Las comunicaciones siempre han sido de vital importancia para la civilización. Desde el comienzo de la historia, la capacidad para transmitir conocimientos y habilidades, han sido la base del progreso. Con el desarrollo de la Electrónica, las comunicaciones han logrado un nivel nunca antes conocido. 

Las técnicas de acceso múltiple se utilizan en el ambiente  de las comunicaciones  para que varios dispositivos (computadoras, teléfonos, radios, etc.) puedan acceder al medio o canal de comunicación de manera ordenada. Sin las técnicas de acceso múltiple, las comunicaciones entre dispositivos serían un caos. Las técnicas de acceso múltiple permiten compartir un mismo canal de comunicación para varios usuarios.

De las tres generaciones de telefonía celular que hasta la fecha se conocen, se tienen tres tipos de técnicas de acceso múltiple, estas son las siguientes: 

FDMA (Frecuency Division Multiple Access; Acceso múltiple por división de frecuencia).

TDMA (Time Division Multiple Access; Acceso múltiple por división de tiempos).

CDMA (Code Division Multiple Access; Acceso múltiple por división de códigos).

La primera generación (1G) de telefonía celular empleo la técnica de FDMA. Esta asigna a cada usuario una frecuencia de 30KHz de ancho de banda en el sistema Analógico AMPS (Sistema de telefonía móvil avanzado). Como el espectro es limitado, solo se podía 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 caracterizo  por ser digital y emplear la técnica TDMA, que es un sistema de acceso múltiple  que divide el canal de 30KHz en tres ranuras de tiempo. TDMA  vino a triplicar el número de usuarios en comparación con el sistema analógico AMPS de la primera generación de celulares. Pero al incrementarse el número de usuarios, esta técnica de acceso múltiple también es ineficiente.

La tercera generación (3G) conocida como CDMA asigna códigos a los usuarios al compartir un mismo espectro de frecuencias. Con esta técnica se incrementa considerablemente  el número de usuarios por radio-base.

La tecnología de Acceso Múltiple por División de Código (CDMA: Code Division Múltiple Access) es un concepto sumamente nuevo en las comunicaciones inalámbricas. Ha ganado la aceptación internacional extendida por los operadores de sistema de radio celulares como una actualización que aumentará su capacidad del sistema y la calidad de servicio dramáticamente. En los últimos años, el interés por esta tecnología ha crecido sustancialmente desde que quedó claro que las dos propuestas sobrevivientes para sistemas celulares de tercera generación, cdma2000, y WCDMA se soportarían en esta tecnología.

        CDMA es un formato de espectro ensanchado, una familia de técnicas de comunicación digitales que se han usado en las aplicaciones militares durante muchos años.  El uso de CDMA para las aplicaciones de la radio móviles civiles es nuevo. Se propuso teóricamente a finales de 1940, pero la aplicación práctica en el mercado civil no tuvo lugar hasta 40 años después. Las aplicaciones comerciales se hicieron posibles debido a dos desarrollos tecnológicos: El primero de ellos es su accesibilidad debido a sus bajos costos, los circuitos integrados digitales de alta densidad que reducen el tamaño y peso, le ubican en un nivel de costo aceptablemente bajo. El otro es la regulación de potencia por parte de las estaciones base que le da a los teléfonos móviles un ambicionado ahorro de energía.       Esta tecnología permite que múltiples usuarios se comuniquen simultáneamente por un mismo canal de frecuencia, separados por un código reconocible por el sistema y por sus teléfonos, un código virtualmente indetectable e indescifrable.  Esto proporciona a los usuarios de CDMA un nivel superior de seguridad.

IS-95, IS-136 Y SUS DIFERENCIAS CON EL GSM

GSM y TDMA (TIA/EIA-136) son dos estándares celulares de segunda generación que han tenido un gran éxito. Más de 256 millones de personas en más de 120 países se abonan a GSM.

La familia de sistemas TDMA (incluyendo EIA-553 y IS-54) da servicio a más de 115 millones de abonados en más de 100 países.

La mejora de la capacidad y la digitalización del AMPS se logra con el estándar IS-54 que consiste, básicamente, en un sistema AMPS mejorado en el que cada canal analógico de 30kHz se modula en DQPSK a una velocidad de 48,6kbps y que se divide, siguiendo un esquema TDMA, en 3 slots que soportan 3 usuarios de voz digital.

Una variante del IS-54 es el IS-136 que mejora la señalización y ofrece nuevos servicios como mensajería, grupo cerrado de usuarios, estructuras jerárquicas de red, etc. El IS-54, conocido a veces como D-AMPS, ofrece también la posibilidad de su integración con el sistema analógico, de tal manera que una misma red puede compartir la infraestructura, y, mediante el uso de un único canal de control y terminales duales, optimizar la capacidad.

Una visión más revolucionaria para la mejora de AMPS fue la propuesta de Qualcomm de un nuevo sistema basado en técnicas de espectro ensanchado (CDMA). Esta propuesta, que luego fue estandarizada como IS-95, es el primer sistema CDMA móvil en desarrollo comercial. El acceso de multiplexación por división de códigos de banda estrecha (CDMA) IS-95 estipula un espaciamiento de portadora de 1.25MHz para servicios de telefonía. La Telecomunications Industry Association “TIA” empezó a definir esta especificación en 1991.

Es un término genérico que define una interfaz de aire inalámbrica basada en la tecnología de espectro ensanchado  (spread spectrum). Para telefonía celular, CDMA es una técnica de acceso múltiple especificada por TIA como IS-95.

Historia de CDMA

         El Acceso Múltiple por Conmutación de código (CDMA) es un concepto reciente en las comunicaciones inalámbricas. Ha ganado la aceptación internacional de operadores de sistema de radio celulares como una actualización que aumentará la capacidad de sus sistemas y la calidad de servicio considerablemente. Ha sido igualmente escogido para el desarrollo de la mayoría de las empresas de comunicaciones personales más importantes de los Estados Unidos. Puede parecer, sin embargo, extraño para aquéllos que no están familiarizados con esta tecnología.

CDMA pertenece a una familia de técnicas de comunicación digitales que se han usado en las aplicaciones militares durante muchos años. Esta tecnología presenta dos propiedades bastante interesantes: resistencia a los esfuerzos enemigos para bloquear las comunicaciones y la remota posibilidad de intersectar las llamadas.

El uso de CDMA para las aplicaciones de la radio móviles civiles es nuevo pero su historia se remonta a los días tempranos de Segunda Guerra Mundial. Se propuso teóricamente a finales de 1940, pero la aplicación práctica en el mercado civil no tuvo lugar hasta 40 años después. Las aplicaciones comerciales se hicieron posibles debido a dos desarrollos evolutivos de la tecnología. Por una parte, los circuitos integrados digitales de alta densidad reducen el tamaño, peso y costo del teléfono móvil a un nivel aceptablemente bajo. El otro la realización que la comunicación de acceso múltiple óptima hace que todas las estaciones móviles regulen sus niveles de potencia para lograr un bajo consumo de energía y así prolongar la vida útil de las baterías.

En marzo de 1992, 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, TIA  aprobó el estándar CDMA IS-95.  Esta tecnología aparece como la solución al los problemas que presentaban en común los sistemas móviles de primera y segunda generación (FDMA y TDMA respectivamente) y desde sus inicios, se han planteado mejoras económicas a esta tecnología para abrirle paso al avance hacia el desarrollo de los sistemas de telecomunicaciones móviles de tercera generación.

Una visión más revolucionaria para la mejora de AMPS fue la propuesta de Qualcomm de un nuevo sistema basado en técnicas de espectro ensanchado (CDMA). Esta propuesta, que luego fue estandarizada como IS-95, es el primer sistema CDMA móvil en desarrollo comercial. El acceso múltiple por división de códigos de banda estrecha (CDMA) IS-95 estipula un espaciamiento de portador de 1.25 MHz para servicios de telefonía. TIA empezó a definir esta especificación en 1991.

Los sistemas IS-95 dividen el espectro en portadoras de 1.25MHz. Uno de los aspectos únicos de CDMA es que a pesar de que existe un número fijo de llamadas telefónicas que pueden manipularse por parte de un proveedor  de servicios de telefonía (carrier), este no es un número fijo. La capacidad del sistema dependerá de muchos factores.

Cada dispositivo que utiliza  CDMA esta programado con un pseudo código, el cual se usa para extender  una señal de baja potencia  sobre un espectro de frecuencias  amplio. La estación base utiliza el mismo código en forma invertida  (los ceros son unos y los unos son ceros) para des-extender  y reconstruir la señal original. Los otros códigos permanecen extendidos, distinguibles del ruido de fondo.

cdmaOne/IS-95-A

La tecnología cdmaOne/IS-95-A ofrece soporte a señales de voz conmutados por circuitos y datos (conmutados por circuitos o paquetes), con velocidades de hasta 14,4kbps. Debido al enfoque inicial de proveedores y operadoras en señales de voz. Históricamente la cdmaOne/IS-95-A ha sido utilizada sólo para voz conmutada por circuitos y, más recientemente, para un pequeño volumen de datos conmutados por circuitos.

cdmaOne/IS-95-B

La tecnología cdmaOne/IS-95-B ofrece soporte a señales de voz conmutados por circuitos y datos, conmutados por paquetes. Las empresas KDDI, en Japón, y SKT, en Corea, están implementando esa tecnología desde 1999. En teoría, ella provee tasas de datos de hasta 115kbps, y alcanza, generalmente, valores prácticos de 64kbps. La cdmaOne/IS-95-B ahora está siendo sustituida por la CDMA2000 1X, de mayor capacidad y velocidad, y difícilmente será implementada en otras regiones.

• Codificación digital y transmisiones basadas en los protocolos de empaquetamiento de datos IP estándar.
• Traspaso lógico que permite reducir el riesgo de llamadas perdidas mientras el usuario se desplaza de una celda a otra.
• Transmisiones de espectro expandido, diseñada con alrededor de 4,4 billones de códigos para eliminar virtualmente la clonación y otros tipos de fraude.
• Compatibilidad con otras tecnologías que empleen teléfonos de modo dual para lograr una cobertura de servicio a usuarios itinerantes sin discontinuidades.
• Filtrado del ruido eléctrico de fondo (ruido de computadora) y del ruido de fondo acústico (conversaciones de fondo).
• Identificación de llamadas.
• Mensajería breve.
• Conexiones a Internet.
• Llamadas de voz y datos simultáneas son también posibles con la tecnología CDMA.
• El control de la potencia del sistema móvil.

• Excepcional calidad de voz y de llamadas. La tecnología CDMA filtra el ruido de fondo, la diafonía y la interferencia, de modo que el usuario puede disfrutar una mayor claridad de voz, privacidad y mejor calidad de llamadas. El codificador de voz de velocidad variable del sistema CDMA de QUALCOMM traduce la voz humana a transmisiones digitales, ceros y unos, a las mayores velocidades de traducción posibles (8kbps o 13kbps). Esto aumenta la claridad de la voz y maximiza la capacidad del sistema móvil.

• Mayor cobertura a menor costo. La señal de espectro expandido CDMA proporciona la mayor cobertura de la industria inalámbrica, permitiendo construir redes con muchas menos instalaciones base comparada con otras tecnologías inalámbricas. Una menor cantidad de instalaciones base significa reducir los gastos operativos, con ahorros resultantes tanto para operadores como clientes.

Internet es una de las aplicaciones de CDMA hacia 3G

• Avances tecnológicos continuos. La tecnología CDMA de tercera generación de QUALCOMM, la más avanzada tecnología inalámbrica digital del mundo, es también la norma para la industria inalámbrica. Esta flexible norma funciona en tres modos— multiportadora, expansión directa y dúplex por división de tiempo— y opera con las redes ANSI-41 y GSM-MAP. Con CDMA como norma única de la industria, las compañías de telecomunicaciones del todo el mundo se benefician con una mayor selección de equipos, precios más bajos y la capacidad de poner en marcha equipos y servicios más rápido que antes. Los productos de la próxima generación se pueden beneficiar con las curvas de costos de los productos actuales, obteniéndose como resultado menores costos tanto para operadores como: Información paquetizada; las redes basadas en CDMA están construidas con protocolos basados en IP (Internet protocol; protocolo de Internet). En otro tipo de redes, añadir equipo que soporte paquetes de datos y requiera también equipo terminal que lo soporte. El estándar cdmaOne ya incorpora en sus terminales los protocolos TCP/IP(Protocolo de control de transmision/Protocolo de  Internet) y PPP(Protocolo punto a punto).

• Seguridad y privacidad. La técnica de espectro extendido se utiliza bastante en aplicaciones  militares, donde la seguridad de las conversaciones y protección de los datos son cuestiones importantísimas. En un ambiente de negocios también son vitales 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 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 un complejo de circuitos electrónicos  que ajusta la potencia a una razón de 800 veces en un segundo. Esto repercute en el ajuste dinámico del tamaño de las celdas. En una celda congestionada, la potencia de las terminales se elevaría creando una interferencia mutua. En el margen, las transmisiones de alta potencia inundarían las celdas vecinas donde estas podrían ser tomadas por la radio base adyacente. En una celda de poca densidad, la potencia es tan baja que la celda se reduce efectivamente, transmitiendo sin interferencia hacia las celdas vecinas y mejorando el desempeño de las mismas.

Este tipo de ajuste dinámico en el tamaño de las celdas es imposible en TDMA, pues en esta 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 mas duraderas en las terminales móviles; debido al sistema de retroalimentación de CDMA que mantiene la potencia al mas bajo nivel permisible, los teléfonos móviles consumen menos potencia  y son mas pequeños, además de que 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, por lo que permite a los carriers la instalación de menos celdas para cubrir un área mas 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 por ciento menor en CDMA que en sistemas como GSM (sistema global para comunicaciones móviles), basado en TDMA. Es preciso notar que la reducción de celdas  solo es valida para operadores que empezaron desde un principio con CDMA. Operadores que utilizan sistemas analógicos o basados en otras tecnologías deberán redistribuir las celdas CDMA en 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 dos o tres celdas siempre monitorean la llamada. La transferencia entre celdas es transparente a los usuarios debido a que como, estos utilizan el mismo espectro, es más fácil moverse de una celda a otra sin que el suscriptor lo advierta.

• Ancho de banda en demanda. El canal de 1.25MHz de CDMA provee un recurso común a los teléfonos móviles en un sistema de acuerdo con sus propias necesidades, como  voz, fax, datos u otras aplicaciones. En un tiempo dado, la porción de este ancho de banda  que no utilice un usuario 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 esta comprobado que CDMA es de tres a seis veces mas eficiente en ancho de banda que TDMA.

CDMA es una tecnología patentada por Qualcomm, que ha sido elegida por ‎un gran número de compañías en todo el mundo para migrar de tecnologías ‎analógicas a tecnologías digitales, CDMA ‎maneja proporciones codificadas de diferentes conversaciones mejorando sus ‎características de confiabilidad y calidad.‎

Desde el punto de vista tecnológico, la ventaja competitiva de CDMA radica en un ‎proceso que permite un aprovechamiento más eficiente del espectro de frecuencias a ‎diferencia de otras tecnologías digitales, CDMA maneja porciones codificadas de ‎diferentes conversaciones en un mismo canal de comunicación, que posteriormente se ‎decodifican y canalizan cada una en diferente destino.‎

La  ventaja  en  aprovechamiento  del  espectro de frecuencias que ofrece este sistema se traduce en un incremento de 8 a 12 veces  en el tráfico que puede manejar cada canal con respecto a otras tecnologías y, consecuentemente, en un significativo ahorro económico.

Qualcomm  ha  incorporado  y  adecuado  la  tecnología  CDMA  a los segmentos espaciales de varias empresas, permitiéndole ofrecer a sus usuarios una calidad superior en las llamadas, alta confiabilidad, mayor confidencialidad, seguridad y cobertura, así como compatibilidad con los sistemas existentes.  Una red de satélites que dispondrán las empresas de telecomunicaciones y el soporte que da CDMA  les permitirán,  además, ofrecer un servicio sin interrupciones.

CDMA usa una tecnología de Espectro Ensanchado, es decir  la información se extiende sobre un ancho de banda mucho mayor que el original, conteniendo una señal (código)  identificativa.

Una llamada CDMA empieza con una transmisión a 9600 bits por segundo. ‎Entonces la señal es ensanchada para ser transmitida a 1.23Megabits por segundo ‎aproximadamente. El ensanchamiento ‎implica que un código digital concreto se aplica a la señal generada por un usuario ‎en una célula. Posteriormente la señal ensanchada es transmitida junto con el resto de ‎señales generadas por otros usuarios, usando el mismo ancho de banda. Cuando las señales se reciben, las señales de ‎los distintos usuarios se separan haciendo uso de los códigos distintivos y se devuelven ‎las distintas llamadas a una velocidad de 9600bps.‎

Los usos tradicionales del espectro ensanchado son militares debido a que una señal ensanchada es muy difícil  de  bloquear,  de  interferir  y  de  identificar.  Esto es así porque la potencia de estas señales esta distribuida  en  un  gran ancho de banda y solo aparecen como un ruido ligero. Lo contrario ocurre con el resto  de  tecnologías  que  concentran la potencia de la señal en un ancho de banda estrecho, fácilmente detectable.

El canal Frontal de CDMA

        Es la dirección celda-a-móvil de comunicación. Lleva el tráfico, una señal piloto, y la información de cabecera. El señal piloto se propaga, pero por otra parte es una señal DSSS no modulada. La señal piloto y los canales aéreo establecen la sincronización del sistema y la identidad de la estación. La señal piloto también se usa en el handoff móvil-asistido (MAHO mobile-assited handoff) proceso con una señal de referencia fuerte.

Los Planes de Frecuencia

La estación base transmite la frecuencia es 45MHz (transmite la frecuencia en el servicio celular - SER-95A) sobre la estación móvil, y 80MHz por arriba del servicio de PCS (ANSI J-STD-008). Las asignaciones de frecuencia permisibles están incrementos sobre 30kHz en el servicio celular y de 50kHz en el de PCS.

Plan de Frecuencia del Servicio Celular CDMA (IS-95A)

El servicio celular CDMA pretende compartir las localidades espectrales de AMPS, como se muestra en la siguiente figura:

Los canales consecutivos AMPS están espaciados por 30kHz. A las estaciones CDMA se les permite operar en cualquier canal AMPS, excepto en las bandas que se encuentran dentro de las líneas que limitan a los canales asignados. A las estaciones CDMA, por supuesto, normalmente se les asignaran canales separados de por lo menos 1.25MHz cada uno (aproximadamente 42 canales). La estación móvil siempre transmite a una frecuencia 45MHz por debajo de la frecuencia transmitida por la estación base.

Ambos, el operador A y el B, tienen 12.5MHz de espectro en cada dirección. Cada localidad asignada, sin embargo, es dividida, y las divisiones no son las mismas para los dos operadores, como se muestra en la figura anterior. Note que las localidades A’ y B’ presentan problemas, tanto para el diseño de hardware RF como para las localidades de los canales CDMA. La banda B’, en particular, puede alojar dos canales CDMA sólo si estos se solapan ligeramente, lo que representa una pequeña pérdida de capacidad.

Plan de Frecuencia del Servicio PCS (ANSI J-STD-008)

PCS es asignado en una banda de 60MHz en cada dirección, son tres bandas de 15MHz mas tres bandas de 5MHz, como se muestra en la figura siguiente:

Las asignaciones de frecuencia consecutivas están espaciadas por 50kHz. Las asignaciones cerca de los bordes de las bandas son condicionales, dependiendo de si la banda vecina esta siendo asistida por el mismo operador. El funcionamiento cerca de los bordes del servicio está prohibido en 1.2MHz de banda reservada.

En contraste con el servicio celular, el estándar sugiere un número particular de canales como asignaciones de banda preferidas en CDMA, tal como se muestra en la siguiente tabla:

Asignaciones de frecuencia preferidas por CDMA

         Las bandas A, B y C, tienen el ancho de 15MHz, por lo que pueden albergar hasta once de canales; mientras que, los canales D, E y F, por su parte, tienen un ancho de banda de 5MHz, por lo que sólo soportan tres canales.

Parámetros de Transmisión

El enlace Frontal IS-95A actualmente soporta 9600bps en los tres tipos de canales de datos-portados, como se muestra en la tabla siguiente. En todos los casos la velocidad del código FEC es 1/2 y la del código PN (pseudo ruido) es de 1.2288MHz. Note que 1.2288MHz = 128*9600bps.

Centro de procesamiento

Proceso de modulación CDMA: Técnica de esparcimiento de espectro

Proceso de esparcimiento inverso y detección

El J-STD-008 soporta, a parte de las velocidades anteriores, una segunda familia de velocidades del canal de tráfico con una velocidad máxima de 14,400bps. Esta es la velocidad de Set 2, la familia de 9600bps es originara de la velocidad de Set 1. La velocidad de Set 2 usa una velocidad de código FEC de 3/4, creado por la perforación del código usado en la velocidad Set 1.