Capítulo 7: Sistemas celulares CDMA

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1 Capítulo 7: Sistemas celulares CDMA
Comunicaciones Móviles 2012/13. Prof: Daniel Ramos. Material generado por Dr. Luis Mendo. Capítulo 7: Sistemas celulares CDMA

2 Sistemas celulares CDMA
Fundamentos de espectro ensanchado. Fundamentos de CDMA. Características de sistemas celulares CDMA.

3 1. Fundamentos de espectro ensanchado

4 Espectro ensanchado (SS)
Definición: R/W << 1. Se utiliza para ello una secuencia código. Clasificación: Saltos de frecuencia, FH (Frequency Hopping) Saltos de tiempo, TH (Time Hopping) Secuencia directa, DS (Direct Sequence) Multiportadora, MC (Multicarrier)

5 Espectro ensanchado por secuencia directa (DS-SS)
Ensanchamiento (transmisión) Desensanchamiento (recepción) d(t) Tb m(t) 1 c(t) c(t) m(t)=d(t)·c(t) m(t)·c(t) Tc

6 Espectro ensanchado por secuencia directa (DS-SS)
m(t)·c(t) Transmisión d(t) filtro adaptado (integrador) m(t) filtro adaptado (integrador) Señal deseada (recepción) señal deseada (desensanchada) t f

7 Conformación de pulsos
Transmisor DS-SS BPSK Señal de datos Modulador Señal ensanchada Señal de código Portadora Conformación de pulsos Secuencia de datos Modulador Señal ensanchada Secuencia código Forma de pulsos Portadora

8 Receptor DS-SS BPSK Demodulador Señal recibida (filtro adaptado) TB
Señal código Pulso de chip Filtro adaptado Señal recibida Sumador TC TB Pulso de chip Secuencia código

9 Ventajas de SS (DS) Reducción de densidad espectral
Protección frente a interferencias De banda estrecha De banda ancha Resolución temporal y protección frente a multitrayecto

10 Ventajas de SS (DS) Reducción de densidad espectral T Señal original T
B Señal original T Señal ensanchada C -1/T -1/T 1/T 1/T C B B C

11 Ventajas de SS (DS) Protección frente a interferencias de banda estrecha Señal deseada (recepción) Señal interferente (recepción) m(t) c(t) m(t)·c(t) m(t) c(t) i(t)·c(t)

12 Ventajas de SS (DS) Protección frente a interferencias de banda estrecha m(t)·c(t) Señal interferente (recepción) filtro adaptado (integrador) filtro adaptado (integrador) deseada t interferencia f

13 Ganancia de procesado GP = Factor de ensanchamiento (chips/símbolo)
Ventajas de SS (DS) Protección frente a interferencias de banda estrecha El proceso de desensanchamiento de la señal deseada ensancha la interferencia Ésta puede reducirse en un factor igual a la ganancia de procesado: Ganancia de procesado GP = Factor de ensanchamiento (chips/símbolo)

14 Ventajas de SS (DS) Protección frente a interferencias de banda ancha
Señal deseada (recepción) Señal interferente (recepción) m(t) c(t) m(t)·c(t) i(t) c(t) i(t)·c(t)

15 Ventajas de SS (DS) Protección frente a interferencias de banda ancha
i(t)·c(t) Señal interferente (recepción) filtro adaptado (integrador) filtro adaptado (integrador) deseada t interferencia f

16 Ventajas de SS (DS) Protección frente a interferencias de banda ancha
El proceso de desensanchamiento de la señal deseada mantiene la interferencia ensanchada La señal interferente puede ser una señal ensanchada correspondiente a otro usuario: CDMA En CDMA, el grado de rechazo depende de la correlación cruzada entre las secuencias código

17 Ventajas de SS (DS) Resolución temporal
(Pulsos anchos) a) Pulsos estrechos b) Espectro ensanchado La modalidad b) permite mayor EB/N0. Requiere buenas propiedades de autocorrelación.

18 Ventajas de SS (DS) Resolución temporal / protección frente a multitrayecto Señal “deseada” (recepción) Señal retardada (recepción) m(t) m’(t) c(t) c(t) m(t)·g(t) m’(t)·c(t) m’(t) = m(t-t); t = TC en el ejemplo

19 Ventajas de SS (DS) Resolución temporal / protección frente a multitrayecto Señal retardada (interferencia multitrayecto) filtro adaptado (integrador) m’(t)·g(t) señal “deseada” (desensanchada) filtro adaptado (integrador) señal retardada t f

20 Ventajas de SS (DS) Protección frente a multitrayecto (dominio del tiempo) chip Resolución temporal  TC: se pueden separar los ecos. Sólo pueden interferir destructivamente (desvanecimiento) ecos con diferencia de retardos < TC. Menor TC implica mayor resolución y mayor protección frente a desvanecimiento.

21 Ventajas de SS (DS) Protección frente a multitrayecto (dominio de la frecuencia) AB de coherencia, Bc W AB de señal >> AB de coherencia del canal: menor variación (menores desvanecimientos) La señal se distorsiona. La recepción debe llevarse a cabo mediante un receptor Rake (filtro adaptado a la señal recibida), que debe ajustarse a la forma del canal (estimación de canal) A pesar de la distorsión, la ISI es muy pequeña gracias al uso de SS (ganancia de procesado).

22 Ventajas de SS (DS) Protección frente a multitrayecto: Receptor Rake

23 Ventajas de SS (DS) Protección frente a multitrayecto: Receptor Rake
Separa las componentes multitrayecto, con una resolución del orden de TC, y las combina de forma óptima. La combinación óptima (MRC) consiste en: Poner todas las componentes en fase Ponderar cada componente con un peso proporcional a su amplitud. Para llevarla a cabo hay que estimar los coeficientes de canal (complejos). El receptor puede interpretarse también como un filtro adaptado a la señal recibida: Por tanto es óptimo para la recepción en presencia de AWGN.

24 2. Fundamentos de CDMA

25 DS-CDMA (DS-)CDMA se basa en la propiedad de las señales (DS-)SS de rechazo a interferencias de banda ancha. Todas las señales se transmiten en la misma frecuencia al mismo tiempo. La interferencia se reduce gracias a las propiedades de la secuencias código. Existen dos formas de recepción: Monousuario (recepción independiente de cada señal) Multiusuario (recepción conjunta de todas las señales)

26 DS-CDMA Sistema basado en secuencias ortogonales
No existe interferencia por acceso múltiple. Número de canales limitado: Nº canales = Factor de ensanchamiento (chips/símbolo). Necesidad de sincronismo muy preciso (fracción del periodo de chip)

27 DS-CDMA Señal deseada (transmisión) Señal deseada (recepción) d(t)
Tb m(t) 1 c(t) c(t) m(t)=d(t)·c(t) m(t)·c(t) Tc

28 Señal deseada (recepción)
DS-CDMA m(t)·c(t) Señal deseada (recepción) filtro adaptado (integrador) filtro adaptado (integrador) señal deseada (desensanchada) t f

29 DS-CDMA Sistema basado en secuencias ortogonales
Señal interferente (transmisión) Señal interferente (recepción) d(t) Tb m(t) 1 c(t) c(t) m(t)=d(t)·c(t) m(t)·c(t) Tc

30 DS-CDMA Sistema basado en secuencias ortogonales t f interferencia
Señal interferente (recepción) m(t)·c(t) filtro adaptado (integrador) filtro adaptado (integrador) t interferencia f

31 DS-CDMA Secuencias ortogonales: necesidad de sincronismo
Señal interferente (transmisión): no sincronizada Señal interferente (recepción) d(t) Tb m(t) 1 c(t) c(t) m(t)=d(t)·c(t) m(t)·c(t) Tc

32 DS-CDMA Secuencias ortogonales: necesidad de sincronismo t f
Señal interferente (recepción) m(t)·c(t) filtro adaptado (integrador) filtro adaptado (integrador) t interferencia f

33 DS-CDMA Secuencias ortogonales: ortogonalidad parcial
En canales multitrayecto, si los retardos entre ecos son comparables o mayores que TC, parte de la señal interferente llega no sincronizada. Como resultado, la ortogonalidad es sólo parcial: factor de ortogonalidad Señal interferente ortogonal a no ortogonal a Señal deseada no ortogonal a ortogonal a

34 DS-CDMA Sistema basado en secuencias pseudoaleatorias (PN)
Las secuencias no son ortogonales: se produce interferencia por acceso múltiple. La interferencia es pequeña, gracias al efecto de promediado (integración): ganancia de procesado. Número de canales ilimitado: no es necesaria la reutilización No se requiere sincronismo entre señales correspondientes a comunicaciones diferentes.

35 DS-CDMA Sistema basado en secuencias PN
Señal interferente (transmisión) Señal interferente (recepción) d(t) Tb m(t) 1 c(t) c(t) m(t)=d(t)·c(t) m(t)·c(t) Tc

36 Ganancia de procesado GP = Factor de ensanchamiento (chips/símbolo)
DS-CDMA Sistema basado en secuencias PN Señal interferente (recepción) filtro adaptado (integrador) m(t)·c(t) filtro adaptado (integrador) t interferencia f Ganancia de procesado GP = Factor de ensanchamiento (chips/símbolo)

37 3. Características de los sistemas celulares CDMA

38 Sistemas limitados por dimensiones
(sistemas clásicos) B B A A A D D

39 Sistemas limitados por dimensiones
Número reducido de canales no interferentes (ortogonales) Formas de establecer los canales: Frecuencias (FDMA) Intervalos de tiempo (TDMA) Secuencias código ortogonales (CDMA) Necesidad de reutilización para remediar la escasez de canales. La capacidad está limitada por el número de canales por célula. Esta limitación es “rígida” (hard blocking).

40 Sistemas limitados por interferencia (sistemas CDMA; secuencias PN)

41 Sistemas limitados por interferencia
Sistemas limitados por interferencia (sistemas CDMA) Número prácticamente ilimitado de canales interferentes (no ortogonales). Esta modalidad sólo es posible mediante la utilización de CDMA con secuencias código PN. No es necesario reutilizar canales. La interferencia no se produce por reutilización, sino por la propia naturaleza de los canales. La capacidad está limitada por la interferencia máxima admisible. Esta limitación es “gradual” (soft blocking).

42 Sistemas CDMA utilizados en la práctica
Se diseñan como sistemas limitados por interferencia, pero se establece ortogonalidad entre algunas señales. En el enlace descendente la ortogonalidad se refiere a señales transmitidas por la misma base En el ascendente se refiere a señales transmitidas por el mismo móvil (varios canales simultáneos) En el enlace ascendente con movilidad reducida se puede extender la ortogonalidad a móviles de una misma base. Ello requiere una sincronización muy estricta.

43 Sistemas CDMA utilizados en la práctica
Lo anterior se consigue mediante dos “capas” de código: Enlace descendente: Códigos ortogonales o de canalización para usuarios de una misma célula. Códigos PN o de aleatorización para células diferentes. Enlace ascendente: Códigos ortogonales (canalización) para señales de un mismo móvil. Códigos PN (aleatorización) para móviles diferentes.

44 Códigos de canalización y de aleatorización
Señal de datos:TB Código de canalización:TC Señal ensanchada:TC Código de aleatorización:TC Ensanchamiento: TB/TC No ensancha

45 Sistemas CDMA utilizados en la práctica: DL
Secuencias “d”: datos Secuencias código “g”: PN Secuencias código “h”: ortogonales A B 1 2 3 4 1: d1·h1·gA 2: d2·h2·gA 3: d3·h3·gB 4: d4·h1·gB Comportamiento: Ortogonal (parcialmente) entre señales de la misma célula PN entre señales de células distintas

46 Sistemas CDMA utilizados en la práctica: DL
De este modo se consiguen las ventajas de la limitación por interferencia con la mejora añadida de que se elimina parte de la interferencia (la de señales de la propia célula), por ortogonalidad parcial. A pesar de su reducido número, la reutilización de los códigos ortogonales no es problema: pueden usarse todos en cada célula (DL) o móvil (UL), gracias a la etapa de aleatorización.

47 Sistemas CDMA utilizados en la práctica: UL
B Secuencias “d”: datos Secuencias código “g”: PN 1 3 2 4 Comportamiento: PN entre señales de móviles distintos Ortogonal (parcialmente) entre señales del mismo móvil 1: d1·g1 2: d2·g2 3: d3·g3 4: d4·g4

48 “Diversidad de interferencia”
Densidad de probabilidad Densidad de probabilidad Interferencia Interferencia LIMITADO POR DIMENSIONES Reutilización de canales Número reducido de fuentes de interferencia Diseño en “caso peor” LIMITADO POR INTERFERENCIA Canales no ortogonales Número elevado de fuentes de interferencia Menor variación para el mismo valor medio (ganancia de procesado)

49 Control de potencia Necesidad: problema “cerca-lejos” (near-far):
Enlace ascendente: diferente atenuación de las señales. Enlace descendente: diferente nivel de las señales de la célula relativo a la interferencia externa y al ruido térmico; diferentes factores de ortogonalidad. El control debe ser dinámico con una actualización periódica, por lo que las órdenes de control deben multiplexarse en el tiempo con la información. Bucle abierto. Compensa desvanecimientos lentos ( 20 ms) Bucle cerrado o interno. Compensa desvanecimientos rápidos ( 1 ms) Bucle externo. Ajuste de relación EB/N0 objetivo

50 Bucle abierto Se basa en estimar la atenuación del enlace descendente midiendo el nivel de señal recibido (canal piloto), y suponer dicha estimación válida para el enlace ascendente. En modo FDD la suposición anterior es válida para la pérdida media de propagación (atenuación determinista y desvanecimiento por sombra), pero no para la atenuación instantánea, debido al efecto del multitrayecto. En TDD, al no existir diferencia de frecuencias, el control de potencia en bucle abierto puede compensar el multitrayecto, si el periodo de actualización es pequeño en comparación con las variaciones del canal.

51 Bucle cerrado Se basa en un proceso de realimentación negativa: el receptor mide un cierto parámetro, compara con el valor objetivo y ordena aumentar o reducir la potencia al extremo transmisor. El parámetro medido puede ser Nivel de señal recibido Relación señal/interferencia El segundo es más efectivo (tiene en cuenta las variaciones en la interferencia), pero más complejo (inestabilidades). Debe ser rápido (1500 Hz en UMTS). Normalmente se basa en un paso fijo, de dB.

52 Bucle externo A pesar del bucle cerrado, la EB/N0 instantánea sufre variaciones rápidas. Esto se debe a que dicho bucle no es ideal (retardo, paso fijo, errores): no compensa exactamente el efecto del multitrayecto. Las fluctuaciones son mayores para velocidades del móvil elevadas, ya que el canal varía más deprisa. Para unas condiciones de propagación (dispersión temporal, dispersión Doppler) dadas, una cierta calidad (BLER) objetivo se corresponde con un cierto valor medio de la relación EB/N0. Una misma calidad (BLER) objetivo puede requerir diferentes EB/N0 medias, en función de las condiciones de propagación. Además éstas pueden variar a lo largo de la conexión. Las variaciones son del orden de 5-10 dB.

53 Bucle externo De lo anterior surge la necesidad de controlar la EB/N0 media del enlace. El control se lleva a cabo modificando el valor de referencia del control en bucle cerrado. El mecanismo encargado de ello es el “bucle externo”. Se basa en una realimentación negativa en la que el parámetro medido es la calidad (BLER) y el parámetro sobre el que se actúa es la EB/N0 de referencia del bucle cerrado. Frecuencia de actualización: Hz (las variaciones que debe compensar son relativamente lentas)

54 Traspaso con continuidad (soft handoff)
Enlace ascendente: recepción desde varias bases y selección/combinación. Enlace descendente: transmisión desde varias bases y combinación en el móvil (receptor Rake). Ventajas: Mayor continuidad de las llamadas Reducción de interferencia en enlace ascendente Mayor calidad (macrodiversidad)

55 Traspaso con continuidad
Traspaso convencional (GSM) Traspaso con continuidad Nivel recibido Nivel recibido Tiempo Base 1 Base 2 Bases 1 y 2 Umbral de inclusión Umbral de exclusión 1 1 Histéresis 2 2 Tiempo Base 1 Base 2

56 Traspaso con continuidad: enlace ascendente
El conjunto de bases que atienden a un usuario se denomina conjunto activo. En el enlace ascendente, el móvil transmite en cada momento con la potencia mínima de entre las que exijan las bases de su conjunto activo. Esto es equivalente a que el móvil se encuentre instantáneamente asignado a la mejor base. Se consigue así reducir la interferencia. Las señales en las bases activas se seleccionan (soft handover), si se reciben en emplazamientos diferentes; o se combinan (softer handover), si se reciben en sectores de un mismo emplazamiento (proximidad física de los equipos).

57 Traspaso con continuidad: enlace descendente
La información se transmite al móvil desde todas las bases del conjunto activo. En el móvil las señales se combinan en el receptor Rake (se tratan como si fueran distintas componentes multitrayecto, sólo que con secuencias código diferentes). Al haber varias bases transmitiendo al móvil, puede incrementarse el nivel de interferencia en el enlace descendente. Una variante es la utilización de SSDT (Site Selection Diversity Transmission): sólo una de las bases transmite en cada momento información hacia el móvil. Éste determina qué base es la más adecuada en cada momento y lo indica mediante señalización en el enlace ascendente.

58 Actividad discontinua de fuente
Diversidad de interferencia Usuario 1 Usuario 2 Usuario 3 Menor interferencia Interferencia total Mayor capacidad El nivel de interferencia medio se reduce. Debido a la diversidad de interferencia, esta reducción del valor medio incrementa la capacidad.

59 Relación capacidad-cobertura
Mayor carga Mayor interferencia Mayor potencia necesaria Menor cobertura

60 Relación capacidad-cobertura
La cobertura de una celda CDMA queda definida por la potencia máxima que un móvil (enlace ascendente) o base (enlace descendente) puede radiar. Si hay muchos usuarios activos aumenta la interferencia y se solicita más potencia, con lo que la cobertura se reduce. Lo contrario ocurre si hay pocos usuarios. Este fenómeno se denomina a veces “respiración celular” (cell breathing).

61 Compartición automática de capacidad
Célula poco cargada Menor interferencia sobre células vecinas Mayor capacidad para células vecinas La capacidad de las células tiende a compartirse, lográndose un uso más eficiente de los recursos. La compartición de capacidad se logra de manera más “natural” que en sistemas clásicos, en los que exigiría asignación dinámica de frecuencias.

62 Codificación de canal Sin codificación de canal
Señal original Señal ensanchada Secuencia de ensanchamiento Sin codificación de canal Señal original Señal codificada (tasa 1/3) Señal ensanchada Secuencia de ensanchamiento Con codificación de canal

63 Codificación de canal Las propiedades espectrales y estadísticas de la señal ensanchada no dependen de la velocidad binaria antes de ensanchar. Esto permite la utilización de tasas de codificación más bajas que en sistemas clásicos. Asimismo, simplifica la multiplexación de servicios con diferentes velocidades binarias.