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CDMA (IS-95)
Este tutorial presenta los conceptos básicos de Sistemas Celulares CDMA (IS-95).
El CDMA (Code Division Multiple Access) es un padrón digital de segunda generación del celular
desarrollado en los Estados Unidos.
Eduardo Tude
Ingeniero de Telecomunicaciones (IME 78) y Maestro en Telecomunicaciones (INPE 81) habiendo actuado
en las áreas de Redes Ópticas, Sistemas Celulares y Comunicaciones por Satélite.
Ocupó varias posiciones de Dirección en empresas de Telecomunicaciones como VP de Operaciones de
BMT, Director de Operaciones de Pegasus Telecom y Gerente de Planeamiento Celular de Ericsson.
Pionero en el desarrollo de Satélites en Brasil (INPE), tiene vasta experiencia internacional, es poseedor de
una patente en el área y ha participado constantemente como conferencista en seminarios.
Ha asumido desde 2002 un nuevo reto profesional como empreendedor y Presidente de Teleco.
E-mail: [email protected]
Duración estimada: 15 minutos
Publicado el: 21/04/2003
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CDMA: Arquitectura
El CDMA es una tecnología que utiliza ensanchado o disperso espectral (Spread Spectrum) como medio de
acceso para permitir que varios usuarios compartan una misma banda de frecuencias. El CDMA permite una
mejor utilización del espectro posibilitando un aumento de capacidad de los sistemas móviles celulares.
La familia de normas TIA IS-95 de la Telecommunications Industry Association de los Estados Unidos
estandarizó los sistemas celulares digitales de segunda generación conocidos popularmente como CDMA, o
cdmaOne y que son basados en el IS-95. Esta tecnología fue en gran parte desarrollada por la empresa
estadounidense Qualcomm.
El CDMA tiene la estructura básica de los sistemas celulares y ofrece las mismas funcionalidades básicas
asociadas a la movilidad como roaming y handover entre células. (Consulte el Tutorial Telefonía Celular en
Brasil).
La arquitectura básica de un Sistema Celular CDMA (IS-95) es presentada en la figura a continuación.
Mobile Station (MS)
Mobile Station o Estación Móvil es el terminal utilizado por el suscriptor. La estación móvil es identificada
por un MIN (Mobile Identification Number). El equipamiento dispone aún de un número de serie electrónico
(ESN).
Estación Radio Base (ERB)
Equipamiento encargado de la comunicación con las estaciones móviles en una determinada área que
constituye una célula.
Base Station Controller (BSC)
Controla un grupo de ERBs. En algunos sistemas CDMA las funciones del BSC son implementadas en la
CCC.
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Central de Conmutación y Control (CCC)
Es la central responsable por las funciones de conmutación y señalización para las estaciones móviles
localizadas en un área geográfica designada como el área de la CCC.
Home Location Register (HLR)
Home Location Register o Registro de Suscriptores Locales es la base de datos que contiene informaciones
sobre los suscriptores de un sistema móvil celular.
Visitor Location Register (VLR)
Visitor Location Register o Registro de Suscriptores Visitantes es la base de datos que contiene
informaciones sobre los suscriptores en visita (roaming) a un sistema móvil celular.
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CDMA: Interface entre Estación Móvil y ERB
Las características principales de la interface entre la Estación Móvil y ERB son presentadas a continuación.
Frecuencias de Operación (MHz)
El CDMA IS-95 fue desarrollado en los Estados Unidos y estandarizó las frecuencias utilizadas en ese país.
800 MHz PCS 1900
Estación Móvil -> ERB
824-849
1850-1910
ERB -> Estación Móvil
869-894
1930-1990
Espaciamiento entre Frecuencias
45
( Transmisión y Recepción)
80
En Brasil el CDMA ha sido utilizado por las operadoras en el rango de 800 MHz en las Bandas A y B. Hubo
también uso limitado en la frecuencia de 1,9 GHz para la Telefonía Fija (WLL – Wireless Local Loop) una
vez que este rango no está todavía disponible en Brasil para la Telefonía Celular.
Canalización
Las Bandas del CDMA son divididas en canales de RF, donde cada canal consiste de un par de frecuencias
(Transmisión y Recepción) con 1,25 MHz de banda cada.
Teóricamente podrían existir, por tanto, hasta 10 canales de RF en una Banda de 12,5 MHz como ocurre en
los rangos de 800 MHz. En la práctica el número es menor pues esta Banda es dividida con el AMPS y es
necesario establecer una banda de guarda.
Diferente de los demás sistemas donde el múltiplo acceso de varios terminales a una misma ERB es hecho
ajustando una frecuencia para cada terminal (AMPS), o compartiendo un mismo rango de frecuencia pero
transmitiendo en momentos diferentes (TDMA), en el CDMA el acceso múltiplo de canales que comparten
una misma banda de frecuencias es hecho por la utilización de códigos diferentes por los varios terminales.
La información es extraída de estos canales conociéndose la llave específica con la cual cada canal es
codificado.
El CDMA utiliza la técnica de “Spread Spectrum” en el cual la señal de información es codificada
utilizándose una llave de código que provoca su dispersión (ensanchado) espectral en una banda
transformándolo aparentemente en ruido. Los códigos utilizados pueden ser ortogonales (Walsh) o PN
(“Pseudo-noise”). Un bit de este tipo de código es conocido como "chip" y la tasa de bits de este código de
“chip rate”. Este tipo de dispersión espectral es denominado espectro ensanchado por secuencia directa.
El CDMA utiliza tres tipos de código, todos con una tasa de 1,2288 megachips.
Walsh
Conjunto de 64 códigos ortogonales W0 a W63.
PN
largo
Conjunto de 4,398 x 10 12 códigos diferentes ( 2 42 – 1), generados por un
registrador de desplazamiento de 42 bits.
PN
corto
Conjunto de 32.767 códigos diferentes (2 15 – 1), generados por un
registrador de desplazamiento de 15 bits.
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En la comunicación entre la estación móvil y ERB se utilizan esquemas de codificación diferentes en cada
dirección del enlace.
ERB
Estación
Móvil
Estación
Móvil
ERB
Canales
Códigos
PilotoPagingSincronismoTráfico
Walsh PN largo para
QPSK
criptografía PN corto
->
-> Tráfico Aceso
Modulación
PN largo PN corto
OQPSK
Walsh para modulación
Cabe aún los siguientes comentarios:
•
•
•
•
•
•
Todos los canales reciben todavía otra máscara con el código de reflexión PN corto para la
identificación del sector del transmisor en la ERB lo que posibilita la reutilización de frecuencia
entre sectores.
Los canales de piloto y sincronismo son necesarios para la decodificación cuando se utilizan códigos
de Walsh.
En el enlace entre ERB y la Estación Móvil los códigos de Walsh son usados para identificar canales
diferentes. En el enlace reverso los códigos de Walsh son usados para identificar diferentes grupos
de seis símbolos.
El canal de acceso es utilizado para que la Estación Móvil se comunique con la ERB cuando todavía
no hay ningún canal de tráfico designado;
Los canales de tráfico son utilizados para voz/datos del usuario e información de señalización.;
Los codificadores de voz (vocoder) más utilizados en el CDMA son del tipo EVRC (Enhanced
Variable Rate Coder) que utilizan tasas que varían entre 1,8 Kbit/s, 3,6 kbit/s, 7,2 kbit/s y 14,4 kbit/s.
El IS-95 es por tanto una combinación de FDMA y CDMA.
Capacidad del CDMA
La figura a continuación traduce una situación de cargamento de un canal de RF del CDMA.
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Mientras más usuarios utilizan el canal, mayor el ruido y el aumento de interferencia para los canales que
utilizan la misma banda hasta un umbral cuando no es más posible descodificar los canales. Esta
interferencia también es tanto mayor, cuanto mayor la potencia individual de cada canal transmitida en
aquella banda.
Este comportamiento motivó al desarrollo de un sofisticado mecanismo de control de potencia en los
terminales y ERBs de un sistema CDMA. Este control de potencia lleva también a la expansión y a la
contracción del rayo de una célula CDMA conforme su cargamento con el tráfico.
La sectorización de células es usada para reducir la interferencia, una vez que cada sector utiliza antenas
direccionales y no interfieren en los demás sectores de la célula.
Uno de los factores que contribuye para la gran capacidad alcanzada por sistemas CDMA es la posibilidad de
utilización de reuso de 1, o sea, la misma frecuencia de portadora es reutilizada en todas las células.
La eficiencia de utilización del espectro, o capacidad de un sistema CDMA (IS-95), es mayor que de los
demás sistemas existentes AMPS, TDMA (IS-136) y GSM.
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CDMA: IS-41
El IS-41 es el protocolo desarrollado por la TIA (Telecommunications Industry Association) de los Estados
Unidos para implementar la señalización entre redes celulares y posibilitar el roaming entre operadoras. Éste
es el protocolo utilizado por sistemas basados en padrones desarrollados por la TIA como AMPS, TDMA
(IS-136) y CDMA (IS-95).
En Brasil, la red nacional de roaming, que posibilita el roaming automático entre celulares de las Bandas A y
B, es basada en el protocolo IS-41.
El Protocolo IS-41 es dividido en dos partes: Servicio de Aplicación IS-41 y Servicios de Transferencia de
Datos.
Servicios de la Aplicación IS – 41 IS-41 MAP
(Capa OSI 7*)
TCAP (ANSI)
Servicios de Transferencia de Datos SCCP (ANSI)
(Capas OSI 1, 2 y 3)
MTP (ANSI)
X.25
Servicios de Transferencia de Datos
El IS-41 especifica dos opciones para estas capas: Protocolo X.25 y las capas MTP (Message Transfer Part)
y SCCP (Signaling Connection Control Part) del protocolo SS7 padrón ANSI adoptado en los Estados
Unidos.
Servicios de Aplicación
Para los servicios de aplicación fue especificada una capa IS-41 MAP (Mobile Application Part) que
implementa las funciones de movilidad asociadas al roaming entre sistemas celulares. Esta capa utiliza como
soporte el TCAP (Transaction Capabilities Application Part) del protocolo SS7 padrón ANSI. Las capas OSI
4, 5 y 6 son nulas.
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CDMA: Servicios
Los sistemas CDMA (IS-95) ofrecen a parte de los servicios de telefonía (voz) decenas de servicios
suplementares, tales como la identificación del número de quien está llamando, llamada en espera, sígame y
conferencia.
El Servicio de Mensajes Cortas (SMS) tiene soporte del IS-41 para suscriptores en roaming.
Los Servicios de Mensaje Multimedia (MMS) que permiten a los suscriptores móviles enviar fotos, videos y
audio, así como el acceso a la Internet han sido los motivadores para la evolución de los sistemas CDMA en
el sentido de ofrecer conexiones de datos con altas tasas.
Esta evolución para los servicios de tercera generación con tasas de datos de hasta 2 Mbit/s viene siendo
estandarizada por el 3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2) y mantiene la compatibilidad con los
sistemas IS-95 y su estructura de canales de RF de 1,25 MHz.
Están siendo desarrollados los siguientes padrones:
Generación
2G
2,5 G
Tecnología
cdmaOne (IS- 95
CDMA2000 1X*
A y B)
CDMA
1xEV-DO
CDMA 1xEV-DV
Tasa de datos (teórica)
14,4 kbit/s
2,4 Mbit/s
153 kbit/s
3G
* CDMA2000 1X= CDMA/IS-95-C, CDMA 1xRTT o cdma2000 1x.
El CDMA 1xEV tiene su evolución en dos etapas:
•
•
•
1xEV-DO (Data Only) donde una portadora de 1,25 Mhz es dedicada sólo para datos, y
posteriormente;
1xEV-DV (Data and Voice) donde una portadora podrá ser utilizada para voz y datos.
El CDMA 1xRTT ya se encuentra en operación en Brasil con una portadora dedicada a datos.
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CDMA: Consideraciones Finales
El CDMA alcanzó en marzo de 2003 según el EMC la marca de 146 millones de suscriptores o un 12,85%
de los suscriptores mundiales, siendo que un 42% de estos suscriptores están en los Estados Unidos donde
más del 40% de los celulares son CDMA.
El CDMA representaba en diciembre de 2002 en Brasil un 32% de los suscriptores de celular. Consulte las
secciones de referencia rápida de Teleco.
La evolución de los sistemas celulares para 3G debe consolidar la existencia de dos familias de padrones a
nivel mundial: el GSM y el CDMA evolucionando a partir del IS-95.
Los esfuerzos de estandarización de sistemas de 3G por la UIT a través del proyecto IMT- 2000 ha dado
origen a dos proyectos: 3GPP (Third Generation Partnership Project) y el 3GPP2 (Third Generation
Partnership Project 2) para el GSM y CDMA respectivamente.
Las diferencias entre estas familias envuelven las características de la interface radio entre Estación Móvil y
ERB y el padrón de señalización utilizada en la arquitectura de red y en el roaming. Estas diferencias reflejan
en los diferentes padrones utilizados en los países de donde se originan, o sea, GSM, de Europa, y CDMA
IS-95 e IS-41, de los Estados Unidos.
Referencias
3GPP2
Responsable por la estandarización de la evolución del CDMA para el 3G.
TIA
Desarrolló las normas para el CDMA.
CDG
CDMA Development Group, consorcio internacional de empresas que dan soporte al CDMA.
Wireless BR
Posee sección con varios artículos sobre CDMA.
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CDMA: Evalúe su Entendimiento
1. Señale la alternativa falsa:
Las Bandas del CDMA son divididas en canales de RF con 1,25 MHz de banda cada.
Las interfaces de señalización para roaming en una red CDMA son basadas en el protocolo IS-41.
La estructura de codificación de los canales CDMA es la misma en los dos sentidos de comunicación
entre ERB y Estación Móvil.
Los canales de piloto y sincronismos son necesarios para la decodificación cuando se utilizan códigos
de Walsh.
2. Señale la Alternativa verdadera:
El 3GPP (Third Generation Partnership Project) es responsable por la estandarización de la evolución
del CDMA (IS-95) para 3G.
El CDMA (IS-95) no soporta SMS.
El IS-41 es soportado por el SS7 (ANSI).
El CDMA y el TDMA (IS-136) tienen la misma capacidad.
3. Señale el elemento que no hace parte de la arquitectura de una red CDMA (IS-45):
CCC.
SIM Card.
ERB.
HLR.
VLR.
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