CDMA sin secretos.
CDMA sin secretos
Entre los señalizadores existe la opinión de que la «era de los grandes descubrimientos de la ingeniería de radio» terminó felizmente hace cien años. El primer y único descubrimiento fue la invención misma de la radio en 1895. Todos los logros posteriores están asociados exclusivamente con el progreso de la tecnología y el desarrollo progresivo general de la ciencia. En otras palabras, lo que no contradice las leyes de la física y está dentro de los límites de las innovaciones tecnológicas actuales y las capacidades financieras del cliente se puede implementar en la práctica. Y, sin embargo, a pesar de todo, de vez en cuando se producen en el sector de las telecomunicaciones acontecimientos extraordinarios que repercuten notablemente en el futuro de sectores enteros. Por ejemplo, la tecnología de acceso múltiple por división de código (COMA) está en boca de todos desde hace varios años. Durante este tiempo, pasó de una idea científica a un estándar industrial y más allá: a la creación de equipos producidos en masa que tienen demanda en todo el mundo. ¿A qué se debe este éxito? Los especialistas serios que no dan nada por sentado no pueden contentarse con la escasa información que hay que extraer poco a poco de numerosas publicaciones publicitarias. Para convencerlos, es necesaria una presentación rigurosa y sistemática de los principios básicos de CDMA, como resultado de lo cual las intuiciones y suposiciones darán paso a datos objetivos
Cómo sucedió
Así, la tecnología CDMA continúa fortaleciendo su posición en el mundo. Obtuvo la mayor popularidad en Estados Unidos, Corea del Sur y Japón, que se encuentran entre los países con un alto nivel de desarrollo de las telecomunicaciones. Se han identificado las principales áreas de aplicación: comunicaciones celulares móviles y acceso inalámbrico (WLL). Se acerca el momento en que se les unirán las comunicaciones por satélite en forma del sistema global de órbita baja Globalstar. En cuanto a Rusia, ya se han desplegado redes WLL basadas en CDMA en varias ciudades y se prevé que su número aumente en un futuro próximo.
Los sistemas de división de códigos, estrictamente hablando, no son una palabra fundamentalmente nueva en ciencia y tecnología. Se conocían mucho antes de hoy. Por ejemplo, los sistemas de espectro ensanchado que utilizan señales complejas (similares a ruido) se han utilizado ampliamente y actualmente se utilizan en áreas como radar, sistemas de telemetría, radionavegación y comunicaciones, especialmente para resolver problemas especiales. Estos sistemas fueron valorados, en primer lugar, por su secreto y su inmunidad al ruido, que se conseguía gracias a la banda ancha y la baja densidad espectral de las señales. Por regla general, no se afrontaba la tarea de garantizar el funcionamiento simultáneo de muchos canales en una banda de frecuencia común. En los sistemas de comunicación de las primeras generaciones se utilizaban a menudo señales similares a ptumones, es decir, largas secuencias de unidades y balas en las que los símbolos se alternaban según una ley cercana al azar. Estas incluyen secuencias M y secuencias recién formadas (en literatura extranjera, secuencias Gold).
Debido a la gran importancia práctica de las señales complejas, su investigación se lleva a cabo en paralelo desde hace mucho tiempo en muchos países del mundo. En particular, el trabajo más activo se llevó a cabo en Estados Unidos y la antigua URSS. Como resultado, se acumuló una cantidad significativa de información, gracias a la cual fue posible la transición a sistemas más avanzados de nueva generación.
Métodos de acceso: SOMA y otros
Una de las ventajas ampliamente anunciadas de CDMA sobre otros sistemas es el uso más eficiente de los recursos de frecuencia asignados. Se informa, por ejemplo, que en comparación con AMPS, ¡la eficiencia puede ser 30 veces mayor! Antes de reaccionar violentamente ante tal éxito, puedes intentar analizar sus razones. Para empezar, recuerde que la capacidad máxima de un canal de comunicación se puede estimar utilizando la relación de Shannon (ver recuadro).
Todos los sistemas de comunicación existentes, incluidos los sistemas celulares actualmente conocidos, se encuentran en distintos grados lejos del umbral de Shannon. Hay muchas razones para esto. Uno de ellos está relacionado con la elección de uno de tres métodos de acceso: división de frecuencia (FDMA), división de tiempo (TDMA) y división de código (CDMA). Todos ellos, así como sus combinaciones, se utilizan en los estándares de comunicación celular existentes: FDMA en AMPS, TDMA en GSM y CDMA en el estándar IS-95. El método de acceso determina cómo se utiliza la banda de frecuencia común asignada para un sistema de comunicación multicanal. Se sabe que cualquier método de acceso múltiple es inferior en rendimiento total al caso en el que un canal de alta velocidad está organizado en la banda asignada, ocupando toda la banda.
Con FDMA, esto se debe, en particular, a la necesidad de introducir intervalos de frecuencia de protección para evitar interferencias mutuas entre canales. Exactamente de la misma manera con TDMA, se introducen intervalos de tiempo de guardia.
En cuanto a CDMA, debido al hecho de que todos los canales utilizan el mismo recurso de tiempo-frecuencia, también existe una fuente de interferencia mutua. Cuando varios canales funcionan simultáneamente, a cada uno de ellos se le asigna un código individual. Cada símbolo de información (O o 1) se transmite mediante una secuencia de código correspondiente, cuya longitud puede alcanzar varias decenas, cientos e incluso miles de caracteres. La longitud de la secuencia depende de la clase de código y del número de canales. Cada receptor de suscriptor contiene un dispositivo que procesa (comprime) de manera óptima su propia señal y suprime la señal de otra persona.
Cómo evaluar la eficacia de un canal de comunicación
Se pueden obtener estimaciones cuantitativas de la eficacia de varios sistemas de radio basándose en los principios básicos de la teoría de la información. Por ejemplo, la capacidad potencial de un canal de comunicación V [bit/s], su ancho de banda DF [Hz] y la relación señal-ruido Р с/Рш [ej.] están relacionados por la relación:
V=DР • log2(1+Рc/Рш)
Esta expresión se conoce como teorema de Shannon. Es de naturaleza fundamental, es decir, no depende del tipo de señal ni del método de transmisión y recepción. La relación determina el límite superior del rendimiento de un canal de comunicación físico. Esto quiere decir que bajo ningún concepto se puede superar este límite (al igual que en mecánica el rendimiento no puede ser superior al 100%). Desafortunadamente, como la mayoría de las leyes fundamentales de la naturaleza, no proporciona una respuesta concreta a la pregunta práctica de cómo alcanzar este límite, o incluso acercarse a él. Sin embargo, el teorema de Shannon juega un papel extremadamente importante en la ingeniería radioeléctrica. Por ejemplo, muestra que para una velocidad de transferencia de información fija, es posible intercambiar el ancho de banda del canal por la relación señal-ruido (es decir, potencia radiada) y viceversa. En principio, actuando «desde una posición de fuerza», es decir, aumentando ilimitadamente la potencia radiada, es posible alcanzar cualquier velocidad de transmisión en el canal más estrecho.
Desafortunadamente, en los sistemas de primera generación era imposible lograr una supresión completa; las señales extrañas aumentaban el nivel de ruido y reducían la eficiencia general. La potencia de interferencia aumentó con el número de canales que funcionan simultáneamente (aproximadamente proporcional a su número). Una comparación de diferentes métodos de acceso demostró la mayor eficiencia de la división de tiempo TDMA y la menor eficiencia de la división de código CDMA. En cuanto a FDMA, ocupa una posición intermedia. Pero ¿qué hacer entonces con las ventajas constantemente destacadas de CDMA? La explicación de esta paradoja es la esencia de la novedad de los sistemas de código compartido de nueva generación.
La sincronización importa mucho
A diferencia de sus predecesores, estos sistemas pertenecen a la clase de sistemas con división de código síncrona. El concepto de sincronía es clave aquí y significa que las secuencias de códigos no se transmiten en momentos arbitrarios en el tiempo, sino que están vinculadas a una única cuadrícula de tiempo de sincronización. Esto permitió aplicar una nueva clase de códigos basados en un conjunto de funciones de Walsh, que en matemáticas se clasifican como funciones ortogonales. Su característica principal es que con un procesamiento óptimo, una señal extraña se puede suprimir por completo. De este modo, se elimina por completo la interferencia mutua entre canales. En cuanto al volumen del conjunto (es decir, el número de señales diferentes de esta clase), está limitado únicamente por las posibilidades de implementación técnica y las necesidades dictadas por una tarea práctica específica.
Permítanos recordarle una vez más que sólo se puede lograr un efecto positivo con una cuidadosa sincronización de todos los transceptores en la red de comunicación, cuyo número, como se sabe, puede llegar a muchos miles. Además, los dispositivos para generar y procesar de forma óptima señales codificadas son cada vez más complejos. Todo ello requiere el uso de VLSI digitales especialmente diseñados para estos fines. Al mismo tiempo, el equipamiento de las estaciones base es cada vez más complejo; requieren una cuidadosa referencia al terreno, etc. Por lo tanto, el precio a pagar por las ventajas de los sistemas CDMA modernos fue la complejidad del equipo base y del abonado, lo que no podía dejar de afectar el costo. Su distribución fue posible, en primer lugar, gracias a los éxitos de la microelectrónica. Como ha sucedido más de una vez, el progreso tecnológico ha determinado la mejora de las características operativas. En esencia, el estándar IS-95 describe equipos de próxima generación en comparación con los sistemas AMPS y GSM actuales. Esta es su fuerza y su debilidad. La continuidad del éxito dependerá en gran medida de la rapidez con la que se pueda lograr un equilibrio entre coste y calidad.
La eficacia del sistema está determinada en gran medida por su inmunidad al ruido. En general, se acepta que CDMA tiene claras ventajas a este respecto. Esto es especialmente cierto en las condiciones urbanas, donde existe un entorno electromagnético difícil y problemas con la distribución de frecuencias, condiciones específicas para la propagación de ondas de radio, así como muchas interferencias de banda estrecha de diversos orígenes. Al procesar señales de banda ancha, el receptor óptimo suprime eficazmente las interferencias debidas a la descorrelación. Esto permite reducir la potencia del transmisor y aumentar el radio de la celda. Hay un efecto adicional: reducir la exposición del suscriptor a la radiación durante una conversación. Aunque todavía no hay consenso sobre el efecto de la radiación electromagnética de un teléfono móvil en la salud humana, esto es puramente tranquilizador desde el punto de vista psicológico.
¿Quién gana?
Surge la pregunta: si CDMA realmente tiene tales ventajas, ¿cuánto durará? ¿Otros estándares? No es fácil responder. El caso es que en tecnología, quizás, no haya nada más conservador que los estándares. Cambiarlos implica sustituir una enorme cantidad de equipos, costes de material y molestias para los usuarios. Por lo tanto, se necesitan razones extremadamente convincentes para pasar a un nuevo estándar.
En diferentes países este problema se resuelve de manera diferente. Por ejemplo, en los EE. UU., donde alguna vez se implementaron ampliamente las redes del estándar analógico AMPS, de una forma u otra, la necesidad de una actualización está madura. La situación es diferente en Europa, donde el estándar principal es el estándar digital relativamente avanzado GSM. Muchos expertos tratan la CDMA con comprensible precaución. En su opinión, la tecnología basada en la separación tiempo-frecuencia de TDMA y FDMA aún no ha dicho la última palabra. 06 Esto, en particular, se evidencia en la exitosa promoción mundial de los sistemas microcelulares basados en la tecnología DECT.
Como sabes, hacer previsiones es una tarea ingrata. Y, sin embargo, nos atrevemos a suponer que en un futuro próximo los sistemas con división de código y tiempo se desarrollarán en paralelo y dividirán el mercado mundial de las comunicaciones, además, más bien geográficamente. Mientras tanto, en una conferencia de prensa en Moscú, Qualcomm confirmó su intención de continuar desarrollando una serie de nuevos estándares CDMA, incluido el de transmisión de información multimedia (115 kbit/s), y un estándar de alta velocidad con una velocidad de transmisión de 2 Mbit. /s.
Al mismo tiempo, no se pueden dejar de notar ciertos esfuerzos para acercar CDMA y TDMA. Esto se aplica principalmente a los desarrolladores de CDMA, que se ven obligados a tener en cuenta el hecho de que sus equipos están entrando en un mercado de comunicaciones donde dominan otros estándares. Se ha informado de un trabajo exitoso para conectar CDMA con AMPS y GSM. Estos logros no deben sobreestimarse, ya que siguen siendo de carácter privado. Por ejemplo, en el caso de GSM, se demostró la posibilidad de utilizar una tarjeta SIM GSM en un teléfono CDMA. Hablamos así de la unificación de equipos auxiliares.
Con respecto a los estándares móviles digitales de próxima generación, la tendencia a combinar diferentes métodos de acceso es más pronunciada. Por ejemplo, en el prometedor estándar UMT-2000, desarrollado en Europa y que reclama estatus internacional, junto con la división frecuencia-tiempo, también se utiliza la división de códigos. Con ello se consigue una mayor eficiencia en el uso del espectro radioeléctrico.