El sistema CDMA2000 es un estándar de 3G, el cual mejora significativamente los estándares anteriores de 2G, la estandarización de CDMA2000 tiene como objetivos alcanzar los requerimientos de IMT-2000 y por otro lado tener la compatibilidad con los sistemas anteriores. El diseño de CDMA2000 envuelve técnicas y conceptos los cuales mejoran la capacidad del sistema respecto a los estándares anteriores. La incorporación de requerimientos de calidad en el servicio (QoS: Quality of Service) y la implementación de nuevos dispositivos incorporados para el crecimiento de la misma red. Algunas de las técnicas, tecnologías y conceptos son [8]:
Adaptación del enlace basado en modulación adaptable, codificación y dispersión: La idea es predecir dinámicamente o realizar una estimación de las condiciones del canal de radio que se experimentan mientras se realiza una transmisión usando una combinación de potencia, modulación, codificación y tasas de dispersión con el objetivo de proporcionar QoS a todos los usuarios.
Capa física con ARQ Híbrido: Cuando el receptor detecta tramas erróneas en la trasmisión, automáticamente hace una petición de retransmisión de los paquetes recibidos de manera errónea, su función básicamente es la corrección de errores, los protocolos de ARQ (Automatic Repeat Request) junto con los códigos de corrección de errores hacia adelante FEC (Forward
Error Correction Codes) forman esquemas HARQ (Hybrid ARQ).
Codificación de canal mejorada y turbo códigos: Los códigos convolucionales usados en sistemas anteriores para la detección de errores representó un avance en la codificación de canal, si se concatenan paralelamente los códigos convolucionales con un mecanismo interno de entrelazado combinado con un algoritmo de descodificación, dan como resultado los turbo códigos, representando una mejora en la detección y corrección de errores.
Calendarización de usuarios y diversidad multiusuario: Este concepto está basado en el número relativo de usuarios distribuidos aleatoriamente en una zona de cobertura, cada uno de ellos con un desvanecimiento de canal independiente, la forma de compartir los recursos, el tipo de servicio requerido y repartiendo los recursos por tiempo lo cual es determinado bajo ciertos criterios, como la modulación, las condiciones del canal, la distancia, la SNR (Signal Noise Ratio), entre otros se denomina calendarización. La idea es maximizar el tráfico utilizado en la transmisión para que todos los usuarios se les proporcione QoS.
Técnicas de diversidad espacial: Las técnicas de diversidad de transmisión introduce un concepto de diversidad de espacio en la señal transmitida para múltiples antenas. La separación espacial de las antenas afecta el grado de decorrelacion entre los canales creados entre el transmisor y el receptor. Normalmente si la separación espacial se considera entre 10 y 15 permite tener un desvanecimiento no correlacionado resultando así en un mejor funcionamiento.
VOCODER mejorado con control de tasa basado en la red: Los sistemas CDMA utilizan algoritmos de codificación de voz de tasa variable VOCODER (Voice Coder), junto con un control de potencia para lograr una alta capacidad de voz. Existe una clasificación de actividad de voz, en la cual se hace referencia cuando el usuario está hablando y cuando únicamente está escuchando, de esta manera cuando el usuario no está hablando baja la tasa de transmisión por consecuencia los mecanismos de potencia reducen su nivel de transmisión resultando en una menor interferencia y la capacidad llega a incrementarse. Existen principalmente 2 tipos de VOCODER en los sistemas CDMA:
EVRC: Enhanced Variable-Rate Vocoder
SMV: Selectable Mode Vocoder
Control de potencia rápido en el enlace de bajada y detección coherente en el enlace de subida: permite ofrecer una compensación de variaciones rápidas en el canal originadas por desvanecimientos como se trato en el capítulo 1 y capítulo 2. En el enlace de subida se conoce la información acerca de la portadora que es enviada por la estación base para sincronizar las operaciones entre la estación base y la estación móvil teniendo como objetico la recuperación de la información.
Las técnicas y conceptos aplicados para CDMA2000 y sus distintas revisiones tienen modificaciones, las cuales trataremos en los siguientes temas. Continuando con la evolución de los estándares, la revisión preliminar de CDMA2000 fue propuesta para usar RTT (Radio Transmission Technology) y se denomino IS-2000 revisión 0, también se conoce como CDMA2000 1X-RTT donde el 1X representa el número de portadoras de 1.25MHz, este sistema presenta las características de la tabla 3.5 [8]:
Tabla 3.5 Características CDMA2000 revisión 0
Compatibilidad con IS-95 Detección Coherente con piloto en el enlace de subida Control de potencia rápido de bajada Códigos Walsh de longitud variable
Tasa de datos hasta 153.6 Kbps o 307.2 Kbps Modulación QPSK en ambos enlaces Mejoramiento de la codificación de canal con turbo códigos para altas tasas de datos
La combinación de estas mejoras proporciona una capacidad de voz que es dos veces mejor que en IS- 95, sin embargo se considera esta revisión como incompleta debido a las tasas de transmisión que se necesitan para 3G. En la figura 3.6 se muestra la evolución de la familia de estándares en CDMA2000.
IS-95 2G CDMA RS1 9.6 Kbps RS1 14.4 Kbps IS-95B 2.5 G RS1 76.8 Kbps RS2 115.2 Kbps CDMA2000 1XRTT IS-2000 Rev. 0/A/B
3G 153.9 Kbps y 307.2 Kbps Para EB y ES CDMA2000 1XEV-DV IS-2000 Rev. C/D 3G EB=2.4 Mbps ES=1.25 Mbps CDMA20 00 1X EV- DO HRPD IS-856 EB=2.4 Mbps ES=153 Kbps HRPD IS-856 Rev.A EB=3.1 Mbps ES=1.8 Mbps CDMA2000 1X ADVANCED Rev. E Evolución 3G 4 veces de incremento en la capacidad de voz HRPD IS-856 Rev.B EB=14.7 Mbps ES=5.4 Mbps UMB IS-856 Rev. C DO- Advanced EB=280 Mbps ES=75 Mbps 2000 2005 2010 2015+ 1995- Donde: EB= Enlace de Bajada ES= Enlace de Subida
Figura 3.6. Evolución de la familia de estándares de CDMA2000
En la figura 3.6 observamos el inicio de los sistemas basados en CDMA, IS-95 es considerado parte fundamental de los sistemas digitales para 2G, En el año 1998 se publica la evolución, IS-95B ofreciendo ya servicios de datos mejorando las tasas de transferencia. Para el año 2000 se publica el inicio de una familia de estándares CDMA2000 contando con 6 revisiones. Paralelamente se creó otro estándar de gran aceptación por parte de los operadores, IS-856 que actualmente tiene 3 revisiones ya considerado como sistemas de 3G ofreciendo tasas de alta velocidad para servicios de datos. En la
siguiente sección detallaremos estas características así como las revisiones que actualmente se utilizan. La primera revisióncompleta para CDMA2000 fue la revisión A publicada en el año 2000 incluyendo 1X y 3X ocupando 1.25 MHz y 3.75 MHz respectivamente. La tasa más alta requerida por IMT-2000 se logró gracias a IS-2000A agregando 3 portadoras de 1.25 MHz en el enlace de bajada y el enlace de subida puede transmitir usando dos tasas de dispersión de 1.2288 Mbps o 3.6864 Mbps. Las características que proporciona IS-2000A son como lo muestra la tabla 3.6 [8]:
Tabla 3.6. Características de IS-2000 revisión A
Compatibilidad con IS-95 e IS-2000 revisión 0 Soporta una señalización completa de 3X Soporta señalización para nuevos canales comunes usados
para mejorar el acceso y transmisiones de datos en ráfaga Mejora en la señalización para servicios recurrentes Tramas y tasas flexibles Negociación de calidad en el servicio QoS
Algoritmo de encriptación mejorado
Poco tiempo después de IS-2000A, surge la revisión B con mejoras de señalización en algunos protocolos. A finales de año 2000, debido a la creciente demanda de usuarios y la necesidad de tasas más altas, la sociedad de proyectos de tercera generación 2 (3GPP2: Third Generation Partnership Project II) se encargo de mejorar las tasas de datos, introduciendo un estándar denominado HRPD
(High-Rate Packet Data) también conocido como IS-856 o 1X EV-DO porque es una evolución para
los servicios de datos optimizados, sin embargo esta tecnología ya no es compatible con 1XRTT, siendo entre ellos la principal diferencia el multiplexaje en tiempo en el enlace de bajada de 1X EV- DO. Este estándar fue diseñado para la conmutación por paquetes, proporcionando una eficiencia espectral debido al uso de modulación multinivel en el enlace bajada.
En el año 2002 se publica la revisión C denominada CDMA2000 1X EV-DV y en el 2004 se informa de otra mejora dando como resultado la revisión D dando como resultado en el enlace de bajada 3.09 Mbps y 1.54 Mbps en el enlace de subida, sin embargo fueron estándares que no tuvieron el auge necesario para seguir desarrollándolos, actualmente los operadores utilizan CDMA2000 1X y CDMA2000 1X EV-DO. La última de las revisiones por parte de 3GPP2 realizando un paso más hacia la próxima generación de sistemas celulares 4G y con el principal objetivo de brindar a los usuarios una capacidad que es cuatro veces mayor respecto a los actuales sistemas comerciales CDMA2000 1X es la revisión E publicada en el 2009. Cabe destacar que en CDMA2000 1X la revisión 0, A y B y en CDMA2000 1X EV DO es la revisión 0 y A son las que se utilizan comercialmente en la actualidad. En la siguiente sección hablaremos a detalle de estos sistemas [12].
3.2
Sistema CDMA2000 1X
CDMA2000 1X fue el primer sistema 3G a pesar de no proveer los 2 Mbps requeridos por IMT-2000 en el cual se utiliza una portadora de 1.25 MHz en el enlace de bajada. Dentro de las actualización que se le han agregado a este estándar esta el tipo de modulación de BPSK a QPSK
canal suplementario ofreciendo tasas de 153 Kbps, el uso de turbo códigos para codificación de canal, la existencia del entrelazado de multitramas y el soporte de esquemas para el enlace de bajada incluyendo dispersión espacio-temporal (STS: Space Time Spreading) la cual distribuye los símbolos del canal de bajada entre múltiples antenas y diversidad de transmisión ortogonal (OTD:Orthogonal Transmission Diversity) la cual permite a dos señales de forma simultánea ser emitidas por dos antenas separadas hacia el receptor de la estación móvil [10].
La principal modificación en el enlace de subida es la detección coherente, a diferencia de IS-95B donde solo el enlace de bajada tenía esta característica, de esta manera se incrementa la capacidad de voz y por último el uso de SMV. La interface de radio para CDMA2000 1X está basada en una estructura de capas que soporta servicios de datos y servicios multimedia generalizados. La canalización de la interface de radio y los protocolos permiten servicios de voz y datos de QoS. El modelo de referencia para la interconexión de sistemas abiertos (OSI: Open System Interconnection) fue la base para crear la estructura de capas. La capa física, la capa de enlace de datos fue dividida en subcapa MAC (Medium Access Control) y la subcapa LAC (Link Access Control) que son utilizados para servicios de señalización, servicios de voz y servicios de datos. Los sistemas CDMA2000 1X soportan canales de Radio Frecuencia con ancho de banda de SR x 1.25 MHz donde SR es la tasa de dispersión, actualmente solo se emplean 2 tasas: SR1 con un ancho de banda de 1.25 MHz y SR3 con un ancho de banda igual a 3.75 MHz.
Tabla 3.7. Radio configuraciones para el enlace de subida para IS-2000 revisión E
Radio Configuración Tasa de Dispersión Características Generales
1 1 Tasa de datos: 1.2, 2.4, 4.8 y 9.6 Kbps modulación ortogonal 64- aria, R=1/3
2 1 Tasa de datos: 1.8, 3.6, 7.2 y 14.4 Kbps modulación ortogonal 64- aria, R=1/2
3 1 Tasa de datos: 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8 y 153.6 Kbps con R = 1/4. 307.2 Kbps con R = 1/2. Modulación BPSK con piloto
4 1 Tasa de datos: 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 28.8, 57.6, 115.2, y 230.4 Kbps con R=1/4. Modulación BPSK con piloto
5 3 Tasa de datos: 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8 y 153.6 Kbps con R = 1/4, 307.2 y 614.4 Kbps con R = 1/3, modulación BPSK con piloto
6 3 Tasa de datos: 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 28.8, 57.6, 115.2, 230.4 y 460.8 Kbps con R = 1/4. 1036.8 Kbps con R = 1/2, modulación BPSK con piloto
7 1
Tasa de datos de subpaquetes: 19.2, 40.8 y 79.2 Kbps con R = 1/5, modulación BPSK con piloto. 156.0, 309.6, 463.2, 616.8, 924, 1231.2 y 1538.4 Kbps con R = 1/5, modulación QPSK con uno o dos pilotos; y 1845.6 Kbps con R = 1/5, modulación 8-PSK
con uno o dos pilotos
8 1 Tasa de datos: 1.8, 3, 5, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8 y 153.6 Kbps con R = 1/4, 307.2 Kbps con R = 1/2, modulación BPSK con un piloto La tasa de datos, la codificación de canal y los parámetros de la modulación soportados en el canal son denominados parámetros de radio configuraciones (RC: Radio Configurations). En la tabla 3.7 se muestra el detalle de las RCs para el enlace de subida y en la tabla 3.8 se muestran para el enlace de
bajada [11].
Tabla 3.8. Radio configuraciones para el enlace de bajada para IS-2000 revisión E
Radio Configuración Tasa de Dispersión Características Generales
1 1 Tasa de datos: 1.2, 2.4, 4.8 y 9.6 Kbps con R = 1/2, predispersión de símbolos BPSK
2 1 Tasa de datos: 1.8, 3.6, 7.2 y 14.4 Kbps con R=1/2 predispersión de símbolos BPSK
3 1 Tasa de datos: 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8 y 153.6 con R = 1/4. Predispersión de símbolos QPSK . Permitiendo técnicas de diversidad
4 1 153.6 y 307.2 Kbps con R=1/2, predispersión de símbolos QPSK. Tasa de datos: 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8, Permitiendo técnicas de diversidad
5 1 Tasa de datos: 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 2.8.8, 57.6, 115.2, y 230.4 Kbps con R = 1/4, predispersión de símbolos QPSK. Permitiendo técnicas de diversidad
6 3 Tasa de datos: 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8, 153.6 y 307.2 Kbps con R = 1/6, predispersión de símbolos QPSK 7 3 Tasa de datos de subpaquetes: 1.2, 1.35, 1.5, 2.4, 2.7, 4.8, 9.6, 19.2, 38.3, 76.8, 153.6, 307.2 y 614.4 Kbps con R = 1/3,
predispersión de símbolos QPSK
8 3 Kbps con R = 1/4, (20ms) o 1/3 (5ms). Predispersión de símbolos Tasa de datos: 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 28.8, 57.6, 115.2, 230.4 y 460.8 QPSK
9 3 Tasa de datos: 1.8, 3.6, 7.2, 14.4, 28.8, 57.6, 115.2, 230.4, 259.2, 460.8, 518.4 y 1036.8 Kbps con R = 1/2 (20 ms) o 1/3 (5 ms), predispersión de símbolos QPSK
10 1
Tasa de datos de subpaquetes: 43.2, 81.6, 86.4, 158.4, 163.2, 172.8, 312.0, 316.8, 326.4, 465.6, 619.2, 624.0, 633.6, 772.8, 931.2, 1238.4, 1248.0, 1545.6, 1862.4 2476.8 y 3091.2 Kbps con
R = 1/5, predispersión de símbolos QPSK, 8-PSK, o 16-QAM 11 1 Tasa de datos: 0, 1.8, 3, 5, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8, 153.6 y 307200
Kbps con R = 1/2, predispersión de símbolos QPSK. 12 1 Tasa de datos: 0, 1.8, 3, 5, 9.6, 19.2, 38.4, 76.8, 153.6 y 307.2
Kbps con R = 1/2, predispersión de símbolos QPSK
Dentro la interface de radio se definen ciertos canales para el enlace de bajada y el enlace de subida, en la capa física se agrupan 3 tipos de canales diferentes: canal de difusión, canal común y canal dedicado:
Canal de difusiónusado para el tráfico y señalización en el enlace de bajada destinado a todos los usuarios.
Canal común es usado para compartir los canales físicos.
Canal dedicado se usa para transmisiones punto a punto y se requiere de la asignación del enlace ya sea de bajada o subida antes de cualquier transmisión de datos. Todo el tráfico en los enlaces de bajada y subida se realizan en canales dedicados [8].