cdma teoría e implementación

8/18/2019 CDMA Teoría e Implementación

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CDMA:Teoría e Implementación


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Contenido del Seminario

• CDMA en el Mundo

• Comparaciones con otras Tecnologías

• Características Básicas

• Conceptos y Teoría de Spread Spectrum

• Estructura de canales

• Diversidad y protección de desvanecimientos

• Handoffs

• Vocoders

• Features Avanzados

• Arquitectura y Performance del Sistema


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23 Millones de subscriptores en el mundo a Diciembre de 1998

CDMA en el Mundo


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CDMA en Latinoamerica


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CDMA EIA/TIA Standard IS-95A Acceso Multiple por

División de Códigos

Un esquema de accesos múltiplesdonde todos los usuarios comparten

el mismo espectro de RF y donde se

usan diferentes secuencias de

códigos digitales para diferenciar alos subscriptores.

(Code Division Multiple Access)

El IS-95 es publicado en 1993.

J-STD-008 estandar para PCS


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Comparaciones Básicas

...

FDMA Un Usuario, Un Canal

Tiempo

Frecuencia

(AMPS, NAMPS)

30 KHz AMPS, 10 KHz NAMPS

...

TDMA

Tiempo

Tres Uusarios, Un Canal

(USDC, ETDMA, GSM, PDC, PACS, DECT)

123

12..

Frecuencia

CDMAFrecuencia

Muchos Usuarios, Un solo canal de banda ancha

Tiempo


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• Utiliza la trayectoría múltiple de la señal

positivamente.

• Utiliza Soft Handoff, para conexiones entre

celdas.

• Ofrece mayor resistencia a interferencia.

• Vocoders de Velocidad Variable - mas

capacidad, menos ruido

• Control Preciso de la Potencia

• Menor número de celdas que otras tecnologías

Características- Cont.


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Concepto de Banda Ancha

9600 Hz BW 1.2288 MHz BW 1.2288 MHz BW 9600 Hz BW

0 01.9 GHz 1.9 GHz

1.2288 MHz BW1.2288 MHz BW

BasebandData

Encoding &Interleaving

Walsh CodeSpreading

BasebandData

Decoding &Deinterleaving

Transmisor CDMA Receptor CDMA

Ruido de Otra Celda Ruido de Otro Usuario

Señales Espureas

9.6 Kbits/S 19.2 Kbi ts/S 1228.8 Kbits/S 9.6 Kbits/S1228.8 Kbi ts/S 19.2 Kbits/S

Walsh CodeCorrelator

Ruido BlancoInterferencia Externa


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Espectro Ensanchado (Spread Spectrum)

• Existen dos técnicas pricipales para extender(ensanchar) o modular la señal:

– Direct Sequence

– Frequency Hopping

• IS-95 se basa en Direct Sequence Spread

Spectrum, donde códigos digitales (códigos

de secuencias pseudo-aleatorias) son

utilizados para modular la señal


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Sistema con Varios Usuarios

• El código Pn debe cumplir una serie de condiciones

para recuperar la señal original en recepción:

- Autocorrelación - Correlación cruzada ideal

C1(t- T1) * C1(t -T1) = 1 C1(t-T1) * C2 (t-T2) = 0

di (t)

ci (t)

d j (t)

c j (t)

d j (t) c j (t)

ci (t-Ti )

c j (t-T j )

di (t) ci (t)

f

f

di (t-Ti ) ci (t-Ti ) +d j (t-T j ) c j (t-T j )

di (t-Ti ) ci (t-Ti ) ci (t-Ti ) +d j (t-T j ) c j (t-T j ) ci (t-Ti )

di (t-Ti ) ci (t-Ti ) +d j (t-T j ) c j (t-T j )

di (t-Ti ) ci (t-Ti ) c j (t-T j ) +d j (t-T j ) c j (t-T j ) c j (t-T j)


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di (t) di (t) ci (t)

ci (t)

d j (t) d j (t) c j (t)

c j (t)

dk (t)

ck (t)

dk (t) ck (t)

d j (t-T j ) c j (t-T j )

dk (t-Tk ) ck (t-Tk )

di (t-Ti ) ci (t-Ti )

ci (t-Ti ) ik

ij

di (t-Ti )

f

Sistema con Varios Usuarios, cont.

• En la realidad, no es posible tener correlación cruzadaperfecta

• Otros usuarios se perciben como ruido a la salida deldemodulador


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Códigos Pseudo-aleatorios:

Pn Short, utilizado para diferenciar sectores.

15 bits de largo, 32.768 posibilidades, 512 desplazamientosde 64 bits cada uno.

Modula la portadora a razón de 1.2288 Mbps.

Cada sector utiliza un desplazamiento diferente

Pn Long, utilizado para diferenciar canales de enlace RVS.42 bits de largo, 4.4 x 1012 posibilidades, 2

36desplazamientos

de 64 bits cada uno.

Modula la portadora a razón de 1.2288 Mbps.

Cada móvil utiliza un desplazamiento diferente

Códigos Walsh:

Distinguen canales en enlace Forward.

Proveen ortogonalidad en flujo de datos de un canal de

tráfico en el enlace Reverse.

Códigos Utilizados en CDMA


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• Pn Short:

– Secuencia pseudo-aleatoria balanceada

– Producido por un shift register con polinomio

conocido y secuencia inicial conocida.

– Funciona como un filtro digital.

– El RAKE receiver del móvil correlaciona su secuencia de15 bits con energía recibida (RSSI), hasta tener alto

grado de correlación.

– La estación base modula la portadora en el forward link

con el Pn Short para identificar el sector fuente.

– El móvil modula la portadora en el reverse link con el Pn

Short para identificar el sector destino.

Código Corto26.66 mS

75 Cycles/2 Sec

215

511 Offsets disponibles


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Código Corto- Cont.

Pn1 Pn2Pn3

Pn4

Pn512

Pn200

Los Códigos Pn se pueden visualizar como rueda de

códigos, con velocidad angular constante.

• Cada sector transmite un

codigo Pn corto distinto en un

instante dado. Todos cambian

en el mismo instante.

• El desplazamiento en tiempodel codigo transmitido por un

sector se llama “Pn Offset”,

medido desde Tiempo Cero.

• Un desplazamiento de uncódigo Pn es simplemente el

código que sería producido por

el shift register si se adelanta o

atraza el tiempo del mismo.

Pn Cero

Pn

Offset

Sector Y

Sector X


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• Pn Long:

– Secuencia pseudo-aleatoria balanceada.

– Producido por un shift register con polinomio conocido ysecuencia inicial conocida

(empezó 6 Enero 1980 a las 00:00).

– Funciona como un filtro digital de alta ganancia.

– El móvil utiliza el Pn Long para diferenciar su canal de

tráfico de los demás en el reverse link.

– El Pn Long es utilizado también para proteger la señal de

fraude.

Código Largo

41 dias, 10 horas, 12 minutos etc.


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Sincronización en CDMA

• Un sistema CDMA requiere un

alto grado de sincronización entre

las estaciones base

– Sistema de Posicionamiento Global - GPS

Método primario para suministrar la

información absoluta de tiempo

– Long Range Navigation C - LORAN_C

– Oscilador de Rubidio


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Enlaces

Enlace Reverse(Uplink)

Enlace Forward(Downlink)


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Canales en el Enlace Forward

• Canal de Piloto provee fuente sincrónica de

demodulación, permite que los móviles midan potenciade cada sector.

• Canal de búsqueda transmite pages, mensajes cortos.

• Canal de Sincronización transmite información detiempo y del sistema.

• Canales de tráfico llevan tramos IS-95 hacia los

móviles.

Forward CDMA Channel (1.23 mHz)

Piloto Búsqueda1

Búsqueda7

* * *

Canal

Tráfico1

Canal

Sincro.

Canal

Tráfico23

Canal

Tráfico24

Canal

Tráfico55

* * * * * *

W0 W1 W63W32W31W30W8W7

Wn = Código Walsh N.


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- La secuencia de PN offset separa un sector de otro y separa celdas.

- Los códigos Walsh separan los canales en un mismo sector de una celda.

Canal Forward CDMA (Forward Channel)

Forward Channel

Data, Base TX

Secuencia de PN - Offset para un sector

Secuencias ortogonales de códigos Walsh - Una por canal

26.66 mS

75 Cycles/2 Sec

215

511 Offsets disponibles

0 - 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ..

1 - 0101 0101 0101 0101 0101 0101 ..

2 - 0011 0011 0011 0011 0011 0011 ..

::

Dos códigos separan los canales Reverses:

Diagrama de Bloque Simplificado

Cada celda adyacente utiliza

un único retardo (offset),

celdas más lejanas reutilizan

el mismo retardo


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Diversidad en Tiempo

CDMA uti liza varios códigos de corrección de errores.

La señal es interespaciada (interleaved)


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Estructura del Canal FWD

CodeSymbol

WalshFunction 1..7

Bits del Canal de

Sincronización

CanalPiloto

(Todos 0's)

WalshFunction 0

PN Chip,1.2288 Mcps

19.2 ksps 19.2 ksps

CodeSymbol

ModulationSymbol

WalshFunction 32

PN Chip,1.2288 Mcps

1.2 kbps

ModulationSymbol

4.8 ksps

9.6 ksps

2.4 ksps 4.8 ksps

A

A

A

ConvolutionalEncoderr=1/2 K=9

Convolutional

Encoderr=1/2 K=9

SymbolRepetition

Symbol

Repetition

BlockInterleaver

Block

Interleaver

PN Chip,

1.2288 Mcps

19.2 ksps

1.2288 Mcps

Long CodeGenerator Decimator

Bits del Canal

de Paging9.6 ksps

19.2 ksps

Long CodeMask for Paging

Channel 1..7

1 bit SymbolScrambling


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Mobile

ESN

ConvolutionalEncoder

r=1/2 K=9

Bits de información

del canal de tráficopara el usuario m

Code

SymbolAdd 8 bitEncoder

Tail

Add FrameQuality Indica-tors for Higher

Data Rates

SymbolRepetition

ModulationSymbol

1- bit SymbolScrambling

19.2ksps

Mobile PowerControl BitPuncturing

MUX

I-Channel PilotPN Sequence,

1.2288 McpsWalshFunction n

19.2 ksps1.2288Mcps

Long CodeGenerator Decimator

Decimator

BlockInterleaver

800 Hz

A19.2 ksps

BasebandFilter

BasebandFilter

Q- Channel PilotPN Sequence,1.2288 Mcps

Summation of all Forward

TrafficChannels at

1.2288 Mcps

Cos

(2πfct)

Sin(2πfct)

I(t)

Q(t)

s

(t)

GainApplied

Σ Σ

8.6 kbps4.0 kbps2.0 kbps0.8 kbps




Puncture(delete) 2of every 6inputs

RATE SET II ONLY

19.2ksps

RATESET IONLY

19.2 kbps28.8 kbps

19.2 ksps

Estructura del Canal FWD- cont.


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Canal Piloto• Portadora no Modulada que no contiene información.

• Serie de ceros que permiten una adquisición fácil y

simple por parte del móvil.- Configuración Piloto

- Celda Omni : Un piloto por celda

- Celda Sectorizada : Un piloto por sector

• El Piloto es extendido (ensanchado) por un arreglo decuadratura del código corto PN. El offset de estecódigo identifica la celda/sector servidor.

•

Comparado con los otros canles el piloto es un canalcon una potencia relativamente alta. La potencia delpiloto define el radio de la celda o el rango del sector.


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Canal de Sincronización

• Un Canal de Sincronización por celda (omni) o sector

• Baja potencia, baja velocidad (1200 bps) y contiene

un mensaje, el cual es transmitido continuamente por

la celda/sector (mensaje del Canal de Sincronización).

• La señal Interespaciada (Interleaved) es “ codificada”

por el código Walsh 32 y es extendido en un arreglode cuadratura del código corto PN (el mismo que se

usa para extender el Piloto).

• El canal de Sincronización se usa paraadquirir la hora del sistema

y el estado del código largo.


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Canal de Tráfico (Forward Traffic Channel)

• Es usado para transmitir datos a una terminal dada

durante una conversación o transacción.

- Tráfico Secundario: Señalización o transacciones de datos

• Hasta 55 Canales de tráfico de envío pueden estar

disponibles en una celda o sector .


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Canales en el Enlace Reverse

• Los canales en el Reverse Link son diferenciados por

Long Pn Offsets.

• Los canales de acceso son utilizados por los móviles

para comunicarse con la estación base, cuando el

móvil se encuentra en etapa de acceso.• Información de señalización es enviada por los

canales de tráfico cuando el móvil se encuentra en

etapa de tráfico (in-band signaling).

Reverse CDMA Channel (1.25 mHz)

Addressed by Long Pn Code Offsets

Canal

Acceso1

Canal

AccesoN

* * *

Canal

Tráfico1

Canal

TráficoM

* * * * * * * * * * * *


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- La secuencia de PN separa un sector de otro y separa celdas.

Canal Reverse CDMA (Reverse Channel) Diagrama de Bloque Simplificado

Dos códigos separan los canales Reverses:- La secuencia de código largo separa canales en el mismo sector .

Secuencia de PN - Offset para un sector

Código largo - Unico por unidad o por usuario

242-1 Bits largo - Corre por semanas - tiene muchos desplazamientos

26.66 mS

75 Cycles/2 Sec

215

511 Offsets available

41 dias, 10 horas, 12 minutos etc.Reverse Link

Data, MS TX


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Estructura del Canal Reverse (Reverse Link)

1/2 PN chipDelay = 406.9 ns

DelayQ(t)

I(t)Baseband

Filter

BasebandFilter

I-channelSequence

1.2288 Mcps

Q-channelSequence

1.2288 Mcps

I

Q

1.2288 Mcps

LongCode

Generator

PN chip

s(t)cos(2πf ct) Σ

Access ChannelInformation

Bits(88 bits/frame)

4.4 kbps

Long Code MaskUnique for Each Mobile the

42 Bit Mask is Derived from the ESNTime shifted sequence 2^42-1 chips long

ConvolutionalEncoder

r=1/3 K=9

Reverse Traffi cChannel

InformationBits

CodeSymbol

CodeSymbol

28.8 ksps

Add 8 bitEncoder Tail Add Frame

Quality Indica-tors for 9600 &4800 bps Rates



28.8 ksps14.4 ksps7.2 ksps3.6 ksps

28.8 ksps

BlockInterleaver

Symbol

Repetition

64-aryOrthogonalModulator

ModulationSymbol

(Walsh chip)

Data Burs t

Randomizer

DiscontinuousTransmission Frame

Data Rate

Same PN sequence as ForwardChannel, with Zero time shift

1.2288 Mcps

4.8 ksps(307.2 kcps)

6 bits go in,

64 bit Walsh codecomes out

Accessor

Traffic

OQPSK

RATE SET I (8 K Vocoder)

PN

sin(2πf ct)


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Canal de Acceso

• Los canales de acceso son usados por el móvil con el

fin de establecer una atención inicial de la estaciónbase y establecer la los procedimientos de conexión

(handshaking) entre el móvil y la estación base.

• Hasta 32 Canales de Acceso pueden ser usados por

canal de Paging Asociado

- Los canales de acceso tienen una velocidadfija de 4800 bps.


35/60

Diversidad Espacial

La diversidad espacial se

refiere al uso de (2) dos

antenas de recepción

separadas por una

distancia física.

RX

RXTX

120oSector


36/60

Forma de la Onda Transmitida

Forma de la Onda Recibida

0 db

-10 db

-20 db

-30 db 0 db

-10 db

-20 db

-30 db

1.25 MHz

1.25 MHz

Este desvanecimiento de 12 dB en los 400 Khz afecta solamente 1/3 del ancho de banda de CDMA.

Por lo tanto, el desvanecimiento total a los usuarios CDMA es 0.85 MHz/1.25 MHz = 2 dB

30 KHz

0 db

-10 db

-20 db

-30 db

30 KHz0 db

-10 db

-20 db

-30 db

Todo el canal de TDMA de 30 KHz es afectado por el mismo desvanecimiento.Por lo tanto, el desvanecimiento total es de 12 dB

Forma de la Onda Transmitida

Forma de la Onda Recibida

CDMA Ofrece Más Protección Contra elDesvanecimiento Selectivo de Frecuencia

Protección de Desvanecimientos


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Receptor Receptor

Receptor

Receptor Móvil Rake

LlamadasTDMA

Análogo

Desvanecimiento

D/A Audio

Desvanecimiento

D/AReceptor

Móvil

Llamadas CDMA Los efectos de desvanecimento son opacados a travésdel uso de múltiples receptores que suman las señalesde radio de las diferentes celdas y de los rayos reflejados.

Es más probable que el desvanecimiento cause una pérdida deinformación = calidad más baja de la conversación

Diversidad por Trayectoria


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• Soft Handoff – Móvil modula de uno a tres sectores de celdas distintas.

– Decisión sobre mejor paquete de datos se hace por elcontrolador de celdas, basado en Frame Quality Indicator (CRC).

• Softer Handoff – Móvil modula de uno a tres sectores de la misma celda.

– Decisión sobre mejor paquete se hace en la celda.

• Inter-BSC Soft Handoff – Soft Handoff hecho entre celdas bajo diferentes

controladores.

• Hard Handoff – Handoff hacia otras portadoras, o hacia otras

tecnologías.

Handoffs en CDMA


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Soft Handoff

Posición del Móvil

Celda

A

CeldaB

Handoff Suave

Intensidadde

la Señal

A B

Make Before Break


40/60

Tipos de Soft Handoff

Soft + Softer Handoff

Three Way Soft Handoff

(puede ser hasta 6-way)Soft Handoff

(Two-Way) Multi-Path

Softer Handoff


41/60

Tipos de Hard Handoff

Hard Handoff entre canales CDMA

FreqOne

FreqTwo

Three

Area de Alta Densidad

Area controlada

por un Operador

AMPS

CDMA

Hard Handoff entre Operadores

Hard Handoff a AMPS

Area controladapor otro Operador


42/60

Listas de Pilotos (Pilot Sets)

El móvil constantemente está buscando los

offsets del código Pn y mantiene tres listas

de pilotos: Activos, Candidatos y VecinosToma 26.667 ms en buscar en todo el ciclo


43/60

• Soporte Simultáneo de Múltiples Vocoders – Unico de CDMA

– Cada conversación puede negociar su mejor opción deservicio (vocoders)

• Flexibilidad en la Introducción – Vocoder de 13 Kbps

• Medidas MOS en Consistencia con la calidad de las líneasconvencionales

• Impacto sobre el Rango y la Capacidad de las Celdas

– Vocoder EVRC de 8 Kbps• Calidad próxima al de 13 Kbps - 80% de mejora sobre el de 13

Kbps• No se reduce el rango ni la capacidad

• Le suministra al Operador la capacidad de ofrecerdiferentes paquetes de servicios.

Vocoders en CDMA


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• CDMA en Perú utiliza un vocoder de

velocidad variable de 0.8, 2, 4 y 8.6 Kbps. El

vocoder automáticamente ajusta la

velocidad, dependiendo de la energía de lavoz y la frecuencia de la actividad de voz.

• Soporte simultáneo de múltiples

codificadores de voz en un sistema• Los 3 codificadores CDMA disponibles:

– 8 kbps

– 13 kbps CELP

– 8 kbps EVRC

Vocoder

XCDR

Board

13Kbps

8K EVRC

8 Kbps


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46/60

Vocoder de Velocidad Variable

FULL

RATE

1/2 RATE

1/4 RATE

1/8 RATE

t = 04 8 12 16

8.6 kbps4.0 kbps

2.0 kbps

0.8 kbps

9.6 kbps

4.8 kbps

2.4 kbps

1.2 kbps

Entra Voz,

Sale Data

29%

7%

4%

60%

40.3%

Aumenta la capacidad y la vida de la batería

Hablar: Full Rate

Escuchar: 1/8 Rate

1/4 Rate

1/2 Rate

Transmisión del móvil en el Reverse Link

Factor de Actividad

de la Voz:


47/60

Evolución del Vocoder

PCM64k

1962

EVRC8k

1995

ADPCM32k

1984

LD-CELP16k

1990

CELP13.25k1994

RPE-LPC13k

1988

CELP

8k1992

Complejidad

Eficiencia

Calidad dela llamada

VSELP7.95k

1990

Complexity

ConstantQuality

Efficiency

Higher Quality

Lower Quality

Wireless VocodersLandline Vocoders


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Comparación de Vocoder

• Los vocoders EFRC para IS-136 and GSM son

nuevos vocoders.MOS (Mean Opinion Score)

3.29

Clean

Speech

20dB

SNR

Babble

20dB

SNR

Car

15dB

SNR

Street

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

M e a n

O p i n i o n S c o r e ( M O S )

Clean

Speech

20dB

SNR

Babble

20dB

SNR

Car

15dB

SNR

Street

Comparison of Different Technology Coders

mu-PCM

ADPCM

TDMA EFRC

GSM EFRC

13K CELP

EVRC


49/60

• CDMA Short Message Service (SMS)

• Over-the-Air Activation

• Data / Fax

Features Avanzados de CDMA


50/60

• Indicador de Mensajes Urgentes

• Marca la Fecha/Hora

• Reconocimiento del Recibo de los Mensajes alMóvil.

• Servicios Off-Hook – Recibo de Búsqueda digital, Mensajes cortos, Indicación del

correo de voz en simultánea con una llamada activa.

• Transmisión – Envío a todos los móviles dentro de Sectores Seleccionados – Servicio de Boletines, Anuncios, etc.

• Mensajes Cortos Originados por el Móvil – Mensaje Texto Corto desde el Móvil

Servicio de Mensajes Cortos (SMS)


51/60

Modo de Reposo (Sleep Mode)

• El móvil se “ despierta” periódicamente paraser notificado sobre los mensajes de SMS

(Short Messages Service) pendientes.

• La vida útil de la batería se extiende.


52/60

Mayor tiempo de conversación para lasunidades de abonado

• Los móviles CDMA transmiten a una fracción

de la potencia empleada por los teléfonosanalógicos y la tecnología TDMA.

– CDMA 0.2 W

– GSM 2 W

– Analógicos 0.6 W

• Más tiempo de conversación y más duración

de baterías para las unidades de abonado.


53/60

Infraestructura

MotorolaLucentFujitsuLG Information

HyundaiNECNortelQualcommSamsung

Equipo de Prueba

Motorola Advantest

Anritsu/Wil tron QualcommComarco Wireless Racal Instru.

Grayson Electr. Rohde &Schwarz

Hewlett-Packard IFR SystemsJapan Radio Co. Safco

JRC Ltd. Sage Instr

LCC TektronixSchlumberger Wavetek

Otros

DSP Comm.- ASICs

Inter-Tel- WiLL switching

Sanders (LMT)- RADs,RASPs

VLSI Technology- ASICs

LSI Logic- ASICs

Motorola Matsushita Toshiba Maxon

Oki ElectricFujitsu Mitsubishi Qualcomm Personal ElectronicsLG Information Nokia Mobile (JV con Sony)Hyundai NEC SamsungKenwood Nippondenso Sanyo

Equipos Subscriptores

Fabricantes de Productos CDMA


54/60

Series de los estándares DS-CDMA IS-9X

IS-95 ---> Interface de aire

IS-96 ---> Vocoder

IS-97 ---> Estación Base

IS-98 ---> Móvil

IS-99 ---> Datos/Fax


55/60

Arquitectura

del Sistema

SuperCell


56/60

Performance en CDMA


57/60

• Reuso de frecuencia es 1, por lo tanto es fácil dediseñar.

• La cobertura RF debe lograr un piloto dominante encualquier región, esto asegura una taza de erroresbaja.

• Los problemas principales de cobertura son: Faltade señal, y contaminación de pilotos.

• El equipo de optimización permite capturar

potencias de cada piloto y plotear

esto en función del espacio.

Técnicas de Optimización CDMA


58/60


59/60


60/60

Conclusiones• CDMA ofrece una utilización más eficaz del espectro de

radio permitiendo albergar muchos más usuarios en el

mismo ancho de banda• Calidad de voz superior. Vocoders de velocidad variable

• Privacidad y Seguridad en la conversación.

• El uso eficiente de la banda permite nuevos y mejoresservicios.

• Estándar Digital: IS-95

• El futuro de CDMA la proyecta como la tecnología

celular 3G (Tercera Generación)

cdma teoría e implementación

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