Instituto Especializado de Estudios Superiores Loyola.

Tecnologías de Acceso Multiple

Septiembre-Diciembre 2015

Carlos Febles.

La capacidad del sistema es la medida mas importante para una red celular. Por lo que los métodos para incrementar la capacidad son un área esencial de investigación. Algunos de estos métodos son:

1. Incremento de la cantidad de espectro utilizado: este es el método de la fuerza bruta, es muy caro porque el espectro es un recurso escaso. Los gobiernos los subastan a precios muy altos. Además la cantidad total del espectro que es atribuido a sistemas inalámbricos cambia muy lentamente (WRC “World radiocommunicationconferences” se reúne cada 3 o 4 anos, próxima nov-2015). Link Atribución vs Asignación vs Uso.

2. Formatos de modulación y codificación mas eficientes: usando formatos de modulación que requieran menos ancho de banda y sean mas resistentes a la interferencia. Esto permite incrementar el data rate de cada usuario o aumentar la cantidad de usuarios dejando el data rate intacto. La introducción de códigos de detección y corrección de errores es otra forma de conseguir una mejor inmunidad a la interferencia, incrementando así la capacidad del sistema.

3. Mejorar los codificadores de fuente: dependiendo de los requerimientos de calidad de voz, los speech coders actuales requieren data rates entre 32 y 4 kbit/s. la compresión de música/video permite brindar servicio a mas usuarios.

4. Discontinuous Voice Transmission (DTX): explota el hecho de que durante una conversación telefónica cada participante habla solo el 50% del tiempo. Por tanto, a los usuarios que están activamente hablando se le asignan recursos, mientras que a los usuarios callados no se le asignan recursos de radio.

5. Multiuser detection: técnicas de diseño de receptores que reducen grandemente el efecto de interferencia, permite mas usuario por celda en sistemas CDMA o menores distancias de reúso en sistemas FDMA.

6. Adaptive modulation an coding: emplea el conocimiento que tiene el transmisor sobre el canal inalambrico, y elige el formato de modulación y codificación que se ajuste mas a la condición actual del enlace. Con esto se logra también un mejor uso de la potencia y reduce la interferencia.

7. Reducción del radio de la celda: esta es una forma muy efectiva pero muy cara de incrementar la capacidad, por el costo que implica la instalación de nuevas BS. Además se reduce la eficiencia espectral por el costo en señalización que implica el incremento de handovers por la cercanía de las celdas.

8. Uso de celdas sectorizadas: antenas omnidireccional vs direccionales, estas ultimas multiplican la cantidad de celdas que se pueden tener en una localidad (BS).

9. Uso de estructuras de superposición: combina celdas de diferentes tamaños y diferentes densidades de trafico, ej:

Umbrella cell.

Femtocells que se instalan indoor en hogares y oficinas pequeñas, estas se pueden conectar a la red vía conexión de internet (DSL), usualmente tiene capacidad para manejar de 2-20 usuarios al mismo tiempo. Algunos operadores ofrecen descuentos por llamadas realizadas desde estas celdas, por la reducción en costos que implican. En la terminologia 3GPP, un ”Home Node B (HNB)” es una femtocell 3G. Una “Home eNode B (HeNB)” es en LTE una femtocell.

10. Antenas múltiples: se pueden usar para mejorar la capacidad en diferentes escenarios:

a) Diversidad: incrementa la calidad de la señal recibida, esto puede ser explotado para incrementar la capacidad, ej.: usando formatos de modulación de orden superior o reduciendo la distancia de reúso.

b) Multiple-input multiple-output system (MIMO): incrementa la capacidad de cada enlace.

c) Space division multiple Access (SDMA): permite brindarle servicio a múltiples usuarios en la misma frecuencia y en la misma celda.

11. Fractional loading: se asigna de forma dispareja la cantidad de recursos dentro de cada cluster, de esta forma algunas celdas tendrán mas recursos disponibles que otras celdas que quizás no los necesitaban.

12.Partial frecuency reuse: el espectro disponible se divide en N+1 sub-bandas. Una es usada en la celda del centro y las otras en las de frontera.

Un sistema de comunicación inalámbrico utiliza cierta banda de frecuencia que se le asigna para un servicio en especifico. El espectro radioeléctrico es un recurso escaso, y no es fácil ampliarlo.

Por esta razón los sistemas inalámbricos deben tomar medidas para permitir la comunicación simultanea del mayor numero de usuarios en esa banda.

Un esquema de acceso múltiple esta basado en la técnica de multiplexacion, este permite varios flujos de datos o señales compartir el mismo canal de comunicación.

Los métodos de acceso múltiple mas comunes son:

Frecuency Division Multiple Access (FDMA).

Time Division Multiple Access (TDMA).

Spread Spectrum (SS) / Code Division Multiple Access (CDMA)

Space Division Multiple Access (SDMA).

Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA).

Frecuency Division Multiple Access

(FDMA).

Es el mas antiguo, y conceptualmente el mas simple método de acceso. A cada usuario se le asigna una subbanda de frecuencia.

Esta asignación de frecuencia se hace regularmente en el proceso de configuración de una llamada, y se mantiene durante la misma.

El FDMA puro es conceptualmente muy simple, algunas de sus ventajas en la implementación son:

El transmisor (TX) y el receptor (RX) requieren poco poder de procesamiento digital de señales. Sin embargo, esto se hace cada vez menos importante en la práctica, ya que los costos para el procesamiento digital decrecen continuamente.

La sincronización (Temporal) es simple. Una vez que la sincronización se ha establecido durante la configuración de la llamada, es fácil de mantenerla por medio de un sencillo algoritmo de seguimiento, ya que la transmisión se produce continuamente.

Sin embargo, el FDMA puro tiene desventajas significativas, especialmente en la comunicación de voz. Estos problemas surgen en relación a la eficiencia espectral, así como a la sensibilidad a los efectos de trayectos múltiples: La sincronización de frecuencia y la estabilidad son difíciles: para comunicaciones de voz,

cada sub-banda es estrecha (entre 5 y 30kHz).

Los osciladores deben ser muy precisos y estables, esto los hace muy caros.

Cualquier (Jitter) variación en la frecuencia da como resultado interferencia de canal adyacente.

Para mitigar se debe ampliar las bandas de guarda entre una frec. Y otra. Esto reduce la eficiencia espectral.

Sensible al desvanecimiento: aunque para estas bandas estrechas (5-30kHz) el desvanecimiento es muy similar en todos los ambientes (no necesitan ecualizadores), la desventaja aquí es que no existe diversidad de frecuencia.

Intermodulación: la BS transmite múltiples canales para voz. Típicamente entre 20-100. cuando son amplificadas por el mismo amplificador produce señales a frecuencias indeseadas por el efecto de intermodulación.

Se mitiga poniendo un amplificador para cada canal o utilizando un amplificador linear de clase alta, estas dos soluciones son muy caras.

En TDMA (Time Division MultipleAccess): diferentes usuarios no transmiten en diferentes frecuencias sino mas bien en tiempos diferentes.

Una unidad de tiempo se subdivide en N timeslots de duración fija.

A cada usuario se le asigna un timeslot, en ese intervalo de tiempo el usuario transmite en un ancho de banda grande.

Diferencias de TDMA y FDMA: En TDMA los usuarios ocupan un ancho de banda amplio por lo que se necesitaran

ecualizadores para combatir la interferencia inter-simbolo, esto incrementa la necesidad de procesamiento de señales.

Se requiere un tiempo de guarda entre intervalos. Este tiempo debe ser suficiente para cubrir los delays que ocurren entre transmisiones de un MS cerca de la BS vs. Otro que esta lejos de la misma, en este ultimo el tiempo que le toma llegar la señal del MS al BS es mayor.

Cada usuario aprovecha todo el ancho de banda, sin restarle las frecuencias de guardas que se usan en FDMA.

Cada timeslot puede requerir una nueva estimación de la sincronización y el canal, ya que la transmisión no es continua. La optimización de la duración de cada timeslot es un reto.

Si el timeslot es muy corto, un gran porcentaje del tiempo es usado para estos fines (en GSM 17% del timeslot es usado para estos fines)

Si el timeslot es muy largo, los delays de transmisión se hacen muy grandes también (los usuarios lo pueden percibir en comunicaciones de voz), el canal comienza a cambiar durante un timeslot. En este caso se deben usar ecualizadores para monitorear el canal durante la transmisión (esto pasaba en modelo IS-136), esto incrementa el costo.

La mayor ventaja del TDMA se da en sistemas limitados por la interferencia, porque durante periodos de inactividad, el MS puede “escuchar” la transmisión en otros timeslots.

Esto es muy importante para la preparación de los handover entre una BS y otra.

Las técnicas de espectro esparcido, esparcen la información sobre un granancho de banda.

En los sistemas spread spectrum (SS) el ancho de banda de transmisiónutilizado es mucho mayor que el ancho de banda mínimo requerido para enviarla información digital.

Los sistemas SS deben de poseer las siguientes características:

1. El ancho de banda de la señal que se va a transmitir es mucho mayor que el ancho de banda de la señal original.

2. El ancho de banda transmitido se determina mediante alguna función independiente del mensaje y conocida por el receptor.

Existen varias formas de proveer acceso múltiple con SS. Frequency Hopping (FH)

Direct Sequence – Code Division Multiple Access (DS-CDMA)

Time-Hopping Impulse Radio.

Sabiendo la importancia que tiene la eficiencia de espectro, resulta extraña la idea de esparcir la información sobre un gran ancho de banda en un sistema de comunicación inalámbrico comercial.

Después de todo, esta técnica viene del área militar, donde el objetivo principal era mantener la comunicación oculta, libre de intercepción y libre de interferencia por un transmisor hostil. Estos puntos no encabezan la lista de requerimientos de los operadores celulares.

Por lo que parece sorprendente el papel tan importante que han alcanzado los sistemas SS en las comunicaciones inalámbricas.

Esto se explica por el hecho de que diferentes usuarios se pueden esparcir a través del spectro de diversas maneras. El receptor puede determinar que parte viene de un usuario especifico observando solo las señales con un patrón especifico.

Dos problemas importantes son resueltos usando técnicas SS:

1.La interferencia causada por un pulso de ruido.

2.La necesidad de una baja probabilidad de detección.

No se puede decir que las comunicaciones mediante SS son medios eficientes de utilización del ancho de banda. Sin embargo, rinden al máximo cuando se los combina con sistemas existentes que hacen uso de la frecuencia.

La señal de SS, una vez ensanchada puede coexistir con señales en banda estrecha, ya que sólo les aportan un pequeño incremento en el ruido.

En lo que se refiere al RX de SS, no ve las señales de banda estrecha, ya que está escuchando un ancho de banda mucho más amplio gracias a una secuencia de código preestablecido.

Frequency Hopping

Es un metodo de transmission de radio senales que rapidamente cambia la portadora entre muchos canales de frecuencia. Utilizando una secuencia pseudo-aleatoria conocida tanto por el TX como el RX.

• El código de esparcimiento no modula directamente la señal sino que se usapara seleccionar la secuencia de frecuencias portadoras

• Como las frecuencias saltan de una portadora a otra se llama Frequency Hopping –SS (FH-SS).

• En el receptor la señal se mezcla con otra de un oscilador local que cambia defrecuencia de manera sincronizada con el transmisor.

• Las transmisiones con DS-SS multiplican la data que se va a transmitir con una senal de“ruido”. Esta senal de ruido es una secuencia pseudoaleatoria (PseudoNoise ‘PN’ code,tambien llamados “chips”) de valores 1 y -1, a una frecuencia superior a la de la senaloriginal.

• Beneficios:• Añade resistencia a Jamming intencionado o no.

• Múltiples usuarios comparten el mismo canal

• La reducción del nivel S/N dificulta la intercepción

• Determinación de la temporización entre transmisor y receptor mas fácil.

• Usos:• Sistemas de posicionamiento GPS, Galileo y GLONASS

• CDMA

• WIFI 802.11b 2.4Ghz

• Otros

OFDM es un popular esquema para comunicaciones digitales de banda ancha, sea de modo inalambrico como por cobre, usado en aplicaciones como television digital, internet DSL, redes inalambricas (WIFI 802.11a y g) y comunicacionesmoviles 4G como LTE y WiMAX.

Se introdujo a mediado de los anos 60, en 1985 se sugirio su uso para comunicaciones inalambricas

Se ajusta especialmente para transmisiones de alto data rate y en ambientes con dispersion por retardo.

Este sistema convierte un flujo de datos de alta velocidad en un numero de Corrientes de baja velocidad que se transmiten en paralelo. En canals de ancho de banda estrechos que son faciles de ecualizar.

Cada sub-carrier (subportadoras) ortogonales, estrechamenteespaciadas, se utilizan para transportar datos en paralelo.

Cada subcarrier se modula con un esquema de modulacion tradicional(QPSK, QAM, etc.) a una bajavelocidad, manteniendo el data rate total similar a un esquema de modulacion de un solo carrier para el mismo ancho de banda.

Ventajas:

Alta eficiencia spectral.

Facil adaptacion a condiciones de canal severa, sin ecualizacion compleja.

Robusta a la interferencia co-canal

Robusta a la interferencia intersimbolo y al desvanecimiento por multicamino.

Implementacion eficiente usando Fast Fourier Transform (FFT)

Poco sensible a los errors de sincronizacion de tiempo.

Desventajas:

Sensible al efecto Doppler

Sensible a problemas de sincronizacion de frecuencia

Perdidas en la eficiancia son causadas por el Cyclic Prefix/intervalos de guarda.

Las subportadoras de guarda permiten que la portadora OFDMA no ocupe

mas allá de su ancho de banda.

Para poder crear un canal libre ISI (Inter Symbol Interference) es necesario establecer un

tiempo de guarda entre la transmisión de cada símbolo OFDM.

Esto podemos lograrlo copiando la ultima parte de un símbolo al inicio de cada símbolo.