6 CDMA y Wimax

Carlos García GodosRedes inalámbricas y Sistemas Móviles

Redes Inalámbricas y Sistemas Móviles

Lima 14 de Octubre 2010

Capítulo VI

Redes CDMA


1

Índice

01 Historia y Mercado

02 Spread Spectrum

03 Conceptos CDMA

04

05

06


2

Historia y Mercado

01



Page 3

Despliegue en el mundo

338 operadores en 125 países

CDMA2000 serves a diverse set of needsacross developed and emerging markets:


CDMA450

4


Evolución de CDMA

5


6

Spread Spectrum

02



7

Spread SpectrumTécnica en la cual el ancho de banda de transmisión W tiene una relación

con el ancho de banda del mensaje:

W >> R

Logra alunos objetivos como:

• Dificil de rastrear

• Mayor capacidad


8

Aplicaciones de Spread Spectrum

AntijammingMultiple accessbaja detectabilidadPrivacidad de mensajesLlamadas selectivasIdentificaciónNavegaciónProtección multipath


Tipos de Spread Spectrum (1)

Frequency Hopping

• Slow Frequency Hopping - multiple symbols per hop

• Fast Frequency Hopping - multiple hops per symbol


10

Tipos de Spread Spectrum (2)Direct Sequence

Transmitter side of system


SS de Secuencia Directa

11


12

Conceptos CDMA

03



Qué es CDMA?

• Acceso Múltiple por Diferenciación de Código (CDMA) es una tecnologíainalámbrica digital que fue inventada y desarrollada comercialmente porQUALCOMM.

• CDMA opera convirtiendo las conversaciones en información digital, la cuales transmitida como una señal de radio sobre una red inalámbrica.

• Utilizando un código único para distinguir cada llamada, CDMA permite queun mayor numero de personas compartan las ondas de aire al mismo tiempo,sin problemas de estática, cruce de llamadas o interferencia.


Propiedades Básicas

Los usuales 12.5 MHz de las bandas celulares pueden partirse en hasta 10portadoras:

• Un “carrier” CDMA es de 1.25 MHzx 2

• Factor de reuso de frecuencias: 1

• La tasa de Tx es de 1.2288 Mbps (chips no bits).

• Multipath fading es aprovechado por CDMA, debido a su diversidad deespacioReceptores RAKE son utilizados para combinar la salida devarios receptores de señal

14


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Spreading Codes

Es deseable que cada señal enviada por los usuariosaparente ser ruido. específicamente debe parecer unruido gaussiano

Dichas señales deben ser construidas a partir de unnúmero finito de parámetros seleccionadosaleatoriamente para ser realizable

La misma señal debe ser generada en le receptor conuna sincronización perfecta


Tipos de Códigos

64 bit Walsh codes son utilizadas para contar con 64 canales ortogonalesdentro de una carrier-celda

Además de los Walsh codes, dos códigos adicionales son utilizados::

Long PN (Pseudo Noise) code: generadoa a partir de un registro dedesplazamiento de 42 bits:

• Se cuenta con 2^42-1=4.398x1012 códigos distintos utilizados para:

› Data scrambling/encriptación en el canal directo (DL)

› Data spreading y encriptación en el canal de retorno (UL)

Short PN code: generados a partir de un registro de desplazamiento de15 bits:

• Se cuenta con 2 ^15-1=32,767 códigos son utilizados para:

• Sincronización en UL y DL

• Identificación de celdas en el DL (celdas adyacentes utilizan distintos offsets

• El chip rate es de 1.2288 Mcps

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17

Propiedades deseables de los códigos PN

• - Of the 2r - 1 terms, 2r-1 are one and 2r-1–1 are zero. Thus the unbalance is 1/P. For r=50; 1/P 10-15

Balance property

• 1/2 with length 1



• 1/2n with length n

Run property -

• The number of disagreements exceeds the number of agreements by unity. Thus again the discrepancy is 1/p

Autocorrelation property -


Longitud Máxima de un generador PN

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1ia2ia

321 iii aaa


19

Número de M secuencias

Shift reg. Length (n) Seq. Length Nn2 1 # of sequences

2 3 1

3 7 2

4 15 2

5 31 6

6 63 6

7 127 16

8 255 16

9 511 48

10 1023 60

11 2047 176

12 4095 144

13 8191 630

14 16,383 756

15 32,767 1800

16 65,535 2048

17 131,071 7710

18 262,143 8064

19 524,287 27,594

20 1,048,575 24,000


20

Gold Codes

M-seq. 1


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Propiedades deseables de los Códigos Ortogonales

• Cuando dos secuencia sortogonales son multiplicadas y luego integradas le resultado es cero. Entonces si se usan para la canalizaciópn , teóricamente no había MAI, exepto por el multipath.

Buena autocorrelación

• Para mantener una interferencia multiacceso bajamala

crosscorrelation

Disponibilidad de alto número de

secuencias


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Autocorrelación

Grado de correspondencia entre una señal y ellamisma desfasada

C k a an n k

n

N

( )1

}1,1,1,1,1{}{ ka


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Walsh-Hadamard Codes

]0[1H10

002H

0110

1100

1010

0000

4HNN

NN

NHH

HHH2

Replace zeros by -1 and observe that

the sum of products of two rows is zero.

Shifted versions may not be orthogonal.


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Walsh Sequences of Order 16

W0 = 00000000 00000000

W1 = 00000000 11111111

W2 = 00001111 11110000

W3 = 00001111 00001111

W4 = 00111100 00111100

W5 = 00111100 11000011

W6 = 00110011 11001100

W7 = 00110011 00110011

W8 = 01100110 01100110

W9 = 01100110 10011001

W10 = 01101001 10010110

W11 = 01101001 01101001

W12 = 01011010 01011010

W13 = 01011010 10100101

W14 = 01010101 10101010

W15 = 01010101 01010101


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Códigos ortogonales de longitudvariable

}1{)1(1C

}1,1{)1(2C

}1,1{)2(2C

}1,1,1,1{)1(4C

}1,1,1,1{)2(4C

}1,1,1,1{)3(4C

}1,1,1,1{)4(4C

)1(8C

)2(8C

)3(8C

)4(8C

)5(8C

)6(8C

)7(8C

)8(8C


26

Modulación y Canales CDMA

01



27

Modulación en el canal Forward


28

Modulación Canal Forward


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30

Modulación en el UL

La señal es ensanchada (spreaded) por el ShortPN (a la misma tasa)

PN con offset de Cero es usado para todos losmóviles

El código largo sí tiene distinto desfase porusuario


31

Reverse Link Modulation


32

Traffic Channel UL


33

Factores para el Control de potencia

• Debido a la atenuación de canal. pueden existir variaciones de hasta 80 dB

• Se requiere un alto rango de variaciones de potencia

Propagation loss

• En promedio el ratio es de 1 desvanecimiento por segundo para cada milapor hora de desplazamiento del móvil

• La potencia se atenúa hasta en 30 dB

• El power control debe combatir el fading

ChannelFading

El objetivo del CDMA es maximizar el número de usuarios en la celdaLa capacidad se maximiza manteniendo el ratio SNR al mínimo aceptableLa potencia transmitida por el móvil debe ser controlada potencia de TX suficiente para mantener el target de BER: No más no menos


Tipos de Control de potencia

Open Loop Power Control (on FL)

to send just enough power to reach users at the cell edge

• Estado del canal en el DL es estimado por el móvil

• Se mide la potencia del canal piloto

• Potencia de Tx en UL es inversamente proporcional a mla medida del piloto

• Potencia del móvil = Constante –potencia recibida

• Funciona bien si el UL y DL son altamente correlacionados

• Variación de distancia y pérdidas de propagación es muy lentas

• No es cierto para Rayleigh Fading.

Closed Loop Power Control (on RL)

to overcome the „near-far‟ problem in DS-CDMA

• Medidads de la señal en FL como aproximación

• BTS mide la potencia de llegada

• La medida se compara con el target de Eb/no (power control threshold)

• Se ordena aumento /rediucción de potencia al móvil

• Lo más rápido posible para evitar multipath fadding

34


35

Diversidad en combinador

Selection Diversity (SD)

Equal Gain Diversity (EGC)

Maximal Ratio Combining (MRC)

MRC is an optimal form of diversity

RAKE receiver in IS-95 is a form of MRC


36

Selection Diversity Combining


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Equal Gain Combining (EGC)

L

l 1


38

Maximal Ratio Combining(MRC)

Similar a EGC

En MRC – cada canal es multiplicado por un valor proporcionala la raíz cuadrada de la SNR del canal

Da una combinación óptima

Output SNR

Necesita conocer SNR de cada canal , así como la fase de laseñal de diversidad

ii SNRg

L

i

iSNR1

)(


39

MRC

α Φ

α Φ

α Φ

L

l 1


40

Receptor RAKE

Multi-path diversity channels

Problema• Aislar varias señales multipath

› Cómo se hace?

Si el máximo delay spread (por multipath) es Tm y el chip ratees:

los componentes multipath pueden ser aislados

La amplitud y fase de lso componentes multipath son halladoscorrelacionando la señal recibida con las versiones retardadasde la misma

Multi-path con retardos menores que 1/Tc no se puedenresolver

mc TW

T

11


41

Rake Receiver (contd…)

–Search receiver indicates where in time the strongest replicas

of the signal can be found


Qué es CDMA2000 1X?

Es el primer estándar comercial de tercera generación del IMT-2000

Mayor capacidad de voz (más de 6 veces la capacidad de GSM)

26 a 29 Erlangs/sector/1.25 MHz (35 a 38 canales/sector/1.25 MHz)

Transmisión de datos por paquete

153.6 kbps pico (Versión 0)

307.2 kbps pico (Versión A)

Duración de batería en espera 50% mayor

Compatible con cdmaOne

Calidad de voz calificada como “excelente”

Mayor cobertura


43

Arquitectura y Canales CDMA

02



Arquitectura CDMA


Canales CDMA IS95

45


Canales CDMA2000 DL

46

Forward CDMA channel

Pilot channel

Pilot Auxiliary Pilot

Sync ChannelPaging

Channel

F-QPPH F-PCH - F-CCH F-BCCH

TrafficChannel RS1,

RS2

Fundamental channel

TrafficChannel RS3,

RS4

Fundamental Code Channel

SuplementalCode Channel


Canales CDMA DLEl pilotoCanal Abreviatura Propósto

Forward Pilotchannel

F-PICH Da información de tiempo y fase a los móviles de una celdaEs una secuencia de “0”Usa el Walsh 0Es transmitido de forma permanente en cada celda,.

Transmit Diversitychannel

F-TDPICH Opcional: The Transmit Diversity Pilot Channel

Auxiliary PilotChannel

F-APICH Opcional: Usado en aplicaciones beamforming

Auxiliary Transmit Diversity Pilot Channels

Opcional: Se usa cunado existe diversidad en la Tx

Auxiliary Dedicated Pilot Channel

Opcional: un piloto dedicado a un sólo usuario, para mejorar su velocidad de Tx

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Canales CDMA DL (2)

48

Canal Abreviatura Propósto

Sincronía F-SYNC Usa el W32Para obtener el tiempo de sincronía

Canal de Paging F-PCH Información de control, asignación de canales, mensajes de ACK y requerimientos de status9.6 kbps o 4.8 kbps

Paging rápido FQPCH Usado cuando se queire estar en contacto en modo slotted. es usado 80 ms antes del paging como advertencia

CommonControl Channel

F-CCCH Para establecer comunicación entre capa MAC y capa 3

Fundamental F-FCH Canal de tráficoUsan los códigos ortogonales.Frames de 20 y 5 ms y velocidades de hasta 14.4 kbps

Suplementario F-SCH Canal de tráfico exclusivo para datosDesde 9 a 307 kbps


Canales CDMA UL

49

Reverse CDMA

Channles

PilotAccess R-

CCCH

TrafficChannelRS1,RS2


TrafficChannel RS3-

RS6


SuplementalCode Channel


Canales CDMA UL (2)

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Canal Abreviatura Propósto

Piloto R-PICH Valor de referencia coherente einformación de control de potencia para el multiplexado del UL. Los MS insertan un Reverse Control Subchannel para la calidad del forward (1 bit cada 1.25 ms)

Acceso R-ACHR-CCCH

Información para acceder a la red

Fundamental R-FCH Tráfico de voz

Suplementario R-SCH Tráfico de vos


51

Hand off

02



52

Handoff in CDMA System

Soft Handoff•Mobile commences Communication with a new BS without

interrupting communication with old BS

•same frequency assignment between old and new BS

•provides different site selection diversity

Softer Handoff•Handoff between sectors in a cell

CDMA to CDMA hard handoff•Mobile transmits between two base stations with different

frequency assignment


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Soft Handoff- A unique feature of CDMA Mobile

Advantages

Contact with new base station is made before the call isswitched

Diversity combining is used between multiple cell sites

• additional resistance to fading

If the new cell is loaded to capacity, handoff can still beperformed for a small increase in BER

Neither the mobile nor the base station is required tochange frequency


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Soft Handoff Architecture


CDMA 2000 Forward Link

Dedicated Channels:

cdmaOne: Forward Fundamental Channel (F-FCH)

• Primarily for voice, but may carry data up to 14.4kbps.

IS-95B (2.5G): Up to 7 Forward Supplemental Code Channels (F-SCCH) per user

• Strictly for data traffic supporting either RC1 or RC2.

Multiple channel aggregation: 9.6 - 115.2kbps.

New Dedicated Channels:

• Forward Dedicated Common Control Channel (F-DCCH)

• High-priority data traffic, such as data re-transmissions.

Up to 2 Forward Supplemental Channels (F-SCH) per user

• Also only for data, but supports RC3 through RC9.


Cdma2000 Layer Structure

Layer functions

• Signaling Control

• Data Services

• Voice Services

• Mac Control states

• Qos

• Resource Allocation

• Multiplexing

• Coding & Modulation


Packet Data Mac Operation States in Cdma2000 &TIA/EIA-95B


59

Planeamiento de Radio

02



Ubicación en Banda

60


Ubicación en banda

61


Banda de Guarda con otras tecnologías

62


Paso de Is95 a CDMA2000

63


Capacidad de radio de portadora

64


Capacidad de Radio con Datos (Walsh)

65


Valores a Tener en cuenta

HO Factor: 30%-50%

Tráfico de voz por sector:

•depende de la interferencia

•Asumir:

› Rural: 40 Erlangs

› Urbano::25- 35 Erlangs primarios

•Factor de Distribución geográfica: 0.6

•Carriers por Amplificador: 3 a 6

•Espectro 1era portadora: 1.8 MHz

•Espectro 2da portadora : 1.25 MHz

66


Tipos de tráfico

• Limitado por el estándar

• EL que está en el aire

• Define necesidades de má espectro o carriers

Trafico de Walsh

• El de BTS

• Limitado por HW

• Define la TxTráfico de CE

• El cursado y cobrado

• El cursadoTrafico Primario

67


68

GSM vs CDMA

02



CDMA vs GSM

CDMA2000 GSM

Acceso CDMA TDMA/FDMA

Generación 2.5G 2G

Ancho de canal 1.25 MHz 0.2 MHz

HO Soft Hard

Eficiencia espectral Alta Media

Cobertura Variable Fija

Trafico Walsh, CE, Primario Primario

Jerarquía de celdas NO Sí

Interferencia Pilot Polution Cocanal

Bandas 450 MHz, 850, 1900 MHz 800, 900, 1900,1800

Ruta evolutiva EVDO UMTS

Multipath OK KO

69


70

Road Map

02



Descripción de 1xEV-DO

1xEV-DO es una solución de Internet de alto desempeño y bajo costo parausuarios residenciales y de negocios:

• Tecnología de Transmisión por Paquetes

• Velocidades pico de 2.4 Mbps

› 3.1 Mbps en la siguiente versión (Rel. A)

• Sistema 3G estandarizado por el 3GPP2 en Octubre

del 2000 y por el ITU IMT-2000 en Agosto del 2001

• Construida en protocolos IP

• Ofrece una experiencia de usuario “Always On”

• Se implementa de forma transparente en redes

1X/IS-95:

› Portadora de 1.25 MHz de ancho de banda dedicada a datos› Mismo chip rate, link budget, requerimientos de potencia y cobertura


1xEV-DO para Acceso Fijo

• 1xEV-DO se puede implementar rápidamente en áreas grandes ofreciendoservicios de banda ancha de alta calidad en zonas desatendidas

• En áreas donde ya se tiene alta penetración de “broadband”, 1xEV-DO sepuede diferenciar de otras soluciones a traves de caracteristicas comoportabilidad y movilidad

• Implementación mas rápida

• Forma sencilla para ofrecer acceso en ciudades pequeñas y áreas suburbanasdonde no se tienen otros métodos

• Reuso de la infraestructura inalámbrica existente

• Permite la implementación de “hot spot”

• Red escalable

• Se agregan más celdas (cobertura) cuando la demanda aumenta

• Se agregan más portadoras (capacidad) cuando el tráfico aumenta


Contd…

Active State

› Traffic,PC and control channels assigned

Control Hold State

› PC and Control channels assigned

› Very fast traffic channel reassignment

Suspended State

› No Dedicated Channels

› Fast traffic Channel

› Reassignment

› RLP state may be maintained

› PPP state maintained

› Slotted sub mode

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