidad de nuestro sistema.
Para el tercer capitulo ya habiendo revisado las principales características del sistema cdma2000 y su inmediato antecesor, así como las particularidades de cada uno de ellos, entraremos a detalle de lo que son las técnicas de control de potencia para cdmaOne que nos dará un buen sustento de lo que vendrá a ser el control de potencia en cdma2000, describiremos los canales que intervienen en este proceso y la función que juega tanto la estación base como el móvil mientras esto sucede.
El hecho de que se haya conseguido una evolución de los sistemas celulares de
segunda generación a los de 3G en mucho se debió a los distintos esquemas de
acceso que manejan cada uno de estos. Pues de dichos esquemas depende la
eficiencia del uso de los recursos de comunicación para compartir el medio entre los
usuarios. Los sistemas de 3G nacen por la necesidad de implementar otro tipo de
aplicaciones en los celulares aparte de las tradicionales llamadas de voz,
principalmente por el aumento de la demanda de servicios de datos que trajo
consigo la necesidad de incrementar las tasas de transmisión. La capacidad que
requieren los sistemas celulares de tercera generación para soportar dichas tasas
de transmisión así como la integración de servicios se puede conseguir haciendo un
uso eficiente del espectro de radio y teniendo un manejo flexible de los recursos del
sistema. La técnica de espectro disperso que es la base de los sistemas celulares
que utilizan como esquema de acceso al medio CDMA (acceso múltiple por división
de código) se empezó a desarrollar hace más de medio siglo aunque en sus inicios
no tenia aplicaciones comerciales. En este capítulo revisaremos algunos esquemas
de acceso usados en telefonía celular; FDMA que asigna canales de frecuencia para
la distinción entre usuarios y es característica de los sistemas celulares analógicos
(1G), TDMA que asigna ranuras tiempo y es predominante en los sistemas 2G,
aunque haremos mas énfasis en la que utilizan los sistemas de la familia CDMA, en
el cual todos los usuarios comparten el mismo ancho de banda y se distinguen por
un código especifico que le es asignado a cada dispositivo móvil, revisaremos un
poco de su historia , y las técnicas que utilizan para compartir el medio con la
implementación de los llamados códigos de dispersión en sus diversas variantes.
Capítulo
1
1.1Historia de espectro disperso
Los sistemas de espectro disperso, SS por sus siglas en ingles (spread spectrum),
han sido implementados desde mediados de los años 50´s en las comunicaciones militares para hacer frente a la interferencia intencional y lograr una baja probabilidad de detección, es decir que las transmisiones contaran con la máxima seguridad y así evitar que la información fuera interceptada por el enemigo [1]. A continuación se presenta una breve reseña histórica de espectro disperso:
• En 1935 Kotowski y Dannehl en Alemania combinan voz con una señal de ruido de banda ancha, lo que sería el punto de partida para el desarrollo de los sistemas de comunicación de espectro disperso por secuencia directa.
• En 1949 John Pierce escribe un documento técnico donde contempla la dispersión de señales por medio de un sistema de multiplexaje en tiempo. En donde la señal original se almacena de acuerdo a su tasa de bit original y es muestreada a una tasa de bit mucho mayor para después ser transmitida en ráfagas.
• Claude Shannon y Robert Price intercambian puntos de vista de la secuencia directa y analizan los efectos de la interferencia de ruido blanco en las transmisiones.
• En 1961 Magnuski analiza el impacto del problema near-far, o mejor conocido como el efecto cerca-lejos.
• En 1978 G. R. Cooper y R. W. Nettleton proponen el uso del espectro disperso en telefonía móvil.
• En 1989 la compañía Qualcomm, desarrolla el primer prototipo de un sistema CDMA.
• En 1992 la TIA (Asociación de la Industria de Telecomunicaciones) comienza con el proceso de estandarización de CDMA, creando el subcomité TR 45.5 para el desarrollo de IS-95.
• En 1993 el estándar IS-95 es terminado y es llamado IS-95A.
• En 1994 se forma el grupo de desarrollo CDMA (CDG por sus siglas en ingles) con la misión de promover el estándar IS-95.
• En 1996 comienza la operación comercial de los sistemas cdmaOne (IS-95).
• En 1998 se aprueba el estándar IS-95B el cual provee una tasa mayor de transmisión que IS-95A.
• De 1995 a 1998 empieza el desarrollo de sistemas móviles de tercera generación.
- En Europa comienzan el desarrollo del estándar WCDMA, que más tarde es denominado UMTS.
- En Estados Unidos se propone el estándar IS-2000 para sistemas de tercera generación basados en la tecnología CDMA. Surgiendo así la familia cdma2000.
• En el año 2001 en Japón se despliegan las primeras redes UMTS y en Estados Unidos comienza la operación comercial de sistemas cdma2000-1X
1.2 Concepto de espectro disperso
La dispersión de la información se logra por medio de un código, el cual es independiente de la información enviada. Los sistemas de espectro disperso suelen a menudo ser aplicados para proporcionar rechazo a las múltiples trayectorias, no dejando de lado características importantes como la baja probabilidad de intercepción y el acceso múltiple [1].
Figura 1.1 Técnica de espectro disperso.
1.3 Técnicas de espectro disperso
1.3.1 Secuencia directa
En está técnica, la información se dispersa directamente por medio de un código de dispersión. Cada bit de información es representado por un símbolo que consiste en un número largo de bits codificados llamados Chips, este nombre surgió con la idea de poder diferenciar entre los códigos, lo cuales no llevan ninguna información en si y los datos, los cuales están expresados en bits. Si el receptor conoce el código de dispersión entonces podrá recuperar la señal de información [2].En la figura 1.2 se muestra un ejemplo de esta técnica, donde m1(t) representa un mensaje, c1(t) es el código para dispersar la información y m1(t)c1(t) es la secuencia dispersada. Considerando que el ancho de banda de una señal digital está limitada a (1/Tb),
donde Tb es el intervalo de bit de la señal digital (en segundos), y Tc es el intervalo
de chip del código. En este ejemplo, la tasa de chip (1/Tc) del código es 4 veces la
El factor de la dispersión del ancho de banda es llamado ganancia de procesamiento ó W/R, donde W es el ancho de banda de la señal dispersada y R es el ancho de banda de la información, así se tiene que W/R=4.
Figura 1.2 Técnica de secuencia directa.
1.3.2 Salto de frecuencia
En está técnica la frecuencia de la portadora va cambiando en intervalos regulares de tiempo. Las frecuencias que se emplean son seleccionadas de un grupo predeterminado que se crea a partir del espectro disponible y una secuencia de pseudo-ruido ó también llamada secuencia PN (pseudo-noise), define el orden en el que se van a efectuar los saltos de frecuencia [3].
El número de frecuencias a utilizar puede variar de pocas a cientos, por este motivo existen dos categorías dependiendo de la tasa de cambio.
• F-FH (Fast Frequency Hopping), el rápido, donde existen cambios múltiples de frecuencia durante la transmisión de un bit (figura 1.3a).
Fr
ec
u
en
ci
a
Tiempo
1 0
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
f1 f2 f3 f4 f5
(a) Salto de frecuencia rápido.
Fr
ec
u
en
ci
a
Tiempo 010
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
f1 f2 f3 f4 f5
110 101 001 011 010 111 100
(b)Salto de frecuencia lento
Figura 1.3 Técnicas de salto de frecuencia.
1.4 Códigos de dispersión
1.4.1 Secuencias de Pseudo-ruido.
Figura 1.4 Generador de secuencias PN de 3 etapas.
De la figura se observa que el resultado del sumador módulo 2 será la retroalimentación a la entrada de la etapa 1, con lo que se consigue que este no se quede vacío, de esta manera la secuencia PN generada se determina por el número de etapas del registro de corrimiento, el estado inicial y la retroalimentación.
Cuando el periodo de una secuencia PN llega a ser exactamente igual a 2m-1, donde m es el número de etapas del registro de corrimiento, tendríamos una secuencia PN máxima o simplemente secuencias m.
Las secuencias m cumplen con las siguientes propiedades:
1- El número de 1’s, en ´un período de la secuencia, difiere en 1 del número de 0’s
2- Entre sucesiones de 1’s y 0’s en cada periodo N, la mitad será de longitud 1, 1/ 4 de longitud 2, 1/8 de longitud 3, y así sucesivamente. Para una secuencia generada por un registro lineal de longitud m el número total de sucesiones es (N+1)/2, donde N = 2m -1.
3- La función de autocorrelación de estas secuencias es periódica y con dos valores. Para una secuencia {ak} de 1s y -1s la autocorrelación C(k) se calcula como:
) 1 (
1 )
(
∑
K= +
= N
n
k n n k a a
C
N k =0,N,2N
Esto está asociado con el hecho de que una secuencia periódica al ser comparada con cualquier versión de ella desplazada tendrá una diferencia entre acuerdos y desacuerdos igual a 1.
1.4.2 Códigos Gold
En la siguiente figura se muestra el generador de secuencias Gold, donde se puede observar que está compuesto por dos secuencias m que son pares preferentes:
f1(D)=1+D2+D5
Figura 1.5 Generador de códigos Gold.
1.4.3 Códigos Kasami
La importancia de las secuencias Kasami radica principalmente en su bajo nivel
correlación cruzada. Se generan secuencias binarias de M =2n/2con periodo
1 2 − = n
N , donde n es un número par [4].
Se comienza con una secuencia m llamada a para posteriormente formar la
secuencia a’ por muestreo de a por 2n/2+1, se puede comprobar que el resultado de a’ es una secuencia m de periodo 2n/2 −1.
Ahora tomando N =2n −1 bits de las secuencias a y a’ se forman un nuevo conjunto de secuencias por suma módulo 2 de a, de a’ y todos los 2n/2 −2 cambios periódicos de a’. Incluyendo a en el conjunto, se obtiene el conjunto de 2n/2 secuencias Kasami.
5 4 3 2
2(D) 1 D D D D
Las funciones de autocorrelación y correlación cruzada de estas secuencias toman los valores del conjunto {-1, (2 1)
2 / +
− n
, 2n/2−1}.
1.4.4 Códigos ortogonales
1.4.4.1 Códigos de longitud fija
Los códigos ortogonales están dados por los renglones de una matriz Hadamard, la cual se genera de manera recursiva de la siguiente forma [4]:
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = N N N N N H H H H
H2 …………(2)
Donde N es una potencia de dos y HN es el complemento de HN.
Aunque también suelen ser representados de la siguiente manera:
m i
W
; donde: m es la longitud del código Walsh e i es el número de renglón1.4.4.2 Códigos ortogonales de longitud variable
Un método para obtener códigos de longitud variable que preserva ortogonalidad entre diferentes tasas y factores de dispersión (SF) es el siguiente [4].
Sea CN una matriz de tamaño N x N donde se muestra el conjunto de códigos
binarios de longitud N;
{
CN(n)}
n=1,...N,donde CN(n)es el vector fila de los Nelementos y N=2n es generado desde CN/2 como:
⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = ) 2 / ( ) 2 / ( ) 2 / ( ) 2 / ( ) 2 ( ) 2 ( ) 2 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) ( ) 1 ( . . . ) 3 ( ) 2 ( ) 1 ( 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / N C N C N C N C C C C C C C C C N C N C C C C C N N N N N N N N N N N N N N N N N
Como resultado, estos códigos de longitud variable pueden ser generados recursivamente usando una estructura de árbol mostrada en la siguiente figura.
Figura 1.6 Estructura de árbol para generar códigos ortogonales de longitud
variable.
Los códigos generados en la misma capa o SF constituyen un conjunto de funciones Walsh y hay ortogonalidad auque las filas de CN no son del mismo orden de HN. Los
códigos de capas diferentes son también ortogonales excepto para el caso que uno de los dos códigos sea el código madre del otro. Los códigos madre son los códigos que se encuentren en la trayectoria que va desde la raíz del árbol hasta una etapa antes de un código seleccionado. En otras palabras un código se puede utilizar en un canal sí y solo sí ningún otro código en la trayectoria que va desde el código especificado hasta la raíz del árbol producido por el código especificado es usado en el mismo canal.
1.5 Técnicas de acceso múltiple
Fr ec ue nc ia R anur a 1 R anur a 2 R anur a 3 Tiempo T ie m po d e gua rda T ie m po d e gua rda Ra nu ra N Ra nu ra 1 T ie m po d e gua rda
Con las técnicas de acceso múltiple, un número de señales independientes se combinan en una única señal para ser transmitida por un canal común. En muchas ocasiones ambos términos son utilizados de manera deliberada, pero realmente cada uno de estos sirve para fines distintos.
Multiplexaje: Los requerimientos de cada usuario son fijos y/o varían muy lentamente en el tiempo. La distribución de los recursos es asignada “a priori” y se lleva a cabo entre sitios no muy lejanos. En este caso los recursos de comunicaciones son suficientes para todos los usuarios de un determinado sector.
Acceso múltiple: La distribución de recursos se lleva a cabo de manera dinámica entre sitios remotos (por ejemplo, telefonía móvil : donde se realiza un enlace entre la estación base (BS) y el usuario móvil, comunicación satelital; en este caso el entorno se conforma de una estación terrena y un satélite, etc). La asignación de recursos se realiza, en función de las necesidades de los usuarios, con lo cual se consigue una utilización eficiente de los recursos [5].
1.5.1 TDMA
El acceso múltiple por división de tiempo TDMA (Time Division Multiple Access), fue introducido por los estándares de telefonía móvil IS-54 e IS-136, estos estándares a su vez definen canales físicos de 30 KHz que son divididos en ranuras de tiempo. Se comenzó a comercializar en el año de 1992 por McCaw, Southwest Bell, Bell South y otros. Las ranuras de tiempo se agrupan en tramas, así cuando un usuario hace una petición de servicio se le asigna una determinada ranura de la trama, la cual conservará hasta que decida dar por terminada su conversación. Ver figura 1.7.
En la figura anterior se observa claramente que en un esquema TDMA se asigna todo el ancho de banda a cada usuario en una ranura de tiempo determinada, dichas ranuras se encuentran separadas por tiempos de guarda con la finalidad de reducir la interferencia entre ranuras adyacentes.
A diferencia de otras técnicas las cuales sufren de interferencia debida a otras transmisiones en la misma frecuencia, la tecnología TDMA, reduce las interferencias de otras transmisiones simultáneas y extiende la vida útil de las baterías, debido a que el móvil sólo transmite en la ranura asignada. Algunas de las tecnologías en las que se utiliza este tipo de acceso múltiple es en IS-54, IS-136 y GSM [6].
1.5.2 FDMA
El acceso múltiple por división de frecuencia, FDMA (Frecuency Division Multiple Access), consiste en dividir el ancho de banda disponible en canales de frecuencia. Este esquema de acceso fue el dominante de los sistemas de telefonía móvil de primera generación.
En FDMA todos los usuarios transmiten simultáneamente en diferentes canales de frecuencia. Una de las particularidades de FDMA es que incrementa el ancho de banda requerido por usuario y disminuye el número total de usuarios que el sistema puede soportar [7], esto por el uso de bandas de guarda usadas para disminuir la interferencia entre canales adyacentes, figura 1.8.
Fr
ec
ue
nc
ia
Tiempo
Banda de frecuencia 3
Banda de frecuencia 2
Banda de frecuencia 1 Banda de guarda
Banda de guarda
f0 f3
f2
f1 f5
f4
Figura 1.8 Esquema de acceso múltiple por división de frecuencia.
En cuanto a costos el equipo terrestre para la transmisión de TDMA es más sofisticado y por lo tanto más costoso que los equipos de FDMA. Sin embargo, las estaciones terrestres que operan con FDMA requieren un equipo de radiofrecuencia por cada canal, (subida/reverse link y bajada/forward link). Por lo que, al aumentar la cantidad de canales, FDMA se vuelve más costoso que TDMA. Es por eso que se utilizan esquemas de acceso múltiple híbridos TDMA/FDMA con lo cual se consigue un uso eficiente de las ventajas de ambos esquemas.
1.5.3 CDMA
Fr
ec
u
en
ci
a
Tiempo
Cód igos
Figura 1.9 Esquema de acceso múltiple por división de código.
CDMA aparece como la base tecnológica de la generación de comunicaciones móviles 3G, la tendencia global en la industria es la migración a CDMA [8]. Como técnica de acceso múltiple permite que varios usuarios puedan acceder a un mismo medio de comunicaciones.
En CDMA se utiliza el mismo canal para la transmisión simultánea de señales de múltiples usuarios; para cada usuario los demás son interferentes pues todos pueden transmitir al mismo tiempo. Una particularidad de los sistemas CDMA es que son limitados por interferencia y por ello el control de potencia es crítico en el sistema. Se ha comprobado que en un sistema que emplee CDMA la capacidad puede aumentar 4 veces respecto a la de un sistema TDMA y 20 veces con respecto a FDMA siempre y cuando se utilice un apropiado control de potencia [8].
1.5.4 OFDMA
Usuario 1
Usuario 2
Usuario 3
Usuario 4
S
ubc
an
al
es
Tiempo
Referencias
[1] Raymond, L,. Pickholtz, “Theory of spread spectrum communications – a tutorial” IEEE Transactions on communications, vol. COM-30, No.5, may 1982.
[2] M.R., Karim and M. Sarraf, “W-CDMA and cdma2000 for 3G Mobile Networks”. McGraw Hill, 2002.
[3] Bruno de Souza Abreu Xavier “Designing cdma2000 Systems”, John Wiley & Sons,2004.
[4] Esmael H. Dinan and Bijan Jabbari, “Spreading codes for direct squence CDMA and Wideband CDMA cellular networks” IEEE comunication magazine, 1998
[5] Bernard Sklar. “Digital communications fundamentals and applications” Prentice Hall, 2001.
[6] “CDMA 120 – cdmaOne and CDMA2000 Concepts and Terminology” Qualcomm student guide.
[7] Samuel C. Yang, “CDMA RF system Engineering” Artech House, 1998.
[8] Domingo Lara, Juan José Gaytan, “Sistemas Inalámbricos de Comunicación Personal” Alfaomega, 2002.
En este capítulo se abordan las principales características en torno a los sistemas cdmaOne y cdma2000, los cuales como su nombre lo indican emplean como técnica de acceso al medio CDMA y espectro disperso. cdmaOne es una tecnología catalogada de segunda generación y está basada en el estándar IS-95, fue desarrollada e implementada principalmente en Estados Unidos y posteriormente en otros países como el caso de Japón. Debido a la demanda de servicios inalámbricos capaces de transmitir voz y datos a mayores tasas de transmisión, se crea IMT-2000, la cual es la norma mundial para la tercera generación (3G) de comunicaciones inalámbricas. cdma2000 es una tecnología de 3G y surge como la evolución del sistema cdmaOne, brindando una conectividad inalámbrica de alta velocidad.
Para revisar lo que es el esquema de un sistema cdma2000 es primordial hablar de canales, dentro de los canales tenemos los que se conocen como canales físicos que manejan primordialmente los recursos de comunicación como bien podrían ser ranuras de tiempo, canales de frecuencia o como en el caso de cdma2000 códigos. Los otros canales son los canales lógicos y manejan mas que nada funciones de control y señalización, estos canales tienen la particularidad de que sus acrónimos deben ser escritos con letras minúsculas.
Capítulo
2
Ambos tipos de canales se dividen a su vez en los correspondientes al enlace de subida (es aquel que se establece del móvil a la estación base) y enlace de bajada (de la estación base al móvil). Cada uno de estos canales tiene una función en especifico de las cuales haremos énfasis en aquellos canales de los que se sirve el sistema para llevar a cabo el control de potencia. Hablaremos de las configuraciones de radio (RC) que junto con la tasa de dispersión (SR) son factores fundamentales para determinar la tasa de transmisión del sistema así como la modulación usada.
En cuanto al control de potencia revisaremos lo que es el efecto cerca-lejos. Examinaremos el sustento teórico de los dos tipos de control de potencia de cdma2000, es decir el lazo abierto donde el papel fundamental se lo lleva el móvil y el lazo cerrado (lazo interno y lazo externo). Todo esto basado en la FER ó razón de tramas erróneas como patrón de calidad del enlace.
2.1 cdmaOne (IS-95)
cdmaOne es una tecnología de segunda generación que fue desarrollada por la compañía Qualcomm en la década de los 90´s y está fundamentada en el estándar TIA-EIA IS-95, incluyendo las revisiones IS-95A y IS-95B en donde se encuentran todas las especificaciones de operación del sistema [1]. cdmaOne surgió con el objetivo de poder crear un sistema de telefonía móvil que pudiera brindar mayor capacidad que las tecnologías establecidas, como FDMA (AMPS) y TDMA (IS-54, IS-136, GSM). Esto se pudo lograr debido al empleo de técnicas de espectro disperso y de un efectivo control de potencia.
2.1.1 Características principales
El sistema cdmaOne fue diseñado para operar en la banda celular de los 824 MHz a los 849 MHz para el enlace de subida y de los 869 MHz a los 894 MHz en el enlace de bajada como se observa en la figura 2.1. Y en la banda PCS (Personal Comunication System), de los 1850 MHz a los 1910 MHz para el enlace de subida y de los 1930 a los 1990 Mhz para el enlace de bajada, como se observa en la figura 2.2. En ambas bandas las portadoras tienen un ancho de banda de 1.2288 MHz y una separación entre ellas de 1.25 MHz, La separación que existe entre las portadoras del enlace de subida con las del enlace de bajada en la banda celular es de 45 MHz y 80 MHz para la banda PCS [3].
Figura 2.2 Bandas de frecuencia para cdmaOne en la banda celular PCS.
La modulación digital que se emplea en cdmaOne es QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) para el enlace bajada y BPSK (Binary Phase Shift Keying) para el enlace de subida. En QPSK cada símbolo representa 2 bits por lo tanto existen 4 posibles puntos de decisión de fase que son 45°, 135°, 225° y 315° como se ilustra en la figura 2.3 [4].
Figura 2.3 Constelación de la modulación QPSK.
Cuando la correlación cruzada es uno, significa que los códigos son iguales, en caso contrario las secuencias comparadas son diferentes. Cuando dos secuencias tiene una correlación de cero, podemos decir que son ortogonales uno de otra [4].
2.1.2 Canales en cdmaOne
2.1.2.1 Enlace de Bajada
En cdmaOne se utiliza códigos Walsh de longitud 64 para la canalización. En el enlace de bajada existen 4 tipos de canales que son: canal piloto (pilot channel), canal de sincronización (sync channel), canal de voceo (paging channel), y canal de tráfico (traffic channel). A cada uno de estos canales se les asigna un código Walsh [4], figura 2.4.
Figura 2.4 Asignación de los códigos Walsh en el enlace de bajada para cdmaOne.
Canal Piloto
Este canal no lleva información en sí, por lo tanto, al ser dispersado por el código Walsh 0, seguirá siendo un secuencia de ceros, esta secuencia es entonces dispersada otra vez por una par de códigos PN, los cuales le permiten saber a la estación móvil de qué estación base es el piloto que está recibiendo.
Estos códigos tienen un periodo de 26.67 ms y son desplazados en incrementos de 64 chips, teniendo como resultado 512 pilotos para un sistema cdmaOne [4].El canal piloto debe ser transmitido con suficiente potencia para que los móviles en la celda puedan recibirlo. Por lo tanto el canal piloto ocupa una cantidad significante de la potencia transmitida por la estación base, el 20% de la potencia total [4].
Canal de Sincronización.
Como su nombre lo indica, permite al móvil sincronizarse con la estación base. También le permite obtener información específica de la celda. Los móviles deben tomar el canal de sincronización y decodificar los mensajes que vienen contenidos en él para poder sincronizarse con el sistema [4]. Estos mensajes incluyen la siguiente información:
• La secuencia PN del canal piloto de la estación base.
• El tiempo del sistema
• La ID del sistema
• La ID de la red
• La tasa de datos del canal de voceo.
Canal de voceo.
Canal de tráfico
Los canales de tráfico se utilizan para transmitir la información de los usuarios (voz y datos), así como también información de señalización durante las llamadas.
Los canales de tráfico del enlace de bajada están separados por medio de la asignación de un código Walsh a cada canal, mientras un usuario efectúa una llamada, el código Walsh que se le asigne, ya no podrá ser asignado a otro usuario en la misma celda. La tasa de información en este canal es variable y puede ser de 9.6 kbps y 14.4 kbps para RS1 y RS2 respectivamente. Esto es debido a que hay periodos en los que la actividad de la voz en una llamada es baja por lo tanto la tasa de codificación puede ser reducida. Dentro del canal de tráfico se encuentra el subcanal de control de potencia, este subcanal genera un bit cada 1.25 ms.
2.1.2.2 Enlace de subida
Existen dos tipos de canales en el enlace de subida (Reverse Link) que son controlados por la estación móvil: el canal de acceso y el canal de tráfico. En el enlace de subida, los móviles se identifican por medio de códigos PN largos, caso contrario a lo que ocurre en el enlace de bajada, donde las estaciones base se identifican por medio de códigos PN cortos y los canales por medio de códigos Walsh [4]. El enlace de subida es muy diferente al enlace de bajada, debido principalmente a los requerimientos para el control de potencia.
Canal de acceso
Este canal es empleado por el móvil para comunicarse con la estación base cuando todavía no se le ha asignado un canal de tráfico, el móvil también utiliza este canal para generar llamadas y responderlas. Existen dos tipos de mensajes enviados sobre el canal de acceso: el mensaje de respuesta y el mensaje de petición
Canal de tráfico
2.1.3 Transferencia de llamada
Cuando un móvil se desplaza desde el área de servicio de una estación base a otra como se ilustra en la figura 2.6, el móvil finalmente se comunicara con la segunda estación base porque la intensidad de la señal que recibe de esa última es mayor. A este proceso se le denomina transferencia de llamada (Handoff) [6].
Figura 2.5 Transferencia de llamada.
Existen varios tipos de transferencia de llamada en los sistemas celulares. En el caso de AMPS y GSM cada celda adyacente maneja un grupo diferente de frecuencias, consecuentemente, si un móvil se encuentra en una celda y se empieza a desplazar a una celda adyacente, su transmisor y receptor deben de empezar a operar con nuevas frecuencias. Este tipo de transferencia se conoce como Hard-Handoff, transferencia de llamada con interrupción. En este caso, el móvil debe de terminar la comunicación con la primera celda antes de empezar a comunicarse con la celda adyacente, este proceso originará una interrupción momentánea en la comunicación, en el caso que se estuviera realizando una llamada.
Sin embargo, cuando en un sistema CDMA dos estaciones base operan con la portadora a la misma frecuencia, es muy probable que el móvil utilice canales de tráfico asociados con ambas estaciones base al mismo tiempo, reduciendo así la posibilidad de que la señal se interrumpa, produciéndose lo que llamaremos
soft-Handoff, transferencia de llamada sin interrupción. Cuando se realiza la
comunicación con las dos estaciones base, solo una de ellas, denominada estación base primaria, es responsable de todos los controles de llamada. A la otra estación base se le denomina estación base secundaria. Por ejemplo, basada en las mediciones de intensidad del piloto hechas por el móvil, la estación base primaria determina que la intensidad de señal del piloto de la estación base secundaria es más débil que la suya, hará la petición al centro de conmutación móvil para que la estación base secundaria sea retirada del proceso de soft-handoff. Si la estación base primaria determina que su intensidad de señal es más débil que la de la estación base secundaria, esta le informará al móvil que hará la transferencia de llamada a la estación base secundaria [6].
En cuanto al algoritmo de transferencia de llamada para IS-95 se tiene que este utiliza cuatro conjuntos de pilotos [7]:
• Conjunto activo:
Este conjunto contiene los canales piloto que se encuentran en uso mientras se efectúa una llamada. Es común utilizar solo 3 de los 6 pilotos que tiene como máximo el conjunto activos.
• Conjunto candidato:
Aquellos pilotos que no son exactamente activos pero que cuentan con la suficiente intensidad para convertirse en un elemento del conjunto activo. El número máximo de los pilotos que componen el conjunto candidato es 5.
• Conjunto vecino:
• Conjunto restante:
Son todos los pilotos restantes que no pertenecen a ninguna de las categorías previas pero que se encuentran en el área de cobertura donde se ubica el móvil en cuestión; ó bien aquellos que hayan pertenecido a alguno de los conjuntos anteriores pero que no tengan la suficiente señal de potencia para se candidatos a la transferencia de llamada
Dentro de los parámetros de transferencia de llamada para IS-95 (figura 2.6), se encuentran los siguientes [7]:
¾ T_ADD:
Es el umbral de detección de los pilotos y tiene como función la de controlar el movimiento de los pilotos que forman parte del conjunto activo. Con este
parámetro se establece una comparativa del valor de la Ec/I0 con respecto al valor convenido de T_ADD, observando que si Ec/I0 >T_ADD se considera al piloto en cuestión para formar parte del conjunto activo.
¾ T_DROP:
Es el umbral de declive de un piloto y la función que realiza es que cuando
DROP T
I
Ec/ 0 < _ se inicializa un temporizador denominado T_TDROP que de expirar el mismo, el piloto en cuestión dejaría de formar parte del conjunto activo.
(A) (B) (C) (D) t
Ec/Io
T_ADD
T_DROP
(A) Si el valor de la Ec/I0de un canal piloto llegara a alcanzar o inclusive a sobrepasar el valor del T_ADD, lo que hace el móvil es enviar un mensaje de la medida del piloto (PSMM: Pilot Strength Measurement Message) a la estación base y transfiere este piloto al conjunto candidato.
(B) La BS envía un Mensaje de Dirección de la Transferencia de Llamada al móvil, luego entonces transfiere el canal piloto al Conjunto Activo y envía un Mensaje de finalización de transferencia de llamada a la BS.
(C) Inicia a transcurrir el tiempo del temporizador puesto que la Ec/I0 <T_DROP. (D) De expirar el temporizador el móvil transfiere este piloto al conjunto vecino .
2.1.4 Control de potencia
Debido a que los sistemas CDMA son limitados en interferencia el control de potencia resulta esencial para el correcto desempeño de los mismos. Cada usuario comparte la misma banda de frecuencia a través del uso de códigos de pseudoruido, los usuarios interfieren entre sí. Por lo tanto la potencia de cada usuario debe de ser cuidadosamente controlada [5].
De realizarse un efectivo control de potencia, la capacidad del sistema puede ir en incremento además de que con esto se aumenta el tiempo de vida las baterías de los dispositivos móviles y se da una compartición de recursos de forma equitativa. De existir la correcta implementación de este mecanismo, la capacidad del sistema se degradaría a tal grado que sería comparable con la de un sistema de telefonía móvil que utiliza un esquema de acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) [7]. Para ilustrar cómo el control de potencia es esencial en los sistemas CDMA, consideremos una sola celda que tiene dos usuarios, como se muestra en la figura 2.7. Examinemos el caso en el enlace de subida, el usuario 1 está mucho mas cerca de la estación base que el usuario 2. Si no existe un control de potencia y ambos usuarios están transmitiendo a la misma potencia (Pt), debido a la diferencia en
el usuario 1 interfiera al usuario 2, a esto se le conoce como el efecto cerca-lejos [5].
d
1d
2Usuario 1
Usuario 2
P
r1P
r2Figura 2.7 Estación base con 2 usuarios, cada usuario está transmitiendo con una potencia fija a la estación base.
El control de potencia es un invaluable recurso en los sistemas cdmaOne ya que es esencial para su correcto funcionamiento. Sin un adecuado control de potencia el fenómeno cerca-lejos sería dominante y la capacidad del sistema sería baja. Sin embargo, cuando el control de potencia existe, permite a los usuarios compartir entre ellos los recursos del sistema, así como también prolongar la vida de las baterías de las estaciones móviles. En el capítulo 3 describiremos con mas profundidad este tema.
2.2 cdma2000
2.2.1 Características principales
Hay una completa compatibilidad entre cdmaOne y cdma2000, estos dos sistemas pueden trabajar simultáneamente aunque solamente para los servicios que requieran bajas tasas dentro de una portadora de 1.2248 MHz. En la tabla 2.1 se muestran las características de cdma2000 y su antecesor.
Característica cdmaOne cdma2000
Ancho de banda de portadora (MHz)
1.228 1.25/5/10/15/20
Tasa de chip (Mcps/s) 1.2288 1.2288/3.6864/7.7328/11.0592 /14.7456
Tasa de transmisión 9.6kbps-115.2kbps 9.6kbps-2.4Mbps
Duración de trama (ms) 20 20 (con opción a 5 ms )
Modulación QPSK QPSK
Codificación de canal Códigos convolucionales K - 9,tasa 3/4, 1/2, y
1/3
Códigos convolucionales K – 9, tasa 1/3 y 1/4 y turbo
códigos
Tabla 2.1 Características de IS-95 y cdma2000.
Figura 2.8 Requerimientos en el ancho de banda en los sistemas cdma2000 donde G es la banda de guarda.
Una de las principales características de cdma2000 es que cuenta con cuatro diferentes capas de protocolos, las cuales son: la capa física (physical layer), control de acceso al medio (medium access control), control de acceso de señalización (signaling link access control) y la capa superior (upper layer) [10], figura 2.9.
Capa Física (capa 1): La capa física es la responsable de transmitir y recibir bits sobre el medio físico. Ya que el medio físico en este caso es el aire, la capa física tendrá que convertir los bits en ondas electromagnéticas para poder ser enviados a través de este, la capa física también implementa una codificación del canal para reducir la probabilidad de error ya sea a nivel de bit ó trama.
La capa MAC está dividida en dos subcapas [6]:
• La función de convergencia de capa física independiente ó conocida como subcapa PLICF( Physical Layer Independent Covergence Function) . En esta los datos del usuario y la información de control se pasa a la subcapa más baja sobre un conjunto de canales lógicos tales como un canal dedicado al tráfico, un canal común de tráfico, un canal dedicado a la señalización, un canal común de señalización, un canal común MAC de subida así como también un canal común MAC de bajada.
• La segunda subcapa es la denominada función de convergencia de capa física dependiente PLDCF(Physical Layer Dependent Covergence Function), las funciones que realiza esta subcapa cuando transmite la información son las de incluir un multiplexaje de canales lógicos que vienen de la subcapa PLICF , mapeando estos dentro de un canal físico
Figura 2.9 Capas de protocolos de cdma2000.
Capa superior (capa 3): La capa superior lleva en sí todo el control del sistema cdma2000 originando nuevos mensajes de señalización.
2.2.2 Canales en cdma2000
La tecnología cdma2000 define los canales físicos y lógicos para el transporte de datos del usuario e información de señalización. Un canal físico es una trayectoria de comunicación entre el móvil y la estación base. Un canal lógico es una trayectoria de comunicación dentro de las capas del protocolo de la estación base o del móvil. La información se agrupa sobre un canal lógico de acuerdo a los siguientes criterios:
• Es para un usuario o para múltiples usuarios.
• Es para señalización o datos del usuario.
• La dirección de transferencia es de bajada ó de subida.
Un canal físico puede utilizarse para llevar la información de varios canales lógicos [9]. Un nombre del canal lógico consiste en tres letras minúsculas seguidas por "ch" (canal). Un guión se utiliza después de la primera letra [7].
Los nombres del canal lógico se distinguen por:
• Dirección (bajada ó subida).
• Si la información es compartida por todos los usuarios (comunes) o a un usuario en específico (dedicado).
• Si la información es de control (señalización), información del usuario (tráfico) o de control de acceso al medio.
Enlace de Bajada Enlace de subida
Siglas Nombre de canal Siglas Nombre de canal
f-csch Canal común de señalización
r-csch Canal común de señalización
f-dsch Canal de señalización dedicado
r-dsch Canal de señalización dedicado
f-dtch Canal de tráfico dedicado r-dtch Canal de tráfico dedicado
f-ctch Canal común de tráfico r-ctch Canal común de tráfico
Tabla 2.2 Conjunto de canales lógicos en cdma2000.
Canal de tráfico dedicado (dtch).
El dtch es un canal de subida y de bajada que es usado para llevar el tráfico de datos del usuario. Este canal lógico es un canal punto a punto: es asignado para el uso del estado activo del servicio de datos, lleva un canal dedicado de datos a una sola instancia PLICF.
Canal común de tráfico (ctch).
El ctch de subida ó bajada que es usado para llevar voz , es asignado para la duración de ráfagas pequeñas de datos PLICF, comparte el acceso entre varios usuarios.
Canal de control de acceso al medio dedicado (f/r – dmch-control).
El dmch-control es un canal de subida o bajada usado para llevar mensajes de control de acceso al medio. Es un canal punto a punto y esta asignado para todo el estado activo y el estado de mantenimiento del control de servicio de datos, este lleva información de control dedicado a una instancia PLICF.
Canal común de control de acceso al medio de subida(r-cmch-control).
Este canal lógico es usado para llevar mensajes de control de acceso al medio, es compartido por un grupo de móviles en el sentido que el acceso para este canal se obtiene por medio de una contienda.
Canal común de control de acceso al medio de bajada (f-cmch-control).
El f-cmch-control es usado por la estación base mientras el servicio de datos está en el subestado inactivo/desocupado del estado inactivo ó estado suspendido. Este canal lógico es usado para llevar mensajes de control de acceso al medio, es un canal punto–multipunto.
Canal de señalización dedicado (dsch).
El dsch lleva a la capa superior los datos de señalización dedicados a una sola instancia PLICF.
Canal común de señalización (Esch).
El csch lleva a la capa superior los datos de señalización compartidos por otros usuarios a instancias de PLICF.
Nombramiento del canal físico en cdma2000
Un nombre del canal físico es representado por una abreviatura mayúscula. Como en el caso de los nombres del canal lógico, la primera letra en el nombre del canal indica la dirección del canal. El resto del nombre son generalmente siglas basadas en el nombre completo del canal1 [8].
Los canales físicos usados en el sistema cdma2000 se presentan en la tabla 2.3, cabe mencionar que las letras “F” y “R” nos indican un canal perteneciente al enlace de bajada y al enlace de subida respectivamente:
1
Siglas Canal físico
F/R-FCH Canal fundamental
F/R-SCCH Canal suplementario codificado
F/R-SCH Canal suplementario
F/R-DCCH Canal de control dedicado
F-PCH Canal de voceo
R-ACH Canal de acceso
R-EACH Canal de acceso mejorado
F/R-CCCH Canal de control común
F-DAPICH Canal piloto auxiliar dedicado
F-APICH Canal piloto auxiliar
F/R-PICH Canal piloto
F-SYNC Canal de sincronía
F-TDPICH Canal piloto de diversidad de transmisión
F-ATDPICH Canal piloto auxiliar de diversidad de transmisión
F-BCH Canal de Broadcast
F-QPCH Canal rápido de voceo
F-CPCCH Canal común de control de potencia
F-CACH Canal común de destino
Tabla 2.3 Canales físicos en cdma2000.
De los canales anteriores hemos optado por describir principalmente aquellos canales que contribuyen al proceso de evaluación de control de potencia en un sistema cdma2000, así entonces tenemos:
• R-PICH:
Este canal no se demodula y es el encargado de asistir a la estación detectando la transmisión del móvil, además de que en él se envían bits de control de potencia del móvil a la estación base. Este canal se dispersa con
El R-PICH se encuentra formado por 16 PCG (grupos de control de potencia) cada uno de estos con una duración de 1.25 ms, este canal también se utiliza para tiempo de búsqueda y aplicación del RAKE [10].
• R-EACH:
La transmisión de un canal de éste tipo consiste en dos partes; el preámbulo y el encabezado y/o información del mismo, el encabezado no es más que la transmisión del canal piloto [10]. El canal EACH es usado por el móvil para iniciar la comunicación con la estación base o para responder con un mensaje directo, este proveniente del móvil. Este canal tiene tres modalidades: El primero es el modo básico, la prueba de acceso consta de un preámbulo del canal de acceso seguido por los datos de acceso. El modo controlado en potencia, la prueba de acceso consiste de un preámbulo del canal de acceso seguido por la cabecera de acceso y los datos de acceso. Y finalmente el modo de reservación, la prueba de acceso consta de un preámbulo del canal de acceso seguido por una cabecera de acceso, los datos de acceso se enviarán sobre R-CCCH con el permiso de la estación base [7].
• R-CCCH:
Es usado para la transmisión de la información del usuario e información de señalización. El canal R-CCCH puede ser usado en dos modos posibles: el modo de acceso reservado y el modo de acceso designado. El móvil transmite información sobre el R-CCCH a tasas variables de datos de 9.6, 19.2 y 38.4 Kbps, cada trama dura 20, 10 ó 5 ms. Al menos debe existir un R-CCCH en los canales de subida por cada F-CCCH.
• R-SCH:
En el segundo modo la tasa de datos es previamente conocida por la estación base. El canal R-SCH es usado para sesiones de datos y puede operar a diferentes tasas definidas [7].
• F-FCH:
Considerado junto con F-SCCH Y F-SCH como canales de usuarios para cdma2000 [10]. Su función principal es llevar datos de usuario (algo así como el canal de tráfico para cdma2000). El F-FCH tiene la particularidad de encargarse de la señalización de manera opcional. Este canal es transmitido a una tasa variable y consecuentemente requiere detección de tasa en el receptor. Cada canal F-FCH es transmitido sobre un canal código ortogonal diferente usando un tamaño de tramas de 20ms y 5ms.
• F-DCCH:
Es un canal de señalización dedicado, se dice que es dedicado debido a que siendo una vez asignado a un usuario será solo utilizado por el, este canal es a menudo usado para transmitir señalización e información de usuarios mientras se realiza una llamada. Es común que el F-DCCH pueda llevar datos de usuario a bajas tasas (por ejemplo: mensajes tipo SMS). Un tipo de señalización importante que maneja son los bits de control de potencia, dichos bits son multiplexados en este canal para así poder enviarlos por medio del subcanal de control de potencia. El móvil utiliza esos bits para llevar a cabo el control de potencia lazo cerrado del R-DCCH, R-FCH y el R-SCH. El F-DCCH soporta tramas de 5 y 20 ms con una tasa de entrada del codificador de 9.6 Kbps, 16 bits CRC son adicionados a los bits de información para tramas de 5 ms o 12 bits CRC para tramas de 20 ms.
• F-CPCCH:
Debido a que en el enlace de bajada de cdma2000 utilizamos una modulación QPSK, el F-CPCCH se forma de manera que cada trayectoria contenga bits de control de potencia distintos; es decir: Sí en la componente de fase (I) la primera posición de bit de cada PCG es usada para transmitir un subcanal de control de potencia 0, la segunda posición de bit será usada para transmitir un subcanal de control de potencia 1, y viceversa.
2.2.2.1 Enlace de bajada
El enlace de bajada soporta tasas de chip de N
x
1.2288 Mcps (donde N=1,3,6,9,12),en el primer caso cuando N=1 la dispersión es similar a la de IS-95, solo similar porque en este caso se utiliza una modulación tipo QPSK y un control de potencia rápido de lazo cerrado. La figura 2.10 muestra que existen dos tasas de dispersión, una llamada cdma2000 1x RTT y la segunda la llamada cdma2000 3x RTT. En el caso de 1x los canales tanto del enlace de subida como del enlace de bajada usan una solo portadora de secuencia directa con una tasa de chip de 1.2288 Mcps.
Figura 2.10 Tasas de dispersión para cdma2000.
La diversidad en transmisión puede ser realizada por dos métodos:
• Diversidad de transmisión ortogonal (OTD)
• Dispersión en espacio y tiempo (STS)
cdma2000 hace uso de la modulación ortogonal para reducir y/o eliminar la interferencia entre celdas, cada canal físico del enlace de bajada se modula con un código Walsh de longitud variable, pues estos permiten diversas tasas de bits de información, la formación de estos códigos Walsh variables se obtiene mediante estructuras de árbol [7]. El enlace de bajada para 1x tiene como limite una longitud máxima de 128 y en el caso de 3x la longitud máxima es de 256 [2].
Las configuraciones de radio y tasas de dispersión disponibles en cdma2000 se muestran en la tabla 2.4.
RC SR Tasa de Información
(kbps)
Codificador Convolucional
Modulación Diversidad
1 1 1.2, 2.4, 4.8, 9.6 1/2 BPSK 2 1 1.8, 3.6, 7.2, 14.4 1/2 BPSK 3 1 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8,
9.6, 19.2, 38.4, 76.8, 153.6
4 /
1 QPSK en tiempo
4 1 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8, 153.6, 307.2
2 /
1 QPSK en tiempo
5 1 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 28.8, 57.6, 115.2, 230.4
4 /
1 QPSK en tiempo
6 3 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8, 153.6, 307.2
6 /
1 QPSK
7 3 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4,76.8,153.6, 207.2
2 /
1 QPSK
8 3 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 28.8, 57.6, 115.2, 230.4, 460.8
4 /
1 (20 ms)
3 /
1 ( 5 ms)
QPSK
9 3 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 28.8,57.6, 115.2, 230.4, 259.2, 460.8, 518.4, 1036.8
2 /
1 (20 ms)
3 /
1 ( 5ms)
QPSK
10 1 81.6, 158.4, 163.2, 312,316.8, 326.4, 165.6, 619.2, 624, 633.6, 772.8, 931.2, 1238.4, 1248, 1545.6, 1862.4, 2476.8, 3091.2
5 /
1 QPSK,
8-PSK, 16-QAM
Tabla 2.4. Configuraciones de radio y tasas de dispersión para en enlace de bajada en cdma2000 [12].
2.2.2.2 Enlace de subida
En este enlace se utilizan códigos convolucionales para tasas de información arriba de los 14.4kbps, aunque estos se usan de manera opcional, ya que se recomienda utilizar turbo códigos.
El móvil utiliza dispersión ortogonal en el canal piloto de subida, canal de acceso mejorado, canal común de control de subida o R-TCH en configuraciones de radio desde RC3 hasta RC6. El objetivo principal del control de potencia es contrarrestar el efector cerca-lejos (near-far). El control de potencia para el enlace de subida es de lazo cerrado, tiene la particularidad de que el tamaño de las variaciones de potencia se configuran por la BS y a diferencia de cdmaOne en el cual los cambios eran fijos de 1 dB, para el caso de cdma2000 la potencia del móvil se varia en intervalos de 0.5 dB. El motivo de que sea configurable la variación de potencia es para alcanzar altas tasas de información en el SCH. El enlace de subida en cdma2000 maneja un número significativo de canales, los cuales se resumen en la figura 2.12:
Para llevar a cabo el cumplimiento de una de las características principales de los sistemas cdma2000, que es el manejo de altas tasas de información; se especifican un número de configuraciones de radio (RC: Radio Configurations). En la tabla 2.5 se muestran dichas RC´s.
Configuraciones de Radio
Tasa de Dispersión
(SR)
Tasa máxima de Información
(kbps)
Codificación
1 1 9.6 Convolucional
2 1 14.4 Convolucional
3 1 307.2 Turbo/Convolucional
4 1 230.4 Turbo/Convolucional
5 3 614.4 Turbo/Convolucional
6 3 1036.8 Turbo/Convolucional
Tabla 2.5. Configuraciones de Radio (RC´s) para cdma2000.
2.2.3 Control de potencia
La clave del éxito de los “nuevos” sistemas celulares capaces de transmitir voz y datos a altas tasas de bit (3G) está en el manejo efectivo de los recursos de radio para alcanzar niveles de calidad importantes. Sin duda alguna el recurso más importante de un sistema de telefonía móvil es la potencia, y es que de un empleo eficiente de ésta radica la capacidad del sistema.
En cdmaOne el control de potencia se lleva a cabo en un canal físico (canal de tráfico en el enlace de bajada y de subida) y las tasas de control de potencia son asimétricas en ambos enlaces; es decir que mientras que en enlace de subida se realizaba un control de potencia de lazo cerrado a 800 veces por segundo en el enlace de bajada se hacia a una tasa 50 veces por segundo. Ver figura 2.13 (a).
MSC Lazo Cerrado 50 vps
800 vps
(a)
MSC Lazo Cerrado
800 vps 800 vps
(b)
Figura 2.13 (a) Tasas de control de potencia asimétricas cdmaOne, (b) Tasas de control de potencia simétricas cdma2000.
Dentro del control de potencia lazo cerrado tenemos el lazo externo (Outer loop) y lazo interno (Inner loop). El lazo interno se realiza a una tasa hasta de 800 Hz de control de potencia. Este lazo cuenta con una respuesta en tiempo rápida que mantiene una Eb/N0 constante en cada PCG, ese punto fijo de Eb/N0 se consigue
por medio de un lazo externo (lento) que tiene como base la calidad del enlace tomando como patrón de medida el FER (Frame Error Rate; Tasa de Trama Errónea) [8]. La FER es un parámetro que denota la calidad del enlace [10].
En la BS, la potencia recibida de todas las trayectorias del móvil se combinan a 1.25ms PCG, para posteriormente hacerlas pasar a través de un umbral no lineal y de esta forma decidir sí su potencia es alta ó baja y enviar un comando de control de potencia (cada 1.25ms) en el enlace de bajada para que aumente ó disminuya la potencia de transmisión del móvil en intervalos fijos de aproximadamente 1 dB. Se considera que los comandos de control de potencia tienen una tasa de error del 4% [8].
El lazo externo es el que forman la BSC (Base Station Controller) y la BS, la función de éste es ajustar el umbral de comparación de potencia del lazo interno basado en la tasa de trama de erróneas de la BSC. La BSC elige la mejor de las tramas recibidas de las estaciones base por medio de un CRC (Cyclic Redundancy Code ; Código de Redundancia Cíclico), además la BSC envía de manera periódica un comando a las estaciones base para reducir el umbral en intervalos cortos y a la vez lleva un conteo de las tramas erróneas recibidas; si estas sobrepasan un nivel establecido la BSC envía un comando ala BS para que esta vez incremente el umbral en intervalos de mayor longitud [8].
