Download CDMA - Escuela Politécnica Nacional

Comunicaciones Inalámbricas
CDMA (IS-95)
Iván Bernal, Ph.D.
imbernal@mailfie.epn.edu.ec
http://clusterfie.epn.edu.ec/ibernal
Escuela Politécnica Nacional
Quito – Ecuador
Copyright @2007, I. Bernal
Agenda
• Generalidades
• Aspectos generales de DSSS
• Ventajas y desventajas
• Canales en el enlace forward
• Canales en el enlace reverso
• Aspectos sobre capacidad
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Iván Bernal, Ph.D.
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1
Bibliografía
•
A. Miceli, “Wireless Technician’s Handbook”, 2nd Edition,
Artech House, 2003.
•
T.S. Rappaport, “Wireless Communications: Principles &
Practice”, Prentice Hall.
•
•
First Edition: 1995.
Second Edition: 2001.
•
W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd
Edition, Prentice Hall, 2005.
•
Transparencias de David Goodman, November, 2002
™ "Wireless Personal Communications Systems," D. J. Goodman, Addison Wesley,
1997
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Introducción
• Sistemas basados en CDMA
™CDMA es una técnica basada en spread spectrum que provee una alternativa a
TDMA para redes celulares de segunda generación.
¾ CDMA se desarrolló en los años 40 para aplicaciones militares.
™En lugar de separar a los usuarios con canales de diferente frecuencia, se ubica a
todos los usuarios en la misma frecuencia y al mismo tiempo, y se los separa
mediante códigos.
™Los formatos principales de 3G usan una forma de CDMA.
• En 1990, Qualcomm Inc. propuso un sistema celular digital basado
en CDMA, que fue adoptado en julio de 1993.
™Qualcomm trabajó en su sistema desde la mitad de los 80s.
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Introducción
• Spread Spectrum (Frequency
Hopping)
• Hedy Lamarr (estrella de Hollywood
en los 1930s y 1940s).
™ Pidió una patente en 1942.
• George Antheil
™ Pianista
• Muchos inventores tienen un lugar en
la evolución de la tecnología spread
spectrum:
™ Edwin Armstrong, mas famoso por su trabajo
en FM (Frequency Modulation).
™ Claude Shannon, Teoría de la Información.
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Introducción
• cdmaOne: denota la familia de tecnologías CDMA IS-95
™ Describe un sistema inalámbrico completo basado en el estándar CDMA TIA/EIA IS-95
™ Incluye IS-95A e IS-95B.
™ It represents the end-to-end wireless system and all the necessary specifications that govern its operation.
™ Provides a family of related services including cellular, PCS and fixed wireless (wireless local loop).
•
IS-95A: The first CDMA cellular standard
™ TIA/EIA IS-95 (Telecommunications Industry Association / Electronic Industries Association Interim Standard - 95)
was first published in July 1993.
™ Published in May 1995.
™ Describes the structure of the wideband 1.25 MHz CDMA channels, power control, call processing, hand-offs, and
registration techniques for system operation.
™ Many operators provide circuit-switched data connections at 14.4 kbps.
™ First deployed in September 1995 by Hutchison (HK).
•
IS-95B: 2.5G
™ TIA/EIA-95, combines IS-95A, ANSI-J-STD-008 and TSB-74 into a single document.
™ The ANSI-J-STD-008 specification, published in 1995, defines a compatibility standard for 1.8 to 2.0 GHz CDMA
PCS systems.
¾ TSB-74 describes interaction between IS-95A and CDMA PCS systems that conform to ANSI-J-STD-008.
™ Some opeators offer 64 kbps packet-switched data.
™ Due to the data speeds IS-95B is capable of reaching, it is categorized as a 2.5G technology.
™ First deployed in September 1999 in Korea.
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Introducción
• IS-95
™ El esquema CDMA de segunda generación mas usado, instalado principalmente en Norteamérica.
™ La transmisión es en la forma de DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum).
¾ Usa un código de “chipping” para incrementar la tasa de transmisión, lo que resulta en un incremento en el ancho de
banda.
¾ CDMA elimina completamente la necesidad de planificación de frecuencias (N=1).
¾ Pero se requiere planificación para la asignación de secuencias PN.
™ Diseñado para ser compatible con la banda de frecuencia del sistema existente AMPS, permitiendo producir
BTSs y MSs que operen en modo dual.
¾ De manera similar al IS-136.
¾ Qualcomm produjo los primeros teléfonos CDMA/AMPS en 1994.
™ Para el 2001, se estimaban 80 millones de abonados a nivel mundial.
™ Para facilitar una fácil transición de AMPS a CDMA, cada canal IS-95 ocupa 1.25 MHz del espectro en cada
enlace (41 canales AMPS), en cada dirección.
¾ Reverso: 824-849 MHz y forward: 869-894 MHz.
¾ 1.25 MHz es el 10 % del espectro celular disponible.
9 En USA, se reservan 25 MHz en cada dirección, y se reparte entre dos operadores, cada uno recibe 12.5 MHz.
¾ En la práctica, los operadores de AMPS deben proveer una banda de guarda de 270 KHz a cada lado del espectro
dedicado a IS-95.
™ También se ha diseñado una versión PCS de IS-95 para uso internacional en la banda 1800-2000 MHz, que
usa ANSI J-STD-008.
™ IS-95 es también totalmente compatible con IS-41.
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Introducción
• IS-95
™Se tienen similares facilidades de encripción/autenticación.
™La tasa de datos de los usuarios (vocoders) cambian en tiempo real dependiendo de la actividad
de voz y requerimientos de la red.
¾ La tasa de chipping no cambia.
™Se utilizan técnicas de modulación y esparcimiento (spreading) diferentes para los enlaces
forward y reverso.
¾ La BTS transmite simultáneamente los datos de usuario para todos los móviles en la celda, utilizando
diferentes secuencias de spreading para cada MS.
¾ En el sentido forward, todos los canales de código siguen el mismo camino al móvil, por lo que todos se
desvanecen de igual forma.
™Las BTSs requieren trabajar bajo una misma referencia de tiempo ya que se usa para su
identificación y para el proceso de spreading “offsets de tiempo”, para lo cual se usa GPS .
™Tasas de transmisión de datos: (ver tablas)
¾ Hasta 9600 bps
¾ Hasta 14400 bps (en una revisión del estándar posterior)
™Qualcomm fue la primera compañía en proponer un sistema CDMA y demostrarlo.
¾ Las proyecciones teóricas de Qualcomm sugerían un incremento en capacidad de 20:1 respecto a
AMPS.
¾ En condiciones normales se consiguen incrementos entre 5:1 y 10:1
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Introducción
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Parámetros de IS
-95
IS-95
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Generalidades
• Modulación
™QPSK
¾ No usa una envolvente constante, con cambios de amplitud al cambiar la fase para pasar de un estado
a otro.
• Acceso múltiple
™Todos los usuarios pueden transmitir al mismo tiempo.
™Los usuarios se identifican en base a un código.
¾ Se asignan códigos ortogonales (chipping) a los usuarios, de tal forma que el receptor pueda
recuperar la transmisión destinada a una unidad individual a partir de múltiples transmisiones.
™Los usuarios pueden transmitir y recibir en cualquier momento.
¾ No existe un dominio en el tiempo (solo para sincronización) y existe el uso de canales lógicos.
™Dado que la reutilización de frecuencias no constituye problema alguno, añadir celdas a la red
es substancialmente mas fácil.
¾ Esto hace fácil llenar huecos en la cobertura.
¾ Es fácil añadir celdas para cubrir eventos especiales.
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Spread Spectrum (DSSS)
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DSSS Using BPSK
• Multiply BPSK signal
sd(t) = A d(t) cos(2π fct)
by c(t) [takes values +1, -1] to get
s(t) = A d(t)c(t) cos(2π fct)
¾ A = amplitude of signal
¾ fc = carrier frequency
¾ d(t) = discrete function [+1, -1]
• At receiver, incoming signal
multiplied by c(t)
™Since, c(t) x c(t) = 1, incoming signal is
recovered
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Code
-Division Multiple Access (CDMA)
Code-Division
• Basic Principles of CDMA
™D = rate of data signal
™Break each bit into k chips
¾ Chips are a user-specific fixed pattern
™Chip data rate of new channel = kD
• If k=6 and code is a sequence of 1s and -1s
™For a ‘1’ bit, A sends code as chip pattern
¾ <c1, c2, c3, c4, c5, c6>
™For a ‘0’ bit, A sends complement of code
¾ <-c1, -c2, -c3, -c4, -c5, -c6>
• Receiver knows sender’s code and performs electronic decode function
S u (d ) = d1× c1 + d 2 × c 2 + d 3 × c3 + d 4 × c 4 + d 5 × c5 + d 6 × c6
¾ <d1, d2, d3, d4, d5, d6> = received chip pattern
¾ <c1, c2, c3, c4, c5, c6> = sender’s code
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CDMA
• User A code = <1, –1, –1, 1, –1, 1>
™To send a 1 bit = <1, –1, –1, 1, –1, 1>
™To send a 0 bit = <–1, 1, 1, –1, 1, –1>
• User B code = <1, 1, –1, – 1, 1, 1>
™To send a 1 bit = <1, 1, –1, –1, 1, 1>
• Receiver receiving with A’s code
™(A’s code) x (received chip pattern)
¾User A ‘1’ bit: 6 -> 1
¾User A ‘0’ bit: -6 -> 0
¾User B ‘1’ bit: 0 -> unwanted signal ignored
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CDMA
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Definitions
• Correlation
™The concept of determining how much similarity one set of data has with
another
™Range between –1 and 1
¾1 The second sequence matches the first sequence
¾0 There is no relation at all between the two sequences
9Exactly what is needed for separation of users
9They are orthogonal to each other
¾-1 The two sequences are mirror images
• Cross correlation
™The comparison between two sequences from different sources rather than
a shifted copy of a sequence with itself
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Categories of Spreading Sequences
• Spreading Sequence Categories
¾PN sequences
¾Orthogonal codes
™For FHSS systems
¾PN sequences most common
™For DSSS systems not employing CDMA
¾PN sequences most common
™For DSSS CDMA systems
¾PN sequences
¾Orthogonal codes
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Categories of Spreading Sequences
• Important PN Properties
™Randomness
¾ Uniform distribution
9 Balance property
‰ In a long sequence, the fraction of binary ones should approach 1/2
‰ same number of 0s and 1s
9 Run property
‰ A run is a sequence of all 1s or a sequence of all 0s.
‰ One half of the runs of each type should be of length 1, one fourth of length 2, one eighth of length 3 and
so on.
¾ Independence
9 No one value in the sequence can be inferred from the others.
¾ Correlation property
9 Important in Spread Spectrum
9 If a period of the sequence is compared term by term with any cycle shift of itself, the number
of terms that are the same differs from those that are different by at most 1.
™Unpredictability
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Orthogonal codes
• Orthogonal codes
™All pairwise cross correlations are zero
™Fixed- and variable-length codes used in CDMA systems
™For CDMA application, each mobile user uses one sequence in the set as a spreading
code
¾ Provides zero cross correlation among all users
™Types
¾ Walsh codes
¾ Variable-Length Orthogonal codes
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Walsh Codes
• Set of Walsh codes of length n consists of the n rows of an n ´ n Walsh matrix:
™W1 = (0)
⎛W
W 2 n = ⎜⎜ n
⎝ Wn
W2 n ⎞
⎟
W n ⎟⎠
¾ n = dimension of the matrix
™Every row is orthogonal to every other row and to the logical not of every other row
™Requires tight synchronization
¾ Cross correlation between different shifts of Walsh sequences is not zero
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Typical Multiple Spreading Approach
• Spread data rate by an orthogonal code (channelization code)
™Provides mutual orthogonality among all users in the same cell
• Further spread result by a PN sequence (scrambling code)
™Provides mutual randomness (low cross correlation) between users in different cells
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Ventajas de CDMA
• Diversidad de frecuencia
™ Dado que la transmisión es esparcida a lo largo de un ancho de banda mas grande, impedimentos de
transmisión, dependientes de la frecuencia, tienen menor efecto sobre la señal.
¾ Ráfagas de ruido
¾ Desvanecimiento selectivo
9 DSSS tiene la habilidad de superar desvanecimiento multipath.
• Resistencia al multipath
™ Los códigos (chipping codes) utilizados tienen la propiedad de tener baja correlación (cross correlation) y
también baja auto-correlación.
¾ Por lo tanto, una versión de la señal que se ha retardado mas de un intervalo de chipping no interfiere con la señal
dominante en tanta proporción como en otros ambientes.
• Privacidad
™ Como se utilizan señales similares a ruido en spread spectrum, la privacidad es inherente.
¾ Cada usuario tiene asignado un código único.
• Degradación gradual
™ Con TDMA y FDMA un número fijo de usuarios puede acceder simultáneamente al sistema.
™ El sistema se degrada gradualmente hasta el punto en el que todavía se tiene una tasa de error aceptable.
¾ Con CDMA, mientras mas usuarios acceden al sistema simultáneamente, el nivel de ruido y la tasa de error se
incrementa.
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Desventajas de CDMA
• Auto jamming
™A menos que todos los usuarios móviles estén perfectamente sincronizados, las señales recibidas
de distintos usuarios no estarán perfectamente alineados en lo referente a los límites de los
chips.
™Las secuencias o códigos PN de los diferentes usuarios no son ortogonales y existe cierto nivel
de correlación (cross-correlation).
¾ En TDMA y FDMA, se pueden dejar ciertas bandas de guarda, en tiempo o frecuencia.
• Problema near-far
™Señales radiadas mas próximas al receptor son recibidas con menor atenuación.
™Dada la falta de completa ortogonalidad, las transmisiones de los lugares mas alejados pueden
ser mas difíciles de recuperar.
™Técnicas para el control de potencia son muy importantes en un sistema CDMA.
• Soft handoff
™Para un handoff sin tropiezos de una celda a otra se requiere que la estación móvil adquiera la
nueva celda antes de retornar la original.
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Soft handoff
• Hard handoff
™En sistemas inalámbricos canalizados se asignan diferentes canales de radio durante el handoff.
™El móvil se conecta solo con una estación base a la vez y existe una pequeña interrupción de la
conversación durante la transición de enlace.
™Se usa típicamente con sistemas que usan TDMA y FDMA.
• Soft handoff
™Los móviles comparten el mismo canal en todas las celdas.
¾ El móvil recibe/transmite las mismas señales hacia/desde múltiples estaciones base simultáneamente.
™Handoff no implica el cambio físico de canal asignado, sino que una estación base diferente
maneja la tarea de comunicación de radio.
™Evaluando simultáneamente las señales recibidas por un usuario en particular en varias
estaciones base vecinas, el MSC puede decidir cual versión de la señal del usuario es la mejor a
cada momento.
™Soft handoff es la habilidad de seleccionar entre señales instantáneas recibidas en una variedad
de estaciones base.
¾ Se hace uso de diversidad espacial (macroscópica), por la diferente ubicación de las estaciones base.
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Soft handoff
• Una estación móvil puede empezar asignada a una sola celda.
• Si la MS entra a una región en la cual las transmisiones de dos BTSs son
comparables (dentro de algún umbral), la MS entra en un estado de soft handoff
en el cual está conectada a las dos estaciones base.
• La MS permanece en este estado hasta que una de las BTSs predomina
claramente, momento en el cual la MS es asignada de forma exclusiva a una
celda.
™Durante este estado, las transmisiones recibidas de la MS en las dos BTSs se envían (ambas) al
MSC.
¾ El MSC estima la calidad de las dos señales y selecciona una.
™Durante este estado, el MSC envía datos o voz a ambas BTSs, para que éstas los transmitan a la
MS.
¾ La MS combina las dos señales recibidas para recuperar la información.
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Secuencias usadas en CDMA
• En la dirección forward, se separan a los usuarios con 64 códigos ortogonales.
™Cada código de 64 bits de longitud.
™Los códigos se denominan “Walsh Functions”
¾ Para derivar estos códigos
™“Walsh code 0” es aquel con todos ceros.
™A cada usuario se le asigna uno de estos códigos, y el código separa a todos (y a los canales de
control).
™Se tienen 64 secuencias ortogonales para la longitud de 64 bits.
¾ Esto se cumple en general: hay tantas secuencias como la longitud del código.
™A la matriz se le conoce también como “Hadamard Matrix”
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Secuencias usadas en CDMA
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Secuencias usadas en CDMA
• Códigos PN
™También usados ampliamente en CDMA.
™Secuencias binarias que poseen las propiedades de aleatoridad (explicadas
anteriormente).
¾ Si se desplaza en tiempo una versión de un código PN, se obtienen dos códigos casi
ortogonales.
¾ Se puede usar una misma secuencia y desplazar en tiempo el inicio de la secuencia y
obtener secuencias casi ortogonales.
¾ Las secuencias obtenidas están todas sincronizadas a “triggers” específicos, derivados de
un sistema GPS.
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Secuencias usadas en CDMA
• Códigos PN
™Se usan tres códigos PN
¾ 2 “short codes” (I y Q)
¾ 1 “long code”
™Short PN sequence
¾ 32768 (215) bits con offsets de 64 bits.
9 512 offsets únicos en la secuencia.
¾ Se transmite a la tasa CDMA de los datos: 1.2288 Mbps.
9 Los 32768 bits se repiten en 26.67 ms, sin importar el offset.
™Long sequence
¾ Longitud de 242 -1
• Códigos de Walsh son 64 códigos ortogonales de 64 bits.
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Vocoders CDMA
• Se usan 3 vocoders.
™Vocoder 8K
¾Se planeaba que sería el vocoder principal (QCELP).
9Detecta actividad de voz y reduce la tasa durante periodos de silencio.
9Los operadores concluyeron que la degradación en calidad de voz no
justificaba el incremento en la capacidad del sistema.
9Muchos operadores utilizaron inicialmente el vocoder 13K.
™EVRC (Enhanced Variable-Rate Vocoder)
¾Es un vocoder de 8K mejorado.
9Mejor calidad de voz.
™Vocoder 13K
¾Tenía calidad de voz excelente (QCELP13).
¾Reducía el performance de la red de forma significativa en términos de la
capacidad del sistema.
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Vocoders CDMA
• CDMA utiliza un vocoder variable.
™Considerando:
¾En una conversación normal, una persona habla mientras la otra escucha.
¾Además, mientras una persona habla existen pausas entre palabras.
™Vocoders variables utilizan estas observaciones y varían la tasa de datos.
¾Las tasas altas se usan solo cuando son necesarias (periodos en los cuales existe
voz).
¾Las tasas son total (full), mitad (half), un cuarto o un octavo.
¾Cada 20 ms el sistema determina que tasa de datos utilizar.
9Esta determinación también está ligada a la emisión de potencia.
‰Cuando se disminuye la tasas de datos, la potencia de salida también es
disminuida, disminuyendo el ruido total del sistema.
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Enlace forward
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Enlace reverse
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Hay 64 canales de código en cada canal
CDMA de 1.2288 MHz.
™Overhead channels
¾ De estos 64 canales, al menos 3 deben ser:
9 Canal piloto
‰ Siempre usa “Walsh Code 0 ”
9 Canales de Paging
‰ Siempre usa “Walsh Code 1 ”
‰ Puede usar hasta el “Walsh Code 7 ”,
dependiendo de los requerimientos del sistema.
9 Canal Sync
‰ Siempre usa “Walsh Code 32 ”
™Canales de tráfico
¾ Luego de que una llamada es configurada, a cada
usuario se le asigna un canal de tráfico “forward”.
¾ Estos canales son los que corresponden a los códigos
restantes.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Etapa final del enlace forward.
• Datos que ya han sido
esparcidos (spread) son
enviados a dos canales: I y Q.
™Estos canales esparcen los datos
otra vez, pero usando códigos PN
cortos (short).
¾ Sobre los códigos PN
9 Periodo de 26.67 ms.
9 Los códigos tienen offsets
entre si, dependiendo del
sector desde el cual son
transmitidos.
™Este nivel de esparcimiento actúa
como un identificador.
¾ A cada sector se le asigna su
propio offset.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• El canal piloto
™ Sirve como un beacon de temporización.
¾ Todos los móviles lo usan como una referencia
de fase para la demodulación.
¾ Como un medio de identificar cada celda/sector.
¾ Para medidas de comparación para el handoff
y estimación de las condiciones del canal.
™ No lleva información.
¾ Los datos son todos 0.
™ Siempre usa “Walsh Code 0”.
™ El resultado del esparcimiento es todo 0s.
™ Por lo tanto, los datos que se transmiten por el
canal piloto son simplemente los códigos PN
cortos (short), con el offset específico.
¾ Se repite cada 26.67 ms y es disparado por
referencias de GPS.
¾ Los móviles se sincronizan fácilmente pues se
conoce la secuencia PN corta, pero no se conoce
el offset.
™ El piloto contiene cerca del 20 % de la potencia
radiada.
¾ El piloto se envía simultáneamente con los
canales de tráfico.
¾ El piloto se transmite con mayor potencia que
los canales de tráfico.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• El canal sync
™Usado para sincronizarse con el sistema (1200 bps).
™Siempre usa “Walsh Code 32”
™Se compone de supertramas de 80 ms, dividida en tres tramas de 26.667 ms.
¾ Las tramas corresponden a la longitud de la secuencia piloto.
¾ Usa los mismos disparadores GPS.
™Información transmitida
¾ Hora del sistema y hora local (offset of local time)
¾ Offset del PN
¾ ID del sistema (SID)
¾ ID de la red (NID)
¾ Versiones del protocolo
¾ Tasa de datos del canal de paging (full o half)
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• El canal sync
™De los tres canales de overhead (piloto, paging y sync), el sync tiene asociada la menor
cantidad de potencia.
™Conociendo que la secuencia piloto dura exactamente 26.667 ms, y que son iniciadas
por la misma referencia GPS, el móvil hace lo siguiente:
¾ Primero adquiere el canal piloto.
¾ Calcula el inicio y el fin de la secuencia piloto.
¾ Cambia a “Walsh code 32” para decodificar la información del canal sync.
™Así los móviles obtienen la información de temporización absoluta necesaria para:
¾ Iniciar la demodulación coherente de los canales de paging y tráfico en el enlace forward.
¾ Establecer la temporización para sus propias transmisiones.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• El canal paging
™Es el DCCH del enlace forward (como en GSM).
¾ Usa los Walsh Codes de 1-7
¾ Se envía con tasas full o half
™Sirve para
¾ El page de los móviles
¾ Transmitir información de overhead
¾ Asignar los móviles a canales de tráfico
™Está dividido en 2048 ranuras de 80 ms cada uno.
¾ Un ciclo total de 163.84 segundos.
™Sleep mode
¾ Similar a NA-TDMA.
¾ Cuando el móvil está monitoreando el canal de paging.
¾ La red ubica un mensaje destinado a un móvil particular en una ranura de tiempo específica en el
canal de paging.
¾ El móvil se despierta en ranuras específicas.
9 Qué ranuras monitorear se calculan mediante una función matemática basada en el MIN y
ESN.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• El canal paging
™Además de los mensajes estándar, similares a los de AMPS y NA-TDMA
™Broadcast
¾ Mensajes de parámetros del sistema
9 Información de configuración, como los tipos de registro que están en efecto.
¾ Lista de vecinos
9 Contiene los offsets PN de sectores vecinos.
¾ Mensajes de parámetros de acceso
9 Configura los protocolos de acceso, y que canales de acceso utilizar.
¾ Mensaje de lista de canales CDMA
9 Indica a las estaciones móviles si hay otros carriers CDMA en el sistema.
™Administración de llamadas
¾ Generalmente, cada canal de paging puede manejar hasta 32 canales de tráfico.
™Administración de movilidad/Autenticación
¾ Registro
¾ Autenticación
¾ Asignación de canales
¾ Actualización de SSD
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• El canal paging
™Antes de que se esparza la señal con
el código Walsh, la señal se esparce
con el “long code”, con una máscara
de offset.
¾ La máscara de offset incluye:
9 El número de canal de
paging.
9 Offset PN del sector del
cual se está transmitiendo.
¾ Este nivel de seguridad extra se
usa también de manera similar en
los canales de tráfico.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Canales de tráfico
™Sirve para transmitir tráfico de datos (voz) e información de señalización durante
una conversación.
¾ 55 canales.
¾ La especificación original soportaba una tasa de hasta 9600 bps.
¾ Una revisión subsecuente añadió un segundo conjunto de tasas de hasta 14.400 bps.
™Mensajes de señalización en canales de tráfico.
¾ CDMA interrumpe los datos de voz durante una llamada para insertar mensajes de
señalización.
¾ Existen varias maneras para enviar los mensajes de señalización.
9 Blank and burst
‰ Substituye toda la señal de voz con información de señalización.
‰ Se usa el modo full rate para esta tarea.
9 Dim and burst
‰ Para información menos importante.
‰ Solo parte de la información de usuario es sobrescrita.
‰ Se usa el modo full rate para esta tarea.
Revisión Feb. 07
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Canales de tráfico
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Canales de tráfico
™Mensajes de señalización en canales de tráfico.
¾ Tipos de mensajes
9 Similares a los de NA-TDMA
‰ Autenticación (proceso son similares en CDMA que en NA-TDMA)
‰ Mensajes de alerta (fin de llamada)
9 Nuevos
‰ Para soportar el complejo proceso de handoff
‰ Medidas de seguridad añadidas (se permiten transiciones del “long code” para incrementar seguridad)
‰ Para las llamadas “Opciones de Servicio” (diferentes configuraciones usando los dos vocoders)
™Subcanal de control de potencia
¾ Establecido dentro de los canales de tráfico en sentido forward.
¾ Se usa 1 bit por cada 1.25 ms (800 veces por segundo).
9 Se inserta en los datos luego del proceso de interleaving y codificación para que la estación lo
reciba lo mas rápido posible.
9 El móvil responde al bit de control de potencia, incrementando o decrementando su potencia
transmitida en 1 dB.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Canales de tráfico
™Se usa el “long code” con una
máscara específica para el
usuario para identificar a cada
usuario de forma individual.
¾ El código Walsh puede ser
cualquiera de los restantes
(hasta 55).
¾ Una vez que el canal de
tráfico es asignado a un
usuario en una celda
omnidireccional o sector, no
puede ser asignado a otro
usuario durante la duración
de la llamada.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Los canales de sync, paging y tráfico no siempre transmiten
usando el modo full rate; sin embargo, la tasa de transmisión de
los datos de salida es siempre 1.2288 Mcps.
™Se consigue con un proceso denominado de repetición.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Pasos de procesamiento usando el conjunto da tasas 1.
™Un vocoder de tasa variable se usa para generar una señal de voz digital a
tasas que varían entre 0.8 y 8.6 kbps en una trama de tráfico de 20ms.
¾ Dependiendo de la tasa de datos, a la trama se le agrega un CRC (frame
quality indicator) para permitirle al receptor determinar si se ha recibido una
trama con errores.
™Una cola (tail) de 8-bits se le agrega a la trama para garantizar que el
codificador convolucional (que viene luego), es reseteado al estado de todo
cero al final de la trama.
¾ Estas operaciones resultan en tasas de 9600 bps, 4800 bps, etc.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Pasos de procesamiento usando el conjunto da tasas 1.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Pasos de procesamiento usando el conjunto da tasas 1.
™La capacidad total del canal no se usa cuando el usuario no está
hablando.
¾ Durante periodos de silencio la tasa es disminuida a un valor tan bajo
como 1200 bps.
¾ La tasa de 2400 bps para transmitir transientes en el ruido de fondo.
¾ La tasa de 4800 bps se usa para mezclar voz digitalizada y datos de
señalización.
™La voz se transmite en bloques de 20 ms con FEC usando un código
convolucional con una tasa ½, lo que duplica la tasa efectiva a un
máximo de 19.2 kbps.
™Para tasas mas bajas, los bits de salida del codificador
convolucional son replicados para obtener una tasa de 19.2 kbps.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Pasos de procesamiento usando el conjunto de
tasas 1.
™Luego, los datos se someten a interleaving por bloques, para
reducir los efectos de los errores, dispersándolos.
™Scrambling
¾ Propósitos
9 Servir como una máscara de privacidad.
‰ A cada usuario se le asigna un offset temporal único
9 Prevenir el envío de patrones repetitivos.
¾ Generador del “long code”
9 Se genera como un número pseudo-aleatorio a partir
de un registro de 42 bits.
‰ Es casi imposible descubrir el offset ciegamente.
9 La salida es a una tasa de 1.2288 Mbps que es 64
veces la tasa de 19.2 kbps.
9 Hay dos tipos de máscara para conseguir el offset.
‰ Pública para el ESN y Privada para el MIN
‰ Las llamadas se originan con la pública y la transición a
la privada ocurre luego de autenticación.
¾ El “decimador” toma 1 bit de cada 64.
¾ El resultado es XORed con la salida del interleaver.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Pasos de procesamiento usando el
conjunto da tasas 1.
™Luego se inserta información de control de potencia.
¾ La información es multiplexada en los 19.2 kbps
reemplazando algunos de los bits.
™A continuación se esparce la señal con funciones de
Walsh.
¾ Se tienen 64 secuencias binarias de 64 bits cada una,
ortogonales entre si.
¾ Se provee canalización ortogonal para los usuarios.
¾ A un usuario que es esparcido con la Función Walsh
n, se le asigna el canal n.
¾ La secuencia de Walsh se repite cada 52.083 micro
segundos (1/19200).
¾ Cada símbolo de datos es esparcido con 64 chips.
™Los pasos restantes han sido ya explicados.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
53
Enlace forward
forward:: Canales de código
• Receptor Rake de canales forward
™La estación móvil encuentra el canal piloto y se sincroniza al código PN, decodifica la
información de sincronización del canal sync y se sincroniza totalmente al sistema.
™La MS monitorea el canal de paging y obtiene parámetros del sistema y parámetros
de acceso.
™Si llega una llamada para la MS, se activa un canal de tráfico y la MS se cambia a
decodificar el canal Walsh apropiado.
™La señal es primero downconverted, y se obtiene la señal de banda base digital.
™Finalmente se usa un receptor Rake.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Receptor Rake/Diversidad temporal
™ En un ambiente multipath como el celular, si las múltiples versiones de una señal llegan con
separaciones mayores a un chip, el receptor puede recuperarla señal realizando la correlación entre la
secuencia de chipping con la señal recibida dominante.
™ Un mejor resultado se obtiene si el receptor intenta recuperar las señales de múltiples caminos y
luego combinarlos, con retardos adecuados.
¾ Este principio se usa en un receptor RAKE.
™ En la figura:
¾ Los diferentes retardos se representan
con τ1, τ2, τ3
¾ Los diferentes factores de atenuación son
a1, a2, a3
™ La señal combinada es demodulada
™ El flujo demodulado de chips es alimentado a
múltiples correlacionadores, cada uno con un
retardo diferente.
™ Las señales resultantes son combinadas
usando diferentes factores de peso, estimados
a partir del canal (a’1, a’2, a’3).
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
forward:: Canales de código
• Receptor Rake
™Combina las señales multipath para crear una señal de banda base digital mas robusta.
¾ El receptor Rake permite buscar señales multipath fuertes así como otras estaciones base para el
handoff.
¾ La mayoría de las estaciones móviles tiene 3 elementos receptores (o fingers), mientras la mayoría de
BTSs tienen 4.
™Luego la señal es descrambled, de-interleaved y decodificada (Viterbi).
¾ En realidad se decodifica los datos del vocoder a las cuatro tasas (1,1/2,1/4 y 1/8) y luego usa métricas
para decidir cual de las tasas fue la mas probable en ser transmitida.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Enlace forward
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales y secuencias
• Enlace forward
™BTSs son identificadas por offsets únicos de los “códigos short PN” en los canales I y Q.
™Los usuarios son separados (canalización) por Códigos Walsh.
¾ El uso de códigos perfectamente ortogonales hace mas fácil recuperar los datos.
• Enlace reverso
™Las estaciones móviles se separan o identifican por offsets únicos de los “códigos long”.
™Se utiliza un offset de cero para los “códigos short PN” de los canales I y Q.
™Aquí los códigos de Walsh se usan para modulación ortogonal.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• En el sentido reverso las MSs responden de
manera asincrónica.
• De manera ideal, las MSs tienen un nivel de
señal constante gracias al control de potencia
realizado por las estaciones base.
• Como no hay piloto, la demodulación es no
coherente.
• 94 canales
™ 32 de acceso
™ 62 de tráfico
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• Tipos:
™Canales de acceso
™Canales de tráfico
• Etapa final del proceso de los canales
reversos
™Las estaciones móviles se separan por offsets
únicos de los “códigos long”.
™Se utiliza un offset de cero para los “códigos
short PN” de los canales I y Q (ID a BTS).
™Se utiliza un retardo de medio chip (half chip) en el canal Q.
¾ Facilita el diseño del amplificador ya que garantiza que no haya transiciones por el origen durante los
cambios de fase.
¾ Por esto a la modulación del canal reverso se la llama “offset QPSK”.
¾ Analogía: Si se viaja de un lugar a otro en un plano XY, se lo puede hacer cambiando
simultáneamente X y Y; la alternativas es primero mover X y luego Y, de tal forma que el
movimiento no es una línea directa.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• El canal reverso es significativamente diferente que el canal forward.
™ La modulación ortogonal utilizada permite detección no coherente y no está relacionada a la separación de
usuarios.
™ Los usuarios están separados utilizando una máscara, basada en el ESN de la estación móvil, aplicada al
código “long”.
¾ Esto esparce la tasa de datos a 1.2288 Mcps.
¾ El “long code” añade un nivel extra de seguridad, a parte de separar a los usuarios.
™ Durante periodos de tasas de datos bajos, para mantener la tasa de transmisión constante, se usa repetición.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• Los pasos iniciales son similares a los del
canal forward.
™ El codificador convolucional tiene una tasa de 1/3,
triplicando la tasa efectiva a un máximo de 28.8
kbps.
• Luego del interleaver se esparcen los datos
usando la matriz de Walsh.
™ Los datos del interleaver se agrupan en unidades de
6 bits.
¾ Los 6 bits sirven como un índice a una de las 64
filas de la matriz de Walsh de 64x64.
¾ La tasa es expandida en un factor de 64/6,
resultando un valor de 307.2 kbps.
9 Mejora la recepción en la BTS.
9 Los 64 códigos son ortogonales lo que
facilita el algoritmo de decisión y es un
proceso computacionalmente eficiente.
™ El proceso se ve como información digital
modulando una portadora digital.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• Data burst randomizer
™ Para reducir interferencia de otros MSs.
™ Involucra usar la máscara de “long code” .
• El siguiente paso es la función DS-SS.
™ El “long code”, único a cada MS (usuario), es XORed con la salida
del randomizer.
¾ En base a ESN y otros bits fijos.
¾ Los MSs siempre transmiten en su canal.
™ Se obtiene una tasa de 1.2288 Mbps.
• Luego se modula usando QPSK.
™ Explicado anteriormente.
• La razón para la diferencia en los moduladores es que:
™ En el caso forward, los códigos para esparcimiento son ortogonales,
todos viene de una matriz Walsh.
™ En el caso reverso, la ortogonalidad de los códigos de
esparcimiento no es garantizada.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• Transmisión con tasa de datos variable
™La repetición de símbolos de código introduce redundancia cuando la tasa de datos es menor a
9600 bps (usando el set 1 de tasa de datos).
™El data randomizer se usa para transmitir ciertos bits mientras se apaga el transmisor para
otros.
¾ Cuando la tasa de datos es:
9 9600 bps, se transmiten todas las salidas del interleaver.
9 4800 bps, se transmiten la mitad de las salidas del interleaver y la mitad del tiempo la estación
móvil no transmite.
9 Así sucesivamente.
¾ Asegura que cada símbolo de código repetido se transmite una sola vez.
¾ Cuando no se transmite, la MS reduce su PIRE al menos 20 dB respecto a la última vez que se
transmitió, o reduce el PIRE al piso de ruido del transmisor.
¾ Todo esto reduce la interferencia a otras MSs operando en el mismo canal reverso.
™Los datos en tramas de 20 ms se dividen en 16 PCGs (Power Control Groups).
¾ Cada grupo es de 1.25 ms.
¾ Algunos PCGs se transmiten y otros no.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• Transmisión con tasa de datos variable
™El data randomizer genera un patrón de enmascaramiento que aleatoriamente
enmascara los datos redundantes generados por el código de repetición.
™Un bloque de 14 bits del “código long” determina el patrón de enmascaramiento.
¾ Los últimos 14 bits del “código long” usado para el “spreading” de la trama anterior se
usan para determinar la máscara aleatoria (se denotan como b0b1…..b13 ).
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• Transmisión con tasa de datos variable
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• Sobre los canales de acceso
™Ejemplo de tareas
¾ Para originar llamadas
¾ Para registro
¾ Responder o dar acuses de recibo a mensajes del canal de paging
™Se diferencian con una máscara única aplicada al “código long”.
¾ Se diferencian de igual manera que en los canales de tráfico
¾ La máscara incluye un número de canal específico asignado a la estación móvil por la BTS.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• Sobre los canales de acceso
™Transmisiones por el canal de acceso de un móvil particular están permitidos durante
intervalos asignados denominados “ranuras del canal de acceso”, que son de longitud igual a un
número entero de las tramas de 20 ms.
™Cada transmisión en una ranura empieza se inicia con un retardo aleatorio de corta duración
para que no todo móvil inicie la transmisión al mismo tiempo, a pesar que los otros estarán
usando la misma ranura en diferentes canales.
¾ La primera vez que el móvil usa un canal de acceso, sus transmisiones se limitan a mensajes de
"probe“.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Canales del Enlace Reverso
• Sobre los canales de acceso
™La estación móvil envía a la BTS un mensaje por el canal de acceso, llamado un
“access probe” y espera por un ACK en el canal de paging.
¾ Si no recibe el ACK, espera un tiempo aleatorio, incrementa su potencia e intenta
nuevamente.
¾ El número de “probes” para intentar en cada secuencia, el número de secuencias para
intentar en cada intento, y la cantidad de potencia que se incrementa luego de cada
“probe” fallido, son configurados por la red usando el mensaje de “ACCESS
PARAMETERS”.
Revisión Feb. 07
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Canales del Enlace Reverso
• Sobre el control de potencia
™ La diferencia entre señales recibidas en la BTS de móviles ubicados cerca y lejos puede ser hasta de 80 dB.
™ Cada móvil tendrá un camino diferente, diferentes pérdidas, y diferente desvanecimiento.
™ Open loop
¾ Provee al móvil un punto inicial para empezar la transmisión para que luego en closed loop el ajuste se haga mas
rápido.
¾ Se encuentra la diferencia entre:
9 Las pérdidas promedio (-73 dB para las bandas celulares y -76 dB para las bandas PCS), y
9 Potencia promedio recibida.
¾ Se consideran variantes dadas por la BTS y se estima un punto inicial con una exactitud de +/-6dB.
™ Closed loop
¾ Involucra el uso de bits en el canal de tráfico forward.
¾ Dado que en los canales de tráficos reversos se usan los PCGs (Power Control Groups) de 1.25 ms, el objetivo es ajustar
la potencia de cada PCG.
9 Se mide potencia recibida, se compara con un límite y se determina si subir, o bajar los niveles de potencia.
9 La BTS debe reaccionar muy rápido: 800 veces/segundo.
9 La BTS no es capaz de hacer el control considerando el FER (Frame Error Rate), el verdadero determinante
de la calidad de una llamada.
™ Outer loop
¾ Trabaja en conjunto con close loop.
¾ Monitorea el verdadero FER y ajustar los límites para el closed loop.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Registrarse en CDMA
• Mediante el registro una MS informa al sistema de su ubicación.
™Sin el registro, un móvil debería ser buscado (paged) en todo el sistema.
™Por otro lado, si el móvil se registra cada vez que cruza a un nuevo sector,
sobrecargaría los canales de acceso y paging.
• CDMA ofrece una variedad de métodos de registro que los
operadores pueden configurar.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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Registrarse en CDMA
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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36
Pilotos
• La estación móvil almacena información de los pilotos en una base
de datos especial.
• Los pilotos se agrupan en los siguientes conjuntos:
™Active Set
¾ Incluye los pilotos asociados con el canal forward, asignados actualmente a la estación
móvil.
™Candidate Set
¾ Incluye los pilotos cuya potencia recibida excede un umbral pero que no han sido
asignados.
™Neighbor Set
¾ Incluye los pilotos transmitiéndose en la vecindad. Indicadas por el BSC a la estación
móvil.
™Remaining
¾ Todos los pilotos posibles en el sistema actual.
Revisión Feb. 07
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Capacidad
• Capacidad
™W= ancho de banda
™Tasa de transmisión R
™Eb/Io= relación energía de bit/ densidad de ruido
™Ko= usuarios (radio channel capacity de una sola celda CDMA)
• La relación W/R (Hz/bit/s) se define como el factor de spreading o
ganancia de procesamiento.
• Valores típicos
™Para W/R, valores típicos varían entre 100 (20 dB) y un millón (60 dB).
™Para Eb/Io depende del tipo de codificación para corrección de errores, tipo de
ruido, probabilidades de error.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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37
Capacidad
• Considerando dos características adicionales:
™Monitoreo de la actividad del usuario
¾ Se “apaga” el transmisor o se reduce su potencia cuando no hay actividad.
¾ En una conversación de dos vías, la actividad de los participantes es
¾ Con lo que puede disminuirse el ruido de interferencia en la fórmula en una factor
¾
se denomina “ganancia por actividad de voz”
™Usando sectorización
¾ Se reduce el ruido de interferencia en
(ganancia de la antena).
¾ Para tres sectores, la ganancia es menor que 3 y se estima en 2.4
¾ Si el factor de reutilización de frecuencias N=1, se ha estimado que la interferencia total
de usuarios en las otras celdas es 0.6 de la causada por los usuarios en la celda en
análisis.
9 Other-cell relative interference factor f=0.6
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
75
Capacidad
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
76
38
Capacidad
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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CDMA450
•
Durante mucho tiempo también se ha atribuido espectro de la banda de
450 MHz a servicios inalámbricos en varios países, incluidos algunos en
desarrollo de Europa central y oriental, África, sudeste asiático y
América Latina.
•
La banda estaba atribuida a la tecnología analógica (NMT) y en general
se utiliza por debajo de sus posibilidades y además de manera poco
eficaz.
•
En el cuarto trimestre de 2000 se llevó a cabo una prueba con objeto de
mostrar la utilización de CDMA en la banda de 450 MHz.
™ Esa técnica se denomina cdma450.
•
La utilización de frecuencias de la banda de 400 MHz en vez de la de
850 MHz o 1900 MHz, permite una cobertura más amplía desde cada
estación base.
•
La cdma450 abarca, en concreto, la misma zona que un sistema CDMA
a 850 MHz utilizando aproximadamente la mitad del número de
localizaciones de células.
•
En aplicaciones en las que es necesaria una cobertura muy amplia, un
ajuste de soporte lógico en los parámetros de temporización permite
alcanzar hasta 180 km en condiciones favorables.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
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39
GSM 400
• ETSI estableció una norma
regional para la aplicación GSM
en la banda de 400 MHz.
• La utilización de frecuencias en la
banda 400 MHz, en lugar de las
bandas 900/1800 MHz, permite
que cada estación base cubra una
zona más amplia.
• La cobertura de una zona amplia
se adapta mejor a la baja densidad
de las poblaciones rurales,
rurales
dispersas en una extensa zona.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
79
GSM 400
•
Según la información presentada por Ericsson a la
UIT, el GSM 400 cubre la misma zona que el GSM
900, utilizando aproximadamente la mitad del
número de sitios celulares. Una célula típica en la
banda de 400 MHz tiene un radio de 40 km
cuando se utilizan unidades de teléfonos móviles de
2 vatios.
•
Si se utilizan antenas direccionales o con ganancia
superior, o teléfonos móviles con un tipo de
energía superior, se puede obtener un alcance
superior, según las condiciones geográficas y de
propagación.
•
El GSM 400 ocupa bandas de frecuencias,
indicadas en el cuadro, que antiguamente estaban
atribuidas también en Europa y en muchos sitios a
los sistemas telefónicos móviles nórdicos (NMT)
convencionales.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
80
40
Unlicensed Mobile Access (UMA)
• UMA technology provides access to
GSM and GPRS mobile services over
unlicensed spectrum technologies,
including Bluetooth and 802.11.
™ http://www.umatechnology.org
• By deploying UMA technology, service
providers can enable subscribers to
roam and handover between cellular
networks and public and private
unlicensed wireless networks using
dual-mode mobile handsets.
• With UMA, subscribers receive a
consistent user experience for their
mobile voice and data services as they
transition between networks.
Revisión Feb. 07
Iván Bernal, Ph.D.
81
41