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El ABC del CDMA
Introducción
Uno de los puntos más
importantes en un sistema móvil, como la telefonía celular, es la
forma en como se accede 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 suscriptores en un servicio móvil, comparten un
conjunto de canales de radio y cualquier usuario puede contender
para acceder a 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
[ordenadores, teléfonos, radios, etc.] puedan acceder 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 se volvió
ineficaz.
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 dio 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 a pesar 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 que 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 construidas 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.
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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