Общие представления о стандартах с кодовым разделением каналов

Говоря о стандартах с кодовым разделением каналов, следует сразу сказать, что это наиболее перспективные стандарты сотовой связи. Тем не менее, их внедрение сопряжено с существенными технологическими и экономическими сложностями. В настоящее время наиболее развиты сети стандартов cdmaOne – CDMA2000 фирмы Qualcomm. Стандарт cdmaOne (другое название IS-95) . разработан в 1994 г. и прошел испытания и доводку в Южной Корее, где фирма Qualcomm при поддержке правительства США развернула на основе этого стандарта сети сотовой связи. К 2000 г. появилась новая версия этого стандарта, CDMA2000 со значительно расширенными возможностями. По своим возможностям стандарт cdmaOne – типичный стандарт второго поколения, а CDMA2000 - поколения 2G+. Однако не будет большим преувеличением сказать, что технологии с кодовым разделением каналов – это технологии 3-го поколения. Широкие возможности в организации высокоскоростных каналов связи вместе с необходимостью адаптивного управления для достижения высокой эффективности работы CDMA сетей являются характерными чертами стандартов сотовой связи 3-го поколения.

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. Использование каналообразующих кодов для кодового разделения каналов поясняет рис.5.1.

Передаваемый биполярный сигнал u(t) (рис.5.1,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 m бит (чипов) кодовой последовательности. На рис. 5.1,б эта последовательность для простоты состоит из 8 чипов; на практике m = 5...255. В результате умножения получают последовательность v(t) = u(t) x c₁(t) (рис. 5.1,в), которую и передают по каналу связи. В приемнике принятый сигнал вновь умножают на последовательность c₁(t) и в результате получают u_пр(t) = v(t) x c₁(t) = u(t) (рис. 5.1,г, сплошная линия)1.

Этим, однако, не ограничиваются и производят интегрирование сигнала u_пр(t) на интервале передачи каждого бита. В конце каждого промежутка времени (0-1, 1-2, 2-3) проводят оценку значения интеграла, после чего интегратор обнуляют и начинают процесс интегрирования заново (рис.5.1,г, пунктирная линия). Таким образом, вычисляют корреляционную функцию принятого сигнала. В результате в конце каждого промежутка времени, соответствующего передаче одного бита, получают отрицательное или положительное число в соответствии с переданным информационным битом.

Теперь рассмотрим случай, если в приемнике принятый сигнал умножить не на последовательность c₁(t), а на некоторую другую, с₂(t), рис.5.1,д. Произведя операцию u'_пр(t) = v(t) x c₂(t), получаем последовательность (рис. 5.1,е). Так как за время передачи одного бита суммы отрицательных и положительных площадок компенсируют друг

Рис. 5.1. Принцип CDMA

друга, после интегрирования в конце каждого бита получаем результат, равный нулю. Аналогичную картину имеем при умножении сигнала в приемнике на кодовую последовательность с₃(t) (рис. 5.1,ж и рис. 5.1,з). Так приемник фильтрует эти сигналы.

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.

В стандарте cdmaOne один символ информационного потока со скоростью В_симв=19,2 ксимв/с закрывают 64 чипами с чиповой скоростью В_чип = 1,2288 Мчип/с. Отношение В_чип/В_симв называют коэффициентом расширения спектра SF. В cdmaOne SF=65. Число двоичных ортогональных кодовых последовательностей при заданном SF равно SF. Эти кодовые последовательности можно пронумеровать (упорядочить) различным образом: по Уолшу, Адамару, Пэли. В стандарте cdmaOne в направлении вниз (BTSÞMS) для разделения каналов в соте используют 64 ортогональные последовательности функций, упорядоченные по Уолшу: wal_k (k=0…63), (рис.5.2). Это позволяет в одной соте организовать одновременную передачу 18…23 каналов (теоретически 64, но более 23 не получается из-за ухудшения шумовых характеристик).

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 станцию.

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. 5.3). 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.

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…55. 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 cdmaOne применяют длинный скремблирующий код из 2⁴¹ – 1 чипов для выделения и шифрации сообщений отдельных каналов.

Произведем сравнение спектральной эффективности стандартов cdmaOne и GSM. Возьмем ситуацию, когда в одной соте сети обеспечивают по 22 телефонных канала. В сети cdmaOne для этого нужен один радиоканал в соте с полосой 1,7 МГц. В сети GSM, где ширина каждого радиоканала составляет 200 кГц, в каждую соту необходимо выделить по 3 радиоканала, а всего в кластере 3/9 надо использовать 3· 9 = 27 радиоканалов, которые в сумме занимают полосу 27· 0,2 = 5,4 МГц. Даже такой элементарный пример демонстрирует значительные преимущества систем подвижной связи с кодовым разделением каналов.

Однако 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. 5.5.

Рис. 5.5. Функции Уолша

Рис. 5.5. Функция корреляции m-последовательности

Рис. 5.5. 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 можно расценивать как помехи. 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. 5.5. 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. 5.5 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. Мощность каждого канала, представленного на рис. 5.5., сохраняется, но теперь она сосредоточена в узкой полосе (рис. 5.6). 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. 5.5. Спектр сигнала на входе приемника BTS

Рис. 5.5. Спектры сигнала и помех на выходе приемника

, (5.1)

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.

Произведем численную оценку выражения (5.1). Пусть SF = 64, а по всем каналам передают телефонию. При приеме телефонного сигнала требуется обеспечить = 5 дБ (3 раза). Если пренебречь помехами из соседних сот и собственными шумами приемника, то тогда допустимое число абонентов в соте с передачей телефонии будет SF/3 = 21…25. Более тщательный анализ с учетом шумов приемника и влияния соседних сот дает примерно такой же численный результат, поскольку сверточное декодирование приводит к дополнительному сжатию спектра сигнала в 2 раза, а коэффициент активности абонентов (порядка 0,5) снижает помехи в данной соте и от соседних сот. Важно отметить, что максимальное число абонентов в соте всегда меньше, чем SF, примерно в 2…3 раза (в зависимости от требуемого ).

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. 5.7, 5.8. При увеличении скорости передачи требуемая мощность сигнала на входе приемника увеличивается.

На рис. 5.7 и 5.8 проиллюстрирована ситуация, когда одному абоненту выделен канал с SF=16, а другим с SF = 65. 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. 5.8.

Указанный абонент получает более высокоскоростной канал, однако, помеховая ситуация в рассматриваемой соте становится такой, что число каналов с SF=64 должно быть уменьшено.

Рис. 5.7. Спектр сигнала на входе приемника

Рис. 5.8. Спектры сигнала и помех на выходе приемника

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.

Повышению качества связи способствует применение в BS и MS Rake приемников (рис. 5.9). 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. 5.9. 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.