Instituto Tecnológico de Chihuahua
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CDMA MULTIPORTADORA EN REDES INALÁMBRICAS DE BANDA ANCHA PARA INTERIORES Luna O. Marco A. y Sánchez G. Jaime CICESE - Depto. de Electrónica y Telecomunicaciones Km. 107, Carret. Tijuana-Ensenada, Ensenada, B.C. México, 22860 Tel: 6-1745050, ext. 25319; Fax: 6-1750549 e-mail:
[email protected] y
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RESUMEN. Las comunicaciones multiportadora (MC) proveen una solución elegante al problema de la interferencia intersímbolica originada por multitrayectorias en el canal. CDMA es un esquema que soporta múltiples usuarios, capacidad de rechazo de interferencia, seguridad, entre otras. En este articulo se evalúa la técnica MC-CDMA a alta tasa de bit, mediante un modelo de enlace de bajada desarrollado en OpNet, considerando un ambiente de picocelda con un desvanecimiento tipo Rician.
diferente frecuencia (FDM), reduce la posibilidad de desvanecimiento por respuesta no plana en cada subportadora [2]. Cuando estas subportadoras son ortogonales en frecuencia, se permite reducir el ancho de banda total requerido aún más, como se muestra en la figura 1. Ch.1 Ch.2 Ch.3 Ch.4 Ch.5 Ch.6 Ch.7 Ch.8
a) Frecuencia
1. INTRODUCCIÓN
Ahorro de ancho de banda
La técnica de acceso múltiple por división de código (CDMA) ha sido ampliamente considerada para el canal radio móvil de banda ancha. En el esquema de alta tasa de trasmisión de datos, CDMA sufre drásticamente de desvanecimiento selectivo en frecuencia que destruye la ortogonalidad de las secuencias de código identificador entre cada usuario y que resu resulta lta en interferencia de acceso múltiple (MAI) e intersímbolica (ISI) [1]. Debido a lo anterior, la técnica de multicanalización por división de frecuencias ortogonales (OFDM) (ó conocida como multiportadora), fue propuesta en combinación con CDMA para eliminar el problema antes mencionado, manteniendo la eficiencia de ancho de banda, mediante la utilización de un símbolo OFDM de mayor duración, posiblemente con tiempo de guarda y un espectro traslapado. tr aslapado.
b) Frecuencia Fig. 1. a) Técnica Multiportadora convencional, b) Modulación con portadoras ortogonales
Los problemas de ISI, y de interferencia intercanal (ICI) son eliminados del símbolo OFDM, cuando la longitud del tiempo de guarda es mayor al máximo valor del esparcimiento del retardo. Un diagrama a bloques de un transmisor OFDM es el mostrado en la figura 2 [4].
Simbolos entrada
S/P
M
IFFT N Prefijo
ciclico
N +Lp
P/S
Muestras transmitidas
Fig. 2. Diagrama a bloques de un transmisor OFDM simple En un transmisor OFDM el flujo original de datos con duración de símbolo T’es convertido serie a paralelo en J grupos de subportadoras con duración de símbolo T. La mayor eficiencia de ancho de banda se logra cuando T = JT’, no obstante lo usual es T = JT’ + Tg, donde Tg es el tiempo de guarda. OFDM puede eliminar el desvanecimiento selectivo en frecuencia cuando Tg es mayor que el esparcimiento del retardo del canal
2. ESQUEMA OFDM En una comunicación inalámbrica a alta tasa de bit, se requiere un gran ancho de banda, en estos casos el canal es susceptible a ser selectivo en frecuencia (no plano). Dividir el ancho de banda total en canales paralelos más angostos, cada uno en
[6].
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3. ESQUEMA MC-CDMA
donde {d j(0), d j(1), ..., d j(K M MC C -1)} es el código ensanchador con longitud K M MC C, T’s es la duración del símbolo en la subportadora, ∆f’es la mínima separación entre subportadoras y ps(t) es el símbolo con forma de pulso rectangular definido como:
La generación de una señal MC-CDMA puede ser descrita como sigue. Como se observa en la figura 3 para el j-ésimo usuario, un transmisor multiportadora convierte serie a paralelo el flujo de datos en P ramas, cada bit de cada rama es
1
esparcido en frecuencia usando un código ensanchador dado en el dominio de la frecuencia, es decir una fracción de símbolo correspondiente a un chip del código ensanchador es trasmitido a través de diferentes subportadoras. El conjunto de códigos ortogonales se forman utilizando las funciones binarias ortogonales de HadamardWalsh, con la recursión de:
H n H n H M = H n H n
s P (t ) = 0
j
(1)
Tabla I. Consideraciones de la simulación Parámetro Valor
π ∆
j π
S/P 1:P
Σ
tiempo de guarda
j MC
j
MC
π
MC
∆
j
Fig. 3. Transmisor MC-CDMA El código ensanchador es de longitud K M MC C. Todos los datos N = P x K M MC C (número total de subportadoras) son modulados en banda base por la transformada discreta inversa de Fourier. El intervalo de guarda ∆ es insertado entre símbolos para eliminar la ISI causada por el desvanecimiento multitrayectoria y finalmente la señal es transmitida después de convertirla a RF en el rango de 6 GHz. La señal compleja pasa baja transmitida es escrita como [3]: + α P −1 K MC −1
j (t ) = S MC
i = −α p = 0 m = 0
T s' = PT s , ∆ f ' = 1 /(T s' − ∆ )
(5)
El modelo se desarrolló en OpNet, [5] software de simulación de redes que consiste de tres niveles: red, nodo y procesos. Se modelaron tres escenarios: 1.- Un transmisor MC-CDMA en la base, 2.- Dos transmisores MC-CDMA en la base y 3.- Un transmisor portadora única (SC) en la base. En los tres escenarios se utilizaron los mismos parámetros de tasa de bit. Algunas consideraciones en la simulación son:
IDFT
Flujo de datos
cualquier otro
4. DESCRIPCIÓN DEL MODELO.
Cada chip es después digitalmente modulado a una subportadora espaciada equidistante de sus subportadoras vecinas.
- ∆ ≤ t ≤ T's − ∆
a j , p (i )d j ( m) p s (t − iT s' )e
Tasa de trans. / subportadora
375 kbps
Conversión serie a paralelo
Factor de 2
Ganancia del código Walsh
32
Número de subportadoras
64
Tasa de transmisión total
24 Mbps
Ancho de banda/ subportadora
375 kHz
Ancho de banda total
24 MHz
Frecuencias subportadoras
5628 a 5652 MHz, espaciadas 375 kHz
Esquema de Modulación
BPSK,MSK,GMSK
Ganancia de procesamiento
0 dB
Ganancia de antena Tx
0 dB
Ganancia de antena Rx
0 dB
Potencia de transmisión
15, 30, 37, 45, 60, 120, 240, 480, 960, 1920,
equivalente
j 2π ( Pm + p ) ∆ f '( t − iT s ' )
3840, 7680 µW Desvanecimiento Desvanecimi ento en el canal
Rician
(2)
El modelo de red se muestra en la figura 4, se considera una picocelda con 32 terminales fijas y equidistantes a 200 mts de la base (a 10 mts sobre el piso), no existen obstáculos entre base y
(3) (4)
terminales.
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Todas las terminales reciben simultáneamente la información trasmitida por la base (de hasta 2 trasmisores), solo el terminal correspondiente decodifica correctamente dicha información.
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS En un ambiente de telecomunicación como el propuesto en este trabajo, donde existe un desvanecimiento tipo Rician, los datos recibidos por el usuario o terminal en su aplicación final, contienen errores, estos errores son caracterizados principalmente en términos de la tasa de error de bit (BER), por lo que este parámetro de eficiencia usualmente es el más importante desde el punto de vista del usuario. Al propagarse una señal en algún medio de transmisión siempre existe algún tipo de ruido inherente a esta. La magnitud de la relación de la potencia de la señal recibida con respecto a la potencia del ruido (SNR) en un ancho de banda determinado define la capacidad del canal, dada por:
Fig. 4. Modelo de red. El modelo de nodo de la base se muestra en la figura 5 y el modelo de nodo de las terminales en la figura 6. La simulación sigue la siguiente secuencia: Las terminales generan peticiones a la base, estas peticiones no compiten por el canal, en la base se reciben dichas peticiones y se verifica cual transmisor de la base (Mc_Tx_1 ó Mc_Tx_2) se encuentra desocupado para generar un paquete conforme a la petición recibida y esparcirlo con el código correspondiente de Walsh para que solo sea decodificable por la terminal que generó dicha petición.
η B max
=
C B
= log 2 1 +
S
N
(6)
En las figuras 7 a 9 puede observarse como al aumentar la potencia de transmisión, la SNR tiende a aumentar y el BER a disminuir.
Fig. 5. Modelo de nodo en estación base. Como se observa en la figura 5 y 6, existen 64 ramas en paralelo de los nodos hacia los transmisores, que equivalen a las 64 subportadoras utilizadas en la trasmisión.
Fig. 7. Un transmisor MC-CDMA en la base En la figura 7 el BER está en ordenes de 10 -3 a 102 , se puede ver que con la modulación BPSK se tiene mayor eficiencia con respecto al BER. Los valores del BER en la figura 8 también se encuentran en ordenes de 10 -3 a 10-2. Las variaciones en las curvas se atribuyen a la interferencia de acceso múltiple (MAI).
Fig. 6. Modelo de nodo en terminales.
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Fig. 8. Dos transmisores tr ansmisores MC-CDMA en la base
Fig. 10. Un transmisor en la base
Con el fin de comparar el rendimiento de los esquemas multiportadora con los esquemas de portadora única se realizó un modelo con una portadora a 24 Mbps.
De la figura 10, se tomaron algunos puntos, con el fin de calcular la capacidad de canal con ecuación (6) para cada potencia. Tomando como consideración que la capacidad de canal en la práctica es mínimo tres veces la capacidad de canal teórica, se obtuvieron las potencias mostradas en la tabla II, con las cuales se obtuvo la capacidad de
La figura 9 muestra el desempeño, el BER está en ordenes de 10-3 a 10 -1. Con los resultados obtenidos se demostraron las ventajas de los esquemas multiporadora.
canal para cada escenario. Tabla II. Capacidad de canal Un
Dos
transmisor
misores
única
Potencia
37µ 37µW(-14 dBm)
37 µW
37 µW
S/N
8.9442 dB
7.7332 dB
-9.0582 dB
B
24 MHz
24 MHz
24 MHz
75.4644 Mbps
67.04 Mbps
4.053 Mbps
Potencia
45µ 45µW(-13. dBm)
45 µW
45 µW
S/N
9.7774 dB
8.964 dB
-8.1972 dB
B
24 MHz
24 MHz
24 MHz
Capacidad de canal
81.4156 Mbps
75.6 Mbps
4.8813 Mbps
Potencia
1.92mW(2 dBm)
1.92 mW
1.92 mW
S/N
26.0479 dB
23.5333 dB
8.0832 dB
24 MHz
24 MHz
24 MHz
207.5841 Mbps
187.77 Mbps
69.44 Mbps
Capacidad de canal
Fig. 9. Un transmisor SC en la base En términos de SNR, se obtuvo una mejora de 20 dB para la potencia más baja usada en la simulación (15 µW), comparando el esquema de 1 transmisor MC-CDMA con el transmisor SC.
B Capacidad
trans- Portadora
de canal
Existe una diferencia de potencia para lograr la capacidad de canal entre los esquemas MC y SC. Este requerimiento en potencia se acerca a la razón de 64:1 subportadoras utilizadas en ambos escenarios.
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6. CONCLUSIONES.
7. REFERENCIAS
MC-CDMA es una técnica de espectro esparcido de acceso múltiple con mucho futuro, es más efectiva en el enlace descendente, donde el control de la fase es implementado más fácilmente. Además la mayoría de los esquemas inalámbricos
[1] Bahai Ahmad R.S, Saltzberg Burton R. “Multicarrier Digital Communications, Theory and applications of OFDM”. Kluwer Academic, 1999
son asimétricos (generalmente el enlace descendente transporta mayor cantidad de información que el enlace ascendente).
Radio Access Networks (BRAN); HIPERLAN type 2; Physical (PHY) layer.
[2] ETSI TS 101 475, V1.1.1 (2000-04).Broadband
[3] Linnartz J. Paul, Yee Nathan. “Multi-Carrier CDMA in an indoor wireless radio channel”. University of California at Berkeley. MICRO project 93-101. 1993.
Algunas de las limitaciones de CDMA son por Interferencia de Acceso Múltiple (MAI) y por interferencia ínter simbólica (ISI), debido a los desvanecimientos por multitrayectorias. El canal radio es altamente hostil cuando se requiere una alta tasa de transmisión de los datos (mucho ancho de banda), por lo que existirá desvanecimiento selectivo en frecuencia (FSF) para una transmisión de portadora única. OFDM es robusto al FSF, pero tiene dificultad para lograr la sincronización de las subportadoras. La combinación de ambos esquemas compensa las respectivas deficiencias de cada esquema.
[4] Litwin Louis, “OFDM, An introduction to multicarrier modulation”. IEEE Potentials, 2000. [5] Opnet Technologies, Inc. 2000, “Opnet Modeler”. 7255 Woodmont Avenue Bethesda, MD 20814, USA. [6] Van Nee R., Prasad Ramjee, “OFDM Wireless Multimedia Communications”. Artech House, 2000
En este trabajo, con con las consideraciones mostradas en la Tabla I, y los tres escenarios utilizados, se puede concluir que el esquema MC-CDMA es más eficiente en ancho de banda, potencia, SNR y BER en comparación con el esquema SC. Existe un compromiso entre costo, eficiencia y relativa complejidad tecnológica. Se recomienda su uso en enlace descendente en combinación de algún otro esquema de acceso en enlace ascendente.
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