Курсовая работа CDMA - файл n1.doc

Курсовая работа CDMA
скачать (541 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc541kb.01.06.2012 08:00скачать

n1.doc



полотно 2ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский Технический Университет Связи и Информатики





КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

БЕСПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

на тему:

Системы мобильной связи с кодовым разделением каналов

Выполнил студент

группы АП0801

Ченцов Д.Л.

1.Оглавление


1. Оглавление 2

2. Введение 3

3. Основные принципы построения систем сотовой связи 5

4. Cложные сигналы и мобильная связь 9

5. Основы CDMA 12

6. Определения и свойства функций Уолша 15

7. Краткое рассмотрение основных параметров WCDMA 19

Расширение и сжатие 22

Многолучевые радиоканалы и прием Rake 26

Управление мощностью 33

Полумягкий и мягкий хэндоверы 38

8. Список литературы 42


2.Введение


Мобильная связь - одно из современных направлений в области связи, получившее интенсивное развитие в течение последних десятилетий. Появление мобильной связи ознаменовало собой новую эру в технике связи и привело к созданию целого ряда уникальных сервисных услуг в сфере телекоммуникаций.

В настоящее время одно из доминирующих положений на рынке мобильной связи занимает сотовая связь. Системы сотовой связи впервые введены в эксплуатацию в конце 70-х - начале 80-х годов в странах Скандинавии, США и Саудовской Аравии. Сотовый принцип топологии сети с повторным использованием частот во многом решает проблему дефицита частотного ресурса и в настоящее время является основным в создаваемых системах мобильной связи общего пользования.

Системы сотовой связи - это системы с множественным доступом (многоканальные). Их основные параметры зависят от технологии распределения имеющегося частотно-временного ресурса между отдельными каналами.

Стандарты сотовой связи первого поколения предусматривают технологию частотного разделения каналов (FDMA), когда каждому рабочему каналу в системе выделяют свой частотный диапазон. В стандартах, относящихся ко второму поколению, используют метод временного разделения каналов (TDMA), когда каждому каналу выделяютсвой временной интервал, либо частотно-временного (FD/TDMA).На сегодняшний день системы FDMA и TDMA практически исчерпали свои возможности и не могут обеспечивать существенно большую пропускную способность. Технология кодового разделения каналов CDMA, благодаря высокой спектральной эффективности, является радикальным решением проблемы дальнейшей эволюции сотовых систем связи. При CDMA-технологии каждый из каналов системы полностью использует весь выделенный частотно-временной ресурс; радиоканалы систем CDMA перекрываются как по времени, так и по частоте. Разделение сигналов отдельных каналов осуществляют за счет того, что каждый канал имеет свою “поднесущую" - адресную кодовую последовательность.

3.Основные принципы построения систем сотовой связи


В основе организации систем сотовой связи лежит разделение обслуживаемой территории на микрозоны - соты. В каждой соте устанавливают приемопередатчик, управляемый контроллером. Приемопередатчик и контроллер образуют функциональную единицу' - базовую станцию (BS). Как правило, один контроллер базовой станции (BSC) управляет несколькими приемопередатчиками базовых станций (BTS).

Сотовая топология имеет ряд важных достоинств. Во-первых, более эффективно используется частотно-временной ресурс: одни и те же радиоканалы можно использовать в разных сотах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии. Во-вторых, можно применять передатчики меньшей мощности как на базовых (BS), как и на мобильных станциях (MS), находящихся у абонентов. Работа на микромощностях позволяет экономно расходовать источники питания MS и уменьшать массогабариты абонентских терминалов. В-третьих, сотовая топология позволяет эффективно формировать зону обслуживания сети в соответствии с особенностями местности, распределением уровня электромагнитного поля и плотностью размещения мобильных абонентов.

Однако наличие инфраструктуры BS в то же время и усложняет работу сети, поскольку требуется контроль за перемещением абонентов при работе как в режиме ожидания, гак и в активном режиме (прием-передача сообщений), а также возникает необходимость создания центра коммутации мобильных станций (MSC). В задачи MSC входит: • хранение системной информации о MS:

• переключение каналов связи при переходе MS в активном состоянии из зоны действия одной BS в зону действия другой (эстафетная передача MS (handover)):

• подключение каналов стационарной телефонной сети общего пользования (PSTN) к конкретной BS;

• обеспечение связи MS внутри сети без обращения к PSTN.

Контроль за перемещением абонентов в режиме ожидания необходим, если номер мобильного абонента при входящем вызове в сеть передают по каналу вызова не всеми BS сети, а только группой BS, покрывающей зону поиска абонента в данный момент времени. При роуминге (roaming), когда мобильный абонент переходит из зоны обслуживания одного MSC в зону обслуживания другого, перемещение MS регистрируют и передают системную информацию о данной MS на визируемый MSC.

Контроль за перемещением абонентов в активном состоянии необходим для обеспечения эстафетной передачи абонентов с минимальными перерывами связи.

Контроль можно осуществлять по уровню сигнала в специальном контрольном канале. Если отношение с/ш в контрольном канале станет меньше порогового, принимают решение о переключении MS на другую BS или об изменении уровня мощности передатчиков MS и BS.

Данная концепция позволяет строить сотовые сети, состоящие из совокупности MSC, каждый из которых управляет работой нескольких BS (Рисунок 3 -1 Архитектура сети сотовой связи). Общее управление и контроль за работой сети осуществляют с помощью центра управления и обслуживания (ОМС).

Принцип построения сотовых сетей дает возможность снизить дефицит радиоканалов за счет их повторного использования. Быстрое затухание УКВ радиоволн на многочисленных препятствиях на трассе распространения (здания, холмы, деревья и т. д.) позволяет применять одни и те же радиоканалы в различных сотах сети, отстоящих друг от друга на определенном расстоянии. Группу сот, в пределах которой повторное использование одних и тех же радиоканалов недопустимо из-за превышения порогового уровня взаимных помех, называют кластером. В общем случае сеть сотовой связи строят, повторяя одни и те же кластеры в пределах зоны охвата.

Повышение спектральной эффективности системы требует максимально частого повторного использования радиоканалов. Для того чтобы сделать это. не уменьшая радиусы сот и мощности передатчиков BS. применяют векторизацию сот с помощью направленных антенн. Ширина диаграммы направленности (ДН) антенны соответствует угловому размеру сектора. Как правило, в мобильной сотовой связи используют антенны с шириной ДН 120° (трехсекторные соты;, реже - с шириной ДН 60° (шестисекторные соты). Таким образом, кластер состоит из n сот, каждая из которых может иметь т секторов. Говорят, что размерность кластера в этом случае (n, m*n), где m*n - число секторов в кластере. На практике широко применяют кластеры типа (3, 9), (4, 12), (7, 21) (Рисунок 3 -1).

Чем больше спектральная эффективность системы, тем меньшие кластеры можно использовать. В аналоговых системах сотовой связи (NMT) обычно используют кластеры больших размеров (7,21), в цифровых системах



Рисунок 3 1 Архитектура сети сотовой связи



Рисунок 3 2 Типовые кластеры и их размеры а- кластер (4,12) б- кластер (7,21)

(GSM) - малых размеров (3, 9). (4. 12). Это объясняется тем, что помехоустойчивость цифровых систем выше, чем аналоговых, и они могут обеспечить заданное качество связи при большем уровне взаимных помех: пороговое отношение с/ш для цифровых систем составляет 7 дБ (cdmaOne) ...9 дБ (GSM), для аналоговых 10 дБ (AMPS)... 18 дБ(ММТ). Спектральная эффективность систем CDMA выше, чем FDMA и TDMA. за счет того, что при кодовом разделении каждый из радиоканалов занимает весь частотно-временной ресурс и взаимные помехи определяются не частотой или временным положением сигналов, а корреляционными свойствами адресных последовательностей. Поэтому в системах CDMA в каждом из секторов соты используют одни и те же радиоканалы (1-сотовые кластеры), но при этом каждой соте соответствует свой, отличный от других, набор адресных последовательностей. Таким образом, секторизация сот в системах CDMA в идеале приводит к увеличению абонентской емкости соты в число раз, равное количеству секторов. Другой мерой, предпринимаемой для снижения уровня взаимных помех и увеличения пропускной способности сети, служит автоматическое регулирование мощности (АРМ) передатчиков MS, а в современных системах - и передатчиков BS. Решение об изменении мощности передатчиков принимают на основании измерений уровня сигнала в специальном контрольном канале и отношения с/ш в канале трафика. Высокая точность и быстродействие АРМ современных систем сотовой связи позволяют также эффективно бороться с искажениями сигналов на трассе распространения (медленные и быстрые, гладкие и селективные замирания).

При кодовом разделении каналов к характеристикам систем АРМ предъявляют особенно высокие требования. Это вызвано тем, что радиоканалы системы CDMA перекрываются как по времени, так и по частоте. При существенном различии уровней сигналов в точке приема более сильные сигналы одних абонентов будут маскировать более слабые сигналы других, что приведет к потере связи и. как следствие, к резкому ограничению пропускной способности сети.

Наличие системы АРМ позволяет эффективно варьировать размеры сот в зависимости от плотности размещения абонентов в зоне обслуживания сети. Например, при увеличении плотности размещения абонентов от периферии к центру целесообразно увеличивать радиусы сот в направлении от центра к периферии. Это позволит уменьшить количество BS в сети за счет более эффективного их использования, изменение размеров сот в пределах одной сети называют расщеплением сот (cell splitting).

4.Cложные сигналы и мобильная связь


Сложным называют сигналы, произведение длительности которых на ширину спектра (база) существенно больше единицы:



где В,Т и ?F - база, длительность и ширина спектра сигнала соответственно. На применении сложных сигналов базируется технология, позволяющая использовать уже занятые частотные диапазоны при соблюдении условий полной электромагнитной совместимости. В ближайшем будущем стратегия развития систем радиосвязи будет заключаться в улучшении показателей спектральной эффективности, возрастании надежности оборудования, повышении качества и снижении стоимости услуг связи. Поэтому сложные сигналы, на применении которых основана CDMA-технология, широко используется в системах связи XXI века.

Основная идея технологии сложных сигналов базируется на преобразовании узкополосных сигналов с шириной спектра ?f в широкополосные сигналы с шириной спектра ?F при постоянстве энергии сигналов Е.
Сигналы с большой базой обеспечивают ряд преимуществ:

• высокую помехозащищенность систем святи:

• эффективную борьбу с искажениями сигналов в канале святи;

• одновременную работу многих абоненток и обшей полосе частот за

счет полового разделения каналов:

• совместимость передачи информации с измерением параметров

движения объектов;

• более эффективное использование спектра частот на ограниченной

территории.

Помехозащищенность системы - способность противостоять воздействию помех Помехозащищенность включает в себя понятия скрытности и помехоустойчивости. Скрытность – способность противостоять обнаружению сигнала и измерению его параметров.

Помехоустойчивость - способность системы работать с заданным качеством в условиях воздействия различного рола помех Помехозащищенность системы - необходимое условие се нормальной работы, однако а зависимости от назначения системы связи к помехозащищенности предъявляют различные требования.

Искажения в канале связи в значительной степени обусловлены многолучевым распространением сигналов, когда в ходе отражения от многочисленных препятствий сигнал в точку приема приходит по нескольким путям (лучам), причем сигналы в разных лучах могут иметь различные амплитуды, начальные фазы, временные и допплеровские сдвиги.

Интерференция лучей в точке приема приводит к быстрым замираниям и межсимвольной интерференции, что значительно усложняет работу системы связи. Обычно для компенсации замираний мощность передатчиков BS увеличивают на I0...20 дБ. Применение сложных сигналов лает более эффективный способ борьбы с многолучевостью.

Известно несколько способов организации систем со сложными сигналами, но в каждом случае должен быть выполнен ряд условий :

• расширение базы сигнала посредством кода;

• кодовая синхронизация передающей и приемной сторон;

• уровень взаимных помех в системе не выше порогового;

• применение оптимальных кодовых последовательностей с целью улучшения характеристик системы.

Существует два основных способа расширения базы сигналов:

• быстрое скачкообразное изменение несущей частоты (fast frequency hopping);

• прямое расширение спектра частот (direct sequence spreading)

При скачкообразном изменении несущей частоты каждый символ сообщения передают с помощью набора дискретных частот.

При использовании второго способа расширения базы исходный узкополосный сигнал умножают на псевдослучайную последовательность (ПСП), состоящую из N элементов (чипов) длительностью ? каждый и имеющую период повторения T=Nx? . В этом случае база сигнала B численно равна количеству N элементов на периоде ПСП. Алгоритмы генерирования ПСП известны и табулированы. На практике часто используют бинарные ПСП, т. с. последовательности на основе двоичного алфавита, состоящие из элементов, которые условно можно обозначить “+1” и “-1”. Такие последовательности обладают рядом важных свойств

• в ПСП количество элементов “+1” и “-1” приблизительно одинаково;

• отрезок ПСП длины г. состоящий только из элементов "+1 * или "-1н, встречается в среднем 2" N раз в последовательности с периодом повторения Л';

• автокорреляционные функции (АКФ) и взаимные корреляционные функции (ВКФ) таких последовательностей обеспечивают оптимальную корреляционную обработку при приеме. (8)

5.Основы CDMA


Технология CDMA была разработана основанная на широкополосном спектре (SS Spread Spectrum) и стала одной из самых важных технологий множественного доступа в современных мобильных системах сотовой связи, в доказательство этого факта, можно привести то,что почти все стандарты 3G были спроектированы на технологиях CDMA.

Нужно отметить, что методы SS обеспечивают расширение пропускной способности передачи сигналов и дополнительные преимущества, которые, не возможны, при использовании простых информационных сигналов. Однако, расширение спектра информационных сигналов данных, может также обеспечить другие преимущества, такие как увеличение числа пользователей одновременно совместно использующих в одно и тоже время одну несущую частоту, не создавая значительных помех друг для друга.

Главные преимуществама технологий CDMA:

Из-за этих уникальных функций CDMA появился в качестве одной из самых важных технологий множественного доступа для вторых и третьих поколений (2G-3G) в системах беспроводной связи таких как. IS 95, cdma2000, UMTS-UTRA, WCDMA и TD-SCDMA,которые были предложены:TIA/EIA в США (IS 95 и cdma2000), ETSI в Европе (UMTS-UTRA), ARIB в Японии (WCDMA), и CATT в Китае (TD-SCDMA). Новый тип технологии CDMA был также представлен в другом рожденном в Китае стандарте, названном TD-LAS.

Возможно, что CDMA будет продолжать быть основной беспроводной архитектурой для B3G (Beyond 3G), хотя некоторые другие технологии множественного доступа недавно также получили большое внимание в мире, такие как ортогональный множественный доступ с частотным разделением (OFDMA) и даже некоторые другие улучшенные версии TDMA

Как его имя и предполагает, CDMA, в отличие от его предшественников (множественный доступ с частотным разделением, FDMA, и множественный доступ с временным разделением, TDMA),это технология множественного доступа, которая делит пользователей, основанных на ортогональности или квазиортогональности их кодов подписи или просто кодов CDMA. Есть три прежде всего различные типы технологий CDMA, которые были экстенсивно исследованы за прошлые два десятилетия:

Каждый пользователь в системе DS-CDMA должен использовать код, чтобы распространить его поток информационного бита непосредственно умножением или по модулю 2 дополнительными работами, которые являются также самой простой и самой популярной схемой CDMA среди трех.

FH-CDMA использует многочастотный осциллятор, чтобы генерировать многократные дискретные несущие частоты, и каждый пользователь в системе выбирает определенный образец со скачкообразной перестройкой частоты среди тех поставщиков услуг, которыми управляет специальная последовательность, которая должна быть ортогональной или квазиортогональной другим. В зависимости от скачкообразно двигающегося уровня относительно скорости передачи данных FH-CDMA может также быть разбито в две подкатегории: медленные скачкообразно двигающиеся и быстро скачкообразно двигающиеся методы FH-CDMA. Большинство в настоящий момент доступных систем FH-CDMA использует медленную скачкообразно двигающуюся схему. Одним типичным примером приложения медленного метода FH является система GSM, который является цифровой технологией второго поколения, основанной на архитектуре TDMA.

Третий тип CDMA, TH-CDMA, намного менее широко используется чем предыдущие два, главным образом, благодаря его сложность реализации и аппаратной стоимости, связанной с его передатчиком, который должен обеспечить чрезвычайно расширенный динамический диапазон и очень высокую скорость переключения. Как упомянуто в существующей литературе, ультраширокая полоса (UWB) метод может также быть просмотрен как тип системы TH-CDMA.

Кроме того, есть также много различных типов гибридных схем CDMA, которые могут быть сформированы различными комбинациями DS, FH, и TH, вместе с мультипоставщиком услуг (MC) и многочастотные (MT) методы, как показано на рисунке Рисунок 5 -3, где изображается родословная различных форм технологий CDMA.



Рисунок 5 3 Родословная технологий CDMA

Одна из самых важных характеристик системы CDMA - то, что она позволяет всем пользователям отправлять свою информацию в той же самой полосе частот и той же самой продолжительности времени одновременно, но при использовании различных кодов. Поэтому, очевидно, что ортогональность или квазиортогональность среди кодов или последовательностей играют чрезвычайно важную роль. Например в восходящих каналах IS-95A/B [25-52], коды подписи являются длинным м-последовательностями, и распространяющиеся коды являются 64-мя функциями Уолша-Хэдэмарда. С другой стороны, нисходящий канал IS-95A/B стандарта использует 64-ре последовательности Уолша-Хэдэмарда и в качестве распространяющихся кодов и в качестве кодов подписи, из-за ее синхронных передач в нисходящих каналах. (8)

6.Определения и свойства функций Уолша


Функции Уолша известны с 1923 года. В 60-х годах Хармут показал целесообразность использования функций Уолша в системах связи и предложил различные их применения.

Существуют различные способы определения функций Уолша. Рассмотрим способ, основанный на взаимосвязи функций Уолша с функциями Радемахера.

Функции Радемахера, в свою очередь, получаются из синусоидальных функций с помощью соотношения



где аргумент ?=t/T0 есть безразмерное время, т. е. время, нормированное к произвольному интервалу Т0, а целое положительное число к - порядок функции. Символом sign (сигнум-функция) обозначается функция



Функции Радемахера, принимающие одно из двух значений ±1, имеют вид меандра. Функции Радемахера ортогональны и ортонормированы с единичной весовой функцией на интервале 0 < 9 < 1. Действительно, для любых двух функций гm(?), гm(?) имеет место соотношение



Все функции Радемахера являются нечетными относительно середины интервала определения и, следовательно, не могут быть использованы для аппроксимации сигналов s(0), четных относительно момента 0 = 1/2. Иными словами, система функций Радемахера - неполная.

Функции Уолша (обозначаются - wal, в соответствии с начальной частью фамилии Walsh - Уолш) образуют полную ортонормированную систему и могут быть получены путем перемножения степеней соответствующих функций Радемахера. Первые восемь функций Уолша изображены на Рисунок 6 -4.



Рисунок 6 4 Первые восемь функций Уолша

Перечислим ряд свойств функций Уолша.

  1. Кодовые последовательности Уолша являются ортогональными, т. е. выполняется равенство



где Wi, Wk - соответственно, i-я и k-я последовательности Уолша; Wi (n), Wk (n) - соответствующие п-е символы последовательностей.

  1. Поскольку на интервале определения в систему функций Уолша входит N ортогональных функций, то она является полной. Это значит, что ее нельзя дополнить на этом интервале ни одной новой функцией, которая была бы ортогональна одновременно ко всем другим функциям, входящим в систему.

  2. Функции Уолша обладают свойством мультипликативности, т. е. перемножение двух функций Уолша дает новую функцию из той же системы: wal (к, ?) wal(i, ?) = wal (с, ?),

причем , при этом k и i должны быть выражены в двоичном виде записи. Выражение (5.13) носит название "теоремы умножения". Следовательно, результат поэлементного перемножения двух строк матрицы любой системы функций Уолша является строкой той же матрицы.

  1. Функции Уолша wal(i, ?) обладают свойством симметрии, проявляющимся в том, что все выводы относительно i (номера строки матрицы) справедливы также и относительно ? (номера столбца матрицы).

  2. Умножение любой функции Уолша на себя саму дает функцию

нулевого порядка wal(0, ?), так как в результате получаются только

произведения вида (+1)*(+1) и (-1 )*(-1). Таким образом:



и модуль функции Уолша равен единице |wal(i, ?)| = 1.

Очевидно также, что умножение wal(i,?) на wal(0, ?) не изменяет функцию wal (i, ?).

  1. Функция Уолша - периодическая с периодом N



  1. Функция Уолша при всех i ? 0 имеет нулевое среднее значение



Это свойство находит свое выражение в том, что каждая строка (кроме нулевой) матрицы системы функций Уолша содержит равное количество +1 и -1.

Последовательности Уолша имеют много общего с тригонометрическими функциями. Но, в отличие от тригонометрических функций, последовательности Уолша позволяют широко и просто использовать цифровую технику при формировании и обработке сигналов, что и обусловило их применение в системах связи с кодовым разделением каналов. (8)

7.Краткое рассмотрение основных параметров WCDMA


В данном разделе мы представляем основные параметры системного проектирования WCDMA и даем краткое толкование большинства из них. Основные параметры, относящиеся к воздушному интерфейсу WCDMA, приводятся в таблице 3.1. Здесь мы освещаем некоторые вопросы, характеризующие WCDMA.


Таблица 7.1.

Основные параметры WCDMA

Метод множественного доступа

DS-CDMA

Дуплексный разнос

Дуплекс с частотным разделением/ дуплекс с временным разделением

Синхронизация базовой станции

Асинхронная работа

Скорость передачи чипов

3,84 Мчип/с

Длительность фрейма

10 мс

Мультиплексирование при обслуживании

Множество услуг с различными требованиями по качеству обслуживания

Концепция многоскоростной передачи

Переменный коэффициент расширения и мультикоды

Прием

Когерентный с использованием пилот-символов и общего пилот-сигнала

Многопользовательский прием, интеллектуальные антенны

Поддерживается стандартом, необязательным в реализации



Расширение и сжатие


На рисунке Рисунок 7 -5 показаны основные операции при расширении и сжатии спектра системы DS-CDMA.




Рисунок 7 5 Расширение и сжатие в DS-CDMA

Предполагается, что здесь данные пользователя представляют собой битовую последовательность с двухпозиционной фазовой манипуляцией (BPSK), передаваемую со скоростью R, где биты данных пользователя имеют значения ±1. Операция расширения в этом примере – это умножение каждого бита данных пользователя на последовательность из 8 кодовых битов, называемых чипами. Мы предполагаем, что это относится также к модуляции расширения, использующей BPSK. Мы видим, что полученные в результате расширения данные передаются со скоростью 8 R и имеют такой же случайный (шумоподобный) вид, что и код расширения. В этом случае можно сказать, что мы использовали коэффициент расширения равный 8. Затем этот широкополосный сигнал передается по беспроводному каналу на приемный конец.

При сжатии мы умножаем расширенные данные пользователя/последова-тельность чипов, бит за битом на те же самые 8 кодовых чипов, которые использовали во время расширения этих битов. Как показано на рисункеРисунок 7 -5, исходная битовая последовательность пользователя отлично восстанавливается при условии, что мы имеем также точную синхронизацию расширенного сигнала пользователя и точную копию кода расширения (сжатия).

Умножение скорости передачи сигналов на коэффициент 8 соответствует расширению (на коэффициент 8) занимаемого спектра частот расширенным сигналом данных пользователя. Благодаря этому достоинству системы CDMA чаще называют системами с расширенным спектром. Сжатие восстанавливает ширину полосы частот пропорционально R сигнала.

Принцип действия корреляционного приемника для CDMA показан на рисункеРисунок 7 -6. Верхняя половина рисунка показывает прием полезного собственного сигнала. Как и на рисункеРисунок 7 -5,здесь мы видим операцию сжатия при идеально синхронизированном коде. Затем корреляционный приемник интегрирует (т.е. суммирует) получающиеся произведения (данныекод) для каждого бита пользователя.


Другой сигнал после интеграции



Полезный сигнал

Сигнал другого пользователя

Полезный расширенный сигнал

Другой расширенный сигнал

Код расширения

Данные после расширения

Данные после интеграции

Другие данные после сжатия


Рисунок 7 6 Принцип действия корреляционного приемника CDMA

Нижняя половина рисункеРисунок 7 -6 демонстрирует влияние операции по сжатию, когда оно относится к сигналу CDMA другого пользователя, сигнал которого, как полагают, был расширен с использованием другого кода расширения. Результат умножения сигнала помехи на собственный код и интеграция получающихся произведений приводят к тому, что значения сигнала помехи оказываются близкими к 0.

Как можно видеть, амплитуда собственного сигнала увеличивается в среднем на коэффициент расширения 8 относительно амплитуды сигнала пользователя другой создающей помехи системы, т.е. корреляционный прием позволил увеличить полезный сигнал на коэффициент расширения, в данном случае в 8 раз, по сравнению с сигналом помехи, присутствующем в системе CDMA. Этот эффект называется «выигрышем в отношении сигнал/шум при обработке сигнала» и является фундаментальным показателем для всех систем CDMA и вообще для всех систем с расширенным спектром. Выигрыш в отношении сигнал/шум при обработке сигнала – это то, что делает системы CDMA робастными в отношении внутренней интерференции, а это необходимо для повторного использования имеющихся несущих с частотой 5 МГц на географически близких расстояниях.

Приведем пример с реальными параметрами WCDMA. Передача речи со скоростью 12,2 Кбит/с дает выигрыш при обработке равный 25 дБ = 10log10(3,84e6/12,2e3). После сжатия необходимо, чтобы мощность сигнала, как правило, была на несколько децибел выше мощности помехи и шума. Необходимая плотность мощности по отношению к плотности мощности помехи в данной книге обозначается как Eb/N0, где Eb  энергия или плотность мощности на бит пользователя и N0  плотность мощности помехи и шума. Для передачи речи Eb/N0 обычно составляет порядка 5,0 дБ, и необходимое отношение широкополосного сигнала к помехе будет поэтому 5,0 дБ минус выигрыш при обработке = 20,0 дБ. Другими словами, мощность сигнала может быть на 20 дБ ниже мощности помехи и теплового шума, а приемник WCDMA все еще будет способен принимать сигнал. Отношение широкополосного сигнала к помехе называется также отношением сигнал/помеха на частоте несущей C/I. Благодаря расширению и сжатию C/I в WCDMA может быть ниже, чем, например в GSM. Речевой трафик в GSM требует C/I = 9  12 дБ.

Поскольку широкополосный сигнал может быть ниже уровня теплового шума, его прием затруднен без знания расширяющей последовательности. По этой причине системы с расширенным спектром впервые нашли военное применение, где широкополосный характер сигнала позволяет скрыть его под постоянно действующим тепловым шумом.

Отметим, что в любой заданной ширине полосы частот канала (скорости передачи чипов) мы будем иметь больший выигрыш при обработке для более низких скоростей передачи данных пользователя, чем для более высоких. В частности, для скорости передачи данных пользователя 2 МГц выигрыш при обработке составляет менее 2 (=3,84Мчип/с ч 2Мбит/с=1,92, что соответствует 2,8 дБ), и робастность сигнала WCDMA по отношению к помехе явно компрометируется.

Как базовые станции, так и подвижные станции, для режима WCDMA используют по существу этот тип корреляционного приемника. Однако из-за многолучевого распространения (и возможно, при множестве приемных антенн) необходимо использовать соответствующее множество корреляционных приемников для того, чтобы восстановить энергию от многих лучей и/или антенн. Такая совокупность корреляционных приемников называемая «пальцами», («тратами»), составляет то, что включает в себя понятие приемника Rake CDMA. Мы опишем работу приемника Rake CDMA. Более подробно в следующем разделе, но перед этим мы сделаем несколько заключительных замечаний относительно преобразования расширение/сжатие при использовании его в беспроводных системах.

Важно понять, что само по себе расширение/сжатие не обеспечивает какого-либо улучшения сигнала для беспроводных применений, В самом деле, выигрыш в отношении сигнал/помеха при обработке получается за счет увеличенной ширины полосы частот при передаче (умноженной на величину выигрыша при обработке).

Все преимущества WCDMA идут скорее «через заднюю дверь» мимо широкополосных качеств сигнала при рассмотрении на системном уровне, а не на уровне отдельного радиоканала:

  1. Выигрыш в отношении сигнал/помеха в совокупности с широкополосным характером сигнала предполагает возможность полного повторного использования частоты, коэффициент повтора равен 1, в различных сотовых ячейках беспроводной системы (т.е. частота повторно используется в каждой ячейке/секторе). Это свойство может использоваться для получения высокой эффективности использования спектра.

  2. Совместное использование многими пользователями одной и той же широкополосной несущей для их связи обеспечивает разнесение по помехам, т.е. помехи при множественном доступе от многочисленных пользователей системы усредняются, и это снова приводит к повышению пропускной способности по сравнению с системами, где при планировании необходимо ориентироваться на помехи для худшего случая.

  3. Однако, оба вышеуказанных преимущества требуют применения жесткого управления мощностью и мягкого хэндовера для того, чтобы избежать блокирования сигналом одного пользователя другим. Управление мощностью и мягкий хэндовер будут рассматриваться в этой главе далее.

  4. При использовании широкополосного сигнала различные пути распространения беспроводного радиосигнала могут получать разрешение с более высокой точностью, чем сигналы с более узкой шириной полосы. Это ведет к получению более разнообразных возможностей борьбы с замираниями и, тем самым, к улучшению рабочих характеристик.



Многолучевые радиоканалы и прием Rake


Распространение радиоволн в канале наземной подвижной связи характеризуется наличием большого числа отражений, дифракцией и затуханием энергии сигнала. Причиной всему этому являются естественные препятствия, например здания, холмы и т. д., а результатом оказывается многолучевое распространение. Многолучевое распространение ведет к двум последствиям, которые мы будем рассматривать в данном разделе.

  1. Энергия сигнала (относящаяся, например к одному чипу сигнала CDMA) может поступать в приемник в четко различимые моменты времени. Поступающая энергия «вмазывается» в определенный профиль задержки при многолучевом распространении: см., например рис. 3.4. Интервал задержки в городских и пригородных районах обычно составляет от 1 до 2 мкс, хотя в некоторых случаях в холмистых районах наблюдались задержки до 20 мкс при достаточно высокой энергии сигнала. Длительность чипа при скорости передачи 3,84 Мчип/с равна 0,26 мкс. Если разница по времени многолучевых составляющих будет по крайней мере 0,26 мкс, то приемник WCDMA сможет разделить эти многолучевые компоненты и сложить их когерентно при многолучевом распространении. Задержку длительностью 0,26 мкс можно получить, если разница в протяженности лучей составит по крайней мере 78 м (скорость света ч скорость передачи чипов = 3,0·108 мс–1 ч 3,84 Мчип/с). При скорости передачи чипов около 1 Мчип/с разница в длинах лучей многолучевых составляющих должна быть около 300 м, что невозможно получить в небольших ячейках. Поэтому легко видеть, что WCDMA с тактовой частотой 5 МГц может обеспечить многолучевое разнесение в небольших ячейках, что невозможно в системе IS-95.

  2. Кроме того, для определенного значения временной задержки обычно имеется множество лучей почти равной длины, по которым распространяется радиосигнал. Например, лучи с разницей по длине равной половине длины волны (при частоте 2 ГГц это приблизительно 7 см) поступают фактически одновременно по сравнению с лучами, имеющими разность хода 78 м и между которыми возникает задержка равная длительности чипа (при скорости передачи 3,84 Мчип/с). В результате в приемнике, который перемещается даже на меньшие расстояния, имеет место подавление полезного сигнала, называемое быстрыми замираниями. Подавление полезного сигнала лучше всего представляется как сложение нескольких взвешенных векторов, которые получают фазовый сдвиг (обычно длина радиоволны по модулю) и затухание вдоль заданного направления в определенный момент времени.

В определенных геометрических условиях, вызывающих явления замирания и рассеяния, изменения сигнала, обусловленные быстрыми замираниями,



Рисунок 7 7 . Многолучевое распространение приводит к получению многолучевого профиля задержки

происходят на несколько порядков чаще, чем изменения среднего профиля задержки при многолучевом распространении. Статистика в отношении средней энергии принимаемого сигнала за короткий период обычно хорошо описывается рэлеевским распределением. Эти перепады энергии, обусловленные замираниями, делают прием передаваемых битов данных без ошибок делом весьма затруднительным, поэтому в WCDMA необходимо принимать соответствующие контрмеры. Такие контрмеры по борьбе с замираниями приведены ниже.

  1.  Рассеянная энергия сигналов с задержкой складывается за счет использования множества каналов Rake (корреляционных приемников), настроенных на те значения задержки, с которыми поступают сигналы со значительной энергией.

  2.  Для смягчения проблемы, связанной с замиранием мощности сигнала, используются быстрое управление мощностью и разнесенный прием приемником Rake.

  3.  Используются протоколы мощного кодирования, перемежения и повторения передачи для увеличения избыточности и разнесения по времени сигнала, и тем самым оказывается помощь приемнику в восстановлении битов пользователя, подвергшихся воздействию замираний.

Динамика распространения радиоволн обусловливает следующие принципы работы при приеме сигналов CDMA.

  1.  Определить позиции временной задержки сигналов, поступающих со значительной энергией и выделить для них корреляционные приемники, т.е. те тракты  каналы Rake, которые настроены на эти пики. Сетка измерений по длительности для получения профиля задержки при многолучевом распространении составляет величину порядка одного чипа (обычно в пределах 0,25  0,5 длительности чипа) со скоростью обновления порядка десятых долей миллисекунд.

  2.  В каждом корреляционном приемнике требуется проследить быстроизменяющиеся значения фазы и амплитуды, обусловленные процессом битовых замираний, и убрать их. Этот процесс слежения должен быть очень быстрым при скорости обновления порядка 1 мс или меньше.

  3.  Просуммировать демодулированные и отрегулированные по фазе символы во всех активных трактах и передать их в декодер для

Для оказания содействия решению по тракту 2 WCDMA использует известные пилотные символы, которые применяются для зондирования канала и получения оценки состояния канала в данный момент времени (значения взвешенного вектора) для конкретного тракта. Затем принятый символ вращается в обратную сторону с тем, чтобы устранить вращение фазы, вызванное каналом. Такие канально компенсированные символы затем могут просто складываться для восстановления энергии во всех положениях, имеющих задержку. Такая обработка называется также сложением по максимальному отношению (MRC).

На Рисунок 7 -8) обозначены тракты приема 2 и 3 путем изображения символов модуляции (BPSK или QPSK), а также мгновенного состояния канала в виде взвешенного комплексного вектора. Для оказания содействия решению по тракту 2 WCDMA использует известные пилотные символы, которые применяются для зондирования канала и получения оценки состояния канала в данный момент времени (значения взвешенного вектора) для конкретного тракта. Затем принятый символ вращается в обратную сторону с тем, чтобы устранить вращение фазы, вызванное каналом. Такие канально компенсированные символы затем могут просто складываться для восстановления энергии во всех положениях, имеющих задержку. Такая обработка называется также сложением по максимальному отношению (MRC).

Рисунок 7 8 Принцип сложения по максимальному отношению в приемнике Rake CDMA
В соответствии с этими принципами на рисункеРисунок 7 -8 представлена блок-схема приемника Rake с тремя трактами. Оцифрованные выборки входных сигналов принимаются от входных каскадов ВЧ и представляются в виде квадратурных ветвей I и Q (т.е. в формате комплексного числа фильтра нижних частот на выходе приемника). Генераторы кода и коррелятор осуществляют сжатие и суммирование символов передачи данных пользователя. Устройство канала использует пилот-символы для оценки состояния канала, влияние которого затем будет скомпенсировано фазовращателем для принятых символов. Задержка компенсируется разницей во времени прибытия символов в каждый тракт. Далее сумматор Rake складывает компенсированные канальные символы, обеспечивая тем самым разнесение при многолучевом распространении как средство борьбы с замираниями.

Показан также согласованный фильтр, используемый для определения и обновления текущего профиля задержки при многолучевом распространении в канале. Этот измеренный и возможно усредненный профиль задержки при многолучевом распространении используется затем для сложения сигналов с выходов трактов приемника Rake с наибольшими пиковыми значениями.

В типичных реализациях приемник Rake, осуществляющий обработку со скоростью передачи чипов (коррелятор, генератор кодов, согласованный фильтр), выполняется на ASICs (специализированных интегральных схемах), тогда как обработка на уровне символа (устройство оценки канала, фазовращатель, сумматор) реализуются с помощью DSP (процессора цифровой обработки сигналов). Хотя и существуют некоторые различия между приемниками Rake и WCDMA на подвижной станции и базовой станции, все основные принципы работы, представленные здесь, одинаковы.

Рисунок 7 9 Блок-схема приемника Rake WCDMA


И наконец, мы отмечаем, что множество приемных антенн может приспосабливаться так же, как множество лучей, принимаемых от одной антенны: просто путем использования дополнительных трактов Rake к антеннам мы можем принять всю энергию от множества лучей и антенн. С позиции приемников Rake по сути нет разницы у этих двух видов разнесенного приема.

Управление мощностью


Достаточно точное и быстрое управление мощностью является, возможно, наиболее важным аспектом в WCDMA в особенности в восходящем канале. Без него одна подвижная станция с повышенным уровнем мощности может заблокировать всю ячейку. На рисункеРисунок 7 -10 представлена и сама проблема и ее решение в виде управления мощностью передачи по замкнутому контуру.

Подвижные станции MS1 и MS2 работают на одной частоте, разделяемой на базовой станции только по их соответствующим кодам расширения. Может случиться так, что MS1 на краю ячейки испытывает потери на трассе, скажем на 70 дБ больше по сравнению с MS2, находящейся рядом с базовой станцией BS. При отсутствии механизма приведения мощности для MS1 и MS2 к одинаковому уровню на базовой станции, MS2 могла бы легко «перекричать» MS1 и тем самым заблокировать значительную часть ячейки, создавая так называемую проблему ближней  дальней зоны при CDMA. Оптимальной стратегией в смысле максимизации пропускной способности будет служить постоянное побитовое выравнивание принимаемой мощности всех подвижных станций.





Рисунок 7 10 Управление мощностью по замкнутому контуру в CDMA

Пока в открытом контуре не придуманы механизмы управления мощностью, которые могли бы производить грубую оценку потерь на трассе кроме как с помощью передачи сигнала-маяка по нисходящему каналу, но такой метод будет далеко не точным. Основная причина этого заключается в том, что быстрые замирания по существу не коррелированны в восходящем и нисходящем каналах вследствие большого частотного разделения полосы частот восходящего и нисходящего каналов в режиме WCDMA FDD. Управление мощностью в открытом контуре в WCDMA, однако, используется, но только для обеспечения грубой первоначальной установки мощности подвижной станции при инициировании соединения.

Решением для последующего управления мощностью в WCDMA служит быстрое управление мощностью по замкнутому контуру, также показанное на рисункеРисунок 7 -10. При управлении мощностью по замкнутому контуру в восходящем канале базовая станция производит частые оценки принятого отношения сигнал/помеха (SIR). Если измеренное SIR выше необходимого, то базовая станция дает команду подвижной станции понизить мощность; если оно слишком мало, она скомандует подвижной станции увеличить мощность. Цикл измерение  команда  реакция выполняется со скоростью 1500 раз в секунду (1,5 кГц) для каждой подвижной станции и, таким образом, действует быстрее, чем может произойти какое-либо существенное изменение потерь на трассе, а в действительности даже чаще, чем может быть скорость быстрых рэлеевских замираний при низких и средних скоростях передвижения подвижной станции. Таким образом, управление мощностью по замкнутому контуру позволяет предотвратить какой-либо дисбаланс мощности для всех восходящих каналов, принимаемых базовой станцией.

Такой же метод управления мощностью по замкнутому контуру используется также и в нисходящем канале, хотя мотивация здесь другая: в нисходящем канале не существует проблемы ближней  дальней зоны благодаря сценарию связи «один со многими». Все сигналы в ячейке исходят от одной базовой станции и передаются подвижным станциям. Однако желательно иметь резервный дополнительный запас мощности для подвижных станций, находящихся на краю ячейки, поскольку они больше подвергаются помехам от другой ячейки. Кроме того, для нисходящего канала необходимо использовать метод усиления слабых сигналов, обусловленных рэлеевскими замираниями, за счет дополнительной мощности при низких скоростях, когда другие методы исправления ошибок, основанные на применении перемежения и кодов с исправлением ошибок, не действуют с достаточной эффективностью.

На рис. 3.9 показано, как действует управление мощностью по замкнутому контуру в канале с замираниями с низкой скоростью перемещений. Команда по управлению мощностью по замкнутому контуру заставляет подвижную станцию использовать мощность обратно пропорциональную мощности принимаемого сигнала (или SIR). При условии, что у подвижной станции есть запас мощности, позволяющий повысить ее, остается лишь небольшое остаточное замирание, и канал становится по существу каналом без замираний, как это можно видеть на приемнике базовой станции.

Хотя такое устранение замираний представляется весьма желательным для приемника, оно происходит за счет повышения средней передаваемой мощности на передающем конце. Это означает, что подвижная станция, испытывающая глубокие замирания, т.е. использующая большую мощность передачи, будет создавать больше помех соседним ячейкам. Этот момент иллюстрируется на рисункеРисунок 7 -11.



Рисунок 7 11 Компенсация канала с замираниями с помощью управления мощностью по замкнутому контуру
Прежде чем отойти от вопроса управления мощностью по замкнутому контуру, мы должны упомянуть о близко связанном с ним контуре управления: управлении мощностью по внешнему контуру. С помощью управления мощностью по замкнутому контуру осуществляется регулирование необходимого SIR на базовой станции в соответствии с потребностями отдельного радиоканала и с постоянным качеством обслуживания, обычно определяемым определенной вероятностью появления ошибки по битам (BER) или вероятностью ошибки по принимаемым фреймам (FER). Почему может возникнуть необходимость в изменении заданной функции SIR? Необходимое SIR (существует требование пропорционального соотношения Eb/N0) для, скажем, FER = 1% зависит от скорости подвижной станции и профиля многолучевого распространения. Теперь, если произвести изменение заданной функции SIR на худший случай, т.е. высокие скорости подвижной станции, то придется допустить большие потери в пропускной способности на эти каналы, чем при низких скоростях. Таким образом, наилучшей стратегией будет поддерживать заданную функцию SIR около минимального значения достаточного для обеспечения необходимого качества. Заданная функция SIR будет меняться во времени, как показано на графике, представленном на рисункеРисунок 7 -12, поскольку изменяются скорость и условия распространения.

Управление по замкнутому контуру реализуется таким образом, что базовая станция помечает каждый фрейм передаваемых данных пользователя в восходящем канале индикатором (указателем) надежности фрейма, так что CRC




Рисунок 7 12 Управление мощностью по внешнему контуру




(проверочная комбинация кода) проверяет результат при декодировании этого конкретного фрейма передаваемых данных пользователя. Если индикатор качества фрейма укажет контроллеру радиосети (RCN), что качество передачи ухудшается, то RCN в свою очередь дает команду базовой станции повысить значение заданной функции SIR на определенную величину. Причина, на основании которой управление по внешнему контуру замыкается в RNC, состоит в том, что эта функция должна выполняться после возможного комбинирования с мягким хэндовером.

Полумягкий и мягкий хэндоверы


При полумягком хэндовере подвижная станция находится в зоне охвата ячейки, перекрывающей два соседних сектора базовой станции. Связь между подвижной станцией и базовой станцией поддерживается постоянно по двум каналам воздушного интерфейса: по одному для каждого сектора. Это требует использования двух отдельных кодов в направлении нисходящего канала с тем, чтобы подвижная станция могла различать сигналы. Эти два сигнала принимаются подвижной станцией с использованием обработки приемником Rake, очень близкой к обработке, принятой для приема многолучевых сигналов, за исключением того, что тракты должны генерировать соответствующие коды для каждого сектора с тем, чтобы можно было произвести необходимую операцию сжатия.


Сектор 1


Рисунок 7 13 Полумягкий хэндовер

Рис. 3.11. Полумягкий хэндовер
В направлении восходящего канала на базовой станции происходит подобного же рода процесс: канал с кодом подвижной станции принимается в каждом секторе, затем направляется к тому же приемнику группового сигнала Rake, где обычным образом производится суммирование по максимальному отношению. При полумягком хэндовере активным будет только один контур управления мощностью на каждое направление. Полумягкий хэндовер при соединениях обычно происходит приблизительно в 5 – 15% случаев.

На рисункеРисунок 7 -14 показан мягкий хэндовер. При мягком хэндовере подвижная станция находится в зоне охвата ячейки, перекрывающей два сектора, принадлежащих разным базовым станциям. Как и при полумягком хэндовере связь между подвижной станцией и базовой поддерживается постоянно по двум каналам воздушного интерфейса от каждой станции отдельно. Как и при полумягком хэндовере оба канала (сигнала) принимаются подвижной станцией с использованием обработки приемником Rake на основе суммирования по максимальному отношению. Если смотреть с позиций подвижной станции, то отличия между полумягким и мягким хэндоверами весьма незначительные.

Однако в восходящем направлении мягкий хэндовер значительно отличается от полумягкого хэндовера: канал с кодом подвижной станции принимается от обеих базовых станций, но затем принятые данные направляются к RNC радиосети для суммирования. Это обычно делается с той целью, чтобы один и тот же показатель надежности фрейма, который обеспечивался для управления мощностью по внешнему контуру использовался бы и для выбора лучшего из возможных двух фреймов в RNC. Выбор производится после каждого интервала перемежения, т.е. каждые 10 – 80 мс.

Следует отметить, что при мягком хэндовере активными являются два контура управления мощностью на соединение – по одному на каждую базовую станцию.

Мягкий хэндовер производится для 20 – 40% соединений. Для обслуживания соединений при мягком хэндовере система должна обеспечить следующие дополнительные ресурсы, что должно быть учтено на этапе планирования:

Отметим также, что мягкий и полумягкий хэндоверы могут иметь место в комбинации друг с другом.


Рисунок 7 14 Мягкий хэндовер

Почему необходимы именно эти специально предназначенные для CDMA хэндоверы? Они нужны по тем же причинам, что и управление мощностью по замкнутому контуру: без мягкого/полумягкого управления будут возникать сценарии ближней – дальней зоны для подвижной станции, проникающей из одной ячейки глубоко в другую – соседнюю ячейку, не имея управления мощностью от последней. Очень быстрые и жесткие хэндоверы могли бы позволить решить эту проблему; однако они могут производиться с определенной задержкой, во время которой может возникнуть проблема ближней – дальней зоны. Таким образом, как и быстрое управление мощностью, мягкие/полумягкие хэндоверы являются важным средством уменьшения помех в WCDMA..

Кроме мягкого/полумягкого хэндоверов WCDMA обеспечивает и другие типы хэндоверов:

(8)

8.Список литературы


  1. Chen Hsiao-Hwa The Next Generation [Книга]. - England : John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, 2007.

  2. Harri Holma Anti Toskala WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications [Книга]. - [б.м.] : John Wiley & Sons, 2004.

  3. Бабков В.Ю Вознюк М.А, Никитин А.Н, Сиверс М.А. Системы связи с кодовым разделением каналов [Книга]. - Санкт-Петербург : СПбГУТ СПб, 2003.

  4. Невдяев Л.М. Мобильная связь 3-го поколения [Книга]. - Москва : МЦНТИ - Международный центр научной и технической информации, 2000.

  5. Никитин Г И Применение функций Уолша в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов: Учеб. пособие [Книга]. - Санкт-Петербург : СПбГУАП. СПб., 2003.


Москва 2011


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации