в чем назначение каналообразующих кодов в cdma

Система сотовой подвижной связи CDMA

Общая характеристика и принципы функционирования

Принцип работы систем сотовой связи (ССС) с кодовым разделением каналов можно пояснить на следующем примере.

Предположим, что вы сидите в ресторане. За каждым столиком находится два человека. Одна пара разговаривает между собой на английском языке, другая на русском, третья на немецком и т.д. Получается так, что в ресторане все разговаривают в одно и то же время на одном диапазоне частот (речь от 3 кГц до 20 кГц), при этом вы, разговаривая со своим оппонентом, понимаете только его, но слышите всех.

Так же и в стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е. русский понимает только русского, немец только немца, а остальная информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша.

Ширина спектра излучаемого cигнала:

по уровню минус 3 Дб

по уровню минус 40 Дб

Тактовая частота ПСП М-функции1,2288 МгцКоличество каналов BTS на 1 несущей частоте

1 канал синхронизации

7 каналов персонально вызова

Скорость передачи данных:

В канале синхронизации

В канале перс.вызова и доступа

9600, 4800, 2400, 1200 бит/с

Кодирование в каналах передачи BTSСверточный код R=1/2, К=9Кодирование в каналах передачи MSСверточный код R=1/3, K=9Требуемое для приема отношение энергии бита информации6-7 дБМаксимальная эффективная излучаемая мощность BTS50 ВтМаксимально эффективная излучаемая мощность MS6,3 – 1,0 Вт

В стандарте используется раздельная обработка отраженных сигналов, приходящих с разными задержками, и последующее их весовое сложение, что значительно снижает отрицательное влияние эффекта многолучевости. При раздельной обработке лучей в каждом канале приема на базовой используется 4 параллельно работающих коррелятора, а на подвижной станции 3 коррелятора. Наличие параллельно работающих корреляторов позволяет осуществить мягкий режим «эстафетной передачи» при переходе из соты в соту.

Мягкий режим «эстафетной передачи» происходит за счет управления подвижной станцией двумя или более базовыми станциями. Транскодер, входящий в состав основного оборудования, проводит оценку качества приема сигналов от двух базовых станций последовательно кадр за кадром. Процесс выбора лучшего кадра приводит к тому, что результирующий сигнал может быть сформирован в процессе непрерывной коммутации и последующего «склеивания» кадров, принимаемых разными базовыми станциями, участвующими в «эстафетной передаче».

Протоколы установления связи в CDMA, так же как в стандартах AMPS основаны на использовании логических каналов.

Прямые каналы в CDMA:

Обратные каналы в CDMA:

Структура каналов передачи базовой станции показана на рис:

Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша. Всего в одном физическом канале логических каналов может быть 64, т.к. последовательностей Уолша, которым в соответствие ставятся логические каналы, всего 64, каждая из которых имеет длину по 64 бита. Из всех 64 каналов на 1-й канал назначается первый код Уолша (W0) которому соответствует «Пилотный канал», на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (W32), следующим 7-ми каналам так же назначаются свои коды Уолша (W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7) которым соответствуют каналы вызова, и оставшиеся 55 каналов предназначены для передачи данных по «Каналу прямого трафика».

При изменении знака бита информационного сообщения фаза используемой последовательности Уолша изменяется на 180 градусов. Так как эти последовательности взаимно ортогональны, то взаимные помехи между каналами передачи одной базовой станции отсутствуют. Помехи по каналам передачи базовой станции создают лишь соседние базовые станции, которые работают в той же полосе радиочастот и используют ту же самую ПСП, но с другим циклическим сдвигом.

Порядок прохождения речевых данных в мобильной станции до момента отправки в эфир.

Давайте подробней рассмотрим структурную схему обратного канала трафика. В прямом и обратном канале эта схема повторяется; в зависимости от того, какой канал используется в данный момент, некоторые блоки этой схемы исключаются.

В настоящее время оборудование стандарта CDMA является самым новым и самым дорогим, но в то же время самым надежным и самым защищенным. Европейским Сообществом в рамках исследовательской программы RACE разрабатывается проект CODIT по созданию одного из вариантов Универсальной системы подвижной связи (UMTS) на принципе кодового разделения каналов с использованием широкополосных сигналов с прямым расширением спектра (DS-CDMA).

Основным отличием концепции CODIT будет эффективное и гибкое использование частотного ресурса. Как мы раньше пояснили, на широкополосный сигнал CDMA влияние узкополосной помехи практически не сказывается. За счет этого свойства в стандарте CODIT для передачи данных дополнительно будут использоваться защитные интервалы между несущими частотами.

Источник

Общие представления о стандартах с кодовым разделением каналов

Классификация стандартов сотовой связи 3-го поколения.

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

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

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

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

Общие представления о стандартах с кодовым разделением каналов

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

Структура сети с кодовым разделением каналов показана на рис. 2.1

Рис. 2.1. Структура сети с кодовым разделением каналов

Абонентские станции в UMTS называют UE (User Equipment).

В стандарте используют частотный дуплекс.

1. Все BS работают на одной частоте

2. Все абонентские станции работают на одной частоте

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

2) Скремблирующий код ;

3) Каналообразующий код .

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

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

Обработка сигналов при передаче и приеме показана на рис. 2.2

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

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

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

Биты каналообразующих и скремблирующих кодов называют чипами.

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

В рассматриваемом примере каналообразующий код, выделенный UE1,

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

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

Рис. 2.3. Принцип CDMA

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

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

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

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

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

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

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

(2.1)

где М = возможное число позиций сигнала,

R_код = скорость избыточного кодирования.

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

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

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

Рис. 2.4. Функция автокорреляции m-последовательности

Рис. 2.5. Сложение сигналов на приемнике базовой станции

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

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

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

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

Рис. 2.6. Спектр сигнала на входе приемника BTS

Рис. 2.7. Спектры сигнала и помех на выходе приемника

, (2.2)

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

— коэффициент расширения спектра,

— мощность сигнала j-го абонента на входе приемника,

— мощность тепловых шумов, приведенная к входу приемника,

— суммарная мощность всех (n-1) сигналов абонентов

— коэффициент активности абонентов,

— мощность мешающих сигналов абонентов соседних сот.

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

Рис. 2.8. Спектр сигнала на входе приемника

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

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

Рис. 2.9. Спектры сигнала и помех на выходе приемника

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

Рис. 2.10. Принцип построения Rake приемника

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

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

Преимущества CDMA:

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

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

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

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

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

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

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

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

9. Упрощение передачи каналов управления.

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

Сложности в реализации сетей CDMA:

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

2. Необходимость быстрой регулировки мощности передатчиков UE и BS.

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

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

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

Источник

В чем назначение каналообразующих кодов в cdma

Кодирование в прямом канале. В ССС стандарта CDMA используются различные виды кодирования. На рис. 2.52 изображена схема кодирования в прямом канале (от БС к абоненту). Базовая скорость ПД в канале составляет 9,6 кбит/с, что достигается добавлением дополнительных корректирующих двоичных символов к цифровому потоку вокодера 8,55 кбит/с. Для реализации на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без повторной передачи сообщения) в канале используется избыточное кодирование. Для этого базовый цифровой поток разбивается на пакеты длительностью по 20 мс и подается на сверточный кодер с половинной скоростью. На его выходе число битов удваивается. Затем данные перемежаются во временном интервале 20 мс.

Рис. 17. Кодирование в прямом канале стандарта CDMA

На заключительном этапе двоичный поток разделяется между синфазным и квадратурным каналами (I- и Q-каналами) для последующей передачи с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK). До подачи на смесители цифровой поток в каждом из каналов преобразуется с помощью короткого кода и логической операции «исключающее ИЛИ». Короткий код представляет собой псевдослучайную двоичную последовательность длиной 32768 двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,3288 Мбит/с. Эта последовательность является общей для всех БС и ПД в сети. Короткий код формируется в 15-разрядном регистре сдвига с линейной обратной связью. Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр), что позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Частота среза фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора. Ряд информационных сигналов образуется путем слияния I- и Q-каналов.

Поскольку все пользователи получают объединенный сигнал, то для выделения информации необходимо передавать опорный сигнал по пилотному каналу. В пилотном канале передается нулевой информационный сигнал, код Уолша для этого канала формируется из нулевого ряда матрицы Уолша. Другими словами, в пилотном канале передается только короткий код. Обычно на нем излучается около 20% общей мощности. Опорный сигнал необходим для последующей фазовой демодуляции. Короткий код позволяет многократно использовать в каждой ячейке один и тот же набор кодов Уолша. Каждая БС имеет свой временной сдвиг при формировании кода и поэтому может быть однозначно определена в сети. Основано это на свойстве псевдослучайных двоичных кодов: значение автокорреляционного момента приближается к нулю для всех временных смещений более одной длины бита.

Кодирование в обратном канале. В ОК (от абонента к БС) применяется другая схема кодирования (рис. 2.53). ПС не может использовать преимуществ трансляции опорного сигнала. В этом случае необходимо было бы передавать два сигнала, что значительно усложнило бы демодуляцию в приемнике БС. В ОК применяется такой же, как и в прямом, вокодер и сверточное кодирование со скоростью 1/3, что повышает скорость ПД с 9,6 до 28,8 кбит/с, и перемежение в пакете длительностью 20 мс. После перемежения выходной поток разбивается на слова по шесть бит в каждом. Шестибитовому слову можно поставить в соответствие один из 64 кодов Уолша. Таким образом, каждый AT использует весь их набор. После этой операции скорость потока данных повышается до 307,2 кбит/с. Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного используемому БС. На этом этапе происходит разделение пользователей. Абонентская емкость системы определяется ОК. Для ее увеличения применяется регулирование мощности в ОК, методы пространственного разнесения приема на БС и др. Окончательное формирование потоков данных происходит таким же образом, как и в БС, за исключением дополнительного элемента задержки на 1/2 длительности символа в 0-канале для реализации смещенной QPSK.

Рис. 18. Кодирование в обратном канале стандарта CDMA

Источник