Формування сигналу в системі UTRA

Формування сигналу в системі UTRA з технологією CDMA передбачає такі операції, як канальне кодування, перемеження, узгодження швидкостей, формування каналостворюючих кодів, розширення спектра і модуляцію.

В системі UTRA передбачене використання чотирьох варіантів кодування: згорткове кодування, каскадне кодування (код Ріда-Соломона+зовнішнє перемеження+згорткове кодування), турбокодування та спеціальне кодування. Застосування того або іншого варіанта кодування визначається вимогами до припустимої ймовірності помилки на біт (BER). Можливі варіанту кодування наведено на рис. 6.9.

Рисунок 6.9 – Варіанти кодування в системах 3G

При передачі мовного трафіка необхідне значення ймовірності помилки не більше . Таку ймовірність помилки можна забезпечити з використанням згорткового кодування зі швидкістю в низькошвидкісних каналах і зі швидкістю у каналах управління з кодовим обмеженням в усіх варіантах.

При передачі даних припустима величина ймовірності помилки не більше . Для забезпечення цієї вимоги застосовується каскадне кодування, в якому використовується згорткове кодування у поєднанні з кодом Ріда-Соломона та перемеженням.

Значення коефіцієнтів, що визначають структуру багаточленів згорткового коду у вісімковій формі для має вигляд, відповідно:

а для

.

Турб окодування вважається доцільним використовувати у високошвидкісних каналах зі швидкістю передачі 32 кбіт/с і бітовою ймовірністю помилки не більше .

Спеціальне кодування забезпечує різний ступінь захисту від помилок для різних повідомлень (пакетів). Спеціальне кодування реалізується шляхом зміни надмірності у переданих даних. Таке кодування забезпечує різний ступінь захисту переданих повідомлень. Так, наприклад, для деяких типів кодерів мовний потік поділяється на пакети, кожен з яких передається з різним ступенем захисту.

Глибина перемеження в транспортних каналах у межах одного кадру може приймати значення 10 мс, 20 мс, 40 мс і 80 мс залежно від вимог до затримки інформації.

Зовнішнє перемеження здійснюється на ширину блока, обумовленого довжиною коду Ріда-Соломона. Глибина поблочного перемеження змінюється в межах від 20 до 150 мс.

Узгодження швидкостей передбачає два режими: статичне узгодження і динамічне узгодження.

Статичне узгодження здійснюється щоразу, коли транспортний канал додається в мережу або вилучається з мережі і має на меті змінити швидкість транспортного каналу для забезпечення вимог до якості обслуговування за мінімальних ресурсів системи. Технічно статичне узгодження реалізується шляхом n-кратного повторення символів або періодичного виключення j-го символу. Статичне узгодження здійснюється до мультиплексування каналів.

Динамічне узгодження швидкостей виконується після мультиплексування каналів і забезпечує узгодження миттєвої швидкості групового транспортного каналу із пропускною здатністю фізичного каналу.

Оскільки на АС для передачі можуть використовуватися декілька виділених каналів даних DPDCH (мультикодова передача), то передбачені заходи, що забезпечують їхній поділ.

Поділ каналів даних DPDCH у лінії “вверх” здійснюється на основі синхронізованих між собою ортогональних каналостворюючих кодів зі змінним розширенням спектра сигналу (OVSF). Алгоритм формування таких кодів розглянутий раніше і подається у вигляді двійкового кодового дерева. На кожній ітерації кодова послідовність, що отримана на попередньому кроці (С_i), перетворюється на дві нові подвоєної довжини. Причому, (відповідно до алгоритму формування кодів Уолша) одна з послідовностей є дворазовим повторенням попередньої (С_i С_i), а друга – повторенням попередньої та її інвертованого значення (С_i- С_i). За К ітерацій можна отримати 2^k послідовностей (кодів, функцій) Уолша довжиною L=2^k кожна. Параметр (коефіцієнт розширення) в лінії “вверх” може приймати значення від 2-х до 8-ми, тобто слід зазначити, що отримані при цьому кодові послідовності являють собою функції Уолша. Таким чином, мінімальна довжина кодової комбінації Уолша дорівнює 4-м розрядам, а максимальна – 256. Зміною довжини кодових слів здійснюється управління швидкістю передачі (її зміна). Оскільки тривалість одного чіпа фіксована (незмінна), то зміна тривалості біта (зміна швидкості передачі інформаційних символів) автоматично змінює співвідношення між тривалістю біта і чіпа, тобто бази ШСС (англомовна абревіатура SF – spread factor – коефіцієнт розширення спектра). Мінімальна величина коефіцієнта розширення SF=4, що відповідає швидкості передачі Мбіт/с.

Якщо, крім того, необхідно збільшити швидкість передачі, то АС може передавати інформацію по декілька (до 6) паралельним каналам DPDCH з однаковими і рівними значеннями коефіцієнта розширення спектра SF. При SF=4 досягається максимальна швидкість передачі каналом DPDCH.

Як відомо, зменшення коефіцієнта SF (бази ) зменшує виграш у співідношенні сигнал/шум за потужністю на виході приймача . Можливе використання ШСС із невеликою базою (4, 8,...) передбачено у випадках, коли взаємні (системні) завади практично відсутні (у мікростільниках у середині приміщення). Наводяться й інші припущення, в яких вказується на можливість використання на БС так названого багатокористувальницького приймача, що забезпечує більш високу швидкість захищеності сигналу від інтермодуляційних завад, ніж кореляційний приймач, що використовується.

У лінії “вниз” для поділу каналів використовуються такі самі каналостворюючі коди, як і в лінії “вверх” з діапазоном можливого розширення спектра від 4 до 512. Слід зазначити, що під час роботи з різними швидкостями в різних каналах доводиться використовувати каналостворюючі коди з різним коефіцієнтом розширення спектра FT (з різною базою сигналу). Разом з тим, функції (коди) Уолша різної довжини зберігають ортогональність на мінімальній з довжин, якщо жодна з них не є складовою частиною іншої, більш довгої. Ця обставина ускладнює процес присвоєння кодових послідовностей Уолша фізичним каналам в лінії “вниз”. Дійсно, кожна АС може використовувати будь-яку послідовність Уолша із загальної кількості, тому що абонентська станція відрізняється від будь-якої іншої АС даної комірки маскою – унікальним кодом скремблювання. В лінії ж “вниз” скремблюючий код для всіх АС даної комірки такий самий і призначений для поділу сигналів лише між різними БС. Таким чином, мобільна ємність повністю залежить від каналоутворюючих кодів. Саме цей фактор істотно ускладнює управління кодовим ресурсом в лінії “вниз”. Завдання управління виявляється складним завданням динамічного управління кодовим ресурсом, що зважується на рівні координації мережі в цілому.

Для розширення спектра сигналу в системі стандарту UTRA використовуються довгі й короткі скремблюючі коди . Кодові послідовності можуть бути подані у вигляді комплексної послідовності .

У першому випадку довгі коди послідовності являють собою відповідним чином сформовані послідовності Голда. Послідовності Голда формуються на основі двох М-послідовностей, структура яких визначається поліномами і .

В лінії “вгору” скремблювання мультиплексованого сигналу АС відбувається послідовністю Голда довжиною , зменшеної до 38400 чіпів, тобто до довжини одного кадру. Ця послідовність (довгий код) є ідентифікатором АС. Усікання довжини послідовності Голда погіршує її кореляційні властивості. Однак простота формування великого їхнього числа (до ) виправдовує використання послідовностей Голда. Кожна скремблююча послідовність чітко синхронізована з часовою шкалою АС, так що початок кадру збігається з першим символом послідовності Голда, що повторюється в кожному кадрі.

Операція скремблювання здійснюється у квадратурному модуляторі шляхом перемноження комплексного сигналу зі скремблюючим довгим кодом.

Сигнал, що скремблюється, поділяється на два потоки: потік непарних і потік парних розрядів. Один з них надходить у синфазний, а другий – у квадратурний підканал модулятора. Внаслідок цього сигнал, що скремблюється, можна подати у комплексному вигляді, що містить синфазну (дійсну) частину і квадратурну (уявну) частину , тобто . Припустимо, що скремблюючий сигнал також можна подати у вигляді комплексного – . Тоді добуток комплексних сигналів визначається співвідношенням

.

Структурну схему пристрою, що реалізує комплексне скремблювання, наведено на рис. 6.10.

до модулятора

Рисунок 6.10 – Структурна схема пристрою, що реалізує комплексне скремблювання

В комплексному скремблюючому коді як дійсна частина використовується усічена до 38400 чіпів послідовність Голда. Та сама вихідна послідовність Голда (не усічена) зсувається на 16777 216 чіпа, після чого її довжина зменшується до 38400 чіпів. Потім всі непарні чіпи замінюються на інверсії попередніх парних чіпів. Добуток отриманого результату з дійсною частиною й використовується як уявна частина скремблюючого коду. Така побудова скремблюючого коду вдвічі зменшує частоту переходу QPSK-сигналу у протилежний стан, що полегшує енергетичний режим передавача.

Окрім довгих скремблюючих кодів у лінії “вверх” можуть використовуватися короткі скремблюючі коди у вигляді розширених послідовностей Касамі довжиною 256 символів. Використання коротких скремблюючих кодів передбачається у випадках застосування більш просунутих багатокористувальницьких приймачів. Використання довгих скремблюючих кодів призвело б до істотного ускладнення структури приймача.

Скремблюючі коди забезпечують не тільки ідентифікацію АС (поділ сигналів різних АС), але й відділяють один від одного канали загального користування (PCDCH, PRACH) від виділених каналів (DPDCH, DPCCH). Формування скремблюючих кодів, їхня структура, алгоритми забезпечення відповідності конкретних послідовностей тим або іншим каналам визначені відповідними специфікаціями.

Скремблюючі коди в лінії “вниз” забезпечують поділ сигналів різних БС. Як скремблюючі коди використовуються послідовності Голда, побудовані на основі М-послідовностей однакової довжини, структура яких відповідає поліномам

і .

Після поелементного складання за модулем “2” двох М-послідовностей, зсунутих одна від одної на деяку величину, отримується одна з послідовностей Голда довжиною . Загальна кількість послідовностей Голда (крім вихідних М-послідовностей) . З цієї кількості послідовностей Голда використовуються послідовностей. Далі довжина кожної послідовності зменшується до 38400 символів, нулі заміняються на +1, а одиниці – на -1. Ці послідовності використовуються як дійсна (синфазна) частина комплексного скремблюючого коду. Як уявна (квадратурна) частина скремблюючого коду використовуються ті самі зсунуті на 13072 символа послідовності Голда.

Всі 8192 скремблюючі коди розділені на 16 множин по 512 кодів, кожне з яких розділене на 64 групи по 8 кодів у кожній групі. Кожній БС привласнюється тільки один код. Групування кодів забезпечує більш швидкий пошук комірок, особливо при входженні в синхронізм.