Wireless links, characteristics: CDMA

De Departamento de Informatica
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Enlaces Inalámbricos

Los Enlaces Inalámbricos (Wireless links) corresponden a uno de los elementos que conforman una red inalámbrica (Wireless Network), su función principal es hacer posible el establecimiento de conexión entre hosts, y también de un host a una estación base, es decir, con el equipamiento fijo (antenas, equipos electrónicos, etc.) que entrega cobertura en el área de localización.

Características

Comparemos una red inalámbrica 802.11 con una red domestica cableada, no habra prácticamente ninguna diferencia en las capa de red ni tampoco en las capas superiores pero si surgen cambios en la capa de enlace. Podemos encontrar las siguientes diferencias:

Esquema enlace cableado-inalámbrico.


  • Intensidad decreciente de señal: La señal de radio se desvanece al propagarse a través de la materia, esto genera que a una mayor distancia de petición de conexión la señal sea cada vez más débil, hasta llegar a desvanecerse por completo (Por ejemplo la señal de radio que atraviesa una pared).
  • Interferencias: Comúnmente se trata de interferencias de radiofrecuencia que son causadas por aparatos que están emitiendo cerca, en la misma banda y mismo canal (Por ejemplo el ruido electromagnético de un microondas interfiere en la calidad de la señal).
  • Propagación multi-camino (Multipath): Al igual que toda señal de onda, se presenta la propiedad de que al chocar con medios físicos un porcentaje de la señal se refleja y el resto transmite. Esto ocasiona que la señal tome diferentes caminos, lo que da como resultado que la señal tenga ruido en el lado receptor.


Las redes inalámbricas requieren potentes códigos CRC para la detección de errores de bit y de protocolos en la capa de enlace para retransmitir las tramas corrompidas.

Bit Error Rate curvas de tipo BPSK, QPSK, 8-PSK and 16-PSK, AWGN channel.

El host recibe señales inalámbricas que son señales electromagnéticas que se encuentra degradada por los diferentes ruidos de fondo (la intensidad decreciente, interferencia, propagación multi-camino y otras). La relación señal-ruido (SNR,signal-to-Noise Ratio) esta medida en decibelios (dB), cuanto mayor sea SNR será más fácil al receptor extraer la señal transmitida del ruido de fondo.

La tasa de error de bit (BER, Bit Error Rate) es la probabilidad de que un bit llegue de forma errónea al receptor.

En la figura de la izquierda podemos ver la tasa de error de bit en función de la SNR para diferentes técnicas de modulación para codificación de la información para su transmisión a través de un canal inalámbrico. Si observa la figura podrá observar que si se incrementa la SNR menor sera BER.

Para un SNR con una técnica de modulación de mayor velocidad de transmisión de bit, obtendremos tasas de error de bit más altas (independiente de si esos bits son erróneos o no). Es posible utilizar una selección dinámica de las técnicas de modulación de la capa física para adaptarse a las condiciones del canal y maximizar la velocidad de transmisión sujeta a las restricciones a BER.



(a)Representación problema terminal oculto y (b)desvanecimiento de la intensidad de la señal.

Como podremos recordar en una red cableada todos los nodos reciben las transmisiones realizadas por los restantes nodos.

En las redes inalámbricas este hecho es complejo, distinguiremos dos casos puntuales, el primero es cuando encontramos terminales ocultos por montañas, edificios. El segundo es por el desvanecimiento de la intensidad de la señal, ambos casos impiden la transmisión entre terminales.

Como ejemplos de estos casos se pueden representar en la imagen a la derecha.

En relación al problema de terminal oculto ,imagen (a), "A" puede que no escuche las transmisiones de "C", y viceversa, aunque los dos traten de establecer una conexión al mismo tiempo no se solucionará el problema, en este caso no ocurre lo mismo con transmisiones entre "A-B" o "B-C", ya que no existen entre ellos terminales ocultos.

En el 2do caso, imagen (b), se produce desvanecimiento de la intensidad de señal, en este caso la intensidad de señal entre "A" y "C" es muy débil, por lo que "A" no detecta transmisiones de "C", y viceversa. No ocurre esto con las señales que van de "A-B" o "B-C" ya que están más próximas y su señal es apta.

CDMA

Cuando los host se comunican a través de un medio compartido, es necesario un protocolo para que las señales enviadas por varios emisores no interfieran en los receptores.Existe 3 clases de protocolos de acceso al medio:

  • Particionamiento de canal
  • Acceso Aleatorio
  • Toma de Turnos

Dentro de los protocolos de particionamiento de canal, están los que permiten hacer uso de técnicas de acceso múltiple, donde se pueden establecer comunicación simultáneamente.

Las siguientes son las principales técnicas de acceso múltiple:

  • FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia)
  • TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo)
  • OFDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales )
  • CDMA (Acceso Múltiple por Division de Códigos)

En esta sección profundizaremos un poco en el protocolo CDMA, el cual es el protocolo prevalente en las tecnologías celulares y de redes LAN inalámbricas, esta técnica hace una división asignando a cada usuario un código diferente permitiendo que múltiples usuarios puedan transmitir de manera simultanea sobre el mismo canal. En este tipo de comunicación cada usuario tiene un código pseudoaleatorio el cual es usado para transformar la señal de un usuario en una señal de banda ancha, mediante la técnica Spread Spectrum(Espectro extendido) si el receptor recibe multiples señales, se usa ese código asignado al usuario para transformar la señal recibida y recuperar la información original. La siguiente figura representa 5 usuarios traslapados, pero CDMA, separa y recupera la información de cada usuario sin afectar al resto, esto conociendo el código que le corresponde a cada usuario tanto en el transmisor como en el receptor:

Esquema CDMA.


Spread Spectrum (Espectro Extendido)

Al desarrollar sistemas de comunicación digital, siempre se debe emplear el ancho de banda del canal d forma optima y con la menor potencia posible, para lograr esto se debe tomar en cuenta la inmunidad ante interferencias y confidencialidad en las comunicaciones, la técnica Spread Spectrum se preocupa de esto, la cual es requerida para poder llevar a cabo acceso múltiple por división de códigos. Este "esparcimiento de espectro" distribuye la potencia de una señal en un ancho de banda mayor al de la información, agregándole a la señal de información un código pseudoaleatorio con una velocidad de transmisión mayor, de esta manera se obtiene una señal con una densidad de potencia comparable al ruido, requiriendo un ancho de banda amplio, mientras que la cantidad de energía total de la señal debe ser la misma que la señal Spread Spectrum

Principio Espectro Extendido.

En un protocolo CDMA, cada bit enviado se codifica multiplicándolo por una señal (el código), que varia a una velocidad mucho mayor (velocidad de chip, chipping rate) que la secuencia original.


Como funciona CDMA:

  • Cada bit original de datos que haya que transmitir requiere una partición de tiempo de un bit.
  • Sea di el valor del bit de datos de la i-ésima partición de bit.
  • Por comodidad los bit con valor 0, se representan con valor -1.
  • Cada particion de bit se subdivide en M mini-particiones
  • El codigo CDMA, usado por el emisor esta compuesto por una seria de M valores , cm, m=1,....,M, los que pueden tener valor +1 o -1
  • Para la m-ésima mini partición, la salida del codificador CDMA es el valor di multiplicado por el m-ésimo bit del código asignado CDMA,cm : Zi,m = di * cm
  • Ahora para recuperar el bit de datos original (en el ideal de los casos, donde no existe otros emisores interfiriendo), el recertor recibe Zi,m y recuperda di de la siguiente manera:  d_i=\frac{1}{M}*\sum_{m=1}^M{Z_{i,m}*c_m}

Ejemplo de escenario idealizado de codificacion/decodificacion CDMA, M=8, codigo de M bits usado por el emisor (1,1,1,-1,1,-1,-1,-1):

Ejemplo CDMA idealizado.

En el mundo real, CDMA debe trabajar en presencia de otros emisores que interfieren y que están codificando y transmitiendo sus datos usando otros códigos asignados:

  • CDMA funciona bajo el supuesto de que las señales interferentes de los bit transmitidos son aditivas, por ejemplo si 3 emisores envian un valor 1 y el un cuarto envía un valor -1, durante la misma mini-particion, entonces la señal recibida será 2.
  • En presencia de multiples emisores, el emisor s calcula sus transmiciones codificadas Z^s_{i,m}, de la mis manera mencionada con anterioridad Zi,m = di * cm.
  • Este valor llega a un receptor durante la m-ésima mini-particion, la suma de los bits tranferidos por los N emisores durante la mini-particio´n:  Z^{*}_{i,m}=\sum_{s=1}^N{Z^s_{i,m}}.
  • Si se eligen cuidadosamente los codigos emisores, cada receptor puede recuperar los datos enviados por un determinado emisor, a partir de la señal agregada, de la siguiente manera:  d_i=\frac{1}{M}*\sum_{m=1}^M{Z^{*}_{i,m}*c_m}

Ejemplo CDMA con 2 emisores, el codigo CDMA de M bits usado por el emisor superior es (1,1,1,-1,1,-1,-1,-1) y el empleado por el emisor inferior es (1,-1,1,1,1,-1,1,1)

Ejemplo CDMA 2 emisores.

Ventajas uso CDMA:

  • Mayor Capacidad:La tecnología CDMA, permite que un mayor numero de usuarios compartan las mismas frecuencias de radio
  • Seguridad y privacidad:Es muy difícil capturar y descifrar una señal
  • Control nivel de potencia:Mediante procesamiento de señales y de correcion de errores.
  • Mayor Cobertura:Al existir un control en el nivel de potencia, es posible proveer de una mayor cobertura usando CDMA
  • Reducción de Ruido e interferencia:Al hacer uso CDMA de cogidos pseudoaleatorios es posible aumentar la potencia de las señales sin que estas se interfieran

Referencias

  • Redes de computadoras "Un enfoque descendente" (5ta Edición). KUROSE, ROSS (Pearson - Adisson Wesley)
  • Redes de Computadoras (4ta Edición). Andrew S. Tanenbaum (Pearson - Adisson Wesley)
  • Modulation roundup: error rates [1] Revisada 5 de Julio.

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