Короткий розгляд основних параметрів WCDMA
Таблиця 3.1. Основні параметри WCDMA
В інших розділах цієї глави ми коротко розглянемо загальні принципи роботи CDMA. У наступних розділах вищезгадані аспекти, що відрізняють стандарт WCDMA, будуть представлені і роз'яснені більш докладно. Основні принципи CDMA викладені також в літературі [1], [2], [3] і [4].
Рис.3.1. Розподіл ширини смуги частот в WCDMA в тимчасовому-частотному-кодовому просторі
Розширення і стиснення
На рис. 3.2 показані основні операції при розширенні і стисненні спектра системи DS-CDMA.
Мал. 3.2. Розширення і стиснення в DS-CDMA
Передбачається, що тут дані користувача є бітову послідовність з двохпозиційної фазової маніпуляцією (BPSK), передану зі швидкістю R, де біти даних користувача мають значення ± 1. Операція розширення в цьому прикладі - це множення кожного біта даних користувача на послідовність з 8 кодових бітів, які називаються чіпами. Ми припускаємо, що це відноситься також до модуляції розширення, що використовує BPSK. Ми бачимо, що отримані в результаті розширення дані передаються зі швидкістю 8 R і мають такий же випадковий (шумоподібний) вид, що і код розширення. В цьому випадку можна сказати, що ми використовували коефіцієнт розширення рівний 8. Потім цей широкосмуговий сигнал передається по бездротовому каналу на приймальний кінець.
При стисненні ми множимо розширені дані користувача / послідовність чіпів, біт за бітом на ті ж самі 8 кодових чіпів, які використовували під час розширення цих бітів. Як показано на малюнку 3.2, вихідна бітова послідовність користувача відмінно відновлюється за умови, що ми маємо також точну синхронізацію розширеного сигналу користувача і точну копію коду розширення (стиснення).
Множення швидкості передачі сигналів на коефіцієнт 8 відповідає розширенню (на коефіцієнт 8) займаного спектра частот розширеним сигналом даних користувача. Завдяки цьому гідності системи CDMA частіше називають системами з розширеним спектром. Стиснення відновлює ширину смуги частот пропорційно R сигналу.
Принцип дії кореляційного приймача для CDMA показаний на рис. 3.3. Верхня половина малюнка показує прийом корисного власного сигналу. Як і на рис. 3.2, тут ми бачимо операцію стиснення при ідеально синхронізований коді. Потім кореляційний приймач інтегрує (тобто підсумовує) виходять твори (дані код) для кожного біта користувача.
Мал. 3.3. Принцип дії кореляційного приймача CDMA
Нижня половина рис. 3.3 демонструє вплив операції зі стиснення, коли воно відноситься до сигналу CDMA іншого користувача, сигнал якого, як вважають, був розширений з використанням іншого коду розширення. Результат множення сигналу перешкоди на власний код і інтеграція виходять творів призводять до того, що значення сигналу перешкоди виявляються близькими до 0. Як можна бачити, амплітуда власного сигналу збільшується в середньому на коефіцієнт розширення 8 щодо амплітуди сигналу користувача інший створює перешкоди системи, тобто . кореляційний прийом дозволив збільшити корисний сигнал на коефіцієнт розширення, в даному випадку в 8 разів, у порівнянні з сигналом перешкоди, присутньому в системі CDMA. Цей ефект називається "виграшем у відношенні сигнал / шум при обробці сигналу" і є фундаментальним показником для всіх систем CDMA і взагалі для всіх систем з розширеним спектром. Виграш у відношенні сигнал / шум при обробці сигналу - це те, що робить системи CDMA робастний щодо внутрішньої інтерференції, а це необхідно для повторного використання наявних несучих з частотою 5 МГц на географічно близьких відстанях.
Наведемо приклад з реальними параметрами WCDMA. Передача мови зі швидкістю 12,2 Кбіт / с дає виграш при обробці рівний 25 дБ = 10 log10 (3,84e6 / 12,2e3). Після стиснення необхідно, щоб потужність сигналу, як правило, була на кілька децибел вище потужності перешкоди і шуму. Необхідна щільність потужності по відношенню до щільності потужності перешкоди в даній книзі позначається як Eb / N0, де Eb енергія або щільність потужності на біт користувача і N0 щільність потужності перешкоди і шуму. Для передачі мови Eb / N0 зазвичай становить близько 5,0 дБ, і необхідне відношення широкосмугового сигналу до перешкоди буде тому 5,0 дБ мінус виграш при обробці = 20,0 дБ. Іншими словами, потужність сигналу може бути на 20 дБ нижче потужності перешкоди і теплового шуму, а приймач WCDMA все ще буде здатний приймати сигнал. Ставлення широкосмугового сигналу до перешкоди називається також ставленням сигнал / перешкода на частоті несучої C / I. Завдяки розширенню і стиску C / I в WCDMA може бути нижче, ніж, наприклад в GSM. Мовний трафік в GSM вимагає C / I = 9 12 дБ.
Оскільки широкосмуговий сигнал може бути нижче рівня теплового шуму, його прийом утруднений без знання розширює послідовності. З цієї причини системи з розширеним спектром вперше знайшли військове застосування, де широкосмуговий характер сигналу дозволяє приховати його під постійно діючим тепловим шумом.
Відзначимо, що в будь-якої заданої ширині смуги частот каналу (швидкості передачі чіпів) ми будемо мати більший виграш при обробці для більш низьких швидкостей передачі даних користувача, ніж для більш високих. Зокрема, для швидкості передачі даних користувача 2 МГц виграш при обробці становить менше 2 (= 3,84Мчіп / с. 2Мбіт / с = 1,92, що відповідає 2,8 дБ), і робастної сигналу WCDMA по відношенню до перешкоди явно компрометується . Характеристики WCDMA при високих швидкостях передачі приво-дяться в розділі 11.4.
Як базові станції, так і рухливі станції, для режиму WCDMA використовують по суті цей тип кореляційного приймача. Однак через багатопроменевого поширення (і можливо, через велику прийомних антен) необхідно використовувати відповідне безліч кореляційних приймачів для того, щоб відновити енергію від багатьох променів і / або антен. Така сукупність кореляційних приймачів звана "пальцями", ( "витратами"), становить те, що включає в себе поняття приймача Rake CDMA. Ми опишемо роботу приймача Rake CDMA. Більш докладно в наступному розділі, але перед цим ми зробимо декілька заключних зауважень щодо перетворення розширення / стиснення при використанні його в бездротових системах.
Важливо зрозуміти, що саме по собі розширення / стиснення не забезпечує будь-якого поліпшення сигналу для бездротових застосувань, Справді, виграш у відношенні сигнал / перешкода при обробці виходить за рахунок збільшеної ширини смуги частот при передачі (помноженої на величину виграшу при обробці) .
Всі переваги WCDMA йдуть швидше "через задні двері" повз широкосмугових якостей сигналу при розгляді на системному рівні, а не на рівні окремого радіоканалу:
Виграш у відношенні сигнал / перешкода в сукупності з широкосмуговим характером сигналу передбачає можливість повного повторного використання частоти, коефіцієнт повтору дорівнює 1, в різних стільникових осередках бездротової системи (тобто частота повторно використовується в кожному осередку / секторі). Це властивість може використовуватися для отримання високої ефективності використання спектра.
Спільне використання багатьма користувачами однієї і тієї ж широкосмугового несучої для їх зв'язку забезпечує рознесення по перешкод, тобто перешкоди при множині доступі від численних користувачів системи усереднюються, і це знову приводить до підвищення пропускної здатності в порівнянні з системами, де при плануванні необхідно орієнтуватися на перешкоди для гіршого слу-чаю.
Однак, обидва вищевказаних переваги вимагають застосування жорсткого управління потужністю і м'якого хендовера для того, щоб уникнути блокування сигналом одного користувача іншим. Управління потужністю і м'який хендовер будуть розглядатися в цьому розділі далі.
При використанні широкосмугового сигналу різні шляхи поширення бездротового радіосигналу можуть отримувати дозвіл з більш високою точністю, ніж сигнали з більш вузькою шириною смуги. Це веде до отримання більш різноманітних можливостей боротьби з завмираннями і, тим самим, до поліпшення робочих характеристик.
Багатопроменеві радіоканали і прийом Rake
Поширення радіохвиль в каналі наземної рухомого зв'язку характеризується наявністю великої кількості віддзеркалень, дифракцией і загасанням енергії сигналу. Причиною всього цього є природні перешкоди, наприклад будівлі, пагорби і т. Д. А результатом виявляється багатопроменеве поширення. Багатопроменеве поширення веде до двох наслідків, які ми будемо розглядати в даному розділі.
Енергія сигналу (що відноситься, наприклад до одного чіпу сигналу CDMA) може надходити в приймач в чітко помітні моменти часу. Надходить енергія "вмазують" в певний профіль затримки при багатопроменевому поширенні: див., Наприклад рис. 3.4. Інтервал затримки в міських і приміських районах зазвичай становить від 1 до 2 мкс, хоча в деяких випадках в горбистих районах спостерігалися затримки до 20 мкс при досить високій енергії сигналу. Тривалість чіпа при швидкості передачі 3,84 Мчип / с дорівнює 0,26 мкс. Якщо різниця за часом багатопроменевих складових буде принаймні 0,26 мкс, то приймач WCDMA зможе розділити ці багатопроменеві компоненти і скласти їх когерентно при багатопроменевому поширенні. Затримку тривалістю 0,26 мкс можна отримати, якщо різниця в довжині променів досягне принаймні 78 м (швидкість світла. Швидкість передачі чіпів = 3,0 · 108 мс-1. 3,84 Мчип / с). При швидкості передачі чіпів близько 1 Мчип / с різниця в довжинах променів багатопроменевих складових повинна бути близько 300 м, що неможливо отримати в невеликих осередках. Тому легко бачити, що WCDMA з тактовою частотою 5 МГц може забезпечити багатопроменеве рознесення в невеликих осередках, що неможливо в системі IS-95.
Крім того, для певного значення тимчасової затримки зазвичай є безліч променів майже рівної довжини, за якими поширюється радіосигнал. Наприклад, промені з різницею по довжині дорівнює половині довжини хвилі (при частоті 2 ГГц це приблизно 7 см) надходять фактично одночасно в порівнянні з променями, що мають різницю ходу 78 м і між якими виникає затримка рівна тривалості чіпа (при швидкості передачі 3,84 Мчип / с). В результаті в приймачі, який переміщається навіть на менші відстані, має місце придушення корисного сигналу, зване б-стримі завмираннями. Придушення корисного сигналу найкраще представляється як додавання декількох зважених векторів, які отримують фазовий зсув (зазвичай довжина радіохвилі по модулю) і загасання уздовж заданого напрямку в певний момент часу.
На рис. 3.5 показаний приблизний вигляд швидкого завмирання, що сприймається по енергії, що надходить сигналу при конкретному значенні тимчасової затримки при русі приймача. Ми бачимо, що потужність сигналу може різко падати (на 20 - 30 дБ), коли відбувається фазовий придушення за рахунок відображень при багатопроменевому поширенні. У певних геометричних умовах, що викликають явища завмирання і розсіювання, зміни сигналу, обумовлені швидкими завмираннями, відбуваються на кілька порядків частіше, ніж зміни середнього профілю затримки при багатопроменевому поширенні.
Мал. 3.4. Багатопроменеве поширення призводить до отримання многолучевого профілю затримки
Статистика щодо середньої енергії сигналу за короткий період зазвичай добре описується релєєвського розподілом (див. Для прикладу [5] і [6]). Ці перепади енергії, обумовлені завмираннями, роблять прийом переданих бітів даних без помилок справою дуже складною, тому в WCDMA необхідно приймати відповідні контрзаходи. Такі контрзаходи по боротьбі з завмираннями наведені нижче.
Розсіяна енергія сигналів з затримкою складається за рахунок використання безлічі каналів Rake (кореляційних приймачів), налаштованих на ті значення затримки, з якими надходять сигнали зі значною енергією.
Для пом'якшення проблеми, пов'язаної із завмиранням потужності сигналу, використовуються швидке управління потужністю і рознесений прийом приймачем Rake.
Використовуються протоколи потужного кодування, перемежения і повторення передачі для збільшення надмірності і рознесення за часом сигналу, і тим самим надається допомога приймача у відновленні бітів користувача, які зазнали впливу завмирань.
Динаміка поширення радіохвиль обумовлює наступні принципи роботи при прийомі сигналів CDMA.
Визначити позиції тимчасової затримки сигналів, що надходять зі значною енергією і виділити для них кореляційні приймачі, тобто ті тракти канали Rake, які налаштовані на ці піки. Сітка вимірювань за тривалістю для отримання профілю затримки при багатопроменевому поширенні становить величину порядку одного чіпа (зазвичай в межах 0,25 0,5 тривалості чіпа) зі швидкістю поновлення порядку десятих часток мілісекунд.
У кожному корреляционном приймачі потрібно простежити швидко змінюються значення фази і амплітуди, обумовлені процесом бітових замираний, і прибрати їх. Цей процес спостереження повинен бути дуже швидким при швидкості оновлення близько 1 мс або менше.
Підсумувати демодулювати і відрегульовані по фазі символи у всіх активних трактах і передати їх в декодер для подальшої обробки.
Рис.3.5. Швидкі релєєвського завмирання, викликані багатопроменевим поширенням
На рис. 3.6 позначені тракти прийому 2 і 3 шляхом зображення символів модуляції (BPSK або QPSK), а також миттєвого стану каналу у вигляді зваженого комплексного вектора. Для надання сприяння вирішенню по тракту 2 WCDMA використовує відомі пілотні символи, які примі-ються для зондування каналу і отримання оцінки стану каналу в дан-ний момент часу (значення зваженого вектора) для конкретного тракту. Потім прийнятий символ обертається в зворотну сторону з тим, щоб усунути обертання фази, викликане каналом. Такі канально компенсовані симво-ли потім можуть просто складатися для відновлення енергії у всіх статево-женіях, що мають затримку. Така обробка називається також складанням по максимальному відношенню (MRC).
Мал. 3.6. Принцип складання по максимальному відношенню до приймачі Rake CDMA
Відповідно до цих принципів на рис. 3.7 представлена блок-схема приймача Rake з трьома трактами. Оцифровані вибірки вхідних сигналів приймаються від вхідних каскадів ВЧ і представляються у вигляді квадратурних гілок I і Q (тобто в форматі комплексного числа фільтра нижніх частот на виході приймача). Генератори коду і коррелятор здійснюють стиснення і підсумовування символів передачі даних користувача. Пристрій каналу використовує пілот-символи для оцінки стану каналу, вплив якого потім буде скомпенсировано фазовращателем для прийнятих символів. Затримка компенсується різницею в часі прибуття символів в кожен тракт. Далі суматор Rake складає компенсовані канальні символи, забезпечуючи тим самим рознесення при багатопроменевому поширенні як засіб боротьби з завмираннями.
Показаний також узгоджений фільтр, який використовується для визначення та оновлення поточного профілю затримки при багатопроменевому поширенні в каналі. Цей виміряний і можливо усереднений профіль затримки при багатопроменевому поширенні використовується потім для складання сигналів з виходів трактів приймача Rake з найбільшими піковими значеннями.
У типових реалізаціях приймач Rake, який здійснює обробку зі швидкістю передачі чіпів (коррелятор, генератор кодів, узгоджений фільтр), виконується на ASICs (спеціалізованих інтегральних схемах), тоді як обробка на рівні символу (пристрій оцінки каналу, фазообертач, суматор) реалізуються за допомогою DSP (процесора цифрової обробки сигналів). Хоча й існують деякі відмінності між приймачами Rake і WCDMA на рухомий станції і базової станції, всі основні принципи роботи, представлені тут, однакові.
Мал. 3.7 Блок-схема приймача Rake WCDMA
І нарешті, ми відзначаємо, що безліч приймальних антен може пристосовуватися так само, як безліч променів, прийнятих від однієї антени: просто шляхом використання додаткових трактів Rake до антен ми можемо прийняти всю енергію від безлічі променів і антен. З позиції приймачів Rake по суті немає різниці у цих двох видів разнесенного прийому.