El ABC de CDMA (parte 1)

Por Evelio Martínez
Publicado en la Revista RED, Junio de 2001.

INTRODUCCIÓN

Uno de los puntos más importantes en un sistema móvil, como la telefonía celular, es la forma en como sé accesa al medio de comunicación. A estas técnicas se le conocen como "acceso múltiple". Múltiple significa que muchos usuarios pueden estar conversando simultáneamente. Es decir, una gran cantidad de subscriptores en un servicio móvil comparten un conjunto de canales de radio y cualquier usuario puede contender para accesar cualquiera de los canales disponibles. Un canal puede ser visto como una porción del espectro radioeléctrico, el cual es asignado temporalmente para un propósito especifico, tal como una llamada telefónica. Una técnica de acceso múltiple define como se divide el espectro de frecuencias en canales y como los canales son asignados a los múltiples usuarios en el sistema. Visto de otra manera, el seleccionar una técnica eficiente de acceso múltiple significa que los operadores telefónicos (carriers) obtendrán más ganancias al acomodar más usuarios en sus redes inalámbricas.

Las técnicas de acceso múltiple son utilizadas en el ambiente de las comunicaciones para que varios dispositivos [computadoras, teléfonos, radios, etc.] puedan accesar al medio o canal de comunicación de manera ordenada. Sin las técnicas de acceso múltiple, las comunicaciones entre dispositivos sería un caos. Las técnicas de acceso múltiple nos permiten compartir un mismo canal de comunicación para varios usuarios.

Existen tres tipos de técnicas de acceso básicas: FDMA (frecuency division multiple access),TDMA (time division multiple access) y CDMA (code division multiple access).

La primer generación(1G) de telefonía celular empleó la técnica FDMA. Esta técnica asigna a cada usuario una frecuencia de 30 KHz de ancho de banda en el sistema analógico AMPS (Advanced Mobile Phone System). Como el espectro es limitado, solo se podían acomodar un número fijo de usuarios. Por lo que al ingresar más usuarios al sistema, se empezaron a bloquear los canales.

La segunda generación (2G) se caracterizó por ser digital y emplear la técnica TDMA. TDMA es un sistema de acceso múltiple divide el canal de 30 KHz en 3 ranuras de tiempo. TDMA, técnica conocida también como IS-54, fue adoptada en 1991 en Estados Unidos (EUA) por la TIA (Telephone Industry Association) bajo la presión de fabricantes europeos que intentaban vender sus equipos al mercado estadounidense. TDMA vino a triplicar en magnitud de 3 el número de usuarios en comparación con el sistema analógico AMPS de la primer generación de celulares. Al incrementarse el número de usuarios, esta técnica de acceso múltiple también es ineficiente.

La tercer técnica conocida como CDMA, asigna códigos a todos los usuarios compartiendo un mismo espectro de frecuencias. Con esta técnica se incrementa considerablemente el número de usuarios por radio base.

En este artículo explicaremos más al detalle las bondades de esta tecnología que fue seleccionada por gran parte de los operadores para ofrecer los servicios de tercera generación (3G).


QUÉ ES CDMA

CDMA es un termino genérico que define una interface de aire inalámbrica basada en la tecnología de espectro extendido (spread spectrum). Para telefonía celular, CDMA es una técnica de acceso múltiple especificada por la TIA (Telecommunications Industry Association) como IS-95. En marzo de 1992, la TIA estableció el subcomité TR 45.5 con la finalidad de desarrollar un estándar de telefonía celular digital con espectro extendido. En julio de 1993, la TIA dió su aprobación al estándar CDMA IS-95.

Los sistemas IS-95 dividen el espectro en portadoras de 1.25 MHz. Unos de los aspectos únicos de CDMA es que apesar de que existe un número fijo de llamadas telefónicas que pueden ser manipuladas por un proveedor de servicios de telefonía (carrier), éste no es un número fijo. La capacidad del sistema va a depender de muchos factores.

Cada dispositivo que utiliza CDMA está programado con un pseudocódigo, el cual es usado para extender una señal de baja potencia sobre un espectro de frecuencia amplio. La estación base utiliza el mismo código en forma invertida (todos los ceros son unos y los unos ceros) para des-extender y reconstruir la señal original. Todos los otros códigos permanecen extendidos, indistinguibles del ruido de fondo.

Hoy en día existen muchas variantes, pero el CDMA original es conocido como cdmaOne bajo una marca registrada de Qualcomm. A CDMA se le caracteriza por su alta capacidad y celdas de radio pequeño, que emplea espectro extendido y un esquema de codificación especial y lo mejor de todo es muy eficiente en potencia.


ALGUNAS VENTAJAS Y BENEFICIOS DE CDMA

A continuación se listan algunas ventajas y beneficios de la tecnología de CDMA, que la ponen muy por encima de su competidor TDMA.

    Información paquetizada

    Las redes basadas en CDMA están contruídas bajo protocolos basados en IP. En otro tipo de redes, el añadir equipo que soporte paquetes de datos es costoso y requerirá también equipo terminal que lo soporte. El estándar cdmaOne ya incorpora en sus terminales los protocolos TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol) y PPP (point to point protocol).

    Seguridad y privacidad

    La técnica de espectro extendido es muy utilizada para aplicaciones militares donde la seguridad de las conversaciones y protección de los datos es importante. En un ambiente de negocios también es vital los aspectos de seguridad y privacidad. Diseñado con alrededor de 4.4 trillones de códigos, CDMA virtualmente elimina la clonación de dispositivos y es muy difícil capturar y descifrar una señal.

    Control del nivel de potencia

    El control de la potencia es otro beneficio de los sistemas de CDMA. Empleando técnicas de procesamiento de señales, corrección de error, etc., CDMA supera el problema de la potencia con una serie de ciclos de retroalimentación. Con un control automático de la ganancia en las terminales y una supervisión constante del nivel de señal a ruido y tasas de error en la radio base, picos en el nivel de potencia son regulados con circuitería electrónica que ajusta la potencia a una razón de 800 veces en un segundo. Esto tiene gran repercusión en el ajuste dinámico del tamaño de las celdas. En una celda congestionada, la potencia de todas las terminales se elevaría creando interferencia mutua. En el margen, las transmisiones a alta potencia inundarían a las celdas vecinas donde estas podrían ser tomadas por la radio base adyacente. En una celda con poca densidad, la potencia es tan baja que la celda se reduce efectivamente, transmitiendo sin interferencia hacia las celdas vecinas mejorando el desempeño de las mismas. Este tipo de ajustamiento dinámico en el tamaño de las celdas es imposible en TDMA, donde las celdas adyacentes utilizan diferentes frecuencias. Se ha comprobado en diversos estudios, que CDMA es ciento de veces más eficiente en potencia que TDMA.

    Bajo consumo de potencia y baterías más duraderas en las terminales

    Debido al sistema de retroalimentación de CDMA que mantiene la potencia al más bajo nivel permisible, las terminales consumen menos potencia y son más pequeñas y las baterías de CDMA duran mas tiempo que las de TDMA.

    Amplia cobertura con pocas celdas

    La señal de espectro extendido de CDMA provee gran cobertura en la industria inalámbrica, permitiendo a los carriers la instalación de menos celdas para cubrir un área más extensa. Pocas celdas significan para los carriers mucho ahorro en infraestructura de radio bases. Dependiendo de la carga del sistema y de la interferencia, la reducción de celdas es 50% menor en CDMA que en sistemas como GSM basado en TDMA. Es preciso notar que la reducción de celdas sólo es válida para operadores que empezaron desde un principio con CDMA. Operadores que utilizan sistemas analógicos o basados en otras tecnologías deberán redistribuir las celdas CDMA con las celdas ya existentes.

    Pocas llamadas caídas

    La transferencia de celdas (handoff) de CDMA, método para transferir llamadas entre celdas reduce inteligentemente el riesgo de interrumpirlas durante una transferencia. El proceso conocido como transferencia suave o transparente (soft handoff) entre celdas conduce a pocas llamadas caídas ya que 2 o 3 celdas están monitoreando la llamada todo el tiempo. La transferencia entre celdas es transparente al usuario debido a que como todos los usuarios están utilizando el mismo espectro, es más fácil moverse de una celda a otra sin que el subscriptor sé de cuenta.

    Resistencia a la interferencia, ruido del ambiente y multitrayectorias

    Las multitrayectorias en CDMA en vez de ocasionar problemas con la señal, la fortalece más. Esto conduce a una casi eliminación de la interferencia y desvanecimiento. Ambos, el ruido eléctrico de fondo y ruido acústico de fondo son filtrados al usar ancho de banda angosta que corresponde a la frecuencia de la voz humana. Esto mantiene al ruido de fondo fuera de las conversaciones. En TDMA por el contrario, por ser basada en el tiempo, las multitrayectorias son un problema. Señales que vienen de distintas trayectorias a desfasadas en el tiempo ocasionan que están interfieran a las ranuras adyacentes haciendo que se interfieran las llamadas y se caigan.

    Implantación más rápida

    Los sistemas CDMA pueden ser implantados y expandidos más rápidamente debido a que requieren de menos celdas. Pocas celdas significa para los operadores menor gasto de inversión y operación.

    Ancho de banda en demanda

    El canal de 1.25 MHz de CDMA provee un recurso común a todas las terminales en un sistema de acuerdo a sus propias necesidades, como podría ser voz, fax, datos u otras aplicaciones. En un tiempo dado, la porción de este ancho de banda que no sea usada por una terminal, estará disponible para otro usuario. Debido a que CDMA utiliza una porción grande de espectro repartida entre varios usuarios, provee flexibilidad en el ancho de banda para permitir servicios en demanda. Bajo TDMA donde los canales son fijos y pequeños, esto no es posible. En forma general, está comprobado que CDMA es de 3 a 6 veces más eficiente en ancho de banda que TDMA.

    Compatibilidad hacia adelante y hacia atrás

    Las terminales que funcionan bajo CDMA son compatibles con su versión antecesora. Una terminal de tercera generación, cdma2000 por ejemplo, es compatible con cdmaOne de segunda generación. La compatibilidad hacia adelante se realiza sustituyendo un simple chip en la terminal. Una terminal con cdmaOne puede actualizarse a cdma2000, sustituyendo el únicamente el chip principal. Esto evita la compra de una nueva terminal para acceder a los nuevos servicios.

    Calidad de voz mejorada

    Sofisticados esquemas de control y corrección de error hace que las tramas de información sean interpretadas correctamente. Por otro lado, sofisticados codificadores de voz (vocoders) la codifican a altas velocidades y reducen el ruido de fondo. La transferencia suave entre celdas es otro factor que eleva la calidad de la voz en una conversación. El control

    preciso de los niveles de potencia asegura que todas las terminales cercanas al nivel óptimo provean la calidad de voz más alta posible.

    Tecnología ampliamente reconocida

    Existen más de 75 fabricantes de tecnología CDMA en el mundo, además existen hoy en día más de 80 millones de usuarios que utilizan la tecnología de CDMA.



CDMA en México
Operador Tipo de Sistema Fabricante de la infraestructura

Movistar

Celular

Motorola

Movistar

Celular

Motorola

Grupo Iusacell

PCS

Lucent

Grupo Iusacell

Celular

Lucent

Movistar

Celular

Motorola

Pegaso

WLL y móvil

Alcatel, Qualcomm y Ericsson

Pegaso

PCS

Alcatel y Qualcomm

Movistar

Celular

Motorola

Unefon

PCS

Nortel Networks

Grupo Iusacel: Comcel, Portatel, Telecom, SOS
PCS: Personal Communication Services
WLL: Wireless Local Loop
Fuente: http://www.cdg.org/



Las tecnologías basadas en CDMA

A nivel mundial existen muchas propuestas para proveer servicios de banda ancha basadas en la tecnología CDMA. Por ejemplo Qualcomm (EUA) está promoviendo cdma2000, Ericsson (Europa) y NTT DoCoMo (Japón) con WCDMA (Wideband CDMA). En Corea, por su parte están promoviendo WCDMA TTA I y TTA II para servicios de 3G.

Conclusión

Hemos visto muchas de las ventajas y beneficios de la tecnología CDMA. Que podemos decir de una tecnología que es eficiente tanto en espectro como en potencia. No por otra cosa, varios operadores de GSM y TDMA, han escogido irse con CDMA como su tecnología para brindar servicios de tercera generación. La misión de los operadores será captar el mayor número de usuarios posibles. La ITU (International Telecommunications Union) ha aceptado también las tecnologías 3G basadas en CDMA como parte del IMT-2000 (International Mobile Telephone). Claramente CDMA ha emergido como la tecnología para la próxima generación de servicios.


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