Sistemas de Comunicações sem Fio. Múltiplo Acesso por Divisão em Códigos CDMA

Transcrição

1 Sistemas de Comunicações sem Fio Múltiplo Acesso por Divisão em Códigos CDMA

2 CDMA Introdução Comunicações sem fio baseadas em CDMA tem origem militar; Antes de uso comercial, os códigos foram usados para disfarçar um sinal de comunicação; Aplicação comercial feita pela Qualcomm em

3 CDMA Características Comparado ao FDMA, o CDMA é considerado um sistema de banda larga; O uso de vários caminhos num canal seletivo é considerado como diversidade em freqüência; Cada usuário tem um código único que será multiplicado pelo seu stream de bits antes da transmissão: Códigos formados por +1 s e -1 s; Taxa mais alta que o stream a ser transmitido. 3

4 CDMA Características O número de usuários simultâneos não é fixo, como no TDMA; se o número de usuários aumenta, o serviço apenas degrada; O CDMA permite o soft-handoff entre células vizinhas; Perto da fronteira, o móvel se comunica com as duas estações rádio-base. Todas as células utilizam a mesma freqüência. Fator de reuso é 1; Planejamento mais fácil. 4

5 CDMA 5

6 CDMA Para conseguir funcionar, o CDMA usa controle de potência e sincronização entre estações rádio-base; O controle de potência pode ser tanto em malha aberta quanto malha fechada; O sistema é muito sensível ao problema near-far. 6

7 Espalhamento Espectral Spread spectrum is a means of transmission in which the signal occupies a bandwidth in excess of the minimum necessary to send the information; the band spread is accomplished by means of a code which is independent of the data, and a synchronized reception with the code at the receiver is used for despreading and subsequent data recovery (IEEE). 7

8 Espealhamento Espectral DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum Utiliza seqüências pseudo-aleatórias para codificar informações e canais; Utilizado em redes celulares (IS-95, WCDMA, cdma2000). FHSS Frequency Hoping Spread Spectrum Salto em freqüencia; Bluetooth, GSM. 8

9 CDMA Se um stream de bits é completamente aleatório, supondo-se uma divisão de sua largura por dois: 9

10 CDMA Depois de espalhado, o sinal fica: 10

11 CDMA 11

12 CDMA Um sinal espalhado espectralmente permite que múltiplos percursos separados de um intervalo maior que a duração de um chip sejam discriminados no receptor - condição de resolvabilidade (resolvability condition); O receptor que pode executar esse processo de separação,combinando os sinais separados, é o receptor RAKE; Com um sinal faixa estreita as colaborações dos múltiplos percursos são sobrepostas na saída do filtro casado do receptor. 12

13 CDMA 13

14 CDMA A função de autocorrelação de uma seqüência PN idealmente não deve ser nula somente quando o deslocamento relativo é nulo; A função de correlação cruzada entre duas seqüências PN idealmente deve ser nula para qualquer valor de deslocamento relativo entre elas. 14

15 CDMA Uma seqüência pseudoaleatória deve possuir as seguintes características: Ser fácil de gerar; Ter boa aleatoriedade; Ter período longo; Ser difícil de reconstruir; Uma seqüência desse tipo pode ser gerada com Linear Feedback Shift Registers Quarta característica comprometida 15

16 CDMA 16

17 CDMA Se o período da seqüência gerada for grande, o seu espectro de potência aproxima-se do espectro de uma seqüência aleatória ideal. Exemplos de seqüência pseudoaleatórias são: Seqüências Gold; Seqüência Kasami 17

18 CDMA Para que num sistema CDMA os usuários não interfiram uns nos outros, cada um deve ter seu próprio código, que é ortogonal aos demais. Esses códigos são obtidos da matriz de Haddamard e são chamados códigos de Walsh. 18

19 CDMA A primeira linha da matriz não corresponde ao código 0, nem as demais; O código um é dado por aquele que tem apenas uma mudança de sinal e assim por diante. 19

20 CDMA Assim, percebe-se a existência de duas codificações: Códigos de canalização: A informação do usuário é multiplicada por um código ortogonal, isolando-o dos outros; Códigos de embaralhamento: A informação é multiplicada por uma seqüência pseudoaleatória, isolando o sinal do de outras células. Com isso, todas as células podem utilizar o mesmo conjunto de códigos ortogonais. 20

21 Sistemas de Comunicação Sem Fio Sistemas de Telefonia Celular baseados em CDMA 21

22 IS-95 - Características O fator de reuso de freqüência no sistema IS-95 (cdmaone) é 1, ou seja, a mesma freqüência de portadora é reutilizada em todas as células. A largura de banda de transmissão é de 1,25MHz. Para o canal direto: Os quadros tem tamanho de 20ms; A canalização é obtida através de códigos ortogonais; As estações radio base se diferenciam através de suas seqüências PN (I e Q); A taxa de chip é 1,2288Mbps. 22

23 IS-95 - Características Sistema dual-band (800/1900MHz); Sistema dual-mode (digital CDMA / analógico AMPS) com acesso CDMA/FDMA e duplexação FDD (45MHz). 23

24 IS-95 - Características Para o canal direto: Taxas de codificação de voz de 1.2 Kbps a 9.6Kbps; Taxas de codificação de erro de ½ com k=9; Código de Walsh do piloto: 0; Código de Walsh dos canas de paging: 1 a 7; Código de Walsh do canal de sincronismo:

25 IS-95 Interface Aérea (Direto) 25

26 IS-95 - Características Para o canal reverso: Quadros de 20ms; Canalização através de modulação ortogonal; Pode ser utilizado CRC. Cada 6 símbolos do interleaver são codificados como uma palavra de 64 chips do alfabeto de walsh; Uma seqüência PN longa distinta para cada usuário é utilizada para espalhar o sinal. O offset depende do ESN; O burst randomizer seleciona que grupo de seis símbolos é transmitido a cada tempo. 26

27 IS-95 Interface Aérea (Reverso) 27

28 IS-95 Interface Aérea (Reverso) 28

29 Padrões 29

30 Primeira Geração Analógico 2G 9.6 kbps 2.5G 2.75G 3G 150 kbps 380 kbps 2 Mbps AMPS NMT RadioCom CDMA EUA TDMA EUA GSM Europa 1XRTT GPRS EVDO EDGE 3xRTT IMT-2000 WCDMA TACS 30

31 Redes 3G Redes de celulares de terceira geração aumentam ainda mais a capacidade de transmissão de dados dos dispositivos móveis; Taxas de transmissão de até 2 Mbps; Possibilita banda larga no celular: Novos serviços para os usuários. 31

32 Redes 3G Em fevereiro de 1992 teve início a padronização dos futuros sistemas de terceira geração pela União Internacional de Telecomunicações (UIT); Foram estabelecidas faixas no espectro para os serviços do International Mobile Telecommunications 2000, o IMT-2000; As principais características definidas no IMT são: Sistema Global; Novos Serviços; Flexibilidade; Qualidade de Serviço. 32

33 Redes 3G Cinco tipos de tecnologia de transmissão de dados foram aprovadas no IMT-2000, as duas principais são (ambas baseadas em CDMA): UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), especificado pelo 3GPP; CDMA2000, especificado pelo 3GPP2. Incipiente no Brasil; Significativas redes no Europa. 33

34 Redes 3G 34

35 UMTS É considerado o substituto natural do GSM; Utiliza principalmente WCDMA FDD para comunicação; Trabalha na faixa de 1800 a 2000 MHz; Banda de comunicação é de (2x) 60 MHz; Tem 12 freqüências para canais, cada um com largura de banda de 5 MHz (Wideband); Necessário investimento alto das operadores (mudança de hardware). 35

36 CDMA 2000 Padrão americano, evolução do padrão IS-95 (cdmaone); Migração suave, pode ser feita de maneira gradual (bom para operadores que investiram no cdmaone); São três tipos de interface aérea: 1xRTT; 1xEV (DO ou DV); 3xRTT. 36

37 O CDMA 1xEV tem sua evolução em duas etapas: 1xEV-DO (Data Only) onde uma portadora de 1,25 MHZ é dedicada apenas para dados, e posteriormente 1xEV-DV (Data and Voice) onde uma portadora poderá ser utilizada para voz e dados. O CDMA 1xRTT já se encontra em operação no Brasil com uma portadora dedicada a dados. 37

38 Cdma2000 1xRTT Esta evolução do IS-95B é possível apenas com upgrade de software; Pouco investimento; Taxa de dados até 144 kbps. 38

39 Cdma2000 1xEV Dividido em duas partes: DO (Data Only) Disponibiliza uma portadora para dados apenas, conseguindo transferência de dados de até 2.4 Mbps; DV (Data and Voice) Mantém 144 kbps, mas disponibiliza quase o dobro de canais de voz. 39

40 Cdma2000 3xRTT Requer modificações no backbone e de hardware; Utiliza três portadoras de 1,25 MHz, totalizando 3,75 MHz; Taxa superior a 2 Mbps. 40