.:: La Tecnologia CDMA en Telefonia Movil (Parte I) ::.
Introducción
CDMA ha sido la tecnología emergente que ha revolucionado las comunicaciones inalámbricas en las últimas décadas, fue comercializada por Qualcom para satisfacer a los usuarios que querían una comunicación más limpia, libre de distorsión y de alguna manera transparente en las comunicaciones cuando se transita de un área de cobertura mantenida por un sistema analógico frente a otro soportado por una red digital.
En este informe, se busca exponer las principales prestaciones que ofrece CDMA, enfocada como tecnología más que una simple técnica de acceso como hasta ahora conocida. Se hará una descripción breve de conceptualización, ventajas y beneficios, la arquitectura de CDMA, la interfaz aérea, los canales lógicos y físicos, el procesamiento de la llamada, el Roaming, el proceso de Handoff y sus variantes, los modos de operación dual y analógico, la mensajería corta SMS incluyendo CDMA 2000 y su evolución.
CDMA es un término genérico que define una interfase de aire inalámbrica basada en la tecnología de espectro extendido (spread spectrum). Para telefonía celular, CDMA es una técnica de acceso múltiple especificada por la TIA (Telecommunications Industry Association) como IS-95. En marzo de 1992, la TIA estableció el subcomité TR 45.5 con la finalidad de desarrollar un estándar de telefonía celular digital con espectro extendido. En julio de 1993, la TIA dio su aprobación al estándar CDMA IS-95.
Los sistemas IS-95 dividen el espectro en portadoras de 1.25 MHz. Unos de los aspectos únicos de CDMA es que a pesar de que existe un número fijo de llamadas telefónicas que pueden ser manipuladas por un proveedor de servicios de telefonía (carrier), éste no es un número fijo. La capacidad del sistema va a depender de muchos factores.
Cada dispositivo que utiliza CDMA está programado con un pseudo código, el cual es usado para extender una señal de baja potencia sobre un espectro de frecuencia amplio. La estación base utiliza el mismo código en forma invertida (todos los ceros son unos y los unos ceros) para des-extender y reconstruir la señal original. Todos los otros códigos permanecen extendidos, indistinguibles del ruido de fondo.
Hoy en día existen muchas variantes, pero el CDMA original es conocido como CDMA -ONE bajo una marca registrada de Qualcomm. A CDMA se le caracteriza por su alta capacidad y celdas de radio pequeño, que emplea espectro extendido y un esquema de codificación especial y lo mejor de todo es muy eficiente en potencia.
Descipción de CDMA ONE
El CDMA (ONE) está reconocido mundialmente como la marca comercial para IS-95 CDMA (Code Division Multiple Access), una de las tecnologías inalámbricas más rápidas del mundo. Las redes cdmaOne actualmente sirven a más de 65 millones de suscriptores alrededor del mundo. La tecnología CDMA (ONE) ofrece a los operadores gran eficiencia espectral, excelente calidad de llamada, planeación de sistema simplificada por medio del uso de la misma frecuencia en cada sector de cada célula privacidad mejorada e incremento en el tiempo de llamada para los dispositivos portátiles.
Enfocándose a las necesidades de crecimiento para aplicaciones avanzadas de voz y datos, cdmaOne ofrece servicios de datos para paquetes conmutados en circuitos, fax digital y fax analógico, también ofrece un camino evolutivo a la tecnología de tercera generación, CDMA 2000 preservando la inversión en equipos.
Los sistemas CDMA (ONE) están basados en tecnología de acceso múltiple de espectro disperso, la cual ha ganado aceptación mundial por los operadores de red. Las redes cdmaOne tienen la habilidad de incrementar drasticamente la capacidad y la calidad en el servicio.
La tecnología CDMA ofrece a los operadores una respuesta a la demanda de capacidad en sus redes. La gran capacidad de CDMA se debe al uso de tecnología de espectro disperso, la cual codifica y dispersa todas las conversaciones a través de una banda de espectro (1.25 MHz) Este esquema permite a un gran número de usuarios compartir simultáneamente la misma portadora de 1.25 MHz. Esta técnica difiere de la utilizada para transmitir voz y datos sobre redes de Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA), la cual asigna a cada usuario una ranura de tiempo en una banda angosta de espectro.
La ganancia en capacidad provista por la tecnología cdmaOne resulta en redes rentables para los operadores de red inalámbrica. Los sistemas cdmaOne requieren un número pequeño de sitios para cubrir un área en particular, mientras dan servicio a un gran número de usuarios. Además, la baja potencia de transmisión requerida por los teléfonos CDMA se traduce en una mayor vida de la batería para los suscriptores y en más minutos de uso para los operadores.
La tecnología CDMA (ONE) mejora la calidad del servicio por medio del uso de handoffs* suaves, lo cual reduce considerablemente el número de llamadas caídas y asegura una transición suave entre llamadas. En un handoff suave se hace una conexión a la nueva célula mientras se mantiene la conexión con la célula original. Esta transición entre es indetectable para el suscriptor.
La tecnología CDMA (ONE) también toma ventaja del desvanecimiento multi-trayectoria para mejorar las comunicaciones y la calidad de voz. Utilizando un receptor rastrillo y otras técnicas de procesamiento de señales mejoradas, cada estación móvil selecciona las tres señales multi-trayectoria más fuertes y coherentemente las combina para producir producir una mejor señal.
(*) El handoff es una importante característica de las redes inalámbricas. El handoff ocurre cuando una unidad móvil abandona una celda de un área y entra a otra área. Es muy importante para las redes inalámbricas que esto sea realizado sin pérdida de datos y de manera transparente. Esto puede ser implementado usando bits en el encabezado que indiquen el PDUs antes y después del handoff.
Algunas Ventajas y Beneficios de CDMA
Beneficios
- Capacidad en ganancia de ocho a diez veces en comparación a AMPS u otros sistemas analógicos.
- Calidad de llamada mejorada con un sonido mejor y más consistente en comparación a Sistemas AMPS.
- Sistema simplificado de planeación a través del uso de la misma frecuencia en cada sector de cada célula.
- Privacidad mejorada a través de la dispersión de señales de voz.
- Características mejoradas de cobertura, permitiendo la instalación de menos células.
Ventajas
A continuación se listan algunas ventajas de la tecnología de CDMA, que la ponen muy por encima de su competidor TDMA.
Información Paquetizada
Las redes basadas en CDMA están construidas bajo protocolos basados en IP. En otro tipo de redes, el añadir equipo que soporte paquetes de datos es costoso y requerirá también equipo terminal que lo soporte. El estándar CDMA-One ya incorpora en sus terminales los protocolos TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol) y PPP (point to point protocol).Seguridad y Privacidad
La técnica de espectro extendido es muy utilizada para aplicaciones militares donde la seguridad de las conversaciones y protección de los datos es importante. En un ambiente de negocios también es vital los aspectos de seguridad y privacidad. Diseñado con alrededor de 4.4 trillones de códigos, CDMA virtualmente elimina la clonación de dispositivos y es muy difícil capturar y descifrar una señal.Control del Nivel de Potencia
El control de la potencia es otro beneficio de los sistemas de CDMA. Empleando técnicas de procesamiento de señales, corrección de error, etc., CDMA supera el problema de la potencia con una serie de ciclos de retroalimentación. Con un control automático de la ganancia en las terminales y una supervisión constante del nivel de señal a ruido y tasas de error en la radio base, picos en el nivel de potencia son regulados con circuitería electrónica que ajusta la potencia a una razón de 800 veces en un segundo. Esto tiene gran repercusión en el ajuste dinámico del tamaño de las celdas . En una celda congestionada, la potencia de todas las terminales se elevaría creando interferencia mutua. En el margen, las transmisiones a alta potencia inundarían a las celdas vecinas donde estas podrían ser tomadas por la radio base adyacente. En una celda con poca densidad, la potencia es tan baja que la celda se reduce efectivamente, transmitiendo sin interferencia hacia las celdas vecinas mejorando el desempeño de las mismas. Este tipo de ajustamiento dinámico en el tamaño de las celdas es imposible en TDMA, donde las celdas adyacentes utilizan diferentes frecuencias. Se ha comprobado en diversos estudios, que CDMA es cientos de veces más eficiente en potencia que TDMA.Bajo Consumo de Potencia y Baterías más Duraderas en las Terminales
Debido al sistema de retroalimentación de CDMA que mantiene la potencia al más bajo nivel permisible, las terminales consumen menos potencia y son más pequeñas y las baterías de CDMA duran mas tiempo que las de TDMA.Amplia Cobertura con Pocas Celdas
La señal de espectro extendido de CDMA provee gran cobertura en la industria inalámbrica, permitiendo a los carriers la instalación de menos celdas para cubrir un área más extensa. Pocas celdas significan para los carriers mucho ahorro en infraestructura de radio bases. Dependiendo de la carga del sistema y de la interferencia, la reducción de celdas es 50% menor en CDMA que en sistemas como GSM basado en TDMA. Es preciso notar que la reducción de celdas sólo es válida para operadores que empezaron desde un principio con CDMA. Operadores que utilizan sistemas analógicos o basados en otras tecnologías deberán redistribuir las celdas CDMA con las celdas ya existentes.Pocas Llamadas Caídas
La transferencia de celdas (handoff) de CDMA, método para transferir llamadas entre celdas reduce inteligentemente el riesgo de interrumpirlas durante una transferencia. El proceso conocido como transferencia suave o transparente (soft handoff) entre celdas conduce a pocas llamadas caídas ya que 2 o 3 celdas están monitoreando la llamada todo el tiempo. La transferencia entre celdas es transparente al usuario debido a que como todos los usuarios están utilizando el mismo espectro, es más fácil moverse de una celda a otra sin que el subscriptor sé de cuenta.Resistencia a la Interferencia, Ruido del Ambiente y Multitrayectorias
Las multitrayectorias en CDMA en vez de ocasionar problemas con la señal, la fortalece más. Esto conduce a una casi eliminación de la interferencia y desvanecimiento. Ambos, el ruido eléctrico de fondo y ruido acústico de fondo son filtrados al usar ancho de banda angosta que corresponde a la frecuencia de la voz humana. Esto mantiene al ruido de fondo fuera de las conversaciones. En TDMA por el contrario, por ser basada en el tiempo, las multitrayectorias son un problema. Señales que vienen de distintas trayectorias a desfasadas en el tiempo ocasionan que están interfieran a las ranuras adyacentes haciendo que se interfieran las llamadas y se caigan.Implantación más Rápida
Los sistemas CDMA pueden ser implantados y expandidos más rápidamente debido a que requieren de menos celdas. Pocas celdas significan para los operadores menor gasto de inversión y operación.Ancho de Banda en Demanda
El canal de 1.25 MHz de CDMA provee un recurso común a todas las terminales en un sistema de acuerdo a sus propias necesidades, como podría ser voz, fax, datos u otras aplicaciones. En un tiempo dado, la porción de este ancho de banda que no sea usada por una terminal, estará disponible para otro usuario. Debido a que CDMA utiliza una porción grande de espectro repartida entre varios usuarios, provee flexibilidad en el ancho de banda para permitir servicios en demanda. Bajo TDMA donde los canales son fijos y pequeños, esto no es posible. En forma general, está comprobado que CDMA es de 3 a 6 veces más eficiente en ancho de banda que TDMA.Compatibilidad hacia Adelante y hacia Atrás
Las terminales que funcionan bajo CDMA son compatibles con su versión antecesora. Una terminal de tercera generación, cdma2000 por ejemplo, es compatible con cdma-One de segunda generación. La compatibilidad hacia adelante se realiza sustituyendo un simple chip en la terminal. Una terminal con cdma-One puede actualizarse a cdma-2000, sustituyendo el únicamente el chip principal. Esto evita la compra de una nueva terminal para acceder a los nuevos servicios.Calidad de Voz Mejorada
Sofisticados esquemas de control y corrección de error hace que las tramas de información sean interpretadas correctamente. Por otro lado, sofisticados codificadores de voz (vocoders) la codifican a altas velocidades y reducen el ruido de fondo. La transferencia suave entre celdas es otro factor que eleva la calidad de la voz en una conversación. El control preciso de los niveles de potencia asegura que todas las terminales cercanas al nivel óptimo provean la calidad de voz más alta posible.Tecnología Ampliamente Reconocida
Existen más de 75 fabricantes de tecnología CDMA en el mundo, además existen hoy en día más de 80 millones de usuarios que utilizan la tecnología de CDMA.
Las Tecnologías Basadas en CDMA
A nivel mundial existen muchas propuestas para proveer servicios de banda ancha basadas en la tecnología CDMA. Por ejemplo Qualcomm (EUA) está promoviendo cdma2000, Ericsson (Europa) y NTT DoCoMo (Japón) con WCDMA (Wideband CDMA). En Corea, por su parte están promoviendo WCDMA TTA I y TTA II para servicios de 3G
La tecnología CDMA
En telefonía celular, CDMA es una técnica de acceso múltiple digital especificada por la Asociación de Industria de Telecomunicaciones (TIA) como "IS-95." La TIA aprobó el estándar CDMA IS-95 en julio de 1993.
Los sistemas IS-95 dividen el espectro radioeléctrico en portadoras de 1.25 MHz de ancho de banda.
CDMA usa una tecnología de Espectro Ensanchado, es decir la información se extiende sobre un ancho de banda muyo mayor que el original, conteniendo una señal (código) identificativa.
Una llamada CDMA empieza con una transmisión a 9600 bits por segundo. Entonces la señal es ensanchada para ser transmitida a 1.23 Megabits por segundo aproximadamente. El ensanchamiento implica que un código digital concreto se aplica a la señal generada por un usuario en una célula. Posteriormente la señal ensanchada es transmitida junto con el resto de señales generadas por otros usuarios, usando el mismo ancho de banda. Cuando las señales se reciben, las señales de los distintos usuarios se separan haciendo uso de los códigos distintivos y se devuelven las distintas llamadas a una velocidad de 9600 bps.
Los usos tradicionales del espectro ensanchado son militares debido a que una señal ensanchada es muy difícil de bloquear, de interferir y de identificar. Esto es así porque la potencia de estas señales esta distribuida en un gran ancho de banda y solo aparecen como un ruido ligero. Lo contrario ocurre con el resto de tecnologías que concentran la potencia de la señal en un ancho de banda estrecho, fácilmente detectable.
Sincronización
En la fase final del radio enlace, sentido estación base - móvil nuestra llamada no se transmite de forma continua. Cada cierto tiempo se conmuta entre los distintos usarios y se transmite parte de su llamada con el pseudo código correspondiente. Este proceso se debe repetir continuamente para que un usuario no pierda la llamada al no reconocer su código concreto. Por ello las estaciones base deben estar sincronizadas con una referencia de tiempo común.
El Sistema del Posicionamiento Global (GPS) usa esta técnica de sincronización. GPS es un satélite basado en un sistema de radionavegación capaz de proporcionar mediante medios prácticos y económicos la posición, velocidad, y tiempo a un número ilimitado de usuarios, de forma continua.
Estándar para Celulares CDMA (IS-95 )
El estándar IS-95 ha sido definido por la TIA (Telecommuniations Industry Association) de Estados Unidos, y es compatible con el plan de frecuencias existente en los Estados Unidos para la telefonía celular análoga. Las bandas especificadas son 824 Mhz - 849 Mhz para reverse-link y 869 Mhz - 894 Mhz para forward-link. Los canales están separados por 45 Mhz. La velocidad máxima de usuario es de 9.6 Kb/s, y se ensancha a un canal de 1.2288 Mchip/s. El proceso en ensanche es diferente para cada enlace. En el forward-link los datos son codificados con un código convolucional (1/2), mezclados (interleaved), y se ensanchan con una secuencia de 64 bits (funciones de Walsh).
A cada móvil se le asigna una secuencia diferente. Se proporciona, además, un canal piloto (código) para que cada móvil pueda determinar cómo actuar con respecto a la base. Este canal tiene mayor potencia que todos los demás y proporciona una base coherente que usan los móviles para demodular el tráfico. También proporciona una referencia de tiempo para la correlación del código. En el reverse-link se utiliza otro esquema pues los datos pueden llegar a la base por caminos muy diferentes. Los datos son codificados con un código convolucional (1/3). Después de mezclados, cada bloque de 6 bits se usa como un índice para identificar un código de Walsh. Finalmente se ensancha la señal utilizando códigos que son específicos del usuario y de la base.
El control de potencia se lleva a cabo en pasos de 1 dB, y puede ser de dos maneras: Una es tomar como referencia la potencia recibida de la estación base. La otra es recibir instrucciones de la base sobre el ajuste que se debe llevar a cabo. Finalmente, vale la pena anotar que la señal que se transmite se modula utilizando la técnica QPSK filtrado de la base al móvil y QPSK filtrado con un desplazamiento del móvil a la base.
Estandarización
CDMA2000 es la solución de 3era Generación basada en IS-95. A diferencia de otros estándares de 3G, CDMA2000 es una evolución de un estándar inalámbrico existente. CDMA2000 provee servicios de tercera generación como está definido por la ITU (International Telecommunications Union) en la IMT-2000. Las redes 3G proporcionarán servicios inalámbricos con mejor desempeño, gran rentabilidad y más contenido. La meta es acceder a cualquier servicio, en cualquier lugar, a cualquier hora desde una terminal.
CDMA2000 es una solución para operadores de redes inalámbricas que desean tomar ventaja de las nuevas dinámicas del mercado creadas por la movilidad y la Internet. CDMA2000 es tanto una interfaz de aire como una solución de red para proporcionar los servicios que los clientes demandan el día de hoy. Estos servicios son referidos comúnmente como 3G CDMA2000 y 3G son sinónimos.
CDMA2000 es parte de la familia de Acceso de Radio de Interfases de Aire acordadas bajo el Operators Harmonization Group para promover y facilitar la convergencia de redes de tercera generación (3G). Una meta del grupo de armonización es la de proveer roaming global entre las distintas modalidades de CDMA 3G CDMA2000 y WCDMA. El uso de Ericsson de tecnologías comunes nos permite manejar toda la familia de CDMA 3G.
La Unidad de Negocios de Sistemas CDMA de Ericsson en San Diego es la unidad líder de Ericsson para el desarrollo en productos de infraestructura CDMA2000.
CDMA2000 está diseñado para disminuir los riesgos, proteger la inversión y proporcionar desempeño significante a los operadores conforme sus redes evolucionan para ofrecer servicios 3G. Las redes CDMA2000 son compatibles con las redes cdmaOne, lo cual protege las inversiones de los operadores cdmaOne y provee una migración simple y económica a la siguiente generación. Además, las redes CDMA2000 ofrecen mejoras en la calidad de voz y soporte para servicios de datos multimedia.
Hasta la próxima entrega…
Actinio89
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