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Comparación del desempeño (BER) de un sistema DS-CDMA
empleando códigos de dispersión de Máxima Longitud, Gold y
Kasami evaluado mediante simulación.
Marco A. Miranda Cubos, Susana Sánchez Urrieta, Mauricio Lara Barrón, Valeri Kontorovich Y.CINVESTAV-IPN. Departamento de Ingeniería Eléctrica. Sección Comunicaciones.
Av. IPN 2508, Col. San Pedro Zacatenco, CP 07300 México, D.F.Tel. (525) 747-7000 Ext. 3435 y 3456, Fax (525) 747-7088
e-mail: [email protected], [email protected]
Resumen. En un ambiente DS-CDMA multiusuario el
desempeño se caracteriza por los niveles de relación señal
a interferencia (SNI) y relación señal a ruido (SNR) que
permitan mantener la calidad del servicio (tasa de bits
erróneos) por arriba de un límite preestablecido. Uno de
los factores determinantes para el desempeño de este tipo
de sistemas es la correlación cruzada entre los códigos dedispersión empleados. En este trabajo el desempeño de un
sistema DS-CDMA síncrono se compara utilizando
secuencias de dispersión de Máxima Longitud, Gold y
Kasami sobre un canal con ruido gaussiano, por medio de
un programa de simulación que obtiene la probabilidad de
bits erróneos para un determinado número de usuarios con
una relación señal a ruido constante.
Palabras clave. Códigos de dispersión, secuencias Gold,
secuencias Kasami, acceso múltiple por división de
código.
I. Introducción.
os nuevos servicios y el crecimiento constante en el
volumen de tráfico que proporcionarán los futuros
sistemas de comunicación móvil inalámbricos requerirán
de un gran ancho de banda para soportarlos, lo cual sólo
será posible haciendo uso del espectro radioeléctrico de
forma más eficiente. En años recientes, han surgido
diversas propuestas para hacer uso de esquemas de acceso
múltiple por división de código (CDMA) de espectro
disperso para las nuevas redes de comunicación
inalámbrica, inclusive para el futuro sistema global
denominado IMT-2000/UMTS ó tercera generación de
sistemas móviles celulares [12]. La razón de esto, es que
los sistemas CDMA ofrecen una alta eficiencia espectral
además de brindar otras características adicionales como laresistencia al fenómeno multi-trayectoria, la baja
detectabilidad de la información de otros usuarios y la
robustez contra interferencia intencional (“jamming”) y no
intencional.
En las especificaciones para la tercera generación de
comunicaciones móviles, la cual hará uso de un esquema
de acceso CDMA de banda ancha (W-CDMA), se ha
propuesto la utilización de uno de los códigos de
dispersión Gold ó Kasami en el enlace de subida [4,13]. El
objetivo de este trabajo es realizar una comparación entre
estos códigos e ilustrar cual resulta el más apropiado de
emplear, y a su vez, compararlos con las secuencias de
Máxima Longitud empleadas actualmente en el sistema
americano IS-95 basado en CDMA, destacando las
ventajas que presentan sobre éstas.
Este artículo está organizado de la siguiente manera:Fundamentos de espectro disperso se presentan en la
sección II. En la sección III se describen las principales
características de los códigos de dispersión. En la sección
IV se describe el modelo del sistema. Los resultados de la
simulación se presentan en la sección V, y por último, en
la sección VI, las conclusiones.
II. Fundamentos.
Un esquema de espectro disperso consiste en la
transmisión de una señal dispersa sobre un ancho de banda
varias veces mayor que el mínimo requerido para
transmitir la información (Figura 1)[1, 2, 3].
Los sistemas de espectro disperso permiten que variasseñales dispersas, correspondientes a distintos usuarios,
utilicen el mismo ancho de banda simultáneamente: a esto
se le conoce como acceso múltiple por división de código
(CDMA). Para esto, cada señal debe aparecer como
aleatoria para todos los usuarios excepto para el receptor
de interés. La señal del usuario adquiere la característica de
aleatoriedad mediante el empleo de una secuencia llamada
código de dispersión, única para cada usuario. Esta
secuencia es la encargada de dispersar a un ancho de banda
mayor la señal de información del usuario. El código de
L
Figura 1. Dispersión en frecuencia. a) Espectro de la señal de
información; b) Espectro disperso de la señal.
a)
b)
Quinta Conferencia de Ingeniería Eléctrica CIE 99. México, D.F. 8-10 de Septiembre de 1999.
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dispersión no puede ser una secuencia puramente aleatoria
puesto que ella debe ser generada en el receptor para
recobrar la señal deseada; por lo tanto, debe ser
determinística pero presentar características de
aleatoriedad. En la siguiente sección se describirán más a
detalle las características de los códigos de dispersión.
Las principales ventajas de los sistemas de
comunicación de espectro disperso son:
• Alta tolerancia a interferencia intencional (“jamming”) o
no intencional.
• Baja detectabilidad de la señal transmitida por unreceptor ajeno.
• Se puede alcanzar considerablemente mayor capacidadde usuarios con menos complejidad que otras técnicas
convencionales de acceso múltiple [1].
La dispersión del espectro es un caso particular de
incrementar alguna de las dimensiones del espacio de una
señal. Para señales de ancho de banda W y duración T , la
dimensión del espacio de la señal es aproximadamente
2WT . De esta forma, podemos incrementar W , lo que
implica dispersión del espectro, o bien incrementar T , que
es dispersión en el tiempo [2,3]. Existen diversas técnicasde dispersión de una señal, que son:
• Secuencia Directa (“Direct Sequence, DS”). - El códigode dispersión origina transiciones de fase en la portadora
de información.
• Salto de Frecuencia (“Frequency Hopping, FH”). - Elcódigo de dispersión produce cambios en la frecuencia
de la portadora de información.
• Salto en el Tiempo (“Time Hopping, TH”). - El códigode dispersión establece los instantes en los cuales se
envía la señal portadora de información.
• Híbridos.- Combinación de las técnicas anteriores(DS/FH, FH/TH y DS/FH/TH).
De estas técnicas de dispersión, las más comúnmente
usadas son Secuencia Directa (DS) y Salto en Frecuencia
(FH), es decir, las técnicas de dispersión del espectro.
La técnica empleada para dispersión del espectro
denominada “Secuencia Directa” consiste primeramente en
modular una señal de datos s(t) para después modularla
nuevamente con una señal de mayor frecuencia g(t), que es
la secuencia de dispersión. La figura 2 ilustra el diagrama
básico de un transmisor de secuencia directa CDMA con
modulación BPSK.
La dispersión en el dominio de la frecuencia de la
secuencia de datos modulados m(t), se lleva a cabo almomento de multiplicar, en el dominio del tiempo, cada bit
de información por la secuencia de dispersión g(t). Así,
m(t) es la señal de información con una tasa de símbolos R
bits/segundo, cada bit con duración T ( R=1/T ). g(t) es la
señal de código dispersante con una tasa de bits de Rcchips/segundo, cada chip con una duración T c ( Rc=1/T c).
Los anchos de banda aproximados de m(t) y g(t) son R y Rcrespectivamente, el producto m(t)g(t) corresponde a la
convolución de los espectros M(f)∗G(f);. de esta forma el
ancho de banda de la secuencia dispersada W ss ≈ Rc.
La razón Rc /R se llama factor de dispersión del ancho de
banda o ganancia de procesamiento [1].
En el receptor la señal de interés se recupera
correlacionando la señal dispersada recibida g(t-τ ) con una
réplica sincronizada del código utilizado para la dispersión
original g(t-τ E ). El resultado es que el espectro de la señal
deseada se concentra (dedispersa) al ancho de banda
original, separándose fácilmente por medio de un filtro
pasa-banda. La figura 3 ilustra un receptor común DS-
CDMA/BPSK.
III. Códigos de dispersión.
En un esquema CDMA, las características aleatorias del
código de dispersión (“spreading codes”) son
fundamentales para el adecuado funcionamiento del
sistema, pues es por medio de él que se realiza la detección
de la señal correspondiente. El tipo de código usado, su
longitud y su tasa de chips establece límites en la
capacidad del sistema [4]. Idealmente, el código dedispersión debe ser una secuencia puramente aleatoria, es
decir, una secuencia binaria aleatoria independiente osecuencia de Bernoulli [1]. Sin embargo, considerando que
es necesario tener en el receptor una réplica sincronizada
de la secuencia transmitida, ello no es posible. En su lugar,
se utilizan secuencias pseudoaleatorias (PN), las cuales son
secuencias determinísticas y periódicas, que son fácilmente
generadas, presentan propiedades de aleatoriedad y son
difíciles de reconstruir a partir de un segmento corto de la
misma. Los códigos empleados para esquemas CDMA se
diseñan para tener una baja correlación cruzada.
m(t-τ)g(t-τ)+ N usuarios + n0
Generador
código PN
Demod.
BPSK g(t-τE)
m’(t)s’(t)
Figura 3. Modelo de un receptor DS-CDMA/BPSK.
Sincronización de
código PN
BPF
Modulador
BPSK
Generador
código PN
m(t)g(t)
g(t)
m(t)
Señal de
información
s(t)
Figura 2. Modelo de un transmisor DS-CDMA/BPSK.
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Secuencias de máxima longitud.
Las propiedades de aleatoriedad de una secuencia de
Bernoulli pueden presentarse en secuencias obtenidas con
una operación lineal, por medio de un registro de
desplazamiento con retroalimentación (“Linear Feedback
Shift Register, LFSR”), como el que se muestra en la
figura 4 [1,2].
Un registro LFSR genera secuencias que dependen del
número de etapas n, las condiciones iniciales {an-k } y las
conexiones de retroalimentación {Ck }. Las secuencias de
salida pueden ser de máxima longitud (ó secuencias-m) yde no-máxima longitud . Las secuencias de máxima
longitud tienen la propiedad de que para un registro de este
tipo (LFSR) con n etapas, el periodo de la secuencia es
L=2n-1.
Para obtener una secuencia de máxima longitud, las
condiciones iniciales deben ser distintas de cero y el
conjunto de coeficientes de retroalimentación Cn debe ser
un polinomio primitivo de grado n, el cual no es
factorizable. Las secuencias obtenidas con este
procedimiento cumplen satisfactoriamente con las
propiedades de aleatoriedad, las cuales son [5]:
R-1. Propiedad de Balance. En toda secuencia aleatoria de
longitud (L=2n-1) el número de unos es 2n-1 y el de ceros es
2n-1-1. La frecuencia relativa de “0” y “1” es
aproximadamente ½ para cada uno.
R-2. Propiedad de Corridas. Una corrida se define como
una secuencia de un solo tipo de dígito binario. La
aparición de un dígito alternante en una secuencia inicia
una nueva corrida. La longitud de la corrida es el número
de dígitos en la corrida. Por lo tanto, de las corridas de
unos y ceros en cada periodo, la mitad deben de ser de
longitud 1, un cuarto de longitud 2, un octavo de longitud
3, 1/2 p de todas las corridas debe ser de longitud p, para
toda p finita.
R-3. Propiedad de Correlación. Si la secuencia se desplazacíclicamente cualquier número de elementos diferente de
cero, el número de concordancias diferirá del número de
discrepancias por no más de uno.
La autocorrelación de una secuencia PN de máxima
longitud con periodo L=2n – 1 tiene un valor máximo,
R(τ=tmax)=L, en el instante tmax=m⋅L, para m=0,1,2,3,...; y para cualquier otro instante su valor es R(τ≠tmax)=-1. Lafigura 5 muestra la función de autocorrelación de una
secuencia pseudoaleatoria de máxima longitud.
La correlación cruzada entre cualesquier par de
secuencias de máxima longitud es diferente de cero, y
puede llegar a valores relativamente altos que resultan
inconvenientes para un sistema DS-CDMA.
Welch [6] obtuvo el siguiente límite inferior de la
correlación cruzada entre cualquier par de secuencias
binarias de periodo L en un conjunto de N secuencias:
1 NL
1 NLR MAX −
−≥ (1)
el cual, para valores grandes de L y N, puede aproximarse
a
LR MAX ≥ (2)
Este límite es la base de referencia para determinar si
un conjunto de secuencias es óptimo ó sub-óptimo en sus
características de correlación cruzada. Aunque es posible
seleccionar un conjunto de secuencias de máxima longitud
con relativamente baja correlación, el número de ellas es
limitado para satisfacer las aplicaciones actuales.
En conclusión, aunque las secuencias-m poseen
excelentes características de autocorrelación, la correlación
cruzada entre ellas suele ser de valores relativamente altos,
que limitan la capacidad de los sistemas CDMA.
Secuencias Gold.
Aunque el número de secuencias-m es limitado, es posible
obtener un conjunto mayor de secuencias de dispersión a
partir de éstas, que además tengan la característica de
presentar una correlación cruzada que no sobrepase un
valor establecido [4], que depende de la longitud de la
secuencia-m. Unas de ellas son las llamadas secuencias
Gold. Estas secuencias se construyen tomando un par de
secuencias-m, especialmente seleccionadas, llamadas preferidas, y aplicando la suma modulo-2 de las dos
secuencias para cada desplazamiento de una de ellas
respecto de la otra.
Debido a que las secuencias de máxima longitud tienen
periodo L=2n-1, el número de secuencias de periodo L que
conforman el conjunto Gold para un par preferido,
incluyendo las dos secuencias– m, es M=2n+1. Las
secuencias del conjunto Gold obtenido poseen una función
de correlación cruzada uniforme y limitada.
R(τ)
L=2n-1
-1
τ
L
Duración de chip Tc
Figura 5. Función de autocorrelación de las secuencias
pseudoaleatorias de Máxima Longitud.
D D D
C1 C2 Cn
+ +
an-r an-2an-1
an
g(t)
Figura 4. Registro de desplazamiento con retroalimentación (LFSR).
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El límite inferior para el valor máximo de la
correlación cruzada es R MAX ≈ 2n/2. Este límite es inferior por 2 para n impar y 2 para n par, relativos a R MAX =t(n). t(n) es expresado en (3).
El procedimiento para encontrar cuales de las
secuencias de máxima longitud de grado n forman pares
preferidos es el siguiente [4]. Considere una secuencia-m
representada por a y de longitud L, y una segunda
secuencia a’ obtenida de tomar cada q –ésimo símbolo dea. Decimos entonces que a’ es una decimación de a,
a’ =a[q]. La secuencia a’ tiene periodo L, si y sólo si el
máximo común divisor de L y q es igual a la unidad
[m.c.d.(L, q)=1)]. Cualquier par de secuencias-m teniendo
el mismo periodo L puede ser relacionada mediante
a’ =a[q] por algún q. Dos secuencias a y a’ , ambas de
periodo L=2n –1, son llamados par preferido si se cumple lo
siguiente:
• n ≠ 0 (mod 4), es decir n es impar ó n = 2 (mod 4).
• a’ =a[q], donde q=2k +1 o q=22k -2k +1.
• m.c.d.(n, k)= = )4(mod2n para2impar n para1
El conjunto de secuencias {a, a’ , a+a’ , a+ Da’ , a+ D2a’ ,
..., a+ DL-1a’ }, donde la suma es módulo–2 y D es el
elemento de retardo, se denomina conjunto de secuencias
Gold para el par preferido de secuencias–m. Cualquier par
de secuencias del conjunto Gold obtenido presentan un
espectro de la función de correlación cruzada trivaluado,
valores que son – t (n), -1, t (n)-2, donde
+
+= +
+
par n para21
impar n para21)n(t
2
2n
2
1n
(3)
Las secuencias Gold poseen valores de correlación
cruzada aún más pequeños que los que se presentan para
secuencias puramente aleatorias, y la cantidad de ellas es
considerablemente mayor que la de secuencias de máxima
longitud para el mismo grado.
Secuencias Kasami
Las secuencias Kasami, son un conjunto de secuencias que
poseen una baja correlación cruzada, igual e incluso
inferior que las secuencias Gold. Existen dos conjuntos
diferentes de secuencias Kasami, los cuales se conocen
como conjunto pequeño y conjunto grande de Kasami.El conjunto pequeño de Kasami se obtiene sólo cuando
n es par. Considere una secuencia– m denotada como a, y a
partir de ésta obtenemos la secuencia a’ al decimar a cada
2n/2+1 lugares. La secuencia a’ obtenida tiene periodo 2n/2 –
1. El nuevo conjunto de secuencias se obtiene de sumar en
módulo–2 las dos secuencias a y a’ para cada
desplazamiento de la secuencia a’ que es la de menor
periodo. El número total de secuencias del conjunto,
incluyendo a es M=2n/2, cada una de periodo L=2n –1.
Las funciones de correlación cruzada y de
autocorrelación de estas secuencias pueden tomar valores
del conjunto {-1, -2n/2+1, 2n/2 –1). Por lo tanto, las
secuencias del conjunto pequeño de Kasami poseen un
valor máximo de correlación cruzada que satisface el
límite inferior de Welch, por lo cual se consideran óptimas.
Sin embargo, el número de secuencias obtenidas con este
método es considerablemente menor que el obtenido en un
conjunto de secuencias Gold.
El conjunto grande de Kasami se obtiene también sólo para valores par de n. Considere una secuencia–m de
periodo L=2n –1 denotada por a, y obtengamos a’ y a’’ al
decimar a cada 2n/2+1 y 2(n+2)/2+1 lugares, respectivamente.
La secuencia a’ es de periodo N=2n/2 –1 y a’’ es de periodo
2n –1 (para n=2 mod4) ó (2n –1)/3 (para n=0 mod4). El
conjunto grande de Kasami es obtenido mediante la
adición en módulo–2 de a, a’ y a’’ para cada
desplazamiento de a’ y a’’ . El número total de secuencias
es M = 23n/2 si n = 0 (mod 4) y M = 23n/2 + 2n/2 si n = 2
(mod 4).
Los valores de autocorrelación y correlación cruzada de
las secuencias componentes de este conjunto están
limitadas a cinco valores {-1, -t(n), t(n) - 2, -s(n), s(n) - 2}.De (3) sabemos que t(n), cuando n es par, es igual a 1 +
2(n+2)/2, y de [8], s(n)=1 + 2n/2, por lo cual los valores que
pueden tomar las funciones autocorrelación y correlación
cruzada son {-1, -1 ± 2(n+2)/2, -1 ± 2n/2}.Como puede observarse, el máximo valor de
correlación está determinado por 2(n+2)/2, lo cual nos indica
que el límite de Welch no es asintóticamente aproximado,
sin embargo, este conjunto de códigos resulta ser más
eficiente que el conjunto Gold [4].
IV. Modelo del Sistema.
Consideramos un sistema de transmisión BPSK síncrono a
través de un canal con ruido blanco gaussiano compartido
por N usuarios empleando DS-CDMA, como se muestra
en la figura 6. Además suponemos que la potencia de la
señal recibida de cada usuario es la misma, es decir, no se
considera el problema cerca-lejos.
La señal recibida r(t) puede escribirse en equivalente
pasabajos en la forma (figura 6 a):
∑=
+= N
k
k k t nt g t mt r
1
)()()()( (4)
donde:
N = número de usuarios
mk (t) = símbolos del k-ésimo usuario ∈ {-1;+1} g k (t) secuencia de dispersión de k-ésimo usuario
normalizada a una potencia unitaria.
n(t) es un ruido blanco gaussiano con media cero y
varianza N0 /2.
En el receptor, la señal r(t) es procesada a través del
filtro acoplado a la secuencia de dispersión del usuario 1
(suponiendo que este es el usuario deseado), cuya salida se
expresa como (figura 6 b):
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∫ =T
dt t g t r t y
0
11 )()()( (5)
sustituyendo r(t) se tiene:
∫ ∑
+=
=
T N
k
k k dt t nt g t mt g t y
0 1
11 )()()()()( (6)
∑ ∫ ∫ =+= N
k
T
k k
T
dt t g t g t mdt t g t g t mt y2 0
1
0
1111 )()()()()()()(
∫ +T
dt t nt g
0
1 )()( (7)
en t=T (T es el intervalo de bit):
)()()()( ,111 T z RT mT mT y k k ++= (8)
donde R1,k es la correlación cruzada de las secuencias de
dispersión de los usuarios k=2,...,N con la secuencia de
dispersión del usuario 1, R1,k se puede expresar como:
∑∫ == N
k
T
k k dt t g t g R2 0
1,1 )()( (9)
y z(t) es la parte correspondiente a la proyección de n(t) en
g 1(t) definido por:
∫ =T
dt t nt g t z
0
1 )()()( (10)
De la expresión (8) podemos ver que y1(T) consiste de
tres términos. El primero es la señal de información
deseada, el segundo es el resultado de la interferencia de
acceso múltiple (MAI) debido a los otros usuarios del
sistema, y el último es debido al ruido.
El detector convencional de un solo usuario realiza su
decisión en la salida del filtro acoplado de la siguiente
manera:
))(sgn(ˆ 11 T ym = (11)
Si suponemos que Pr(m1=-1) = Pr(m1=1)=1/2, la
probabilidad de error promedio se puede expresar de la
siguiente forma:
[ ] [ ]1|0)(Pr 2
1
1|0)(Pr 2
1
1111 =
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entre secuencias Gold y Kasami supera la de las secuencias
de Maxima Longitud, en cambio, en la figura 8, la
correlación de las secuencias de Máxima Longitud supera
notoriamente a las Gold y a las Kasami, y al mismo
tiempo, la correlación de las Gold es más alta, en
promedio, que la correlación de las Kasami.
De lo anterior, podemos esperar que en un sistema DS-
CDMA, que utiliza como secuencias de dispersión a las
Kasami, permita el mayor número de usuarios para una
calidad de servicio determinada (BER).
La comprobación de esto se realizó a través de un
programa de simulación considerando un sistema DS-
CDMA/BPSK con ganancia de procesamiento 63
(secuencias de grado 6), en un canal con ruido blanco
gaussiano para una relación señal a ruido de 1 dB y un
detector convencional, procesando 100,000 bits de
información para cada número de usuarios en el sistema.
Este valor de ganancia de procesamiento se eligió debido a
que el grado 6 es el menor para el cual existen conjuntos
de secuencias de los tres tipos mencionados y cuyo tiempo
de procesamiento resulta, por lo tanto, el menor. La
relación señal a ruido igual a 1 dB se eligió de tal valor
para hacer más evidente el efecto, aunque en la realidad
este valor está muy por debajo de los utilizados
normalmente. Los resultados obtenidos se ilustran en la
figura 9.
En la figura 9 observamos que para un BER = 10 -3 las
secuencias Gold aceptan aproximadamente 11 usuarios,
mientras que las Kasami aproximadamente 16, lo que
significa un incremento en la capacidad de 5 usuarios
(45%). Para un BER = 10-2 las secuencias Gold aceptan 14
usuarios, mientras que las Kasami aproximadamente 23, lo
que significa un incremento de 9 usuarios (64%).
Para valores del BER inferiores a 10-1 las secuencias
Kasami permiten mayor número de usuarios que las Gold,
en tanto que para valores superiores el BER tiende a ser el
mismo y no se observa diferencia significativa en la
capacidad.
En la figura anterior no se presenta el BER para
secuencias de Máxima Longitud debido a que para esta
ganancia de procesamiento sólo existen 6 secuencias de
dispersión lo cual no da lugar a la existencia de errores por
interferencia de acceso múltiple.
VI. Conclusiones.
En este trabajo se destacó la importancia que tiene la
correlación cruzada entre las secuencias de dispersión de
los usuarios existentes en un sistema DS-CDMA. Se
mencionaron las principales características de las
secuencias de Máxima Longitud, Gold y Kasami. Se
comprobó a través de resultados de simulación que las
secuencias Kasami presentan la menor correlación cruzada,
seguidas por las Gold, y al final las de Máxima Longitud,
cuya diferencia es más evidente a medida que el grado de
las secuencias aumenta (gráficas 7 y 8).
El resultado obtenido al utilizar las diferentes
secuencias de dispersión en el sistema simulado es el
incremento en la capacidad (mayor número de usuarios)
para una tasa de error determinada (
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De acuerdo con los resultados obtenidos y como una
primera aproximación (debido a que se consideró un
sistema síncrono) podemos decir que el conjunto Kasami
es el mejor candidato para ser implementado en el enlace
de subida en el nuevo esquema de comunicación móvil de
la Tercera Generación UMTS/IMT-2000.
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Communication, Addison-Wesley, 1995.
[2] B. Sklar, Digital Communications, Prentice Hall, 1988.
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May 1982, pp. 855-84.
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Networks,” IEEE Communications Magazine, Sep
1998, pp. 48-54.
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1967.
[6] L. R. Welch, “Lower Bounds on the Maximum Cross
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[8] B. Aazhang and H. V.Poor, “Performance of
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[9] P. K. Engel and D.V. Sarwate, “Spread-spectrum
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Communicationes Magazine, Septiembre 1998.
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