protocolo ds-cdma orientado a la gestión de un auditorio

PROTOCOLO DS-CDMA ORIENTADO
A LA GESTIÓN DE UN AUDITORIO
Carlos Monzo Sánchez, Jose Antonio Morán Moreno, Santiago Planet Garcia, Javier Gonzalvo Fructuoso
Departamento de Comunicaciones y Teoría de la Señal
Enginyeria i Arquitectura La Salle – Universitat Ramon Llull
e-mail: {cmonzo, moran, splanet, gonzalvo}@salleurl.edu
Abstract - In this paper a new DS-CDMA protocol,
oriented to auditory management, is presented. Design
bases and a study of the main design parameters are
presented. Channel coding, frequency channelization and
frame structure, among others, are described to be used
in our communication system. Moreover, simulation
software is developed in order to help the network
manager to take measurements of the principal system
parameters and manage the performance of different
devices such as speakers and microphone arrays.
I.
INTRODUCCIÓN
El objetivo es disponer de un protocolo de
comunicaciones que utilice DS-CDMA1 como tecnología de
acceso al medio, que en nuestro caso será el aire, de manera
que nos sirva para realizar la gestión de un auditorio. Por
gestión se entenderá todas las comunicaciones existentes, ya
sean de control como de información.
El auditorio simulado dispone de una serie de altavoces y
arrays de micrófonos, así como de una unidad central que
será por donde pasen, y se controlen, todas las
comunicaciones.
Como complemento al diseño del protocolo se han
implementado un conjunto de aplicaciones tanto para
demostrar cómo se realizaría la gestión del sistema así como
herramientas de simulación para dar soporte al administrador
de la red en el momento de dimensionar la misma.
Por lo que respecta al uso de los arrays, considerando
que su estudio no es la finalidad de este trabajo, su objetivo
sería el de utilizar un procesado en array para detectar el
ángulo de llegada que pudiera darnos una información más
completa del origen de la fuente de voz. Según [1] el uso de
diferentes técnicas y algoritmos empleando arrays de
micrófonos nos puede indicar este ángulo con señales de voz
en entornos reales.
II. PROTOCOLO DE COMUNICACIONES
A. Bases del diseño
El diseño se ha basado en la aplicación de propuestas de
implementación realizadas en diferentes trabajos y el estudio
de diversas tecnologías existentes en el mercado, como son
el estándar de telefonía móvil de segunda generación IS-95
CDMA y el de tercera generación CDMA 2000 como
evolución del anterior, familia de especificaciones IEEE
802.11 y Bluetooth.
B. Conexiones y canales
Fig. 1. Esquema del auditorio
La ventaja que se espera conseguir es disponer de un
sistema sin cables para la transmisión de información y de
control utilizando DS-CDMA, disminuyéndose así tanto
costes de instalación como de manteniendo por tener los
equipos alta movilidad y por tanto libertad para la
reubicación; como por la facilidad de acceso a un
interlocutor que deseara participar en la conversación gracias
a la utilización de una serie de arrays de micrófonos, que
captarán la voz sin necesidad de acceder hasta él
físicamente.
El sistema se ha diseñado considerando las
comunicaciones existentes entre altavoces, arrays de
micrófonos y la unidad central, de manera que el esquema de
conexionado quedaría como se puede ver a continuación:
Fig. 2. Conexiones y canales
1
Direct Sequence-Code Division Multiple Access
Se puede observar como todas las comunicaciones pasan
por la unidad central, equipo que será desde donde el
administrador de la red podrá monitorizar lo que está
sucediendo en el sistema al igual que controlar los distintos
dispositivos que forman parte del mismo.
Por lo que hace referencia a los canales definidos, una
vez considerados los diferentes elementos, tenemos un canal
de tráfico por donde circulará tanto la información de voz
captada por los arrays de micrófonos como la información
de voz que irá hacia los diferentes altavoces, y un canal de
control por donde circularán las instrucciones de gestión
como por ejemplo es el estado de actividad de cada
dispositivo.
C. Consideraciones sobre la capacidad
De manera general, el procedimiento de cálculo de la
capacidad se realiza como sigue. Conociendo la fórmula de
cálculo de la capacidad en un sistema CDMA [2] podríamos
hacer una aproximación a la ganancia de proceso que deberá
haber para poder así decidir la longitud de la secuencia
pseudoaleatoria (PN). Se hallará la ganancia del sistema
partiendo del tipo de modulación que se utilizará y del valor
de BER necesario dentro de la aplicación en la que se esté
trabajando. A partir de estas premisas se podrá saber cual es
la relación Eb/N0 a partir de gráficas BER en función de
Eb/N0.
A partir del número de conexiones que existirán, se
puede plantear la longitud de la secuencia PN, teniendo en
cuenta diversos factores, como por ejemplo el de coste
computacional.
A continuación se muestra el cálculo de la capacidad, o
número de usuarios, teniendo en cuenta los diferentes
factores que se podrían considerar en su cálculo, siendo
éstos los efectos de carga (η ) , de sectorización (λ ) y de
actividad de voz (ν ) . Además se puede tener en cuenta el
ruido de fondo con una potencia (γ ) y densidad de potencia
(γ 0 ) determinadas debido a interferencias espurias y ruido
térmico:
M = 1+
(W R )
⎛ 1 ⎞
⎛1⎞ ⎛ γ
⎟⎟ ⋅ λ ⋅ ⎜ ⎟-⎜⎜ 0
⋅ ⎜⎜
⎛ Eb
⎞ ⎝1+ η ⎠
⎝ ν ⎠ ⎝ Eb
⎜⎜
⎟
' ⎟
N
0 ⎠
⎝
⎞ ⎛W ⎞
⎟ ⋅ ⎜ ⎟ (1)
⎟ ⎝R⎠
⎠
donde:
M : número de usuarios
W : ancho de banda de transmisión
R : velocidad binaria
Eb : energía por bit
N 0 ' : densidad de potencia de ruido debida a usuarios
η : factor debido a efectos de carga
λ : factor debido a efectos de sectorización
ν : factor debido a efectos de actividad de voz
γ 0 : densidad de potencia (ruido térmico, espurias…)
D. Vocoder
El vocoder propuesto para ser utilizado está basado en la
especificación IS-127 EVRC [3]. Este vocoder
proporcionará una calidad de 13 kbps con una velocidad de
8 kbps.
La voz se codificará en tramas de 171 bits cada 20 ms,
obteniéndose así una velocidad de 8550 bps. A parte se
añadirán 1 bit de compatibilidad para datos de señalización y
secundarios, 12 bits de CRC y 8 bits de cola [2][4].
E. Secuencias PN
Las secuencias PN que se utilizarán en el sistema
presentado son secuencias Gold con fase inicial optimizada
según MSQCC/CO2 [5], que presenta una mejor SNR y
además es la que más enfatiza las propiedades de correlación
cruzada.
Es recomendable, partiendo de que dichas secuencias las
encontraremos representadas en forma de matriz de M filas
por N columnas, se comience la asignación de las mismas
desde la primera fila en adelante, puesto que la optimización
se realizó cogiendo a ésta como referencia fija para
optimizar al resto.
F. Sincronización y detección
Se propone utilizar un esquema combinado de
adquisición y detección para un sistema de comunicaciones
multiusuario [6]. La finalidad de este esquema no es
solamente la de minimizar la interferencia multiusuario en la
detección, sino también la de minimizar el efecto
multiusuario en la etapa de adquisición. La adquisición y
tracking se resuelven con una estructura adaptativa
multiresolutiva [6]. Una vez el receptor está sincronizado, un
detector estima el subespacio interferente para minimizar su
interferencia. La etapa de detección aporta información de la
distorsión del canal y la realimenta para mejorar la robustez
del sistema de adquisición.
G. Niveles de potencia
Como se ha dicho en el apartado de bases del diseño, los
niveles de potencia se han extraído tomando como referencia
Bluetooth y WLAN (802.11b/802.11g), de forma que se
disponga de cobertura suficiente en el interior del recinto.
H. Banda y canales de frecuencia
El sistema descrito trabaja en la banda ISM (2.4 GHz),
que según el CNAF3 se encuentra entre 2400 y 2483.5 MHz.
Esta banda está destinada a aplicaciones industriales,
científicas y médicas, de manera que es de libre utilización,
por tanto habrá que tener en cuenta que podemos recibir
interferencia del resto de aplicaciones que trabajen sobre
estas frecuencias.
I. Codificación de canal
Para aumentar la calidad del enlace, se aplican dos tipos
de codificación de canal. El primero de ellos es un código
convolucional para la corrección de errores y el segundo se
trata de un código de redundancia cíclica (CRC) que se
utilizará para la medida de la calidad de cada una de las
tramas de información enviada.
Se ha tenido en cuenta en su diseño parámetros como la
distancia libre o la ganancia de proceso y se han realizado
estudios de BER utilizando la modulación seleccionada para
ver la eficacia obtenida.
2
3
Minimun Mean-Square Cross-Correlation/Cross-Optimal
Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias
J. Sincronización de trama
Se utilizará una cabecera transmitida en la trama de
información. Se trata de una cabecera de 16 0’s y 1’s
alternados, de manera que comparando en recepción la
información recibida con el valor de la cabecera podremos
encontrar el punto exacto de inicio de la trama.
Para evitar que en los datos a enviar aparezca una
secuencia igual a la cabecera se dispone de un algoritmo
similar al “bit stuffing”, pero con la diferencia que en lugar
de añadir bits los modificaremos en transmisión,
recuperando la secuencia original en recepción.
K. Control de potencia
El control de potencia es esencial para facilitar la
operación de un sistema CDMA debido a que todos los
usuarios comparten la misma banda RF, de modo que cada
usuario ve al resto como ruido y por tanto no interesa que
ninguno interfiera innecesariamente sobre el resto.
Con el control de potencia se vence el problema del nearfar y se maximiza la capacidad. Nuestro sistema será
estático, debido a que una vez ubicados los equipos éstos no
se moverán mientras operen, de forma que la necesidad de
velocidad en el control de potencia no será elevada. Así, se
utilizará la medida del FER (Frame Error Rate) calculado en
la unidad central desde los arrays de micrófonos, dado que
solamente habrá problemas de near-far en este enlace, para
enviar los ajustes de potencia necesarios.
III. PARÁMETROS DEL SISTEMA
A continuación se muestran los diferentes parámetros del
sistema, cuya discusión se ha hecho en el apartado anterior.
Se proponen los diferentes valores a utilizar ya sea de
longitud de secuencia PN o las funciones generadoras para
el código convolucional.
A. Capacidad del sistema
Conociendo la fórmula de cálculo de la capacidad en un
sistema CDMA [2] podríamos hacer una aproximación a la
ganancia de proceso que deberá haber para poder así decidir
la longitud de la secuencia pseudoaleatoria (PN). Se hallará
la ganancia del sistema partiendo que la modulación que se
utilizará será una DBPSK y que el BER mínimo necesario
para aplicaciones de voz está en torno a 10-3. A partir de
estas premisas se podrá saber cual es la relación Eb/N0 a a
partir de la gráfica que podemos ver en la siguiente figura:
L. Control automático de micrófonos
De toda la información recibida desde los distintos arrays
de micrófonos solamente se utilizará la que se hubiera
captado con mayor nivel de presión sonora (SPL). Esta
información se normalizará según un valor de referencia, el
considerado de audición normal ( SPL = 70 dB ), y se
enviará en cada trama de información para que la unidad
central elija cual de los arrays utilizará como fuente de
información.
M. La trama de datos
Las tramas de datos tienen una longitud de 416 bits cada
20 ms, obteniéndose así una velocidad de 20.8 kbps.
Estas tramas son diferentes para el canal de tráfico y de
control debido a que tienen un objetivo distinto dentro del
sistema de comunicaciones [7].
Para el canal de tráfico se tiene:
Fig. 3. Trama de datos sobre el canal de tráfico
Por otro lado, para el canal de control:
Fig. 5. BER frente Eb/N0 para DBPSK
A partir de la gráfica anterior se observa que para un
BER igual a 10-3 se obtiene una relación Eb/N0 de 7.9 dB,
valor que será el que utilicemos en la ecuación de cálculo de
la capacidad.
Por otro lado tenemos que cada uno de los enlaces, ya
sea entre unidad central y altavoces o bien arrays de
micrófonos y unidad central, se transmitirán por dos canales
de frecuencia diferentes, de forma que la capacidad se
calculará para cada uno de ellos. Se plantea un número de
conexiones de 9 por cada canal, teniendo en cuenta canales
de tráfico y control, de manera que se puede ver que con una
secuencia PN de longitud igual a 63 tenemos cubiertas las
necesidades, facilitando igualmente el proceso de
sincronización con la PN y relajando los requisitos de
potencia de cálculo.
A continuación se muestra el cálculo de la capacidad
suponiendo que la interferencia debida al resto de "usuarios"
hace despreciable el efecto del ruido térmico, que no hay
reutilización de frecuencias por el hecho de no haber más
celdas, que no se utiliza sectorización y que el factor de
actividad de voz es 1:
M = 1+
Fig. 4. Trama de datos sobre el canal de control
(W R )
(Eb
N0 )
= 1+
63
7.9
10
= 11.2 ⇒ 11 usuarios (2)
10
Se puede observar que se alcanza el objetivo de
capacidad, a pesar que hay que tener en cuenta que dicha
capacidad podrá aumentar por el hecho de aplicar en
recepción algún tipo de detector multiusuario, provocando
una reducción de la interferencia, y también habrá que
considerar el hecho que se utilizará codificación de canal
para aumentar la calidad del enlace, pudiéndose así elevar el
número de usuarios o bien mantenerlo en el caso de tenerse
en cuenta el ruido de fondo.
de interés, como son la simulación para el control del
auditorio, control automático de micrófonos, niveles de
presión sonora captados por los micrófonos, pérdidas de
trayecto radioeléctrico en interiores y simulaciones del
efecto near-far sobre el BER.
B. Secuencias PN
Como se ha comentado anteriormente, las secuencias que
se utilizan son de longitud 63, disponiendo de 65 secuencias
diferentes. Éstas serán secuencias Gold con fase inicial
optimizada según MSQCC/CO.
C. Niveles de potencia
El margen de niveles de potencia seleccionados está
entre 0 y 20 dBm para conseguir una cobertura entre 10 y
100 metros respectivamente. Estos valores coinciden con los
dados en la especificación de Bluetooth [8], consiguiéndose
así una cobertura máxima similar a la de 802.11b trabajando
en interiores de edificios.
D. Banda y canales de frecuencia
El ancho de banda mínimo necesario será de
BWmin=1.3104 MHz, que se aproximará a 1.4 MHz. Las
frecuencias centrales definidas son para el enlace entre
unidad central y altavoces de 2445 MHz y para el enlace
entre arrays de micrófonos y unidad central de 2455 MHz.
E. Codificación de canal
El código convolucional tiene como parámetros
k = 1, n = 2, K = 9 (bits de entrada, bits de salida y longitud
de influencia o “constraint length”) y funciones generadoras
(561,753) expresadas en octal, obteniéndose una distancia
libre d free = 12 [9] y ganancia del código de:
⎛k
⎞
G = 10 log10 ⎜ d free ⎟ = 7.78 dB
⎝n
⎠
(3)
donde:
k : bits de entrada
n : bits de salida
d free : distancia libre
Para evitar ráfagas de error se utiliza entrelazado de
bloque con una matriz de 25 filas y 16 columnas. La
información a enviar se coloca columna a columna y
después se lee fila a fila. En el caso de ser necesaria una
reducción del retraso introducido y cantidad de memoria
requerida se podría plantear el uso de un entrelazado
convolucional.
Por otro lado, se dispone de un CRC de 12 bits generado
a partir de la información de voz generada por el vocoder. El
polinomio generador utilizado es el siguiente:
G (x ) = x 12 + x 11 + x 10 + x 9 + x 8 + x 4 + x + 1 (4)
IV. SOFTWARE
Como complemento al protocolo de comunicaciones, se
dispone de una serie de aplicaciones [7] para la simulación y
dimensionado de una red de características similares a la
aquí presentada. De esta manera el responsable de la red
podrá tener una idea a priori de cuales serán sus necesidades.
Este software, implementado en Matlab 6.5, consta de
cinco interfaces gráficas en las que se tratan diversos temas
Fig. 6. Niveles de presión sonora captados por los micrófonos
V. CONCLUSIONES
Se ha realizado el diseño de un protocolo para
comunicaciones DS-CDMA en el interior de un auditorio. Se
han contemplado los diferentes aspectos a tener en cuenta
para alcanzar con éxito nuestro objetivo, y se han generado
una serie de aplicaciones de ayuda al dimensionado del
sistema.
Disponiendo de este protocolo se puede pensar en
diferentes aplicaciones a las que lo podríamos aplicar. Estas
aplicaciones son por ejemplo una red domótica donde
podríamos controlar los diferentes elementos que la forman,
un sistema de alarmas donde aprovecharíamos las
características de facilidad de instalación y reubicación de
los dispositivos, o bien una combinación de componentes
pertenecientes a distintas aplicaciones, donde todos ellos
pudieran ser gestionados por nuestro sistema.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
J. Gonzalvo, J.A. Morán and J. Melenchón, “Detección del ángulo de
llegada con un array microfónico”, URSI-03, A Coruña, 2003
S. C. Yang, “CDMA RF System Engineering”, 1st.ed., United States of
America: Artech House, Inc., 1998
TIA/EIA/IS-127, “Enhanced Variable Rate Codec, Speech Service
Option 3 for Wideband Spread Spectrum Digital Systems”,
Telecommunications Industry Association, 1997
TIA/EIA/IS-2000.2-A, “Physical Layer Standard for CDMA2000
Standards for Spread Spectrum Systems”, Telecommunications
Industry Association, 2000
K. H. A. Kärkkäinen, “Influence of various PN sequence phase
optimization criteria on the SNR performance of an asynchronous DSCDMA system”, IEEE MILCOM, pp. 641-646, 1995
R. M. Alsina, J.A. Morán and J.C. Socoró, “Multiresolution adaptative
structure for acquisition and detection in DS-SS digital receiver in a
multiuser environment”, ISSPA, 2003
C. Monzo, “Disseny d’un protocol per comunicacions DS-CDMA
orientades a la gestió d’un auditori”, PFC, Barcelona: Enginyeria i
Arquitectura La Salle (URL), 2003
Bluetooth 1.1 Core Specifications, “Specification of the Bluetooth
System”, Bluetooth, 2001
J. G. Proakis, “Digital Communications”, 3rd.ed., New York: McGrawHill, 1995