Lecture 25 ss cdma espectro esparcido

Comunicaciones II

Conferencia 24: Espectro Esparcido en CDMA

UNIDAD VIII: ESPECTRO ESPARACIDO

Instructor: Israel M. Zamora, MS Telecommunications ManagementProfesor Titular, Departamento de Sistemas Digitales y Telecomunicaciones.

Universidad Nacional de Ingeniería

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2S 2009 I. Zamora

Uni VIII: Espectro Esparcido 1

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Outline

1. Aplicaciones en CDMA

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Principios de funcionamiento de CDMA

• Los usuarios comparten espectro y tiempo, pero usan diferentes códigos (no por frecuencia ni tiempo) para esparcir sus datos sobre las frecuencias

• DSSS donde los usuarios usan diferentes secuencias de esparcimiento

• Uso de secuencias de esparcimiento que son ortogonales, es decir, tienen solapamiento mínimo

• La idea es que los usuarios solo raramente se solapen y la robustez inherente de DSSS permitirá a los usuarios recuperarse si hubiese un conflicto

• Solapamiento = uso de la misma frecuencia en el mismo tiempo• La señal de otros usuarios aparecerá como ruido

• El sistema CDMA es un sistema de interferencia limitada el cual promedia la interferencia (contrario a ello, GSM es un sistema limitado en frecuencia).

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Principios de funcionamiento de CDMA

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Ventajas/Desventajas importantes de CDMA

• VENTAJAS:

• Muchos usuarios de CDMA usan la misma frecuencia

• Desvanecimiento de multitrayectoria puede ser substancialmente reducido debido al gran ancho de banda

• No hay un límite absoluto en el número de usuario en CDMA.

• El desempeño del sistema se degrada gradualmente para todos los usuarios a medida que el número de usuarios se incrementa.

• DESVENTAJAS:

• Auto-jamming es un problema en los sistemas CDMA.

• Auto-jamming se origina debido a que la secuencia PN no es exactamente ortogonal, de modo que existen contribuciones no nulas desde otros usuarios en el sistema.

• El problema cerca-lejos (near-far) ocurre en el receptor CDMA si un usuario no deseado tienen una potencia de detección comparad con el usuario deseado.

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Discusión sobre CDMA

• CDMA no asigna un ancho de banda fijo a cada usuario pero el ancho de banda de usuario depende de la carga de tráfico

• Mas usuarios resula en mas “ruido” y menos throughput para cada usuario, es decir, mas información se pierde debido a errores

• Que tan benigna es la degradación depende de cuán ortogonal son los códigos usados

• TDMA y FDMA tienen canales de capacidad fija

• Las señales débiles pueden perderse en la confusión

• Esto pondrá sistemáticamente el mismo par de nodos en desventaja – no aceptable

• La solución es agregar mas control de potencia, es decir, nodos cercanos usan menor potencia de transmisión que lo nodos remotos.

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Ejemplo CDMA

• Estandar celular CDMA• Usado en EEUU (BellSouth), algunos países de LA.

• Asigna 1.228MHz a la estación base para comunicaciones móviles• Se comparte con 64 “códigos de canales”• Usado para voz (55), servicios de paging (8), y control (1)

• Provee lote de codificación para control de error para recuperarse de los errores• Voz digital es de 8550bps• Codificación y FEC incrementa esto 19.2Kbps• Luego se esparce sobre 1.228MHz usando DSSS; usa QPSK

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Desempeño de CDMA

• En un sistema telefónico móvil que usa CDMA, cada usuario interfiere con los demás por las siguientes razones:1. Dos códigos de dispersión diferentes de una familia códigos de longitud

perfectamente ortogonales puede no producir cero correlación sobre un intervalo corto de tiempo, tal como el tiempo de símbolo.

2. El servir a una gran población de usuarios, típicamente dicta el uso de códigos largos. Tales códigos pueden ser asignados de modo que tengan propiedades de correlación cruzada bajas pero que no son ortogonales.

3. La propagación multitrayectoria y sincronización imperfecta causa interferencia interchip entre los usuarios.

• Considerando el canal ascendente (móvil a estación base) en una célula altamente cargada donde la interferencia causada por las señales CDMA simultáneas tipicamente uperan la degradación causada por el ruido térmico. Se hace esta asunción generalmente porque el ruido térmico puede despreciarse con respecto a la interferencia de otros usuairos. Así, con N0<<I0, la siguiente relación puede obtenerse:

I

SG

SI

RBW

BWI

RS

I

E

IN

E pbss

ss

b

rcvd

b

rcvd

b ===

≈

+ /

/

/

/

000

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Desempeño de CDMA

• Donde Gp=BWss/R es la ganancia de procesamiento, BWss es el ancho de banda de especro esparcido. S es la potencia recibida por un usuario, e I es la potencia interferente desde todos los otros usuairos. La ecuación anterior, muestra que aún cuando la interferencia recibida excede por mucho la potencia recibida por el usuario, es la ganancia de procesamiento (via el mecanismo de correlación de códigos) la que puede producir un valor aceptable de Eb/I0.

• Cuando la estación base ejerce control de potencia de modo que la potencia recibida de cada usuario es balanceada, entonces I=S(M-1) donde M es el número total de usuarios que contribuyen a la interferencia en el receptor. Ahora es posible expresar (Eb/I0)rcvd en términos de la ganancia de procesamiento y el número de usuarios activos en la célula, es decir:

1)1(0 −=

−=≈

M

G

MS

SG

I

SG

I

E ppp

rcvd

b

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Dimensionamiento en CDMA

• Puede notarse que Eb/I0 en la ecuación anterior es análoga a la expresión de Eb/J0 para un receptor bajo interferencia (jamming), reemplazando J0 y J por I0 e I, respectivamente.

• Los sistema CDMA son afectados por la interferencia causada por jammers, interferencia accidental, o participantes autorizados.

• En la ecuación anterior, conociendo Gp y la Eb/I0 req para un nivel de desempeño de error, el número máximo de usuarios (interferentes) permitido en el sistema por célula es:

( )reqIE

GM

b

pmáx

0

≈

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• La ecuación antes referida, indica que para un célula muy cargada, el sistema CDMA se considera como limitado por interferencia. • Por ejemplo, si el número activo de usuarios ocupa una célula de pronto

se duplica, entonce la (Eb/I0 )rcvd esencialmente será reducida a la mitad.

• De la última ecuación puede verse que la reducción en (Eb/I0 )req tiene el efecto de incrementar el número máximo de usuarios permitibles en una células.

• En seguida se da una lista de los otros factores que influyen el cálculo final para el máximo número de usuarios permitibles por células.

• Sectorización o Ganancia de Antena (GA) • Sectores de 120º con antenas direccionales

• GA=2.5 (4dB) en el número de usuarios que pueden acomodarse.• Factor de Actividad de Voz (GV)

• Una persona habla el 60% del tiempo. Para circuitos de voz CDMA la transmisión ocupa lugar en solamente 40% cuando hay actividad

• GV =2.5(4dB) en el número de usuarios que pueden acomodarse.

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• Factor de interferencia de célula mas externa (H0)

• CDMA utiliza 100% reuso de frecuencia

• Todas las células vecinas pueden usar el mismo espectro.

• Para una interferencia Ix dentro de la célula, hay una interferencia adicional con origen desde afuera de la célula.

• Para pérdidas de propagación de señal que siguen la ley exponencia de cuarto orden (n=4), la interferencia adicional se esitma como cerca del 55% de la interferencia intracélula.

• La interferencia total es por tanto aproximadamente 1.55Ix, resultando en un factor de degradación de capacidad de usuario H0 cerca de 1.55 (1.9dB).

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• Factor de interferencia no síncrona (γ)

• Para estimar la interferencia desde otros usuarios (intracelular y fuera de célular), asumimos un conjunto idéntico de canales (mismo desempeño)

• Asumimos también que la interferencia de desesparcimiento puede aproximarse a una variable aleatoria gaussian.

• Consideramos que los usuarios se distribuyen espacialmente en una manera uniforme

• Asumismo que el control de potencia intracéular es perfecto.• El pero caso de interferencia sucede si todos interferentes son

sincronizados en chip y fase con respecto a la señal deseada.• Para enlace no sincrónico, la interferencia no siempre será el peor

caso.• Esta menor interferencia puede ser descrita por un factor γ que

modifica la ecuación última que se presentado, produciendo mas usuarios por célula que el peor caso.

• Aumiendo pulsos rectangular para la forma de los chips, γ es igual a 1.5 ; este valor cambia para diferentes chips.

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• Al usar todos los factores anteriores, GA, GV, H0 y γ (y sus valores típicos mostrados anteriormente) para determinar el máximo posible número de usuarios simultáneos por célula, M’, produce

( ) max00

max0

6MHIE

GGγGM

H

GγGM'

reqb

VApVA ≈=⋅=

• Un cómputo preciso para la capacidad en CDMA es mucho mas complejo que lo definido en la ecuación anterior. El resultado obtenido ha asumido un control de potencia perfecto y una distribución uniforme de las localidades de usuario dentro de la célula.

• Se ha despreciado el ruido térmico y no se ha previsto para la carga de tráfico dentro de una célula.

• Variaciones en el terreno no se han considerado, sino se ha modelado con la ley de cuarta potencia (n=4). Para valores menores de n, hay un potencial para interferencia mas intensa.

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