5.16:3G, Tercera Generación - Acceso Múltiple por División de Código (CDMA)

Originalmente había múltiples sistemas de radio celular 3G pero el que se volvió dominante utiliza el acceso múltiple por división de código. Esta sección comienza con un precursor de 3G y que ahora se llama radio celular 2.5G y esto es relativamente de banda estrecha,\(1.23\text{ MHz}\) -wide, CDMA. El sistema 3G utiliza CDMA de banda\(5\text{ MHz}\) ancha ancha (WCDMA).

5.9.1 Generación 2.5: Acceso Múltiple por División de Código de Secuencia Directa

CDMA, o más específicamente CDMAone, se promovió inicialmente como tercera generación, pero la definición ahora es que las velocidades de datos de al menos\(2\text{ Mbit/s}\) deben ser soportadas en 3G. Por lo tanto, CDMAone ahora se conoce como 2.5G. Una representación del espectro ensanchado se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\), en la que un código muy rápido se superpone a una secuencia de datos más lenta y el código combinado se utiliza para modular una portadora. El mismo código rápido se utiliza para extraer la señal de banda base del flujo de bits recibido. El efecto del código rápido es extender en gran medida la señal de banda base, transformando quizás un flujo de bits de\(12\text{ kbit/s}\) banda base en una señal de RF con un ancho de banda de\(1.23\text{ MHz}\).

La característica clave del sistema DS-CDMA es el uso de códigos largos para extender el espectro de la señal que se va a transmitir. En el caso de la voz, un\(8\text{ kbit/s}\) flujo de bits, por ejemplo, con codificación de corrección de errores se convierte en un flujo de bits de\(12.5\text{ kbit/s}\) banda base que se mezcla con un código mucho más rápido que es único para un usuario en particular. Así, el\(8\text{ kbit/s}\) flujo de bits se convierte en una señal de banda base analógica de\(1.23\text{ MHz}\) ancho. Esta señal se modula entonces hasta RF y se transmite. En el lado del receptor, la señal RF demodulada solo se puede decodificar usando el código rápido original. El uso del código original para decodificar la señal rechaza prácticamente toda interferencia y ruido en la señal recibida. El desensanchamiento distribuye los componentes de señal y ruido de manera diferente. Al desensanchar, el ruido todavía se distribuye uniformemente en frecuencia mientras que la señal portadora de información se concentra en un ancho de banda estrecho, el ancho de banda de la señal de banda base. Una tremenda ganancia de procesamiento está disponible usando este enfoque de dispersión y desensanchamiento.

El mecanismo que incrementa la SNR en DS-CDMA se muestra en la Figura 5.6.2. La SNR se mejora agrupando la energía de la señal en un ancho de banda más estrecho y el ruido se reduce, ya que solo el ruido en un

Figura\(\PageIndex{1}\): Representación de transmisión CDMA de secuencia directa. Si el código B es el código A, entonces los datos B son los mismos que los datos A con cierta corrupción por ruido.

Propiedad	Atributo
Ancho de banda por canal	\(1.23\text{ MHz}\)
Espaciado entre canales	\(1.25\text{ MHz}\)(banda de\(20\text{ kHz}\) guardia)
Radio de la celda	\(2-20\text{ km}\)
Frecuencia base a móvil	\(869–894\text{ MHz}\)
Frecuencia móvil a base	\(824–849\text{ MHz}\) \(45\text{ MHz}\)entre los canales de transmisión y recepción.
Modulación	OPSK
Método de acceso	CDMA \(64\)canales de radio por canal físico Adelante: \(55\)canales de tráfico, canales de\(7\) paginación \(1\)canal de\(1\) sincronización de canal piloto Reverso: \(55\)canales de tráfico, canales de\(9\) acceso
Especificaciones RF de la unidad móvil
Control de potencia de transmisión	\(1\text{ dB}\)control de potencia

Cuadro\(\PageIndex{1}\): Atributos del sistema CDMAone.

el ancho de banda es importante. Al desensanchar una señal con un interferente de tono único, como se ve en la Figura 5.6.2 (c), el interferer se propaga como ruido mientras que la energía de la señal se concentra en el ancho de banda de la señal de banda base. Dado que se utilizan códigos ortogonales, muchos canales de radio pueden ser compatibles en el mismo enlace de radio. CDMA puede soportar aproximadamente canales de\(120\) radio en el mismo canal físico. Otra característica importante es que los mismos\(120\) canales se pueden reutilizar en celdas adyacentes, ya que aún se puede extraer el flujo de bits de información de cada usuario. Por lo tanto, no hay necesidad de clustering como en los sistemas 2G. Los atributos del sistema celular 2.5G CDMAone, precursor inmediato del sistema 3G WCDMA, se dan en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

5.9.2 Receptores Multipath y Rastrillo

En un sistema CDMA de línea de visión, el código debe estar alineado con el flujo de datos recibido para que el flujo pueda decodificarse correctamente para revelar los datos originales. Si hay múltiples rutas, entonces las rutas tendrán, en general, diferentes retardos y, a menudo, las diferencias de retardo son mayores que la duración del chip (el tiempo asignado para la transición de un símbolo a otro). Entonces se dice que la señal CDMA se transmite a través de un canal multitrayecto dispersivo. Esto introduce complejidad en la alineación de códigos. El problema que surge se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). Los datos originales se muestran en (a) y este

Figura\(\PageIndex{2}\): Decodificación de un flujo codificado de secuencia directa que muestra un código alineado con el flujo de datos y un flujo de datos retardado por\(t_{D}\).

Figura\(\PageIndex{3}\): Receptor Rake utilizado para decodificar dos trayectorias, una ruta directa y una ruta con retardo excesivo\(t_{D}\). Los integradores eliminan los datos recuperados incorrectamente.

se codifica usando el código en (c) dando como resultado el flujo en (d). El stream es solo el exclusivo o (\(\text{XOR}\)) de los datos y el código. Al recibir, el flujo de datos codificados, (d), se desensancha usando el código original (c). Si el código y el flujo de datos están alineados, entonces una\(\text{XOR}\) operación da como resultado que los datos se recuperen correctamente mediante\(\text{XOR}\) ing (c) y (d) para obtener (b), los datos originales\(\mathsf{A}\). Sin embargo, si el flujo se retrasa, como se muestra en (e), entonces\(\text{XOR}\) el flujo retardado y el código (que no se retrasa) dará como resultado datos recuperados\(\mathsf{B}\), (g), que no tiene relación con los datos originales en (a). La solución a este problema es retrasar apropiadamente el código de desensanchamiento para cada ruta de propagación y retardo.

Cuando hay reflejos de la señal transmitida, las versiones de la señal siguiendo diferentes caminos llegarán al receptor con diferentes retardos. El receptor rastrillo, introducido en la década de 1950, recupera los datos de cada ruta de retardo de propagación y combina la señal de cada ruta para producir una señal combinada con una SNR más alta que la obtenida usando solo el componente de línea de visión de la señal [20, 21, 22, 23].

En la Figura se muestra una versión de dos trayectorias del receptor rastrillo\(\PageIndex{3}\). El transmisor propaga los datos usando un código\(C_{1}(t)\) para producir un flujo en el\(\mathsf{A}\) que se transmite a través de dos rutas\(\mathsf{C}\) y\(\mathsf{B}\). \(\mathsf{C}\)La trayectoria se retrasa con respecto a la trayectoria\(\mathsf{B}\) por un tiempo\(t_{D}\) y la señal en la antena receptora,\(\mathsf{D}\), es una combinación de la señal que sigue las dos trayectorias. En la ruta superior del receptor, llamada dedo, la señal directa (esa ruta seguida\(\mathsf{B}\)) es desanalizada por el código original\(C_{1}(t)\) y, si está alineada apropiadamente con la señal que siguió la ruta\(\mathsf{B}\), produce una señal en la\(\mathsf{E}\) que contendrá al usuario de baja frecuencia datos más un componente de alta frecuencia resultante del código incorrecto que se utiliza para desensanchar el flujo de datos retardado que siguió la ruta\(\mathsf{C}\). La señal at\(\mathsf{E}\) se filtra paso bajo para producir los datos originales a\(\mathsf{F}\) medida que se elimina el componente de alta frecuencia. Dado que la operación se implementa en DSP, se usa un integrador durante la duración de un bit de datos. La señal recibida combinada,\(\mathsf{D}\), se desensancha usando un código retardado\(C_{1}(t − t_{D})\), para producir una señal en la\(\mathsf{G}\) que se integra de manera que los datos at\(\mathsf{H}\) son los originales\(\mathsf{D}\) debido al componente que siguió la ruta\(\mathsf{C}\). Las señales en\(\mathsf{F}\) y\(\mathsf{H}\), muestreadas después de la duración de un bit, contendrán los datos originales más algo de ruido y el ruido en los dos puntos no estará correlacionado. Cuando\(\mathsf{F}\) y\(\mathsf{H}\) se combinan, la señal se combinará de manera coherente mientras que el ruido se combinará de manera incoherente, mejorando así la SNR.

El receptor rastrillo puede generalizarse para tener muchos dedos. Después de desensanchar en cada dedo del receptor rastrillo, cada componente retardado se demodula y los resultados se combinan. El receptor de rastrillo se llama así porque cada dedo barre la información, pareciéndose a los dientes de un rastrillo de jardín recogiendo hojas. Dado que cada componente contiene la información original, si la magnitud y el tiempo de llegada (fase) de cada componente se calcula en el receptor (a través de un proceso llamado estimación de canal),

Propiedad	Atributo
Número de canales
Ancho de banda por canal	\(5\text{ MHz}\)
Espaciado entre canales	\(5\text{ MHz}\)
Radio de la celda	\(2-20\text{ km}\)
Frecuencia de enlace descendente	\(1805-1880\)
Frecuencia de enlace ascendente	\(1710-1785\)
Modulación (enlace descendente)	QPSK, 16QAM, 64QAM
Modulación (uplink)	PAM en I y en Q
Método de acceso	CDMA
Tasa de símbolos	\(3.84\text{ Msymbols/s}\)
Ancho de banda de modulación	\(3.84\text{ MHz}\)
Duración del símbolo	\(260\text{ ns}\)
Tasa de información (original)\(†\)	\(200\text{ kbit/s}\)enlace ascendente y descendente
Tasa de información (HSPA+)\(∗\)	\(40\text{ Mbit/s}\)enlace descendente
Tasa de información (HSPA+)\(‡\)	\(168\text{ Mbit/s}\)enlace descendente
Tasa de información (HSPA+)\(†\)	\(10\text{ Mbit/s}\)uplink

Tabla\(\PageIndex{2}\): Atributos del sistema 3G WCDMA. 3G opera en muchas bandas de frecuencia y aquí se considera solo una banda representativa\(3\), Band. La modulación de enlace ascendente en WCDMA es inusual aplicando datos al canal I de un modulador I/Q y datos de control al canal Q. Aquí el canal I (y el canal Q) tiene dos o cuatro niveles clasificados como modulación de amplitud pulsada (PAM). \(†\)por usuario. \(∗\)compartido, no MIMO. \(‡\)compartido, agregación de portadoras de\(2\) celdas, MIMO. Los estándares 3G no especifican las tasas mínimas de transmisión de información por usuario.

entonces todos los componentes se pueden agregar coherentemente para mejorar la confiabilidad de la información. Este método de combinación se denomina combinación de relación máxima (MRC), un método de combinación de diversidad de receptores en el que

1. las señales de cada canal se suman juntas,
2. la ganancia de cada canal se hace proporcional al nivel de señal rms e inversamente proporcional al nivel de ruido cuadrático medio en ese canal, y
3. diferentes constantes de proporcionalidad se utilizan para cada canal.

También se le conoce como combinación de relación al cuadrado y combinación de predetección. MRC es una combinación óptima para canales AWGN independientes.

Las unidades CDMA, WCDMA y WLAN (WiFi) utilizan señales multitrayecto y las combinan para aumentar la SNR en los receptores. En contraste, los sistemas 2G de banda estrecha no pueden discriminar entre las llegadas multitrayecto, y el multitrayecto tiene un impacto negativo. El receptor rastrillo en la Figura\(\PageIndex{3}\) tiene dos dedos, pero el límite práctico en el número se basa en la propagación de retardo esperada de las multitrayectorias dividido por la duración del chip. Solo se necesitan retardos que son un múltiplo entero de la duración de un chip en un receptor rastrillo [21, 22]. Se debe hacer una compensación en términos de la cantidad de circuitos y la potencia de CC disponible. En el sistema de telefonía celular CDMA original (circa 2000), se utilizaron tres dedos en microteléfonos y de cuatro a cinco en estaciones base. Muchos más se utilizan hoy en día.

5.9.3 3G, CDMA de banda ancha

La radio de tercera generación, (3G), es coordinada por el Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP). Se trata de un acuerdo de colaboración de organizaciones de desarrollo de estándares y otros organismos relacionados para la producción de un conjunto completo de especificaciones técnicas aplicables a nivel mundial para sistemas de comunicación móvil (ver http://www.3gpp.org). Inicialmente los esfuerzos del 3GPP estaban dirigidos a establecer los estándares 3G pero el alcance se ha expandido y desarrolla estándares en evolución para la transición a los sistemas 4G y ahora 5G. Algunos de los atributos de 3G se dan en la Tabla\(\PageIndex{2}\).

Los sistemas móviles 3G soportan tasas de datos variables dependiendo de la demanda y el nivel de movilidad. Se requieren técnicas de radio por paquetes conmutados para soportar este entorno de ancho de banda bajo demanda. Aquí el canal físico es compartido (es decir, conmutado por paquetes) en lugar de asignar al usuario un canal físico para uso exclusivo (denominado circuito conmutado).

La unidad para sistemas 3G fue alimentada en parte por la saturación de los sistemas 2G en muchos lugares y el deseo de aumentar los ingresos al admitir datos de alta velocidad. Antes del despliegue de los sistemas 3G, el aumento de la demanda resultó principalmente de una mayor base de consumidores en lugar de la aparición de tráfico de datos significativo. El aumento de la base de suscriptores fue abordado por los sistemas 2.5G, que tienen algunos de los conceptos 3G pero sólo parcialmente implementados. El concepto de conducción de 3G fue el desarrollo de un estándar que admite datos de alta velocidad, roaming global y admite funciones avanzadas que incluyen video en movimiento bidireccional y navegación por Internet.

La radio celular de tercera generación es definida por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) [24] y se denomina formalmente Telecomunicaciones Móviles Internacionales 2000 (IMT-2000). Los requisitos básicos son para un sistema que admita velocidades de datos hasta\(2\text{ Mbit/s}\) en entornos fijos que van desde entornos móviles de área amplia.\(144\text{ kbit/s}\) En 1999 la UIT adoptó cinco interfaces de radio para IMT-2000:

1. CDMA de secuencia directa IMT-DS, más comúnmente conocido como WCDMA;
2. CDMA multiportadora IMT-MC, más comúnmente conocido como CDMA2000, el sucesor de CDMAone (específicamente el estándar internacional IS-95);
3. IMT-SC CDMA por división de tiempo, que incluye CDMA por división de tiempo (TD-CDMA) y CDMA síncrono por división de tiempo (TD-SCDMA);
4. IMT-SC portadora única, más comúnmente conocida como EDGE; y
5. Tiempo de frecuencia IMT-FT, más comúnmente conocido como DECT.

La opción dominante para 3G es WCDMA. En octubre de 2007 la Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT incluyó tecnología derivada de WiMAX, específicamente acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA, ver Figura 5.4.1 (d)) y MIMO, en el conjunto de estándares IMT-2000 como la sexta interfaz de radio. 3GPP [25] proporciona una migración estrategia para las comunicaciones celulares a través de un proceso llamado evolución a largo plazo LTE y a través de una serie de lanzamientos cada uno construyendo sobre infraestructura anterior y agregando capacidades.

EDGE tiene velocidades de datos intermedias entre las de GSM y WCDMA. También se utilizan los siguientes términos para describir redes que utilizan la especificación 3G WCDMA: Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS) (UMTS, en Europa), Red de Acceso de Radio Terrestre UMTS (UTRAN) y Libertad de Acceso Multimedia Móvil (FOMA, en Japón). UMTS es el sucesor 3G del estándar GSM, con la interfaz aérea ahora usando WCDMA. La terminología utilizada en UMTS, listada en parte en la Tabla\(\PageIndex{3}\), se basa en la terminología utilizada en GSM, con sutiles diferencias. UMTS se desplegó por primera vez en Japón en 2001. El término WCDMA describe la interfaz física y los protocolos que la soportan, mientras que UMTS se refiere a toda la red. Un gran número de bandas de frecuencia están designadas para 3G, consulte Tablas\(\PageIndex{4}\) y\(\PageIndex{5}\).

La línea de tiempo 3GPP se resume en la Figura\(\PageIndex{4}\). Las rutas CDMA2000 y WCDMA se convierten en la única ruta LTE más allá de 3G. La ruta CDMA2000 (el estándar IS-2000) se basa en el sistema CDMA original definido por el estándar IS-95 y comúnmente conocido como CDMAone (el estándar IS-95). CDMA2000 1xEV-DO es la primera evolución de CDMA2000 que cumple con la especificación básica de la ITU para 3G. Evolución-datos optimizados (EV-DO), combina CDMA y TDMA para un mayor rendimiento de datos.

Término	Descripción
AuC	Centro de autenticación
GGSN	Nodo de soporte de pasarela GPRS
GMSC	Puerta de enlace MSC
HLR	Registro de ubicación de inicio
ISDN	Red digital de servicios integrados
MSC	Centro de conmutación móvil
Nodo B	Base
PSTN	Red telefónica pública conmutada
RNC	Controlador de red de radio
SGSN	Nodo de soporte GPRS de servicio
UE	Equipo de usuario
USIM	Módulo universal de identidad de suscriptor
VLR	Registro de ubicación de visitantes

Tabla\(\PageIndex{3}\): Terminología UMTS.

Banda	Uplink	Descendente	Espectro disponible
	\((\text{MHz})\)	\((\text{MHz})\)	NA	LA	EMEA	ASIA	Oceanía	Japón
\(1\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1920-1980\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2110-2170\)
\(2\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1850-1910\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1930-1990\)
\(3\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1710-1785\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1805-1880\)
\(4\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1710-1755\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2110-2155\)
\(5\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(824-849\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(869-894\)
\(6\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(830-840\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(875-885\)
\(7\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2500-2570\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2620-2690\)
\(8\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(880-915\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(925-960\)
\(9\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1749.9–1784.9\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1844.9–1879.9\)
\(10\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1710-1770\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2110-2170\)
\(11\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1427.9–1447.9\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1475.9–1495.9\)
\(12\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(698-716\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(728-746\)
\(13\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(777-787\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(746-756\)
\(14\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(788-798\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(758-768\)
\(15-18\)	\ ((\ text {MHz})\)” rowspan="1">reservado
\(19\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(832.4–842.6\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(877.4–887.6\)
\(20\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(832-862\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(791-821\)

Tabla\(\PageIndex{4}\): Asignaciones de espectro para 3G, [25, Versión 99].

La evolución de WCDMA y LTE se define por lanzamientos que comienzan con una versión inicial en 2000 conocida como Rel-99 (Rel-99) [26]. Esto vio el inicio del Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) especificando y controlando la evolución de las comunicaciones celulares a través de 3G, 4G y ahora 5G. Los lanzamientos están diseñados para proteger la inversión instalada en sistemas celulares al tiempo que proporcionan una ruta de migración.

5.9.4 Resumen

WCDMA 3G y 4G están ampliamente desplegados. Si bien 3G/WCDMA será reemplazado gradualmente por 4G y 5G tiene aspectos particulares que podrían hacer que el sistema permanezca por muchos años.

Figura\(\PageIndex{4}\): Cronología para la implementación de 3G, 4G y 5G. DL indica la velocidad de datos de enlace descendente; UL indica la velocidad de datos de enlace ascendente; BW indica el ancho de banda del El desarrollo soporta protocolo de Internet (IP) y voz sobre IP (VoIP). Las dos rutas 3G se convierten en una única ruta de evolución a largo plazo (LTE). LTE es el concepto de evolucionar sin problemas a través de 4G y 5G utilizando la infraestructura existente y agregando capacidad [25]). A partir de la versión 99 (Rel-99), la línea de tiempo es controlada por 3GPP. Las fechas se refieren a la primera disponibilidad comercial significnat de la norma y las fechas de lanzamiento oficiales se pueden encontrar en http://www.3gpp.org.

Banda	Uplink\((\text{MHz})\)	Descajo\((\text{MHz})\)
\(33\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1900-1920\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1900-1920\)
\(34\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2010-2025\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2010-2025\)
\(35\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1850-1910\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1850-1910\)
\(36\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1930-1990\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1930-1990\)
\(37\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1910-1930\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1910-1930\)
\(38\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2570-2620\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2570-2620\)
\(39\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1880-1920\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(1880-1920\)
\(40\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2300-2400\)	\ ((\ texto {MHz})\) ">\(2300-2400\)

Tabla\(\PageIndex{5}\): Asignaciones de espectro para TDD 3GPP [25, Versión 8].