diseño y análisis del enlace ascendente de un sistema ds

VII Jornadas de I+D en Telecomunicaciones
DISE„O Y ANçLISIS DEL ENLACE ASCENDENTE DE UN SISTEMA DS-CDMA
PARA PAQUETES EN UN ENTORNO DE COMUNICACIONES MîVILES DE
INTERIORES
Pilar D’az, Lu’s Mart’nez
Campus Nord UPC D4 113
C/ Jordi Girona 1-3 08034 Barcelona
Tef. (93) 401 7201 Fax (93) 4017200
e-mail: [email protected]
Abstract. En este trabajo de investigaci—n se ha dise–ado y analizado un sistema s’ncrono
de Acceso Mœltiple por Divisi—n en C—digo a travŽs de Secuencia Directa (DS-CDMA) para un servicio de paquetes en un entorno de comunicaciones m—viles. La novedad consiste en considerar un
œnico receptor en la estaci—n base para todos los usuarios que est‡n conectados a ella, ya que comparten una misma secuencia de ensanchamiento con diferentes fases de decalaje para cada uno de
ellos. El an‡lisis de prestaciones se ha realizado a travŽs de simulaciones del enlace ascendente en
un entorno de comunicaciones m—viles de interiores.
1. INTRODUCCIîN.
En un sistema de acceso mœltiple, diferentes usuarios comparten un mismo canal de propagaci—n, de manera que se hace necesario arbitrar un procedimiento para separar las diferentes se–ales recibidas en el receptor. El procedimiento empleado depende de la tŽcnica de acceso adoptada
para el sistema considerado.
En el trabajo de investigaci—n realizado, se ha contemplado una tŽcnica de acceso DSCDMA para un servicio de paquetes, en la que todos los usuarios comparten la misma secuencia de
ensanchamiento [1]. La separabilidad en recepci—n de la se–al de cada uno de ellos es posible si la
fase inicial de la secuencia asignada es diferente y se habilita un procedimiento de sincronismo a
nivel de chip para las se–ales recibidas en la estaci—n base. Este sincronismo mantiene el decalaje
temporal de los paquetes transmitidos por cada uno de los terminales m—viles en la referencia de
tiempos de la estaci—n base.
Considerando el procedimiento anterior, se han dise–ado y analizado las prestaciones del
sistema para diferentes configuraciones con el objeto de maximizar la capacidad de acceso soportada por el sistema. En este sentido, se ha encontrado el tipo de secuencia de ensanchamiento —ptima con las fases de decalajes —ptimas en funci—n del nœmero de usuarios conectados simult‡neamente a la estaci—n base, as’ como un protocolo de enlace eficiente para la transmisi—n de paquetes. TambiŽn se han incorporado tŽcnicas de codificaci—n de canal junto con el empleo de ARQ, con
el fin de combatir las hostilidades propias del entorno m—vil. Objeto de especial estudio ha sido el
dise–o de una tŽcnica destinada a minimizar las interferencias debidas al acceso mœltiple.
2. DESCRIPCIîN DEL SISTEMA.
El sistema m—vil considerado est‡ formado por una cŽlula objeto de estudio, y para analizar
la influencia que tienen las interferencias provenientes de cŽlulas adyacentes, en algunas simulaciones se ha considerado la presencia de una cŽlula interferente adyacente a la cŽlula de interŽs. Cada
una de estas cŽlulas utiliza una secuencia de ensanchamiento diferente. Dentro de una misma cŽlula, los usuarios acceden a la estaci—n base con una secuencia de ensanchamiento idŽntica para
todos ellos pero con un decalaje temporal o fase inicial diferente y determinado por la estaci—n base,
que es la que mantiene la referencia de tiempo de la cŽlula. Este decalaje temporal no toma un valor
cualquiera, sino que ha sido dise–ado con el objeto de minimizar la interferencia de acceso mœltiple.
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De los diferentes tipos de secuencia considerados (Gold, Hadamard y secuencias m), se han
escogido las secuencias m ya que se ha comprobado que presentan un mejor comportamiento en
tŽrminos de autocorrelaci—n respecto a los otros tipos de secuencias [2]. En concreto, inicialmente se
han escogido las familias AO/LSE y LSE/AO ya que experimentalmente se ha comprobado que son
las que mejores prestaciones ofrecen en tŽrminos de tasa de error (BER).
Profundizando m‡s en el comportamiento que presentan las secuencias generadas por estas
familias en el sistema dise–ado, se ha comprobado que son las de la familia LSE/AO las que ofrecen
menor tasa de error. Los resultados obtenidos confirman el estudio realizado en [2] donde se
demuestra que si solamente tenemos en cuenta la interferencia media (par‡metro de referencia para
la elecci—n de una secuencia PN en los sistemas DS-CDMA s’ncronos), se ha de elegir la familia con
fases LSE/AO. Por otro lado, tambiŽn se demuestra que estas familias son equivalentes si se comparan las prestaciones que presentan en la adquisici—n y seguimiento del sincronismo y en el rechazo al multicamino y otras interferencias.
Una vez determinada la secuencia binaria que minimiza la interferencia sobre otros usuarios
(secuencia m LSE/AO generada por el polinomio 203 con fase inicial 0110111), se debe determinar
el decalaje temporal entre los usuarios de una misma cŽlula con el fin de minimizar la interferencia
de acceso mœltiple. Para ello se ha de tener en cuenta que los l—bulos laterales aparecen a la salida
del correlador cuando se dan transiciones de s’mbolos en el mensaje transmitido, con la consiguiente aparici—n de la interferencia debida al acceso mœltiple.
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Para el dise–o del decalaje temporal de los diferentes paquetes enviados por los usuarios a
la estaci—n base, se deben contemplar los siguientes pasos:
a) Hallar los valores de la autocorrelaci—n impar de la secuencia escogida para la cŽlula en estudio.
b) Situar, para cada usuario, el valor m‡ximo de la autocorrelaci—n impar en aquellas posiciones de chip que presenten la Òm’nimaÓ interferencia para el resto de usuarios.
A medida que aumenta el nœmero de usuarios, aumentan las restricciones y, por tanto, resulta m‡s dif’cil encontrar una posici—n de chip —ptima para un nuevo usuario. Este proceso, adem‡s de
laborioso, no tiene por quŽ tener una soluci—n œnica. S—lo un c‡lculo exhaustivo de todas las posibilidades existentes lleva a la distribuci—n temporal (en tŽrminos de per’odo de chip Tc) —ptima entre
los diferentes usuarios de una misma cŽlula.
Sin tener la necesidad de realizar dicho c‡lculo, se ha elaborado una serie de reglas, que
debe seguir cada usuario, con el fin de obtener una buena aproximaci—n de la distribuci—n temporal
de los usuarios de una cŽlula:
a) Se calcula la autocorrelaci—n impar de la secuencia escogida para la cŽlula objeto de estudio. El valor m‡ximo de Žsta es la posici—n cero, siendo la posici—n del primer usuario.
b) El valor m‡ximo de la autocorrelaci—n impar correspondiente a un nuevo usuario debe
situarse en aquella posici—n de chip, posterior a la situaci—n del anterior en un intervalo m’nimo de 2 Tc, que presente el menor valor absoluto.
c) La diferencia entre la posici—n de chip dada por a) y la posici—n de chip con un valor absoluto mayor a uno prefijado, debe ser diferente de la posici—n de chip de un usuario calculada anteriormente.
d) En el caso de que la regla c) no se cumpla, se vuelve a la regla b) eligiendo otra posici—n
de chip que presente el valor absoluto menor posible.
Cuanto menor sea el valor prefijado menor interferencia mœtua se obtiene, aunque la restricci—n impuesta puede llegar a ser tan fuerte que r‡pidamente la regla c) pueda llegar a no cumplirse.
De esta forma, solo se podr’a dise–ar el decalaje temporal de muy pocos usuarios.
Siguiendo este mŽtodo para un valor prefijado igual a 10 y la secuencia PN generada por el
polinomio mencionado anteriormente, las cuatro primeras posiciones de chip Ò—ptimasÓ que se han
encontrado se muestran en la Tabla I. TambiŽn se muestran los valores que se obtendr’an a la salida del correlador en el caso que las se–ales se propagaran en un canal ideal.
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12
5
CRCGSM= x + x + x + 1
(1)
Estrategia II: tŽcnica h’brida de ARQ combinando Òstop-and-waitÓ con retransmisi—n selectiva. Esta
estrategia se ha utilizado para tramas que han sido codificadas mediante la tŽcnica de ReedSolomon (RS(255,223)) y posteriomente almacenadas en una matriz de 32 columnas. La transmisi—n
se realiza por filas para beneficiarse de las ventajas del entrelazado.
Las tramas en ambas estrategias tienen el mismo nœmero de bits, que se ha considerado
igual a 256. La estrategia h’brida es especialmente indicada cuando se utiliza la tŽcnica de entrelazado debido a que no requiere la retransmisi—n de todas las palabras c—digo de la matriz sino que
pide retransmisi—n de aquellas que han resultado con m‡s de t errores (en este caso t=16). El transmisor, una vez ha enviado todas las palabras c—digo por filas, no continœa la transmisi—n sino que
espera la validaci—n de la estaci—n base para poder configurar la nueva matriz de transmisi—n (nuevas palabras c—digo m‡s las que deban ser retransmidas).
Con el fin de comparar los resultados obtenidos en las simulaciones con datos obtenidos te—ricamente, se ha deducido la f—rmula de la probabilidad de error de una palabra c—digo RS(255, 223)
que ha sido transmitida utilizando el mecanismo de entrelazado. Las hip—tesis que se han tenido en
cuenta para su obtenci—n han sido las siguientes:
- Los s’mbolos pertenecientes a una trama son independientes unos de otros ya que pertenecen a diferentes palabras c—digo.
- El canal es variante entre la transmisi—n de una trama y la siguiente por lo que la transmisi—n
de los s’mbolos de una misma palabra c—digo son eventos independientes.
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Bajo estas hip—tesis, la probabilidad de error de una palabra c—digo viene dada por
PRS= Pe(255)+Pe(254)+...+Pe(17)
(2)
donde PRS es la probabilidad de error de una palabra c—digo RS(255, 223) utilizando en su transmisi—n la tŽcnica de entrelazado y Pe(x) es la probabilidad de que en una palabra c—digo hayan x s’mbolos err—neos.
Se define Ps como la probabilidad de error de un s’mbolo y qs=1-Ps la probabilidad de no error en
un s’mbolo. Puede demostrarse que cuando un s’mbolo de 8 bits es transmitido a travŽs de un
canal con desvanecimientos Rayleigh, la probabilidad de error en el s’mbolo puede expresarse
como [5]
donde
(3)
(4)
y (o es la relaci—n se–al a ruido media.
De esta manera, la probabilidad de error en una palabra c—digo viene dada por la siguiente expresi—n:
(5)
Este c‡lculo se puede extrapolar para cualquier c—digo bloque con la condici—n de que se cumplan
todas las condiciones expuestas anteriormente.
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mo de usuarios que el sistema puede admitir bajo las limitaciones de la interferencia de acceso mœltiple y del ruido aditivo gaussiano. El grado de servicio fijado para todos los usuarios del sistema es
una probabilidad de error de bit menor a 10-6. A partir de las simulaciones realizadas con la secuencia PN —ptima, se ha obtenido que el nœmero de usuarios m‡ximo que soporta el sistema es de 27.
A continuaci—n se presentan los resultados obtenidos en las simulaciones en tŽrminos de
tasas de error en el bit y en la trama en funci—n de la capacidad de la cŽlula. En estas simulaciones
se ha considerado el modelo del sistema con control de potencia medio y los resultados han sido
obtenidos para las dos estrategias de codificaci—n.
4.1. SISTEMA
CON CODIFICACIîN DE DETECCIîN DE ERRORES
(CRC)
SIN INTERFERENCIAS.
En las Figuras 3 y 4, adem‡s de los resultados de las simulaciones, se indican las tasas de
error de bit y de trama te—ricas para un sistema DS-CDMA as’ncrono. Estos valores se han calculado con el fin de comparar las prestaciones de una sistema as’ncrono con el sistema dise–ado.
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Figura 3. Tasa de error de bit (S: simulaci—n, T: te—rica)
Figura 4. Tasa de error de trama (S: simulaci—n, T: te—rica)
4.2. SISTEMA
CON CODIFICACIîN DE DETECCIîN DE ERRORES
(CRC)
CON INTERFERENCIAS.
En las Figuras 5 y 6, se comparan los resultados obtenidos para un sistema sin interferencias de tipo celular y para un sistema con una cŽlula interferente a fin de poder determinar el grado
de degradaci—n que sufre las prestaciones del sistema frente a interferencias intercelulares.
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Figura 8. Tasa de error de trama con RS (S: simulaci—n, T: te—rica)
4.4. SISTEMA
CON CODIFICACIîN
FEC (RS)
CON INTERFERENCIAS.
Los resultados obtenidos de las simulaciones empleando el mismo modelo pero teniendo
en cuenta la presencia de una cŽlula interferente se muestran en la Figura 9. Se puede comparar
la r‡pida degradaci—n de las prestaciones cuando se utiliza la codificaci—n RS en comparaci—n con
la que sufre el mismo sistema cuando se emplea una estrategia ARQ con detecci—n de errores.
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Figura 9. Tasa de error de trama con diferentes sistemas de codificaci—n y con interferencias
4. CONCLUSIONES.
A partir de los resultados obtenidos en las simulaciones y del an‡lisis realizado, se pueden
extraer las siguientes conclusiones:
- La capacidad del sistema mejora de manera sustancial con la adopci—n de un control de potencia
instant‡neo respecto a un control de potencia medio.
- Se obtienen mejores prestaciones respecto a las que se obtendr’an con un sistema DS-CDMA as’ncrono. El inconveniente es la necesidad de habilitar una tŽcnica de sincronismo para mantener la
referencia de tiempo de cada usuario en la estaci—n base.
- Se obtiene una mayor capacidad y una mejor eficiencia del sistema cuando se utilizan tŽcnicas
h’bridas de entrelazado y codificaci—n FEC con ARQ respecto a la tŽcnica ARQ con un simple
detector de errores. Sin embargo, las prestaciones del segundo sistema, a diferencia del primer sis-