ES2281159T3 - Transmisor cdma de amplio espectro. - Google Patents
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Abstract
Un transmisor (CDMA) de acceso múltiple de división por códigos de espectro extendido para comunicar datos a un receptor CDMA de espectro extendido en una misma región geográfica cubierta por un sistema celular. La invención se refiere al sistema celular que comunica utilizando una pluralidad de anchos de banda de frecuencia predeterminada. El transmisor CDMA se caracteriza por medios (151, 153, 253, 257, 171, 173, 273) para generar una difusión de señal de datos CDMA de espectro extendido con una secuencia de código de chip pseudoaleatoria, teniendo los datos de CDMA una gran ancho de banda que se superpone a dich pluralidad de anchos de banda de frecuencia predeterminada medios (155, 157, 159, 255, 175, 179) para transmitir dicha señal de datos de difusión a dicho receptor CDMA. La invención se refiere también a un procedimiento para transmitir datos entre un transmisor CDMA y un receptor con un ancho de banda que se superpone a anchos de banda de frecuencia de un sistema celular.
Description
Transmisor CDMA de amplio espectro.
Esta invención se refiere a comunicaciones de
amplio espectro y, más particularmente, a una red personal de
comunicaciones que comunica sobre la misma banda de frecuencia de un
FDMA existente, TDMA propuesto o cualquier otro sistema celular
móvil.
El sistema celular móvil actual utiliza la banda
de frecuencias de 868-894 MHz para la transmisión
desde el usuario móvil hasta las estaciones de base celulares y la
banda de frecuencias de 823-849 MHz para la
transmisión desde las estaciones de base celulares hasta el usuario
móvil. Cada una de estas bandas de frecuencias está dividida a la
mitad para permitir que dos sistemas competitivos funcionen
simultáneamente. Por lo tanto, cada sistema tiene 12,5 MHz
disponibles para transmisión y 12,5 MHz para recepción. Cada una de
las bandas de 12,5 MHz está dividida en canales de 30 kHz para
comunicaciones de voz.
Un problema de la técnica anterior es la
capacidad limitada debido al número de canales disponibles en el
sistema celular de radio móvil.
La figura 1 es un diagrama del sistema celular.
Un usuario móvil servido por la célula A situada próxima al borde
de las células A y B y un usuario móvil servido por la célula B
situada próxima al mismo borde son recibidos por las estaciones de
base celulares de las células A y B casi con la misma potencia. Para
evitar la interferencia entre los usuarios que funcionan en la
misma banda de frecuencias a niveles de potencia comparables, se
asignan diferentes sub-bandas de frecuencia
(canales) a las células adyacentes. La figura 1 muestra un esquema
de siete frecuencias, teniendo cada célula una anchura de banda, B
= 12, 5 MHz/7, que es aproximadamente igual a 1,8 MHz. Este esquema
de frecuencias tiene células adyacentes que funcionan a diferentes
frecuencias, reduciendo de esta manera la interferencia entre
usuarios en células adyacentes. Esta técnica es denominada
re-utilización de la frecuencia. Como resultado de
la reutilización de la frecuencia, cada célula tiene N = 1,8 MHz/30
kHz = 60 canales. Algunos de estos canales están reservados para la
señalización, dejando aproximadamente 55 canales por célula.
Los canales están asignados a las células A, B y
C, como se muestra en la figura 2. Una banda de protección de 180
kHz separa cada canal, de forma que los usuarios de canales
adyacentes dentro de la misma célula no se interfieren entre sí.
Las células en un sistema celular móvil son
costosas de mantener, y puede incrementarse significativamente la
rentabilidad aumentando el número de usuarios por célula. Un método
para incrementar el número de usuarios por célula es cambiar de
comunicación FM analógica, y utilizar comunicación digital con
Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA).
El sistema celular móvil TDMA propuesto se
muestra en la figura 3. En este sistema, cada uno de los 55 canales
por célula es compartido en el tiempo por K usuarios. Normalmente, K
debe ser tres, pero es previsible que este valor aumente a seis.
Una estación base celular registra secuencialmente K usuarios, cada
uno de ellos utiliza la misma banda de frecuencias de 30 kHz, pero
en tiempos diferentes. Utilizando este sistema, el número de
células no se incrementa, pero puesto que existen K usuarios por
canal de 30 kHz, el número total de usuarios por célula aumenta por
un factor de K.
K se estima de la siguiente manera: La voz
analógica puede convertirse en una señal digital que tiene una
velocidad binaria de 8500 bits por segundo (bps) sin degradación
significativa de la calidad, o en una señal digital que tiene una
velocidad binaria de 2400 bps con cierta degradación de la calidad.
Por ejemplo, utilizando la velocidad binaria de 2400 bps con un
régimen de 1/2 código de corrección de error directa (FEC), y una
técnica de modulación digital tal como modulación por desplazamiento
de fase en cuadratura (QPSK), cada señal de voz digital requiere
una anchura de banda de solamente 4800 Hz. Por lo tanto, K = 30
kHz/4,8 kbps = 6 usuarios/30 kHz canal. Potencialmente, el número
de usuarios por célula puede ser 6 usuarios/canal x 55
canales/célula = 330 usuarios por célula. A. Eizenhöfer describe en
"Anwendung der
Stread-Spectrum-Technik in dem
hybriden Mobilfunksystem MATS-D", Frequenz, Vol.
40, nº 9/10, 1986, páginas 255-259, un sistema de
comunicaciones móviles para uso en la banda de frecuencia de 900
MHz en la que las transmisiones desde una estación base a una
estación móvil son multiplexadas por código y las transmisiones
desde una estación móvil a una estación base son multiplexadas por
división de frecuencia.
Un objeto de la invención es proporcionar una
red personal de comunicaciones (PCN) para incrementar la capacidad
de comunicaciones en un entorno de sistema celular de radio
móvil.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
sistema PCN que puede utilizarse a las mismas frecuencias utilizadas
para los sistemas celulares de radio móvil.
Otro objeto adicional de la invención es
proporcionar un sistema PCN que puede utilizarse al mismo tiempo
con un sistema celular móvil sin interferir con el sistema celular
móvil.
Un objeto adicional de la invención es un
sistema PCN que permite comunicaciones entre los usuarios de base y
los usuarios PCN con amplio espectro.
Un objeto todavía adicional de la invención es
un sistema PCN que puede solapar geográficamente y solapar en
espectro, sobre un sistema celular móvil ya existente, sin
modificaciones en el sistema celular móvil.
De acuerdo con la presente invención, como se
incorpora y describe ampliamente aquí, se proporciona un sistema de
comunicaciones CDMA de amplio espectro para comunicación de datos
entre una pluralidad de usuarios PCN, que comprende una pluralidad
de estaciones de base PCN y una pluralidad de unidades PCN. Los
usuarios PCN se comunican a través de la estación de base PCN. Los
datos pueden ser, pero no están limitados a datos de ordenador,
datos de fax o voz digitalizada.
El sistema de comunicaciones CDMA de amplio
espectro esta situado dentro de una misma región geográfica, célula,
que está ocupada por un sistema celular móvil. Típicamente, la
estación celular de base y la estación de base PCN están colocadas.
Cada célula del sistema celular móvil tiene una anchura de banda
celular. Típicamente, la anchura de banda celular es 12,5 MHz. La
anchura de banda celular está dividida en una pluralidad de canales
predeterminados. Los canales predeterminados están separados por
bandas de protección. El sistema celular móvil tiene usuarios
celulares que se comunican sobre los canales predeterminados.
Una pluralidad de estaciones de base PCN solapa
la misma región geográfica que está ocupada por el sistema celular
móvil. Una estación de base PCN comunica datos entre la pluralidad
de usuarios PCN. Un usuario PCN utiliza una unidad PCN.
Cada estación de base PCN tiene medios de
conversión de base, medios de procesamiento de producto de base,
medios de transmisión de base, una antena de base, medios de filtro
de peine de base, y medios de detección de base. Los medios de
conversión de base convierten el formato de los datos que deben
transmitirse a un usuario PCN en una forma adecuada para
comunicación sobre ondas de radio. Los medios de procesamiento de
producto de base procesan los datos con modulación de amplio
espectro. Los medios de transmisión de base transmiten a través de
la anchura de banda celular, desde la estación de base PCN hasta una
unidad PCN, los datos convertidos procesados de amplio espectro.
Los medios de filtro de peine de base filtran o atenúan, es decir,
entallan los canales predeterminados del sistema celular móvil. Los
medios de detección de base están acoplados a través de los medios
de filtro de peine de base a la antena de base. Los medios de
detección de base recuperan los datos comunicados desde la unidad
PCN hasta la estación de base PCN.
La pluralidad de unidades PCN están situadas en
la célula. Cada una de las unidades PCN tiene una antena PCN y
medios de detección PCN. Los medios de detección PCN recuperan los
datos comunicados desde la estación de base PCN. Para comunicar a
la estación de base PCN, la unidad PCN tiene medios de conversión
PCN, medios de procesamiento de producto PCN, y medios de
transmisión PCN. Los medios de conversión PCN convierten el formato
de datos desde un usuario PCN en una forma adecuada para
comunicación sobre ondas de radio. Los medios de procesamiento de
producto PCN procesan los datos con modulación de amplio espectro.
Los medios de transmisión PCN transmiten a través de la anchura de
banda celular, los datos convertidos, procesados de amplio espectro
procedentes de la unidad PCN hasta una estación de base PCN.
Objetos y ventajas adicionales de la invención
están indicados, en parte, en la descripción que sigue, y en parte,
son obvios a partir de la descripción, o pueden aprenderse por la
práctica de la invención. Los objetos y ventajas de la invención
pueden llevarse a cabo también y alcanzarse por medio de las
instrumentalidades y combinaciones indicadas particularmente en las
reivindicaciones adjuntas.
Los dibujos que se acompañan, que son
incorporados y constituyen una parte de la memoria descriptiva,
ilustran formas de realización preferidas de la invención, y junto
con la descripción sirven para explicar los principios de la
invención.
La figura 1 ilustra un plano celular móvil
ajustado de siete frecuencias.
La figura 2 muestra canales celulares que están
separados por una banda de protección de 180 kHz.
La figura 3 ilustra el acceso múltiple por
división de tiempo.
La figura 4 es un diagrama de bloques de un
receptor de estación de base PCN.
\newpage
La figura 5A es un diagrama de bloques de una
primera forma de realización de un transmisor de estación de base
PCN.
La figura 5B es un diagrama de bloques de una
segunda forma de realización de un transmisor de estación de base
PCN.
La figura 6 es un diagrama de bloques de un
receptor de unidad PCN.
La figura 7A es un diagrama de bloques de una
primera forma de realización del transmisor de unidad PCN.
La figura 7B es un diagrama de bloques de una
segunda forma de realización de un transmisor de unidad PCN.
La figura 8 muestra el espectro de una señal de
amplio espectro con una señal AM de la misma potencia en su
frecuencia portadora.
La figura 9 muestra una señal de datos de amplio
espectro cuando la potencia de la señal de amplio espectro es igual
a la potencia de la señal AM.
La figura 10 muestra una señal audio cuando la
potencia de la señal de amplio espectro es igual a la potencia de la
señal AM.
La figura 11 muestra un generador de secuencias
pseudo-aleatorias.
La figura 12 muestra los ajustes de posición de
los conmutadores de la figura 11 para formar secuencias PN; y
La figura 13 ilustra el uso de un filtro de
peine.
A continuación, se hará referencia
detalladamente a las formas de realización preferidas actualmente de
la invención, cuyos ejemplos se ilustran en los dibujos que se
acompañan, donde los números de referencia similares indican
elementos iguales a lo largo de todas las vistas.
El sistema de comunicaciones CDMA de amplio
espectro de la presente invención esta localizado dentro de la
misma región geográfica, es decir, célula, que esta ocupada por un
sistema celular móvil. Cada célula del sistema celular móvil tiene
una anchura de banda celular. En los sistemas celulares móviles
desplegados actualmente, la anchura de banda celular es 12,5 MHz.
La anchura de banda celular esta dividida en una pluralidad de
canales predeterminados. Cada canal predeterminado tiene
típicamente una anchura de banda de 30 kHz. Los canales
predeterminados están separados por bandas de protección. La
separación usual entre las bandas de protección es 180 kHz. Los
usuarios celulares se comunican en los canales predeterminados,
utilizando normalmente FM.
El sistema de comunicaciones CDMA de amplio
espectro incluye una pluralidad de estaciones de base PCN y una
pluralidad de unidades PCN situadas dentro de la misma región
geográfica, es decir, célula, que esta ocupada por el sistema
celular móvil. El sistema de comunicaciones CDMA de amplio espectro
puede utilizarse para comunicar datos entre una pluralidad de
usuarios PCN. Los datos pueden ser, pero no están limitados a datos
de ordenador, datos de fax, o voz digitalizada.
Una estación de base PCN, que esta colocada
geográficamente con preferencia con una estación de base celular,
comunica datos entre la pluralidad de usuarios PCN. Un primer
usuario PCN utiliza una primera unidad PCN, y un segundo usuario PCN
utiliza una segunda unidad PCN.
Cada estación de base PCN incluye medios de
conversión de base, medios de procesamiento de producto de base,
medios de transmisión de base, medios de filtro de peine de base,
medios de detección de base, y una antena de base. Los medios de
filtro de peine de base entallan los filtros que atenúan la potencia
de la señal celular móvil transmitida en los canales
predeterminados del sistema celular móvil. Los medios de detección
de base pueden incluir medios de procesamiento de amplio espectro
de base y medios de sincronización de base. Los medios de detección
de base convierten en sentido amplio los datos comunicados desde una
unidad PCN en una forma adecuada para un usuario.
Los medios de filtro de peine de base, como se
muestra en la figura 5, pueden incorporarse como un filtro de peine
140. El filtro de peine 140 entalla los canales predeterminados del
sistema celular móvil. El filtro de peine 140 es necesario con el
fin de reducir el nivel de potencia de interferencia combinada
procedente de los usuarios celulares móviles con la estación de
base PCN. Para el sistema celular móvil desplegado actualmente, a
modo de ejemplo, el filtro de peine 140 podría servir como una
pluralidad de filtros de muesca, bloqueando la anchura de banda de
30 kHz en cada localización de frecuencia de los canales
predeterminados del sistema celular móvil.
Los medios de procesamiento de amplio espectro
de base, como se ilustran en la figura 4, pueden incorporarse como
un generador pseudoaleatorio, un dispositivo de producto 141 y un
filtro pasabanda 143. El generador pseudoaleatorio almacena códigos
chip, g_{1}(t), g_{2}(t),..., g_{N}(t),
para demodular datos a partir de las señales de amplio espectro
recibidas desde la pluralidad de unidades PCN en la estación de base
PCN. Los medios de detección de base incluyen también medios para
sincronizar los medios de procesamiento de amplio espectro de base
con las señales de amplio espectro recibidas.
Los medios de procesamiento de amplio espectro
de base en la estación de base PCN procesan los datos seleccionados
recibidos desde una unidad PCN seleccionada, que son transmitidos
con una señal de amplio espectro utilizando un código chip
seleccionado, g_{i}(t). El detector 145 demodula los datos
seleccionados desde la señal de amplio espectro despropagada.
Una pluralidad de dispositivos de producto 141,
filtros de pasabanda 143 y detectores 145 pueden acoplarse a través
de un divisor de potencia 147 a una antena 149, para recibir
simultáneamente múltiples canales de amplio espectro. Cada
dispositivo de producto 141 utilizaría un código chip seleccionado
para demodular una señal de amplio espectro seleccionada,
respectivamente.
Para que un sistema de amplio espectro funcione
adecuadamente, el receptor de amplio espectro debe adquirir la
posición de fase correcta de la señal de amplio espectro recibida, y
el receptor debe seguir continuamente esa posición de fase de forma
que no se produzca pérdida de bloqueo. Los dos procesos de
adquisición y seguimiento forman el subsistema de sincronización de
un receptor de amplio espectro. La primera operación se realiza
típicamente por una búsqueda de tantas posiciones de fase como sean
necesarias hasta que se encuentre una que de lugar a una
correlación grande entre la fase de la señal de entrada y la fase de
la secuencia de propagación generada localmente en el receptor.
Este primer proceso se produce utilizando medios de correlación o
medios de filtro adaptados. La última operación se realiza, a
menudo con un "circuito de bloqueo de retardo". La importancia
del proceso de sincronización combinado no puede exagerarse porque
si no se alcanza ni mantiene la sincronización, la señal deseada no
puede despropagarse.
Los medios de conversión de base, como se
ilustran en la figura 5A, pueden incorporarse como un modulador de
base 151. El modulador de base 151 convierte el formato de datos que
deben transmitirse a un usuario PCN en una forma adecuada para
comunicación sobre ondas de radio. Por ejemplo, una señal de voz
analógica puede convertirse en una señal de datos de base,
utilizando una técnica denominada codificación de fuente. Los
codificadores de fuente típicos son codificadores predictivos
lineales, vocodificadores, moduladores delta y codificadores de
modulación de código de impulso.
Los medios de procesamiento de producto de base
pueden incorporarse como un modulador de amplio espectro de base
153. El modulador de amplio espectro de base 153 esta acoplado al
modulador de base 151. El modulador de amplio espectro de base 153
modula la señal de datos convertida utilizando amplio espectro. Los
datos convertidos son multiplicados utilizando un dispositivo de
producto o módulo-2 añadido, utilizando una puerta
OR-EXCLUSIVA 153 con un código chip de amplio
espectro seleccionado, g_{N+i}(t).
Los medios de transmisión de base pueden
incorporarse como un transmisor de base 155. El transmisor de base
155 esta acoplado al modulador de amplio espectro de base 153. El
transmisor de base 155 transmite a través de la anchura de banda
celular, los datos convertidos, procesados de amplio espectro,
procedentes de la estación de base PCN hasta una unidad PCN. El
transmisor de base 155 incluye la modulación de los datos
convertidos procesados de amplio espectro a una frecuencia
portadora, f_{o}.
El transmisor de base 155 tiene un oscilador
transmisor que suministra una señal portadora que tiene una
frecuencia portadora. El oscilador transmisor esta acoplado a un
dispositivo de producto del transmisor. El transmisor multiplica,
utilizando el dispositivo de producto del transmisor, los datos
convertidos procesados de amplio espectro por la señal
portadora.
Los medios de transmisión pueden transmitir
datos, en una forma de realización preferida, utilizando una señal
de amplio espectro que tiene un nivel de potencia limitado hasta un
nivel predeterminado. Los medios de transmisión pueden transmitir
datos añadiendo la pluralidad de datos a las señales de datos
propagadas.
Una pluralidad de moduladores 151, dispositivos
de producto 153 y transmisores 155 pueden acoplarse a través de un
combinador de potencia 157 a una antena 159 para transmitir
simultáneamente una multiplicidad de canales de amplio espectro. La
figura 5A es una forma de realización ilustrativa para generar
señales de amplio espectro simultáneas, y existen muchas variantes
para interconectar dispositivos de producto, moduladores y
transmisores, para llevar a cabo la misma función.
Como un ejemplo alternativo, la figura 5B
ilustra un transmisor de estación de base PCN que puede utilizarse
para producir el mismo resultado que el transmisor de la figura 5A.
En la figura 5B, los datos son añadidos según el módulo 2,
utilizando puertas OR-EXCLUSIVA 253 con un código de
chip de amplio espectro seleccionado, g_{N+i}(t). Los
datos procesados de amplio espectro resultantes a partir de una
pluralidad de puertas OR-EXCLUSIVA 253 son
combinados utilizando el combinador 257. El transmisor de base 255
modula los datos procesados de amplio espectro combinados a la
frecuencia portadora f_{o}. El transmisor 255 esta acoplado a la
antena 159 y transmite simultáneamente la pluralidad de datos
procesados de amplio espectro como una multiplicidad de canales de
amplio espectro.
La presente invención incluye también unidades
PCN que están situadas dentro de la célula. Cada una de las unidades
PCN tiene una antena.
PCN, medios de detección PCN, medios de
conversión PCN, medios de procesamiento PCN y medios de transmisión
PCN. Los medios de detección PCN están acoplados a la antena PCN.
Los medios de detección PCN incluyen medios de procesamiento de
amplio espectro PCN.
Los medios de detección PCN recuperan los datos
comunicados a la unidad PCN desde la estación de base PCN. Los
medios de detección incluyen también medios para convertir el
formato de los datos en una forma adecuada para un usuario. El
formato puede ser, por ejemplo, datos de ordenador, una señal de voz
analógica u otra información. Los medios de detección PCN pueden
incluir, a modo de ejemplo, circuitos de seguimiento y adquisición
para la señal de amplio espectro, un dispositivo del producto para
despropagar la señal de amplio espectro y un detector de
envolvente. La figura 6 muestra, como ilustración, los medios de
detección PCN materializados como un demodulador de amplio espectro
PCN 161, un filtro pasabanda PCN 163, y un detector de datos PCN
165, acoplado a una antena 169.
El demodulador de amplio espectro PCN 161
despropaga utilizando una señal de código de chip que tiene el mismo
código o código de chip seleccionado, g_{N+i}(t), que la
señal de amplio espectro recibida, siendo recibida la señal de
amplio espectro desde la estación de base PCN. El filtro pasabanda
163 filtra la señal despropagada y el detector de datos PCN 165
pone el formato de la señal de amplio espectro despropagada en una
forma adecuada para un usuario PCN.
Los medios de procesamiento de amplio espectro
PCN incluyen medios para almacenar un código de chip local,
g_{N+i}(t), para comparar las señales recibidas para
recuperar los datos enviados desde la estación de base PCN a la
unidad PCN.
Los medios de procesamiento de amplio espectro
PCN pueden incluir también medios para sincronizar los medios de
procesamiento de amplio espectro PCN a las señales recibidas. De
forma similar, los medios de procesamiento de amplio espectro PCN
en la estación de base PCN incluyen medios para procesar datos para
las unidades PCN particulares con un código de chip
seleccionado.
Los medios de conversión PCN, como se ilustra en
la figura 7A, pueden materializarse como un modulador PCN 171. El
modulador PCN 171 convierte el formato de los datos en una forma
adecuada para comunicación sobre ondas de radio. De una manera
similar a la estación de base PCN, una señal de voz analógica puede
convertirse en una señal de datos convertida, utilizando una
técnica denominada codificación de fuente. Como con el modulador de
base 151, los codificadores de fuente típicos son codificadores
predictivos lineales, vocodificadores, moduladores delta y
modulación de código de impulsos.
Los medios de procesamiento de amplio espectro
PCN pueden materializarse como un modulador de amplio espectro PCN
173. El modulador de amplio espectro PCN 173 esta acoplado en el
modulador PCN 171. El modulador de amplio espectro PCN 173 modula
la señal de datos convertida con un código chip seleccionado,
g_{i}(t). La señal de datos convertida es multiplicada
utilizando un dispositivo de producto o módulo 2 añadido, utilizando
una puerta OR-EXCLUSIVA 173 con el código de chip
seleccionado, g_{i}(t).
Como un trasmisor equivalente, la figura 7B
ilustra un trasmisor para una unidad PCN que tiene medios de
procesamiento de amplio espectro PCN como un sumador de módulo 2
PCN, materializado como una puerta OR-EXCLUSIVA 273.
La puerta OR-EXCLUSIVA 273 de
módulo-2 añade la señal de datos convertida con el
código chip seleccionado g_{i}(t).
Los medios de transmisión PCN en las figuras 7A
y 7B pueden materializarse como un transmisor PCN 175. El
transmisor PCN 175 esta acoplado entre el modulador de amplio
espectro PCN 173 y la antena 179. El transmisor PCN 175 transmite,
a través de la anchura de banda celular, los datos convertidos,
procesados de amplio espectro, desde la unidad PCN hasta la
estación de base PCN. El transmisor PCN 175 modula los datos
convertidos, procesados de amplio espectro a una frecuencia
portadora, fo. La frecuencia portadora del transmisor PCN y del
transmisor de célula pueden estar a las mismas frecuencias o a
frecuencias diferentes.
Una característica esencial de la presente
invención es que las señales de amplio espectro están diseñadas
para que sean "transparentes" para otros usuarios, es decir,
que las señales de amplio espectro están diseñadas para
proporcionar interferencia insignificante a la comunicación de otros
usuarios existentes. La presencia de una señal de amplio espectro
es difícil de determinar. Esta característica es conocida como baja
probabilidad de intercepción (LIP) y baja probabilidad de detección
(LPD). Las características LPI y LPD de amplio espectro permiten la
transmisión entre los usuarios de un sistema de comunicaciones CDMA
de amplio espectro sin que los usuarios existentes del sistema
celular móvil experimenten interferencia significativa. La presente
invención hace uso de LPI y LPD con respecto de los canales
predeterminados utilizando FM en un sistema celular móvil. Cuando
el nivel de potencia de cada señal de amplio espectro esta por
debajo del nivel predeterminado, entonces la potencia total de todo
el amplio espectro utilizado dentro de una célula no interfiere con
los usuarios en el sistema celular móvil.
El amplio espectro es también resistente a
"atasco" o interferencia. Un receptor de amplio espectro
propaga el espectro de la señal de interferencia. Esto reduce la
interferencia desde la señal de interferencia, de forma que no
degrada notablemente la actuación del sistema de amplio espectro.
Esta característica de reducción de la interferencia hace el amplio
espectro útil para comunicaciones comerciales, es decir, que las
formas de onda de amplio espectro pueden solaparse sobre la parte
superior de las señales de banda estrecha existentes.
La presente invención emplea amplio espectro de
secuencia directa, que utiliza una técnica de modulación de fase.
El amplio espectro de secuencia directa toma la potencia que debe
transmitirse y la propaga sobre una anchura de banda muy ancha, de
forma que se reduce al mínimo la potencia por unidad de anchura de
banda (vatios/hertzios). Cuando esto se consigue, la potencia de
amplio espectro transmitida recibida por un usuario celular móvil,
que tiene una anchura de banda relativamente estrecha, es solamente
una pequeña fracción de la potencia real transmitida.
En un sistema celular móvil, a modo de ejemplo,
si una señal de amplio espectro, que tiene una potencia de 10
milivatios, se propaga sobre una anchura de banda celular de 12,5
MHz y un usuario celular emplea un sistema de comunicación que
tiene una anchura de banda de canal de solamente 30 kHz, entonces,
la potencia de interferencia efectiva debida a una señal de amplio
espectro, en el sistema de comunicación de banda estrecha, se reduce
en el factor de 12,5 mHz/30 kHz, que es aproximadamente 400. Por lo
tanto, la potencia de interferencia efectiva son 10 milivatios
divididos por 400 o 0,025 mW. Para cincuenta usuarios concurrentes
de amplio espectro, la potencia de la señal de interferencia debido
a amplio espectro se incrementa por cincuenta hasta una potencia de
interferencia máxima de 1,25 mW.
La característica de amplio espectro que resulta
de la reducción de la interferencia es que el receptor de amplio
espectro propaga realmente la energía recibida de cualquier elemento
de interferencia sobre la misma anchura de banda ancha, 12,5 MHz en
el presente ejemplo, mientras que se comprime la anchura de banda de
la señal recibida deseada hasta su anchura de banda original. Por
ejemplo, si la anchura de banda original de la señal de datos PCN
deseada es solamente 30 kHz, entonces la potencia de la señal de
interferencia producida por la estación de base celular se reduce
por 12,5 MHz/30 kHz, que es aproximadamente 400.
El amplio espectro de secuencia directa alcanza
una propagación del espectro modulando la señal original con una
señal de banda muy ancha con respecto a la anchura de banda de
datos. Esta señal de banda ancha es elegida por tales dos
amplitudes posibles, +1 y -1, y estas amplitudes son conmutadas, de
una manera "pseudoaleatoria", periódicamente. Por lo tanto, en
cada intervalo de tiempo igualmente espaciado, se toma la decisión
de si la señal de modulación de banda ancha debería ser +1 o -1. Si
se lanzara una moneda para tomar tal decisión, la secuencia
resultante sería realmente aleatoria. No obstante, en tal caso, el
receptor no conocería la secuencia a priori y no podría
recibir adecuadamente la transmisión. En su lugar, el generador de
código de chip genera electrónicamente una secuencia
aproximadamente aleatoria, denominada secuencia
pseudo-aleatoria, que es conocida a priori
por el transmisor y el receptor.
Para ilustrar las características del amplio
espectro, se consideran datos de 4800 bps que son modulados por
modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK). La anchura de
banda de la señal resultante es aproximadamente 9,6 kHz. Esta
anchura de banda es propagada entonces utilizando un amplio espectro
de secuencia directa de hasta 16 MHz. Por lo tanto, la ganancia de
procesamiento, N, es aproximadamente 1600 o 32 dB.
Alternativamente, se considera una
implementación más típica con datos de 4800 bps, que es
módulo-2 añadido a una señal de código de chip de
amplio espectro, g_{i}(t), que tiene una velocidad de chip
de 8 Mchips/s. Los datos de amplio espectro resultantes son
modulados por modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK).
La anchura de banda de amplio espectro resultante es 16 MHz. Por lo
tanto, la ganancia de procesamiento es: N = (8 x 10^{6})/(4,8 x
10^{3}), que es aproximadamente igual a 1600, o 32 dB.
La figura 8 muestra el espectro de esta señal de
amplio espectro sobre una señal sinusoidal de 3 kHz modulada en la
amplitud, cuando cada una de ellas tiene el mismo nivel de potencia.
La anchura de banda de la forma de la onda AM es 6 kHz. Ambas
formas de la onda tienen la misma frecuencia portadora.
La figura 9 muestra la corriente de datos de
onda cuadrada demodulada. Esta forma de la onda ha sido procesada
por un "integrador" en el receptor, por lo que la forma de onda
esta configurada triangular. Hay que indicar que se muestran
claramente las tensiones máximas positiva y negativa que representan
un bit 1 y un bit 0. La figura 10 muestra que la señal AM
demodulada replica la onda sinoidal de 3 kHz.
La señal AM no degrada la recepción de datos,
puesto que el receptor de amplio espectro propaga la energía de la
señal AM sobre 16 MHz, al mismo tiempo que se comprime la señal de
amplio espectro de retorno a su anchura de banda original de 9,6
kHz. La cantidad de energía AM propagada en la anchura de banda BPSK
de 9,6 kHz es la energía original dividida por N = 1600; o, de
forma equivalente, se reduce por 32 dB. Puesto que ambas formas de
la onda eran inicialmente de la misma potencia, la relación de la
señal con respecto al ruido es ahora 32 dB, lo que es suficiente
para obtener un porcentaje de error muy bajo.
La señal de amplio espectro no interfiere con la
forma de onda AM, puesto que la potencia de amplio espectro en la
anchura de banda de la señal AM es la potencia original en la señal
de amplio espectro dividida por N_{1}, donde
N_{1} =
\frac{16 \ Mhz}{6 \ Khz} = 2670 \ (o \ 33 \
dB)
por lo que la relación de la señal
con respecto a la interferencia de la onda sinusoidal demodulada es
33
dB.
\newpage
Los modos de secuencia directa de amplio
espectro utilizan secuencias pseudo-aleatorias para
generar la secuencia de propagación. Aunque existen muchas
secuencias posibles diferentes, las más comúnmente utilizadas son
las secuencias de registro de corredera lineal de "longitud
máxima", referidas con frecuencia como secuencias de
pseudo-ruido (PN). La figura 11 muestra un generador
de secuencia de registro de corredera típico. La figura 12 indica
la posición de cada conmutador bi para formar una secuencia PN de
longitud L, donde
L = 2^{N} -
1
Las características de estas secuencias son, en
efecto, "similares al ruido". Para ver esto, si la secuencia
de propagación esta diseñada adecuadamente, tendrá muchas de las
propiedades de aleatoriedad de un experimento de lanzamiento de una
moneda al aire, donde "1" = cara y "-1" = cruz. Estas
propiedades incluyen lo siguiente:
1) En una secuencia larga, aproximadamente 1/2
de los chips será +1 y 1/2 será -1.
2) La longitud de un recorrido de r chips del
mismo signo se producirá aproximadamente L/2^{r} veces en una
secuencia de L chips.
3) La auto-correlación de la
secuencia PN_{i}(t) y PN_{i} (t + \tau) es muy pequeña,
excepto en la proximidad de = 0.
4) La correlación cruzada de cualquiera de dos
secuencias PN_{i}(t) y PN_{i}(t + \tau) es
pequeña.
El acceso múltiple por división de código (CDMA)
es un sistema de amplio espectro de secuencia directa, en el que un
número, al me-nos dos, de señales de amplio espectro
se comunican simultáneamente, funcionando cada una sobre la misma
banda de frecuencia. En un sistema CDMA, a cada usuario se le da un
código chip distintivo. Este código de chip identifica al usuario.
Por ejemplo, si un primer usuario tiene un primer código de chip,
g_{1}(t), y un segundo usuario un segundo código chip
g_{2}(t), etc., entonces, un receptor, que desea escuchar
al primer usuario, recibe en su antena toda la energía enviada por
todos los usuarios. No obstante, después de despropagar la señal
del primer usuario, el receptor emite toda la energía del primer
usuario, pero solamente una pequeña fracción de las energías
enviadas por el segundo, tercero, etc, usuarios.
El CDMA es de interferencia limitada. Es decir,
que el número de usuarios que pueden utilizar el mismo espectro y
todavía tienen actuación aceptable se determina por la potencia de
interferencia total que todos los usuarios, tomados como conjunto,
generan en el receptor. A menos que se tenga mucho cuidado en el
control de la potencia, estos transmisores CDMA que están próximos
al receptor provocarán una interferencia abrumadora. Este efecto es
conocido como el problema "cerca-lejos". En un
entorno móvil, el problema cerca-lejos podría ser el
efecto dominante. Es posible el control de la potencia de cada
usuario móvil individual, para que la potencia recibida de
cada usuario móvil sea la misma. Esta técnica es denominada
"control de potencia adaptable". Véase la Patente de los
Estados Unidos con fecha de presentación de 16 de noviembre de 1990,
titulada "Control adaptativo de potencia para un transmisor de
espectro amplio", de Donald L. Schilling, que es ahora US
5.093.840.
Se ha propuesto eliminar el 10% de la anchura de
banda celular móvil, o 1,25 MHz, para emplear CDMA. Este
procedimiento eliminaría el 10% de los canales celulares móviles
existentes actualmente, que son aproximadamente 5 canales,
limitando de este modo el uso y acceso de los abonados presentes al
sistema celular móvil. Adicionalmente, un procedimiento de este
tipo alterará el servicio actual, puesto que la estación base de
cada célula debe modificarse.
Como resultado de este procedimiento, los
usuarios existentes son penalizados, puesto que se reduce el número
de canales disponibles en un 10% y una compañía celular que emplee
este procedimiento debe modificar cada célula eliminando en primer
lugar estos canales del uso y después instalando el nuevo equipo
CDMA.
La presente invención se refiere a un sistema
CDMA que no afecta a los usuarios existentes en la medida en que no
requiere que se elimine el 10% de la banda. En efecto, utilizando
esta invención, puede insertarse un sistema CDMA completamente
separado en el espectro móvil existente sin que afecte al
funcionamiento existente del sistema celular móvil FDMA o al sistema
TDMA futuro.
El sistema de comunicaciones de amplio espectro
PCN de la presente invención es un sistema CDMA. El Acceso Múltiple
por División de código de amplio Espectro (CDMA) puede incrementar
significativamente el número de usuarios por célula, comparado con
el TDMA. Con el CDMA, cada usuario en una célula utiliza la misma
banda de frecuencia. No obstante, cada señal PCN CDMA tiene un
código pseudoaleatorio separado que permite que un receptor
distinga una señal deseada de las señales restantes. Los usuarios
PCN en las células adyacentes utilizan la misma banda de frecuencia
y la misma anchura de banda, y por lo tanto, "se interfieren"
entre sí. Una señal recibida puede aparecer algo más ruidosa a
medida que aumenta el número de señales de los usuarios recibidas
por una estación de base PCN.
Cada señal de usuario no deseada genera cierta
potencia de interferencia, cuya magnitud depende de la ganancia de
procesamiento. Los usuarios PCN en las celdas adyacentes incrementan
la energía de interferencia esperada comparada con los usuarios PCN
dentro de una célula particular en aproximadamente un 50%,
suponiendo que los usuarios PCN están distribuidos uniformemente a
lo largo de las células adyacentes. Puesto que el factor de aumento
de la interferencia no es grave, no se emplea la reutilización de
frecuencia. Cada célula de amplio espectro puede utilizar una banda
de 12,5 MHz completa para la transmisión y una banda 12,5 MHz
completa para la recepción. Por lo tanto, utilizando una velocidad
de chip de seis millones de chip por segundo y una velocidad de
datos de codificación de 4800 bps resulta aproximadamente una
ganancia de procesamiento de 1250 chips por bit. Es bien conocido
por los técnicos en la materia que el número de usuarios PCN CDMA es
aproximadamente igual a la ganancia de procesamiento. Por lo tanto,
hasta 1250 usuarios pueden funcionar en la anchura de banda de 12,5
MHz del sistema celular móvil.
Para asegurar que el sistema PCN no degrada la
actuación del sistema celular móvil, hay que indicar que el sistema
FDMA existente actualmente requiere una relación de señal con
respecto a ruido (SNR) de 17 dB. El sistema TDMA propuesto
requerirá una relación de señal con respecto a ruido de 7 dB. El
sistema PCN CDMA requiere una SNR de 4 dB. Al usuario PCN no se le
permite interferir de forma significativa con el sistema celular
móvil. La potencia transmitida por un usuario celular móvil es
P_{CELL} = 0,5 vatios. La potencia transmitida por un usuario PCN
es P_{PCN} = 10 milivatios. Se supone que los usuarios celulares
móviles y los usuarios PCN emplean control de potencia adaptable,
de forma que en la estación base celular y en la estación de base
PCN, los niveles de potencia recibidos son proporcionalmente los
mismos. Deben examinarse cuatro enlaces con el fin de evaluar la
actuación del sistema: el efecto de la estación de base PCN sobre el
usuario celular; el efecto de la estación celular de base sobre el
usuario PCN; el efecto del usuario PCN sobre la estación celular de
base; y el efecto del usuario celular sobre la estación de base PCN.
Para el siguiente análisis, supongamos que la estación de base PCN
y la estación celular de base están colocadas y tienen la misma
potencia del transmisor, por ejemplo, 10 vatios.
Consideremos el efecto de la estación de base
PCN sobre un usuario celular. La potencia de la señal de amplio
espectro desde la estación de base PCN es propagada sobre 12,5 MHz.
No obstante, el usuario celular se comunica sobre un canal
predeterminado utilizando FM, que tiene una anchura de banda de
aproximadamente 30 KHz. Por lo tanto, el usuario celular tiene una
ganancia de procesamiento efectiva con respecto a la señal de amplio
espectro procedente de la estación de base PCN de aproximadamente
400, o 26 dB. Los 26 dB significan que el nivel de potencia de la
señal de amplio espectro desde la estación de base PCN se reduce en
el usuario celular en 400. Suponiendo que la estación de base PCN y
la estación celular de base tienen cada una de ellas un nivel de
potencia de transmisión de 10 vatios, la ganancia de procesamiento
produce una relación de señal con respecto a interferencia aceptable
en el usuario celular, es decir, mucho más alta que la requerida de
17 dB.
El efecto sobre la estación celular de base
desde la estación de base PCN es como sigue: la señal de amplio
espectro de la estación de base PCN es propagada por la velocidad
del chip de 6,25 megachips por segundo. La velocidad de los datos
en la señal de amplio espectro es 4.800 bits por segundo. Por lo
tanto, la ganancia de procesamiento en el usuario PCN es 6,25
megachips por segundo divididos por 4.800 bits por segundo, que
aproximadamente igual a 1.250, o aproximadamente 31 dB. Suponiendo
que la estación de base PCN y la estación celular de base tienen
cada una de ellas una potencia de transmisión de 10 vatios, esta
ganancia de procesamiento produce una relación de la señal con
respecto a interferencia aceptable en el usuario PCN, es decir, 31
dB.
Consideremos el efecto de los usuarios PCN sobre
el receptor en la estación celular de base. Supongamos, para
facilitar los cálculos, que los usuarios del sistema celular móvil y
los usuarios del sistema PCM emplean control de potencia adaptable.
El usuario celular transmite una potencia, P_{CELL} = 0,5 W, y el
usuario PCN transmite una potencia P_{PCN} = 10 mW. Se supone que
cada célula de un sistema celular móvil tiene 50 usuarios
celulares, y se supone que el sistema PCN tiene K usuarios. La
interferencia con el receptor de la estación celular de base es N
por P_{PCN} dividido por la ganancia de procesamiento. Como se ha
mostrado anteriormente, la ganancia de procesamiento es N = 12,5
MHz/30 kHz = 400 o 26 dB. Por lo tanto, la relación de la señal con
respecto a interferencia es
NP_{CELL}/(K \
x \ p_{PCN}) = 400 \ (1/2)/K(2 . 01) = 2 \ x \
10^{4}/K.
Suponiendo 200 usuarios PCN (K = 200), se
produce una relación de la señal con respecto a interferencia de 20
d>B, que excede la relación de la señal con respecto a
interferencia de 17 dB requerida para el FDMA utilizado actualmente
y excede ampliamente la relación de la señal con respecto a
interferencia de 7 dB necesaria en el sistema TDMA proyectado. El
sistema celular móvil desplegado actualmente tiene típicamente
P_{CELL} = 500 milivatios para teléfonos portátiles y P_{CELL}
igual a un vatio para teléfonos localizados en automóviles. Por lo
tanto, el análisis precedente requiere que el usuario PCN transmita
un nivel de potencia de diez milivatios, P_{PCN} = 10 mW.
Consideremos el efecto de los niveles de
potencia precedentes sobre la estación de base PCN. La estación de
base PCN recibe un nivel de potencia de interferencia desde 50
usuarios celulares, de 50 por vatio. Con una ganancia de
procesamiento para el sistema PCN de N = 1250, resulta una relación
de la señal con respecto a la interferencia en la estación de base
PCN de S/I = (10 mW x 1250)/(1 W x 50), produciendo S/I = 1/4, que
es -6 dB. El receptor en la estación de base PCN requiere una
relación de la señal con respecto a ruido de 4 dB. La SNR requerida
puede realizarse en la estación de base PCN con un filtro de rechazo
de banda para entallar las señales procedentes de los usuarios
celulares en los canales predeterminados de 30 kHz. Con un filtro
de muesca de peine adecuadamente diseñado, puede alcanzarse
fácilmente una relación de la señal con respecto a interferencia de
20 dB a 30 dB.
La figura 13 ilustra un filtro de muesca de
peine 333 insertado en un receptor de una estación de base PCN. El
receptor incluye un amplificador de ruido bajo 331 acoplado entre la
antena 330 y un convertidor descendente 332. El filtro de muesca de
peine 333 está acoplado entre el convertidor descendente 332 y el
demodulador de amplio espectro 334. Un demodulador 335 está
acoplado al demodulador de amplio espectro 334. El filtro de muesca
de peine 333 en este ejemplo ilustrativo funciona a una frecuencia
intermedia y elimina la interferencia procedente del sistema celular
móvil.
A partir del análisis precedente, un técnico en
la materia reconoce que la presente invención permitirá que un
sistema CDMA de amplio espectro solape un sistema celular móvil FDMA
preexistente, sin modificación del sistema celular móvil
preexistente. La presente invención permite la reutilización de la
frecuencia del espectro de frecuencia ya asignado al sistema
celular móvil. Al mismo tiempo, la actuación del sistema celular
móvil no está degradada. El sistema PCN puede añadir un aumento de
200 usuarios PCN sobre los 50 usuarios celulares. Los cálculos de
actuación del presente sistema son considerados conservadores, y el
aumento de los usuarios PCN puede ser mayor que los 200
estimados.
Será evidente para los técnicos en la materia
que pueden realizarse varias modificaciones al sistema de
comunicaciones CDMA de amplio espectro de la presente invención sin
separarse del alcance de la invención, y se pretende que la
presente invención cubra las modificaciones y variaciones del
sistema de comunicaciones CDMA de amplio espectro previstas que
entran en el alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus
equivalentes.
Claims (11)
1. Un transmisor CDMA de acceso múltiple por
división de código de amplio espectro para comunicar datos a un
receptor CDMA de amplio espectro en una misma región geográfica que
la cubierta por un sistema celular, comunicando el sistema celular
usando una pluralidad de anchuras de banda de frecuencia
predeterminadas, caracterizado el transmisor CDMA por:
medios (151, 153, 253, 257, 171, 173, 273) para
generar una señal de datos CDMA de amplio espectro propagada con
una secuencia de código de chip pseudoaleatoria, teniendo la señal
de datos CDMA una anchura de banda ancha que solapa dicha pluralidad
de anchuras de banda de frecuencia predeterminadas; y
medios (155, 157, 159, 255, 175, 179) para
transmitir dicha señal de datos propagada a dicho receptor CDMA.
2. El transmisor CDMA según la reivindicación 1,
caracterizado además porque cada una de dicha pluralidad de
anchuras de banda de frecuencia predeterminadas tiene una anchura de
banda de 30 KHz y está separada por una banda de protección de 180
KHz; y teniendo la anchura de banda ancha una anchura de banda de
12,5 MHz.
3. El transmisor CDMA según la reivindicación 1
o 2 para uso en una estación base PCN, caracterizado porque
dicha estación base PCN está cosituada con una estación base del
sistema celular.
4. El transmisor CDMA según la reivindicación 3,
caracterizado además porque dichos medios generadores (151,
153, 253, 257, 171, 173, 273) incluyen:
medios de base (151, 171) para convertir una
señal de datos en un formato adecuado para comunicar por ondas de
radio; y
medios de producto-base (153,
173) para procesar en amplio espectro los datos convertidos a la
señal de datos CDMA.
5. El transmisor CDMA según la reivindicación 4
caracterizado además porque dichos medios de
producto-base (153, 173) incluyen medios (153, 173)
para procesar la señal de datos con un código de chip.
6. El transmisor CDMA según la reivindicación 1
o 2 para uso en una unidad PCN caracterizado además porque
dichos medios generadores (151, 153, 253, 257, 171, 173, 273)
incluyen:
un modulador PCN (17) para convertir una señal
de datos a un formato adecuado para comunicar por ondas de radio;
y
medios de procesado de amplio espectro PCN (173)
para procesar la señal de datos convertida con un código de chip
para producir la señal de datos CDMA.
7. Un método de transmitir datos entre un
transmisor CDMA de acceso múltiple por división de código de amplio
espectro y un receptor CDMA de amplio espectro en una misma región
geográfica que la cubierta por un sistema celular, comunicando el
sistema celular usando una pluralidad de anchuras de banda de
frecuencia predeterminadas, caracterizado el método por:
generar y transmitir desde el transmisor CDMA
una señal de datos CDMA de amplio espectro propagada con una
secuencia de código de chip pseudoaleatoria, teniendo la señal de
datos propagada una anchura de banda ancha que solapa dicha
pluralidad de anchuras de banda de frecuencia predeterminadas; y
recibir la señal de datos CDMA en el receptor
CDMA y recuperar datos de la señal de datos CDMA.
8. El método según la reivindicación 7
caracterizado además porque cada una de dicha pluralidad de
anchuras de banda de frecuencia predeterminadas tiene una anchura
de banda de 30 KHz y está separada por una banda de protección de
180 KHz; y teniendo la anchura de banda ancha una anchura de banda
de 12,5 MHz.
9. El método según la reivindicación 7 o 8 donde
el transmisor CDMA está situado en una estación base PCN y el
receptor CDMA está situado en una unidad PCN, caracterizado
además porque dicha estación base PCN está cosituada con una
estación base del sistema celular.
10. El método según la reivindicación 7 o 8
donde el transmisor CDMA está situado en una unidad PCN y el
receptor CDMA está situado en una estación base PCN,
caracterizado además porque dicha estación base PCN está
cosituada con una estación base del sistema celular.
11. El método según la reivindicación 7, 8, 9 o
10 caracterizado además porque el paso de generar y
transmitir incluye:
convertir una señal de datos a un formato
adecuado para comunicar por ondas de radio; y
procesar en amplio espectro la señal de datos
convertidos con un código de chip para producir la señal de datos
CDMA.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| US622235 | 1990-12-05 | ||
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Family Applications (3)
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