Общие представления о стандартах с кодовым разделением каналов

Классификация стандартов сотовой связи 3-го поколения.

IMT2000-SC (IMT2000 Single Carrier) – стандарт на одночастотную систему с применением в парных полосах частот. Этот стандарт связан с эволюцией стандарта GSM, направленной на повышение скорости передачи данных к подвижным объектам до 384 кбит/с и создание сетей пакетной подвижной радиосвязи. Для решения поставленной задачи разработана новая технология GSM/EDGE с эволюцией подсистемы базовых станций GSM в сеть GERAN (GSM EDGE Radio Access Network).

IMT2000-MC (IMT2000 Multi Carrier) – стандарт на многочастотную систему с применением в парных полосах частот, представляет собой эволюцию стандарта IS-95, которая прошла несколько фаз. Первая фаза (1Х) позволила разместить в полосе 1,25 МГц (полоса радиоканала стандарта cdmaOne), кроме обычных каналов передачи информации с максимальной скоростью 9,6 (14,4) кбит/с, дополнительные каналы с переменным коэффициентом расширения спектра со скоростью передачи данных до 153,6 или 307,2 кбит/с соответственно. Во второй фазе осуществлено внедрение высокоскоростной технологии передачи данных 1xEV-DO.

IMT2000-DS (IMT2000 Direct Spread)–стандарт с прямым расширением спектра и частотным дуплексом. Это европейская разработка системы с кодовым разделением каналов, известная как WCDMA (Wideband – широкополосная). По классификации UMTS стандарт называют UTRA-FDD (UMTS Terrestrial Radio Access, Frequency Division Duplex), но часто его именуют просто как UMTS.

IMT2000-TC (IMT2000 Time Code) – стандарт на комбинированную систему с кодовым разделением каналов и временным дуплексом при работе на одной частоте. Его европейское название UTRA-TDD (UTRA, Time Division Duplex). Характеристики UTRA-TDD во многом совпадают с UTRA-FDD, но передачу и прием сообщений ведут на одной частоте в разных временных интервалах. Стандарт предполагали использовать для организации пикосотовых сетей (в зданиях).

 

Общие представления о стандартах с кодовым разделением каналов

При кодовом разделении каналов выделение (фильтрацию) конкретного канала производят в процессорном блоке приемника в результате математической обработки принятого сигнала. Для этого сигнал, передаваемый по радиоинтерфейсу, закрывают двумя кодами: скремблирующим и каналообразующим. Скремблирующие коды используют для выделения множества сигналов, излучаемых одним источником: конкретной базовой или абонентской станцией. Каналообразующие коды позволяют разделить сигналы одного источника.

Структура сети с кодовым разделением каналов показана на рис. 2.1

Рис. 2.1. Структура сети с кодовым разделением каналов

 

Абонентские станции в UMTS называют UE (User Equipment).

В стандарте используют частотный дуплекс.

1. Все BS работают на одной частоте

2. Все абонентские станции работают на одной частоте

В сетях с кодовым разделением каналов физический канал характеризуют три параметра:

1) Частота f;

2) Скремблирующий код ;

3) Каналообразующий код .

В разных BS используют один набор каналообразующих кодов, но разные скремблирующие коды.

Прием сигналов – когерентный, что требует обязательной передачи пилотного сигнала.

Обработка сигналов при передаче и приеме показана на рис. 2.2

Рис. 2.2. Алгоритмы обработки сигналов в сетях с кодовым разделением каналов

При передаче информационный сигнал перемножают с каналообразующим кодом, далее на него накладывают как маску скремблирующий код. Этот сигнал далее идет на передачу в радиоканале.

В приемнике вначале снимают маску скремблирующего кода, а далее в корреляционный приемник вводят каналообразующий код.

Биты каналообразующих и скремблирующих кодов называют чипами.

Использование каналообразующих кодов для кодового разделения каналов поясняет рис.2.3.

Передаваемый на UE1 биполярный сигнал u(t) (рис.2.3,а), т.е. последовательность логических нулей и единиц с уровнями -1 и +1, умножают на биполярную кодовую последовательность с₁(t), такую, что на каждый информационный бит приходится SF бит (чипов) кодовой последовательности. На рис. 2.3,б эта последовательность состоит из 8 чипов; в стандарте UMTS SF = 4...256. В результате умножения получают последовательность v(t) = u(t) x c₁(t) (рис. 2.3,в), которую после наложения скремблирующего кода и передают по каналу связи.

 

В рассматриваемом примере каналообразующий код, выделенный UE1,

 

-1

-1

-1

-1

При передаче первого бита, после умножения на -1 получаем v(t) (рис. 2.3в):

 

-1

-1

-1

-1

Приём – когерентныйи основан на вычислении корреляционной функции между принятым сигналом и выделенным кодом. Приемник UE запускает когерентно с принятым сигналом выделенным ему каналообразующий код и вычисляет корреляционную функцию для каждого переданного информационного бита. В приёмнике UE1 при приёме первого бита это будет следующая операция:

 

	-1		-1		-1		-1
Х		-1		-1		-1		-1
Σ	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	=	-8

 

Рис. 2.3. Принцип CDMA

 

На рис. 2.3,г эта операция показана пунктирной линией. В результате в конце каждого промежутка времени, соответствующего передаче одного бита, получают отрицательное или положительное число в соответствии с переданным информационным битом.

Приёмник станции UE2 также примет сигнал v(t) (рис. 2.3в), но он запустит другой код с₂(t), который ему выделен (рис. 2.1д). В результате вычисления корреляционной функции между сигналом v(t) и кодом с₂(t) получаем

 

	-1		-1		-1		-1
Х	-1		-1			-1		-1
Σ					-1	-1	-1	-1	=

 

Таким образом на выходе приёмника UE2 напряжение будет равно 0. Иначе говоря, процессор приёмника UE2 фильтрует сигнал v(t). Аналогичную картину имеем при умножении сигнала v(t) в приемнике UE3 на кодовую последовательность с₃(t) (рис. 2.3,ж и рис. 2.3,з).

Кодовые последовательности с₁(t), с₂(t), с₃(t) образуют группу ортогональных последовательностей. Они обладают следующим свойством

Используя для каждого канала связи свою последовательность из набора ортогональных последовательностей, можно, передавая все каналы одновременно на одной частоте, выделить в приемнике определенный канал, фильтруя все остальные.

Число взаимно ортогональных кодов определяется числом чипов в коде n. На рис. 2.3 n = 8, что позволяет передавать в одной частотной полое 8 независимых физических каналов. Отношение В_чип/В_симв называют коэффициентом расширения спектра SF. В стандартах с кодовым разделением каналов В_чип постоянна. В UMTS В_чип = 3,84 Мчип/с. Скорость передачи данных

 

(2.1)

где М = возможное число позиций сигнала,

R_код = скорость избыточного кодирования.

При увеличении SF возрастает число каналов, но падает скорость передачи данных.

Использование каналообразующих кодов дает возможность передавать в одной полосе сигналы множества пользователей, но не повышает эффективности использования частотного ресурса. Действительно, при заполнении битов сигнала n чипами полоса сигнала расширяется в n раз, поскольку В_чип = n· В_симв. Выигрыш при переходе на CDMA получают из-за использования скремблирующих кодов, которыми закрывают каждую базовую и абонентскую станции.

 

В качестве скремблирующих кодов в стандартах с кодовым разделением каналов используют m-последовательности. m-последовательность отличается тем, что ее автокорреляционная функция имеет один узкий максимум при нулевом сдвиге чипов (dk = 0). Если dk ¹ 0, то R(dk) = -1 (рис. 2.4). Обычная m-последовательность содержит L = 2^m – 1 элементов, где m – число триггеров в генераторе кода. Меняя конфигурацию обратных связей в генераторе, можно получить до (L-1)/m различных m-последовательностей. Чиповые скорости каналообразующих и скремблирующих кодов одинаковы.

Так в стандартах cdmaOne – CDMA2000 в качестве скремблирующего кода, закрывающего базовые станции, используют “короткий” код длиной в 2¹⁵-1 чипов. Различные базовые станции закрыты одним и тем же скремблирующим кодом со сдвигом по единому времени, где сдвиг Dk = 64p, p = 0…511. Таким образом 512 базовых станций сети работают на одной частоте, что позволяет построить сеть с размерностью кластера 1 (во всех сотах одна и та же частота). Кроме короткого, в стандарте CDMA2000 применяют длинный скремблирующий код из 2⁴¹ – 1 чипов для выделения и шифрации сообщений отдельных каналов.

Реализация сетей с кодовым разделением каналов сопряжена со значительными сложностями. Прежде всего, число каналов трафика существенно ниже величины SF. Рассмотрим передачу “вверх”, от мобильной станции к базовой безотносительно к стандарту сотовой связи с CDMA. Реальная ситуация представлена на рис. 2.5.

 

Рис. 2.4. Функция автокорреляции m-последовательности

 

Рис. 2.5. Сложение сигналов на приемнике базовой станции

Так как мобильные станции UE (User Equipment) находятся на разном удалении от базовой станции, то сигналы с UE1, UE2 и UE3 приходят на приемник базовой станции с разными случайными временными задержками и, следовательно, в отличие от передачи “вниз” они некогерентны. Это значит, что на входе приемника базовой станции, выделяющего сигнал с UE1, сигналы с UE2 и UE3 являются помехами. На входе приемника сигнала с UE2 сигналы с UE1 и UE3 являются помехами и т.д.

Суммарный сигнал мобильных станций на входе приемника базовой станции представляет собой квазишумовой сигнал, его спектр показан на рис. 2.6. Из этого сигнала следует выделить и обработать сигналы отдельных UE. Положим, что по каналам “вверх” все UE передают информацию с одной скоростью и мощности сигналов отдельных мобильных станций на входе приемника BTS одинаковы. Тогда энергетический спектр на рис. 2.6 состоит из суммы спектров одинаковой интенсивности. При этом порядок сложения спектров сигналов неважен.

В приемнике BTS каждого канала происходит когерентная обработка сигнала каждого отдельного UE. При этом запускают скремблирующий и каналообразующий коды соответствующего канала и производят сжатие спектра сигнала в SF раз. Энергия каждого канала, представленного на рис. 2.6., сохраняется, но теперь она сосредоточена в узкой полосе (рис. 2.7). Сигналы всех остальных UE создают в этой полосе помехи в виде некоррелированного шума.

Для успешного приема сигнала должно быть обеспечено требуемое для конкретного вида передачи информации отношение сигнал/помеха, которое определяется выражением:

 

 

Рис. 2.6. Спектр сигнала на входе приемника BTS

Рис. 2.7. Спектры сигнала и помех на выходе приемника

 

, (2.2)

где - требуемое отношение сигнал/помеха для данного вида передачи,

- коэффициент расширения спектра,

- мощность сигнала j-го абонента на входе приемника,

- мощность тепловых шумов, приведенная к входу приемника,

- суммарная мощность всех (n-1) сигналов абонентов

своей соты,

- коэффициент активности абонентов,

- мощность мешающих сигналов абонентов соседних сот.

Рассмотренный простой пример позволяет сделать дополнительные важные выводы. Прежде всего, мощности всех сигналов на входе приемника BS, передаваемых с одинаковой скоростью, должны быть равными (иначе более сильные сигналы подавят более слабые). В условиях передачи сигналов на трассах с быстрыми замираниями в сетях с CDMA необходима регулировка мощности передатчиков UE в реальном времени, фактически каждую микросекунду. Во-вторых, требуемая мощность сигнала на входе приемника напрямую связана с коэффициентом расширения спектра SF. Графически это показано на рис. 2.8, 2.9. При увеличении скорости передачи требуемая мощность сигнала на входе приемника увеличивается.

 

Рис. 2.8. Спектр сигнала на входе приемника

 

На рис. 2.8 и 2.9 проиллюстрирована ситуация, когда одному абоненту выделен канал с SF=16, а другим с SF = 64. Видно, что энергетический вклад UE первого абонента в общую энергетическую композицию увеличился в 4 раза (64/16=4). Ситуация на выходе приемника этого абонента показана на рис. 2.9.

Фактически это означает, что чем выше скорость передачи, тем больше должна быть мощность соответствующего передатчика и тем меньше дальность связи. Кроме того, требуемая мощность сигнала на входе приемника зависит от уровня суммарных помех, так что размеры соты меняются в зависимости от числа абонентов в данной и в соседних сотах. Поэтому в CDMA сетях соты “дышат”, т.е. меняют свои размеры в зависимости от нагрузки в сети.

 

Рис. 2.9. Спектры сигнала и помех на выходе приемника

 

Повышению качества связи способствует применение в BS и MS приемников типа Rake (рис.2.10). Как правило, сигнал в точке приема представляет собой сложную интерференционную картину множества сигналов, пришедших по различным путям с разными задержками. Подбирая соответствующие задержки кодовых последовательностей в приемнике, можно выделить несколько (до трех) наиболее сильных сигналов (лучей). Каждый такой сигнал обрабатывают отдельно, а результаты суммируют (SUM) с весовыми коэффициентами, пропорциональными мощности отдельных лучей. Использование Rake-приемников позволяет говорить о микроразнесенном приеме.

 

Рис. 2.10. Принцип построения Rake приемника

 

Параллельная обработка нескольких сигналов в приемнике MS позволяет организовать мягкий хэндовер. Так как все BS сети работают на одних и тех же частотах, MS может одновременно принимать сигналы двух, а то и трех соседних BS, а те, в свою очередь, поддерживать с ней связь. Поэтому переключение канала связи от одной BS к другой при мягком хэндовере происходит без потерь информации, как, например, в стандарте GSM.

Подводя итог, сформулируем основные преимущества технологии CDMA и проблемы при ее использовании.

Преимущества CDMA:

1. Высокая эффективность использования канального ресурса. Возрастание пропускной способности сети.

2. Пониженная мощность абонентских и базовых станций. Меньшие помехи другим электронным устройствам.

3. Упрощение частотного планирования. Все базовые станции сети используют один и тот же канальный ресурс.

4. Простота изменения скоростей передачи вверх и вниз для различных абонентов. Поддержка асимметричных видов передачи информации, таких, как Интернет.

5. Мягкий хэндовер. Снижение числа обрывов связи из-за хэндовера. Улучшение качества связи, особенно при передаче данных, видеосигналов и мультимедиа.

6. Использование Rake приемника для выделения и обработки наиболее сильных сигналов при многолучевом распространении.

7. Улучшение качества передачи телефонии за счет устранений замираний при многолучевом распространении.

8. Возможность передачи с высокой надежностью связи факсимиле, Интернет сообщений.

9. Упрощение передачи каналов управления.

10. Облегчение организации новых пользовательских услуг: прием мультимедиа, высокоскоростных потоков данных, аудио и видеоклипов.

Сложности в реализации сетей CDMA:

1. Жесткие требования к синхронизации кодирующих последовательностей в приемниках. Необходимость когерентной обработки принятых сигналов.

2. Необходимость быстрой регулировки мощности передатчиков UE и BS.

3. Дальность связи зависит от скорости передачи и скорости перемещения абонента.

4. Динамические эффекты снижения качества связи при перегрузке соты (сота “дышит”). Необходимость адаптивного управления сетью в реальном времени.

5. В сетях стандартов cdmaOne и CDMA2000 необходима временная синхронизация всех базовых станций от системы GPS.