Simulador de un sistema de comunicaciones W-CDMA de UMTS Proyecto fin de carrera Simulador de un sistema de comunicaciones W-CDMA de UMTS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Área de Teoría de la Señal y Comunicaciones Buenas tardes a todos (nombrar tribunal) y gracias por venir a la presentación de mi PFC que se titula... AUTOR: José Luis Benítez Jiménez TUTOR: Carlos Crespo Cadenas Diciembre de 2004

Índice Alcance del proyecto Sistemas W-CDMA Simulador en Matlab Casos prácticos Conclusiones y líneas futuras Vamos a hablar de…

Alcance del proyecto Entorno visual sencillo Diseño de plataforma para simular sistema genérico de comunicaciones UMTS Modelar: Transmisión, Recepción y Canal Visualizar, comparar y analizar resultados Por un lado el estudio teórico de la transmisión CDMA en los sistemas UMTS, y su implementación en forma de funciones de código Matlab, y por otro el diseño de un GUI empleando la herramienta GUIDE de Matlab. Entorno visual sencillo - Interfaz Gráfica de Usuario de Matlab

Sistemas W-CDMA Acceso Múltiple por División de Código La tecnología de multiacceso CDMA (Code Division Mulliple Access), se basa en un presupuesto totalmente diferente a los expuestos anteriormente. Aquí todos los usuarios pueden transmitir utilizando la misma frecuencia de portadora y simultáneamente. En consecuencia, se genera una interferencia mutua, por lo que deben establecerse mecanismos para poder extraer cada comunicación individual del conjunto de señales interferentes. Ello se realiza mediante la asignación a cada comunicación de un código único que se combina con la información transmitida. En recepción debe ejecutarse la operación inversa, esto es, eliminar el ensanchamiento de la señal recibida para poder recuperar la señal original d(t). Para ello se multiplica esa señal por una réplica sincronizada del código de expansión ya que se cumple que el c2(t) = 1. De este modo la señal recibida es igual a la señal transmitida salvo un factor de escala. A continuación se demodula esta señal como en QPSK convencional.

Sistemas W-CDMA Espectro ensanchado Wideband ≡ Banda Ancha (5 MHz) W = SF ∙ Rb Tc = Tb / SF Como consecuencia de la multiplicación de los datos y el código de expansión, se produce un ensanchamiento del ancho de banda de la señal banda base resultante. Si d(t) presentaba un ancho de banda B = 1/Tb, el de v(t) es W = 1/Tc = N/Tb, N veces mayor. Este efecto queda representado en la figura 2.8. Puesto que la potencia de la señal es la misma que la de d(t), al ensancharse el espectro, la densidad espectral de potencia se ha reducido en el factor N = Tb/Tc. A este valor N también se le llama ganancia de procesado y puede interpretarse como el factor por el cual se multiplica al ancho de banda y se reduce la densidad de potencia. QPSK en DL y BPSK en UL. Banda ancha en DL para descargar, porque en UL no se requiere enviar tanta información. Wideband ≡ Banda Ancha (5 MHz)

Sistemas W-CDMA Códigos de expansión Códigos de scrambling Walsh (OVSF) Secuencias mutuamente ortogonales Matrices de Walsh-Hadamard SF códigos de longitud SF Malas propiedades espectrales Gold Familia de secuencias PN Suma de secuencias preferidas de periodo p Existen p+2 secuencias Gold Buenas correlaciones Como ya se ha indicado, en DS-CDMA, para solventar las limitaciones de los códigos de expan­sión ortogonales, se utilizan además de éstos, códigos pseudoaleatorios. Idealmente tales códigos deberían ser aleatorios, con propiedades estadísticas similares a las del ruido blanco gaussiano, a fin de generar una señal ensanchada con espectro plano. En la práctica, obviamente, los códigos tie­nen que ser deterministas. En consecuencia, hay que buscar familias de códigos digitales que tengan propiedades "cuasi" aleatorias, es decir que en cada código haya una distribución equilibrada de valores + 1 y -1, así como buenas características de autocorrelación y correlación cruzada, para favorecer la recepción de la señal deseada inmersa en la interferencia múltiple. Las secuencias de Gold no son del tipo longitud máxima, pero poseen unas características de correlación cruzada periódica similares a las de las secuencias preferidas, con la ventaja de que el número de secuencias de Gold de un cierto período es mayor que el de secuencias preferidas del mismo período. Por consiguiente, una posible forma de generación de las secuencias de Gold, sería la siguiente: se disponen dos registros asociados a PN1 y PN2, respectivamente. Se inicializa el registro 1 con un vector arbitrario. Se carga el registro 2 con otro vector. Los chips de salida de cada registro se suman en el sumador módulo 2, a cuya salida se tendrá una secuencia de Gold para cada vector de carga inicial del registro 2. Si las condiciones iniciales de los regis­tros 1 y 2 son el vector cero, se tendrán a la salida las secuencias PN1 y PN2. * Idealmente ortogonales para anular MAI * Pseudoaleatorios para mejorar características espectrales

Sistemas W-CDMA Canal de comunicaciones móviles Multitrayecto 1. Dispersión temporal (ISI) 2. Variabilidad del canal Receptor Rake La señal transmitida se ve sometida a múltiples reflexiones y difracciones en los obstáculos que circundan a las antenas transmisora y/o receptora, de forma que la señal recibida es el resultado de la suma de todas estas señales que llegan a través de distintos caminos de propagación con sus respectivas atenuaciones, fases y retardos temporales diferentes: es la propagación multicamino y causante de los desvanecimientos o fading. Para ver las dos formas fundamentales en que se manifiesta la naturaleza dispersiva del canal, basta transmitir un pulso muy estrecho, idealmente un impulso, sobre un canal de radio móvil. La señal recibida es un tren de un cierto número de pulsos con un retardo respecto al primero y una atenuación diferente para cada uno de ellos. Por tanto, la primera característica es la dispersión temporal: la señal recibida tiene una duración mayor que la transmitida. Los retardos relativos y las atenuaciones de los pulsos recibidos así como el número de estos son distintos en cada ocasión. Por tanto, la segunda característica es la variabilidad del canal. Como se ha dicho anteriormente, la dispersión temporal es debida a la existencia de múltiples caminos de propagación, cada uno de los cuales presenta un retardo y una atenuación propios según las reflexiones que sufra y los obstáculos que atraviese el rayo, como se muestra en la figura 2.17. Esta dispersión da lugar a interferencia intersimbólica (ISI), cuando se transmiten pulsos secuencialmente. Esta característica es de gran importancia en el diseño de sistemas de comunicaciones móviles, pues obliga al uso de técnicas de transmisión capaces de combatir eficazmente la interferencia intersimbólica. Por otra parte, también se ha adelantado que la variabilidad es debida a los constantes cambios en la estructura del medio, ya sean naturales o debidos a la propia actividad humana, de manera que dichos cambios aparecen como imprescindibles y aleatorios. Esta variabilidad hace que en ciertos intervalos, el canal sea extremadamente hostil, produciendo desvanecimientos en la señal recibida. El medio para combatir los desvanecimientos es la diversidad. El receptor, para llevar a cabo la demodulación, debe adaptarse a las características del canal. El receptor Rake, propuesto en 1958, lleva a cabo esta tarea y permite combatir el efecto perjudicial del multitrayecto, aprovechando las características de las señales de espectro ensanchado. El receptor Rake consta de un conjunto de L ramas o dedos (‘fingers’), en cada una de las cuales se multiplica la señal por una réplica local de la forma de onda ensanchada, con el correspondiente retardo. Las salidas de las L ramas se integran y se combinan para obtener la variable de decisión. La combinación consiste en compensar los desfasajes relativos y realizar una suma ponderada por la amplitud con que se recibe cada componente (se da más" peso" a las componentes que se reciben con mayor nivel), utilizando el conocimiento (estimación) de los coeficientes de canal. Buena autocorrelación para facilitar la detección de la señal expandida con esa secuencia, y pequeña correlación con versiones desplazadas de si misma. Estas copias se generan a causa de la propagación multitrayecto. La baja correlación permitirá distinguir la secuencia de sus ecos, facilitando el aprovechamiento del multitrayecto mediante el receptor Rake. 􀂃 Pequeña correlación cruzada con otras secuencias y sus versiones desplazadas, para facilitar la separabilidad de las señales interferentes. Se adapta al canal combatiendo multitrayecto L ramas que multiplican la señal por réplica local desplazada Se compensan desfasajes y atenuaciones y se integran

Raíz de coseno alzado con α=0,22 Sistemas W-CDMA Características UMTS/3G Modulación QPSK en DL BPSK en UL Pulso Raíz de coseno alzado con α=0,22 Código Walsh, ensanchado Gold, scrambling Factor de ensanchado SF = 4 - 512 Tasa de chip 3,84 Mcps En concreto, UMTS, sistema europeo de 3G, utiliza la técnica multiacceso W-CDMA con las siguientes características, incluidas en el transmisor.

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Simulador en Matlab Receptor

Casos prácticos I Mala autocorrelación de código walsh Poca dispersión debido a alta SNR Probabilidad de error similar a la teórica

Casos prácticos II Lóbulos secundarios inferiores Alta dispersión de constelación Errores aumentan con multitrayecto

Casos prácticos III

Conclusiones Técnica de acceso Receptor óptimo VS W-CDMA Receptor óptimo según canal AWGN Multitrayecto VS Utilidad del simulador diseñado

Líneas futuras de investigación Canal más complejo Efecto doppler Estimación de retrasos en el canal Estimación de la atenuación del canal Herramientas de laboratorio Generador de onda Controlar medidas desde simulador Hallar probabilidad de error real Varios usuarios transmisores Códigos ortogonales para reducir MAI Códigos scrambling para espectro Error con rake Doppler: Desvanecimientos debidos a la dispersión temporal analizada en el dominio de la frecuencia La relaci´on entre el m´aximo desplazamiento Doppler, fd, y el ancho de banda de la se˜nal, 1 Ts W, se puede examinar en t´erminos de dos tipos de degradaci´on: Desvanecimiento selectivo en frecuencia: W > f0. Si se cumple esta condici´on, la se˜nal tiene componentes espectrales fuera del ancho de banda de coherencia con lo que existir´a ISI. Desvanecimiento Plano (no selectivo en frecuencia): W < f0. En este caso, todas las componentes espectrales de la se˜nal se ven afectadas de igual forma por el canal. No hay ISI, pero s´ı degradaci´on del SNR. El efecto Doppler conduce a una probabilidad de error irreducible que no se puede mejorar aunque se eleve Eb/N0.

Fin Agradecimientos: A mi familia, A mi novia, A mis amigos, A mi tutor José Luis Benítez Jiménez Diciembre 2004