Redes Celulares

1. Espectro Expandido

Este tema está tratado en el capítulo 17 del Stalling edición 10, pero algunos de estos conceptos se mencionan en las redes de Celulares, así que trataremos un poco las técnicas de manera que se puedan entender en el entorno de redes de celulares.

El modelo general sería:

 Figura 1

La entrada va a un codificador de canal que produce una señal analógica con un ancho de banda relativamente estrecho centrado en una frecuencia dada.Esta señal se modula posteriormente haciendo uso de una secuencia de dígitos conocida como código o secuencia de expansión. Generalmente, aunque no siempre, el código expansor se genera mediante un generador de pseudoruido o números pseudoaleatorios.

El efecto de esta modulación es un incremento significativo en el ancho de banda

Pregunta para el alumno:¿ No va en contra de los propósitos de codificación de señales?

A través de este aparente desaprovechamiento de espectro se consigue:

1. Más inmunidad ante diversos tipos de ruido y distorsión multitrayectoria. Las primeras aplicaciones del esquema de espectro expandido eran militares, donde se usaba por su inmunidad a interferencias.
2. También puede utilizarse para ocultar y cifrar señales. Sólo un usuario que conozca el código expansor podrá recuperar la información codificada.
3. Varios usuarios independientes pueden utilizar el mismo ancho de banda con muy pocas interferencias entre sí. Esta propiedad es usada en aplicaciones de telefonía celular a través del empleo de una técnica conocida como multiplexación por división de código (CDM, Code Division Multiplexing) o acceso múltiple por división de código (CDMA, Code Division Multiple Access).

Se impone un comentario acerca de los números pseudoaleatorios.

Estos números son generados por un algoritmo que utiliza un valor inicial llamado semilla. El algoritmo es determinista y, por tanto, genera secuencias de números que no son estadísticamente aleatorios; sin embargo, si el algoritmo es adecuado, dichas secuencias pueden superar diversos tests de aleatoriedad.

Estos números se denominan a veces pseudoaleatorios y su principal característica radica en el hecho de que, a menos que se conozca el algoritmo y la semilla, es prácticamente imposible predecir la secuencia

correspondiente. Por tanto, sólo un receptor que comparta esta información con el emisor está capacitado para decodificar correctamente la señal.

1.1. Espectro expandido por salto de Frecuencias FHSS

En el esquema de espectro expandido por salto de frecuencias (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum), la señal se emite sobre una serie de radiofrecuencias aparentemente aleatoria, saltando de frecuencia en frecuencia en intervalos fijos de tiempo.

 Figura 1

El receptor captará el mensaje saltando de frecuencia en frecuencia síncronamente con el transmisor.

Por su parte, los receptores no autorizados escucharán una señal ininteligible. Si se intentase interceptar la señal, sólo se conseguiría para unos pocos bits.

Veamos un posible esquema del Tx:

 Figura 2

Se utiliza un generador de números pseudoaleatorios o pseudoruido (PN, pseudonoise) que servirá como puntero en una tabla de frecuencias; éste es el código expansor referido anteriormente. Cada k bits del generador PN especifican una de las 2^k frecuencias portadoras, seleccionándose una nueva frecuencia en cada intervalo sucesivo (cada k bits PN).

Esta frecuencia es modulada por la señal generada en el modulador inicial, dando lugar a una nueva señal con la misma forma pero ahora centrada en torno a la frecuencia elegida.

1.2. FHSS con MFSK

Una técnica de modulación usual empleada en conjunción con FHSS es la llamada FSK múltiple (MFSK).

Recordemos la implementación binaria de  FSK y BSK,  BFSK y BPSK: 

Figura 1

Esta técnica MFSK,  usa BFSK , con salto de Frecuencias.

FHSS Lento: uno o mas bits codificados por una frecuencia.

 Figura 2

FHSS rápido: uno bit codificados una frecuencia.

 Figura 3

1.3. Espectro Expandido por Secuencia Directa DSS

En el esquema de espectro expandido de secuencia directa (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum), cada bit de la señal original se representa mediante varios bits en la señal transmitida (Ver que aquí no hablamos de Frecuencias, si no de bits) , haciendo uso de un código de expansión. Este código expande la señal sobre una banda de frecuencias más ancha de forma  directamente proporcional al número de bits considerados.

Es decir, un código de expansión de 10 bits expande la señal a una banda de frecuencias de anchura 10 veces mayor que un código de expansión de 1 bit.

Una técnica de espectro expandido de secuencia directa consiste en combinar la secuencia digital de entrada con el código expansor mediante la función or-exclusiva (XOR), la cual cumple las siguientes reglas: 

Figura 1

Veamos un ejemplo:

 Figura 2

Podemos ver que el receptor hace la operación XOR, con la secuencia, teniendo el mismo Flujo PN y recupera la señal original.

1.4. DSSS con BPSK

 Figura 1

1.5. Ejemplo de Ruido en Espectro expandido.

1.6. Ejemplo de LoRa

¿Que es  LoRa (Long Range)?

¿Como modula LoRa?

1.7. Transmisiones concurrentes

1.8. Code Division Multiple Access CDMA

CDMA es una técnica de multiplexación usada con el esquema de espectro expandido y que funciona como sigue.

 Figura 1

Ver que en la figura 1, para una misma secuencia de datos los usuarios obtienen distintas secuencias, esto es por que usan cada uno su propio código.

Es necesario que las señales generadas por cada usuario a partir de los códigos sean ortogonales entre sí, esto garantiza la  separación de las señales.

Para que dos señales sean ortogonales se debe cumplir:

 Figura 2

El circuito integrado que realiza esta operación lograría que no exista interferencia en el dominio temporal o en el dominio de la frecuencia. Esto permite generar tres técnicas:

1. Acceso múltiple por división de frecuencia. FDMA ( ya vista)
2. Acceso múltiple por división de tiempo. TDMA ( ya vista)
3. Acceso múltiple por división de código . CDMA (ojo, la C es de Código no de Carrier)
   

Supongamos una señal de datos de velocidad D, a la que llamaremos velocidad de bits.

Se divide cada bit de la secuencia en k minibits (llamados chips) de acuerdo a un patrón fijo específico para cada usuario ( dado por Proveedor de Servicio ), denominado código de usuario.

El nuevo canal así obtenido tendrá una tasa de minibits igual a k.D minibits/segundo. Este tasa será k veces mayor que  D ( aquí se ve la técnica de espectro expandido)