Ingeniería de Sistemas CDMA

Curso 2002

Comienzo del curso: miércoles 7 de agosto de 2002

Horarios: miércoles y viernes de 8:15 a 10:00 hs

Salón de seminarios del IIE

Contacto: cdma@iie.edu.uy

La tecnología de acceso múltiple por división en el código (Code Division Múltiple Access) se viene aplicando exitosamente en sistemas celulares desde hace varios años.

En los dos últimos años el interés por la tecnología ha crecido sustancialmente desde que quedó claro que las dos propuestas sobrevivientes para sistemas celulares de tercera generación, cdma2000, y WCDMA se soportarían en esta tecnología.

En este curso se introduce de manera genérica la tecnología CDMA y se analiza en detalle el sistema IS95A que es la implementación de CDMA actualmente existente. En un pequeño seminario de dos sesiones se presentan también los principales lineamientos de cdma2000 y WCDMA.

El curso está organizado en 21 sesiones regulares de 1h, 45m, y dos sesiones seminarias de igual duración para tratar las tecnologías cdma2000 y WCDMA.

Número de horas

Objetivos

Conocimientos previos exigidos y/o recomendados

Estudios en ingeniería eléctrica, ingeniería en telecomunicaciones o conocimientos equivalentes adquiridos en el ejercicio profesional.

Cupo

Profesores a cargo

Derechos universitarios

Programa

Módulo I, conceptos básicos de CDMA e IS95A (7 clases)

En este módulo se presentarán los conceptos básicos asociados a sistemas CDMA, se comenzará con una introducción al tema mostrando los puntos más importantes a analizar en el módulo. Se presentará también las características de propagación propias de un ambiente celular.  

Se trabajará sobre los códigos ortonormales y las secuencias pseudoaleatorias explicando sus propiedades y su uso en los sistemas IS-95A.

El sincronismo como problema fundamental que condiciona las características del sistema será introducido en este módulo en el cual se culminará reuniendo la información presentada para mostrar cómo se realiza la comunicación en IS95-A

Al finalizar el módulo se pretende una comprensión clara de la estructura de los enlaces así como de cuáles son los principales aspectos a tener en cuenta para implementaciones reales.

Introducción (1 clase)

        Objetivo

Introducir el concepto básico de separación de usuarios por dispersión en el espectro con secuencias directas (direct sequence spread spectrum) mediante el uso de códigos ortonormales y secuencias pseudoaleatorias. Destacar las diferencias entre estos dos maneras de separar usuarios. 

Analizar la estructura de los enlaces directo e inverso (forward y reverse) de acuerdo al estándar IS95-A.

La gestión de ruido es el concepto fundamental en la operación de un sistema celular CDMA, así como el control de interferencia lo es en un sistema analógico o TDMA/GSM. Se analizará la justificación de esta afirmación así como sus implicancias prácticas.

        Temas

Propagación en ambientes celulares (2 clases)

        Objetivo

Rara vez en un sistema celular el usuario está conectado con una señal que le llega en forma directa desde la celda. En general la comunicación se establece con varias señales llegadas por diversos caminos, luego de múltiples reflexiones y refracciones. 

Se presentarán las características únicas del ambiente de propagación celular, y los modelos empíricos utilizados para modelarla.

Se analizarán tres fenómenos típicos de propagación como son la interposición de obstáculos, el fading rápido y la diversidad de caminos. Veremos como impactan estos fenómenos en el desempeño de sistemas CDMA.

        Temas

Códigos (1 clase)

        Objetivo

El funcionamiento de CDMA se basa en códigos ortonormales y secuencias pseudoaleatorias utilizados para separar a los distintos usuarios. En esta clase se analizará la generación, propiedades, y aplicación de ambos tipos de códigos  

Los códigos ortonormales logran una separación perfecta entre señales pero para su aplicación requiere el sincronismo de las transmisiones y por eso se aplican en el enlace directo (celda a teléfono). Las secuencias pseudoaleatorias logran una separación estadística, pero son relativamente insensibles a los problemas de sincronismo, y por eso se aplican en el enlace inverso (teléfono a celda).

        Temas

Retardo de propagación y sincronismo (1 clase)

        Objetivo

La velocidad de la luz es grande pero el tiempo de bit es corto por  lo que es usual que la señal recibida esté retrasada varios bits respecto de la señal transmitida. En esta clase se analizará la forma en que el móvil logra encontrar y mantener el tiempo del sistema.  

En el enlace inverso tenemos el problema adicional de las diferencias de retardo de propagación en las señales que llegan a la celda desde distintos móviles. Veremos como se resuelve este problema con el uso de distintos offsets del Long PN (secuencia pseudoaleatoria larga)

        Temas

Comunicación en IS95A (1 clase)

        Objetivo

Hasta este momento analizamos varios aspectos relacionados con la comunicación en CDMA. En esta clase uniremos los conceptos anteriores para mostrar el cuadro completo de la comunicación en un sistema IS95A

        Temas

Sincronismo en IS95A  (1 clase)

        Objetivo

Tanto para el móvil como para la celda es fundamental conocer el retardo de propagación pues este es necesario para aplicar la secuencia de de-spreading. Este problema puede plantearse como un problema de sincronismo sólo que el móvil en vez de estar sincronizados con el tiempo de la celda está sincronizado con un tiempo corregido por el retardo de propagación.  

La adquisición y el mantenimiento del sincronismo se analizarán en detalle en esta clase.

        Temas

Módulo II, aspectos avanzados de sistemas CDMA reales (9 clases)

El material analizado en el módulo I es muy interesante, pero tiene el inconveniente de no funcionar. Para implementar un sistema CDMA real se deben resolver varios problemas. Básicamente son cuatro esos aspectos que analizaremos en este módulo, Estructura de canales lógicos, Control de Potencia, Soft Handoff, y Call Processing.

Es intención de este módulo redondear una presentación razonablemente completa del uso de la tecnología CDMA en sistemas celulares IS95A.

Estructura de canales lógicos (1 clase)

        Objetivo

Aparte de la voz existen otras cosas que se necesitan transmitir entre las celdas y el teléfono, cada una de estas cosas se traduce en un distinto canal lógico.  

En el enlace forward se transmite una señal de referencia (pilot), información de sincronismo (sync), datos de administración (page), y por supuesto voz (tráfico). En el canal reverse hay un canal para iniciar llamadas (acceso), y otro para transmitir voz (tráfico).

En esta clase se analizan estos canales y se presenta la estructura del transmisor. Especial atención se presta al efecto que en la frecuencia tienen las etapas de control de error y spreading. Por último se describe la etapa de modulación.

        Temas

Control de Potencia (2 clases)

        Objetivo

Debido a las diferentes distancias a la celda de los distintos usuarios, la potencia recibida por la celda varía en varios órdenes de magnitud, suponiendo que la potencia transmitida permanece constante.  

Esto causaría grandes variaciones en la calidad percibida por distintos usuarios (recordemos que cada móvil aparece como ruido a los demás), situación claramente inadmisible. Para evitar que esto ocurra y para mantener la potencia transmitida en el mínimo necesario se implementa el control de potencia.

El control de potencia se distingue en al menos tres etapas de la comunicación, durante el acceso en el canal reverse, y durante la llamada en los canales reverse y forward. Se analizará la necesidad e implementación del control en cada una de estas tres etapas.

La más importante de ellas es el control durante la llamada en el canal reverse dónde se aplica un mecanismo realimentado para mantener la potencia transmitida bajo control de la celda. Esto se conoce como control de potencia en lazo cerrado y se aplica 800 veces por segundo.

        Temas

Soft Handoff (3 clases)

        Objetivo

De las novedades introducidas con los sistemas IS-95A el soft handoff es si no la más importante la que más tiempo ocupa en la operación de un sistema celular CDMA. El Soft Handoff se refiere a la posibilidad de que una llamada se esté cursando con más de una celda a la vez.

En todo sistema celular una parte importante de su diseño es saber como se transfiere el control de una llamada a medida que el usuario se mueve de la zona de influencia de una celda a la zona de influencia de otra celda. En los sistemas tradicionales la comunicación se interrumpe en una celda y rápidamente se reinicia en otra.  

En CDMA la comunicación se mantiene momentáneamente con dos (o más) celdas. Esto genera cierto desperdicio de recursos pero redunda en una mejor calidad de la llamada.

El Soft Handoff se relaciona muy de cerca con la diversidad de caminos (multipath), esta conexión se analizará en detalle a la vez que se verá la implementación del receptor “Rake” (rastrillo) que resuelve a la vez los problemas de multipath y el Soft Handoff.

Por último se analizará en detalle la implementación del Soft Handoff, incluyendo los temas de búsqueda de pilotos, listas de vecinos, ventanas de búsqueda, y algoritmos de incorporación y eliminación de pilotos.

        Temas

Call Processing (3 clases)

        Objetivo

En todo sistema de telecomunicaciones existe un mecanismo destinado al establecimiento, mantenimiento y terminación de la comunicación. Usualmente eso se conoce como procesamiento de llamadas (Call Processing).  

Se trata de un tema árido, pero existen al menos tres motivos que justifican la necesidad de tratarlo. En primer lugar clarifica conceptos previos, y redondea el tratamiento del curso. En segundo lugar, en la eventualidad de que trabajen con un sistema IS-95A el análisis de mensajes de call processing es una tarea habitual de optimización. En tercer lugar el call processing en cdma2000 y WCDMA (propuestas de tercera generación) es bastante similar.

Se analizarán las actividades típicas de call processing que incluyen adquisición del sistema, originación y terminación de llamadas, y handoff.

        Temas

Módulo III, Ingeniería de sistemas CDMA (5 clases)

La actividad que se desarrolla en Uruguay en sistemas celulares apunta fundamentalmente al sistema como un todo, lo que normalmente se conoce como “Ingeniería de Sistema”.

Luego del panorama razonablemente completo sobre CDMA que se construyó en los dos módulos anteriores, dedicaremos este a presentar las actividades que componen la Ingeniería de Sistemas CDMA.

Diseño (2 clases)

        Objetivo

De las tareas de operación la primera que debemos realizar es la etapa de diseño del sistema. En esta etapa se definen las características de radiación, así como los principales parámetros del sistema.  

Se analizan las nociones básicas que aseguran un correcto nivel de radiación a lo largo del sistema, y los parámetros que deben analizarse para asegurar un desempeño razonable. Los problemas de polución de pilotos, y el factor de Soft Handoff se analizan independientemente por su especial significancia.

Por último se reserva un espacio para el tratamiento de la planificación de PN offsets.

        Temas

Performance (2 clases)

        Objetivo

Los sistemas CDMA logran excelentes resultados mediante el uso de una tecnología compleja. El funcionamiento correcto del sistema requiere, por tanto, de un importante trabajo de puesta a punto y mantenimiento para llevar el sistema a su punto óptimo.  

Los puntos fundamentales a optimizar son el control de potencia y el algoritmno de soft habdoff que se analizan en estas clases. También se reserva un espacio para analizar los problemas más comunes que se enfrentan en el sistema.

        Temas

Ingeniería de tráfico (1 clase)

        Objetivo

Existen cuando menos tres recursos que pueden escasear en los sistemas CDMA, canales de conversación, espectro, y capacidad en el sentido usual.

Esto es por cierto diferente de los sistemas telefónicos tradicionales por lo que se dedica este espacio para estudiar esa peculiaridad.

        Temas

 

Módulo IV, Seminario. Sistemas CDMA de tercera generación  (2 sesiones)

Las dos propuestas en estudio para sistemas celulares de tercera generación son soportadas en tecnología CDMA. Estas propuestas se conocen como cdma2000 y WCDMA (Wideband-CDMA).  

Estas tecnologías son en esencia iguales a IS-95A, que por eso también se ha comenzado a denominar como cdmaOne, pero por supuesto difieren en todos los detalles en los que podrían diferir.

Hablar tanto de cdma2000 como de WCDMA implicaría al menos un curso entero, la idea de este módulo es por el contrario ofrecer una descripción muy breve de estas dos tecnologías.

Cdma2000 (1 clase)

        Objetivo

Cdma2000 es la propuesta Norteamericana para sistemas celulares de tercera generación y es una variación menor respecto de IS-95A. Su desarrollo está pautado en dos etapas conocidas como cdma2000-1X, y cdma2000-1XEV.  

Desde el punto de vista de la tecnología CDMA propiamente dicha sólo se producen mejoras menores como ser un mejor algoritmo de soft handoff. Por otra parte se toma ventaja de las mejoras tecnológicas para mejorar la capacidad del sistema

El cambio fundamental es en la arquitectura dónde se integran ciertas variantes destinadas a favorecer la comunicación de datos. En esta clase se realiza una breve descripción de los cambios arquitecturales, y de las mejoras tecnológicas introducidas en cdma2000

        Temas

WCDMA (1 clase)

        Objetivo

WCDMA es la propuesta Europea, y es una variación más importante respecto de cdmaOne, básicamente se diferencia en el uso de una tasa de spreading más alta (4.096 Mcps), y en el hecho de que el canal forward es asíncrono al igual que lo es el canal reverse en IS95A.  

En esta clase se describe la tecnología desde el punto de vista físico, y se presenta una breve descripción de la arquitectura utilizada para soportar transmisión de datos en modo paquete.

        Temas