Основы теории принятая статистических решений 1051 67 страница

Используя коэффициенты G_A, G_v, Н₀ и у (а также их значения, приведенные выше), вычислим максимально возможное количество активных пользователей М' в ячейке.

YG/±Gy Y^p^aGv,..,_гч

М — ~ * ^пвх ^— 77; 77^ и ^{= М}пах (12.65)

^Н0 \^ЬЬ1‘0)_Т!^^И0

Точный расчет возможностей системы CDMA намного сложнее, чем приведенный в уравнении (12.65). При выводе данной формулы считалось, что пользователи равно­мерно распределены по площади ячейки, а управление мощностью осуществляется

идеально. В то же время влияние теплового шума считалось ничтожно малым. Изме­нения информационного обмена внутри ячейки не учитывались. Не рассматривалась топология местности как фактор, влияющий на параметр п функции потерь сигнала. При уменьшении п интерференция может возрастать. Вообще, емкость системы CDMA рассматривается во многих работах, в частности на примере систем, соответст­вующих стандарту IS-95. Для более подробного ознакомления с этой темой стоит об­ратиться к работам [30-32, 35-38]. В следующем разделе приводится упрощенный сравнительный анализ трех методов множественного доступа, позволяющий охаракте­ризовать преимущества CDMA.

12.8.2. Сравнительный анализ аналоговой частотной модуляции, TDMA и CDMA

До использования сотовых систем связи, в 1976 году в Нью-Йорке (население кото­рого на то время составляло более 10 миллионов человек) мобильной связью могли одновременно пользоваться лишь 543 пользователя, в то время как всего их было 3700. Концепция сотовой связи иллюстрируется на рис. 12.38. В данном примере рас­сматривается конфигурация из семи ячеек (одна из используемых на данный момент). Благодаря разбиению географической области на ячейки с возможностью использова­ния одних и тех же частот в разных ячейках, была значительно увеличена эффектив­ность применения частотных полос в радиотелефонных системах связи.

  Рис. 12.38. Конфигурация из семи ячеек

В США частотный диапазон, используемый для передачи сигнала базовой станци­ей связи (869-894 МГц), принято называть прямым (forward), или нисходящим (downlink) каналом, а диапазон передачи данных мобильными устройствами (824- 849 МГц) — обратным (reverse), или восходящим (uplink) каналом. Такая терминология используется для стандарта AMPS и других систем связи. Полосу, которую занимает один канал (30 кГц), иногда называют поддиапазоном (subband). Пара каналов, используе­мая для связи (прямой и обратный каналы), в сумме занимает 60 кГц и разделена полосой в 45 МГц. В пределах крупных городов США (всего около 750) Федеральная комиссия по средствам связи (FCC) выделила полосы по 25 МГц для передачи и приема сигналов. В целях поддержки конкуренции в пределах города обычно дается разрешение на ра­боту двум компаниям. Каждая из них получает две полосы по 12,5 МГц — для приема и передачи сигналов.

Сравним количество доступных каналов в ячейке для трех сотовых систем связи (аналоговая FM, TDMA и CDMA) при широком географическом покрытии с множеством ячеек (рис. 12.38). Рассчитать количество аналоговых каналов, используемых в системе AMPS, можно довольно просто. Будем считать, что для связи выделена полоса в 12,5 МГц. Для предотвращения интерференции между пользователями, которые находятся в выде­ленном диапазоне 12,5 МГц и имеют приблизительно равную мощность, необходимо, что­бы в соседних ячейках использовались разные частоты. При конфигурации из семи ячеек (рис. 12.38) связь в ячейке F может осуществляться на полосе частот, которая отличается от диапазона ячеек А, В, С, D, Е и G. Лишь одна седьмая часть полосы шириной 12,5 МГц может использоваться для связи в каждой ячейке. Следовательно, для каждой ячейки по­лоса шириной 1,78 МГц доступна для приема и передачи данных. При конфигурации из семи ячеек говорится, что коэффициент повторного использования частоты равен 1/7. Та­ким образом, при использовании аналоговой системы FM количество поддиапазонов ши­риной 30 кГц будет равно 1,78 МГц/30 кГц, или приблизительно 57 каналов в ячейке (без учета каналов, используемых для управления).

Североамериканский стандарт сотовой связи TDMA с использованием множест­венного доступа получил название IS-54 (последняя модификация этого стандарта — IS-136). Системы связи, соответствующие этим двум стандартам, должны удовлетво­рять требованиям использования частот, установленным для AMPS. Таким образом, ширина полосы канала TDMA равна 30 кГц. В 1950-х годах более эффективное при­менение кодирования исходного сигнала позволило увеличить количество используе­мых каналов. При наземной телефонной связи каждый голосовой сигнал кодируется со скоростью 64 Кбит/с. Возможно ли использование аналогичного стандарта для сото­вых систем? Нет, поскольку сотовые системы связи ограничены шириной полосы. На данный момент кодирование голосовых сигналов позволяет достичь качества связи, аналогичного обычному телефонному разговору, при скорости передачи данных 8 Кбит/с. Даже при более низкой скорости этот метод позволяет получить приемле­мое качество связи. Для вычислений значение скорости передачи данных принимает­ся равным 10 Кбит/с. Сам процесс вычисления в этом случае достаточно прост. Од­новременный доступ к каждому из каналов с шириной полосы 30 кГц может иметь 30 кГц/10 Кбит/с = 3 пользователя. Следовательно, количество пользователей, одно­временно имеющих доступ к каналу в случае TDMA, в три раза больше, чем для ана­логовой системы FM. Другими словами, количество каналов для каждой ячейки TDMA составляет 57 х 3 = 171.

Основным преимуществом систем CDMA по сравнению с аналоговыми FM или TDMA является возможность полного (100%) повторного использования частоты. Это значит, что вся ширина полосы, предусмотренная стандартом FCC (12,5 МГц), может одновременно использоваться для приема и передачи сигнала. Для сравнения CDMA, систем множественного доступа AMPS с использованием аналоговой час­тотной модуляции (другими словами, FDMA), а также TDMA стандарта IS-54 рас­смотрим уравнение (12.65). Для корректности сравнения пренебрежем коэффици­ентом G_a, который характеризует разбиение ячейки на сектора. Данный коэффици­ент не используется в расчетах рабочих характеристик FDMA и TDMA, хотя в обоих случаях разбиение ячейки на сектора позволило бы улучшить параметры сис­темы. Если ячейка не разбивается на сектора, количество активных пользователей в ячейке CDMA будет равно

УG_pG_v

Из уравнения (12.28) получаем выражение для коэффициента расширения спектра сигнала:

Следует отметить, что такая скорость передачи (12,5 миллионов элементарных сигна­лов в секунду) не соответствует стандарту IS-95. В данном примере это значение ис­пользуется для корректного сравнения CDMA, TDMA и аналоговой системы FM, имеющих ширину полосы 12,5 МГц.

Примем значение (.EiJIq)^ равным 7 дБ (что аналогично умножению на 5) [30], а коэффициенты G_v, у и Н₀ равными 2,5, 1,5 и 1,55. Подставив указанные значения в уравнение (12.66), получим следующее:

(12.68)

Таким образом, системы FDMA с использованием аналоговой частотной модуляции, TDMA и CDMA могут поддерживать одновременное использование 57, 171 и 605 ка­налов в ячейке. Можно сказать, что при заданной ширине полосы CDMA превосхо­дит AMPS по количеству активных пользователей приблизительно в 10 раз, a TDMA приблизительно в 3,5 раза. Следует отметить, что при выводе уравнения (12.68) не были учтены некоторые факторы (например, амплитудное замирание — см. главу 15), которые могут значительно уменьшить полученный результат. Следует также пом­нить, что анализ проводился длц обратного канала CDMA, причем считалось, что применяются длинные коды, а сигналы пользователей не синхронизированы. В об­ратном направлении (канал-станция/мобильное устройство) может использоваться ортогональное распределение по каналам, что позволит улучшить результат (12.68).

Провести корректное сравнение CDMA и TDMA/FDMA достаточно сложно. При единичной ячейке рабочие характеристики TDMA/FDMA ограничиваются пространст­вом, а параметры CDMA — интерференцией (см. следующий раздел). Если же исполь­зуется множество ячеек, возможности всех указанных систем ограничиваются интерфе­ренцией. Улучшить отдельные характеристики каждой из систем можно следующим об­разом. Для TDMA/FDMA возможно повышение коэффициента повторного использования за счет увеличения интерференции. При использовании системы CDMA возможно увеличение нагрузки, но также за счет повышения интерференции.

12.8.3. Системы, ограниченные интерференцией и пространственными факторами

При правильном проектировании и эксплуатации системы CDMA интерференция в ней не играет значительной роли. Следовательно, весь рабочий спектр частот досту­пен для пользователей. Однако, исходя из уравнений (12.63) и (12.64), можно сказать, что интерференция накладывает определенные ограничения на системы CDMA. Ис­пользование кодирования с коррекцией ошибок чрезвычайно важно в случае CDMA, поскольку снижение значения (£*//0)^ практически прямо сказывается на увеличении
допустимого числа активных пользователей. Увеличение эффективности кодирования на 1 дБ (что приводит к уменьшению отношения (E/Iq)^ на то же значение) позво­ляет повысить число активных пользователей ячейки CDMA на 25%.

При рассмотрении работы единичной ячейки, системы FDMA и TDMA можно на­звать, соответственно, ограниченными частотным и временным диапазонами. Рас­смотрим TDMA. В случае идеальной синхронизации распределения временных интер­валов между растущим числом абонентов при получении сигнала базовой станцией, не происходит интерференции с сигналами других пользователей. Количество актив­ных пользователей может увеличиваться до максимально возможного. Однако если все временные интервалы заполнены, увеличение числа активных пользователей при­водит к чрезмерному возрастанию интерференции. Системы связи FDMA также яв­ляются ограниченными частотным диапазоном. Для таких систем увеличение количе­ства пользователей после заполнения всех доступных полос влечет за собой чрезмер­ное возрастание интерференции.

Система CDMA — это система, ограниченная интерференцией, поскольку появ­ление дополнительного пользователя ведет к увеличению общего уровня интерфе­ренции сигналов, принимаемых базовой станцией. Интерференция, вносимая от­дельным мобильным радиоустройством, зависит от мощности, уровня синхрониза­ции, а также от взаимной корреляции с другими сигналами CDMA. Допустимое количество каналов системы CDMA зависит от допустимого уровня интерференции. На рис. 12.39 представлено принципиальное различие между системами, возможно­сти которых ограничиваются интерференцией (в данном случае CDMA) и простран­ством (TDMA). Предположим, что обе системы используют для связи полосу частот ограниченной ширины. В случае единичной ячейки при постепенном заполнении временных интервалов TDMA сигнал, поступающий на базовую станцию, не ин­терферирует с сигналами других мобильных радиоустройств. Количество активных пользователей TDMA может увеличиваться до полного заполнения всех доступных временных интервалов. После этого использование дополнительных интервалов приводит к возрастанию интерференции свыше допустимого уровня. Для систем CDMA при активизации каждого из пользователей уровень интерференции сигна­лов, получаемых базовой станцией, возрастает. Дополнительная интерференция, вносимая отдельным мобильным устройством, зависит от его мощности, синхрони­зации во времени, а также от взаимной корреляции с кодовыми сигналами других устройств. В пределах одной ячейки каналы предоставляются пользователям до дос­тижения определенного предельного уровня интерференции [29]. Как видно из рис. 12.39, способность к адаптации системы, возможности которой ограничены интерференцией, значительно выше, чем в случае ограничений, связанных с про­странственным фактором. К примеру, в праздничные дни, когда нагрузка телефон­ных сетей значительно возрастает, операционный центр системы CDMA может принять решение о повышении допустимого порога интерференции, чтобы увели­чить количество активных пользователей. В случае системы, ограниченной про­странством, такое просто невозможно.

Повторимся, пространственно-ограниченные системы (например, FDMA и TDMA) имеют жесткий порог производительности при применении одной ячейки. Если же используется множество ячеек, то путем изменения коэффициента повтор­ного использования частот, а также отношения мощности сигнала к интерференции (S/I) можно добиться того, что указанные системы становятся ограниченными только интерференцией.

Допустимая интерференция TDMA   Число каналов Рис. 12.39. Системы TDMA ограничены временной областью; возможности CDMA ограничены интерференцией

12.8.4. Цифровые сотовые системы связи CDMA стандарта IS-95

Interim Standard 95 (IS-95) определяет требования к радиотелефонным системам связи с применением сигналов расширенного спектра (метод прямой последовательности (DS/SS)) для обеспечения множественного доступа. Этот стандарт был разработан кор­порацией Qualcomm для работы в спектре частот, используемом аналоговыми система­ми связи (AMPS) в США. Одновременная работа систем связи разных стандартов стала возможной благодаря технологии дуплексной передачи сигнала с использованием час­тотного разделения (frequency division duplexing — FDD). Системы AMPS используют полосу шириной 25 МГц для передачи сигнала от базовой станции к мобильному уст­ройству (прямой канал) в диапазоне 869-894 МГц и полосу такой же ширины для об­ратной передачи сигнала (обратный канал) в диапазоне 824-849 МГц. При работе IS-95 в каждый отдельный момент времени используется система CDMA с шириной полосы 1,25 МГц, а мобильные устройства соответствуют одновременно двум стандартам (AMPS и CDMA). Возможности систем, соответствующих стандарту IS-95, ограничены интер­ференцией. Для снижения отношения (E^No)^ применяются различные методы обра­ботки сигнала. Основные характеристики (форма сигнала, кодирование, методы подав­ления интерференции) рассматриваемых систем приводятся ниже.

• Каждый канал расширяется на полосу шириной 1,25 МГц, после чего фильтру­ется для ограничения спектра.

• Скорость передачи элементарных сигналов R_ch для псевдослучайного кода равна

1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду. Номинальная скорость пе­редачи данных, называемая режимом RSI (Rate Set 1), равна 9,6 Кбит/с и соот­ветствует коэффициенту расширения G_p = R_ct/R = 128. В стандарте IS-95 воз­можно использование улучшенного скоростного режима RS2 (14,4 Кбит/с).

• Модуляция данных осуществляется с помощью двоичной фазовой манипуляции (BPSK) с применением расширения сигнала методом QPSK. При этом каждый

квадратурный компонент несущей является сигналом BPSK, модулированным данными.

• Используется сверточное кодирование с декодированием по алгоритму Витерби.

• Для разнесения по времени используется устройство временного уплотнения импульсных сигналов с интервалом 20 мс.

• Сигналы с многолучевым распространением обрабатываются RAKE-приемником. Для пространственного разделения используются две антенны в каждом секторе ячейки.

• Для разделения по каналам применяется ортогональное кодовое уплотнение.

• Регулирование мощности позволяет минимизировать энергию передаваемого сигнала и, следовательно, уменьшить интерференцию.

Передача сигнала от базовой станции к мобильному устройству может осуществляться с использованием четырех типов прямых каналов: контрольный, синхронизационный, поисковый и канал передачи данных. При обратной связи различают каналы доступа и передачи данных. Существует несколько модификаций стандарта IS-95: IS-95A, JSTD- 008, IS-95B, IS-2000. IS-95B включает в себя использование сотовой полосы частот стан­дарта IS-95, а также полосы службы персональной связи (personal communication service — PCS). Этот стандарт позволяет передавать голосовые сигналы, а также данные со скоростью 115,2 Кбит/с при одновременном использовании до восьми каналов RS2. Стандарт IS-2000 описывает системы радиосвязи CDMA третьего поколения, также на­зываемые системами с использованием множественных несущих. По сравнению с дру­гими модификациями, IS-2000 имеет множество дополнительных возможностей. В дан­ной главе рассматривается IS-95, структура которого сохраняется во всех последующих модификациях, поскольку все они построены на основе данного стандарта.

12.8.4.1. Прямой канал связи

Базовая станция использует 64 канала для передачи уплотненного сигнала. Для передачи данных пользователя применяется 61 канал. Один из каналов является контрольным, один — синхронизационным и, по крайней мере, один использует­ся как поисковый. Стандарт IS-95 позволяет одновременную передачу голоса, данных и специальных сигналов. Скорость передачи голоса может быть равна 9600, 4800, 2400 или 1200 бит/с. Данные уровни скорости предусмотрены режи­мом RS1. В режиме RS2 поддерживается скорость до 14,4 Кбит/с. На рис. 12.40 представлена упрощенная блок-схема передатчика базовой станции, который ис­пользует стандартный канал данных со скоростью передачи 9,6 Кбит/с. С помо­щью кодирования методом линейного предсказания (linear predictive coding — LPC, см. раздел 13.4.2) производится черновая оцифровка голосового сигнала со скоростью 8 Кбит/с. После добавления битов обнаружения ошибок скорость пе­редачи возрастает до 9,6 Кбит/с. Полученная последовательность данных разбива­ется на кадры длительностью 20 мс. Следовательно, при скорости передачи дан­ных 9,6 Кбит/с один кадр содержит 192 бит. Следующий шаг, представленный на рис. 12.40, — сверточное кодирование (степень кодирования 1/2, К - 9), в ходе которого все биты данных в равной мере защищаются кодом. В результате ско­рость в канале возрастает до 19,2 Кбит/с и остается неизменной после обработки данных устройством временного уплотнения импульсных сигналов с рабочим ин­тервалом, равным длительности кадра (20 мс). Следующие три шага включают сложение по модулю 2 двоичных значений псевдослучайных кодов и ортогональ­ных последовательностей (применяется для обеспечения конфиденциальности); распределение по каналам; и определение базовой станции. Каждое изменение кода можно образно представить как барьер, ограничивающий по тем или иным причинам доступ к определенному сообщению. В целях конфиденциальности ис­пользуются псевдослучайные коды максимальной длины с 42-разрядным регист­ром сдвига. В системе со скоростью передачи 1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду такой код повторяется с периодом приблизительно в 41 день. Системы, соответствующие стандарту IS-95, используют идентичное оборудование для кодирования для всех базовых станций и мобильных устройств. В целях кон­фиденциальности каждое мобильное устройство получает уникальную модифика­цию кода со сдвигом по фазе или во времени. Пользователям, которые связыва­ются между собой, не нужно знать кодовые модификации друг друга, поскольку базовая станция производит демодуляцию и повторную модуляцию всех обраба­тываемых сигналов. Значение скорости передачи данных в канале (19,2 Кбит/с) перед кодированием не является окончательным. Код применяется для прорежи­вания сигнала, поэтому используется только каждый 64-й бит последовательности (что не влияет на уникальность кода).

Следующий применяемый код называют защитой Уолша (Walsh cover). Данный код используется для распределения по каналам с последующим расширением спектра. Код является ортогональным и генерируется с помощью матрицы Адама- ра (Hadamard matrix) (правила получения кода приводятся в разделе 6.1.3.1). Ис­пользуя указанный метод, можно создать код Уолша, размерность которого равна 2* х 2* (к — положительное целое число). Набор кодов Уолша характеризуется матрицей 64 х 64, где каждая строка соответствует отдельному коду. Как показано на рис. 12.40, один из 64 кодов суммируется по модулю 2 с защищаемой двоич­ной последовательностью. Поскольку элементы набора кодов Уолша взаимно ор­тогональны, их применение позволяет разделить прямой канал связи на 64 орто­гональных сигнала. Канал 0 используется для проверки когерентности получения данных мобильным устройством. Канал 32 применяется для синхронизации, а также, по крайней мере, один канал резервируется в качестве поискового. Следо­вательно, для передачи данных доступен 61 канал. Защита Уолша применяется в системах со скоростью передачи 1,2288 миллионов элементарных сигналов в се­кунду. Таким образом, в процессе связи “базовая станция-мобильное устройство” каждый бит в канале (скорость передачи 19,2 Кбит/с) преобразуется в 64 элемен­тарных сигнала Уолша. Конечная скорость передачи составляет 1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду. На рис. 12.41 представлена последовательность из 64 сигналов Уолша, а на рис. 12.42 приведен простой пример распределения по каналам с использованием ортогональных кодов (к примеру, кодов Уолша). Вы­ходной сигнал будет отличным от нуля только в том случае, если приемник ис­пользует правильный код для доступа к каналу пользователя. Применение пра­вильного кода дает на выходе некоторое ненулевое значение А, которое позволяет “открыть дверь” канала.

1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду   (Идентификатор канала) 1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду

Рис. 12.40 Передача голоса с использованием прямого канала С DMA

²⁸ ^j\j=u^-rmjTj-n_n-TL^^

³⁰ ЧnJЯЛ=ПJШJЪ-R=fгЛ=ГЬ^^ЪF^

³⁴ ЪnJ^:fcRJ^ГLЯ=rЪR=ЛJ^J^^^ ^з6глJЦ^J^JlJlAJ^JЧ/гJlгuпJ^J^/^^ ³⁸ inJUTJlAJTJirUTJTdindTJtfTJin^ ⁴⁰^ftTfaF^ijirmnjTJuiJTAjTJVTj~m-r ⁴² \J\nj~\nJirVLT\JU\-TVtJTJinA-nrLnAJ ⁴⁴ ЪАТъъш~ъпл=япя=ги¥^:тАг^^

⁴e ^Jirwj\fmj\ruutf^:\JTfH\rau^

⁴⁸ VUlTUUU"inJUTflJ\rUiJir^^

⁵² TftiftffflTUHlTWUlJfTflJlWirUUinJUULfU' ⁵⁴ Ifl-flAflTUmA-flfl/infliJlFUUVfefl/lftFlWmjtf

⁵6 •mmumAnnnAJumrwin-nn/iruuubnnAf ⁵⁸mfUHumflAnf^nftftjmnriflflAnflAn=nnjtf ⁶⁰ iflj\nw\fl=nnwmiWTnflf\Aftffluwuww ⁶² WЦlЯfШiЦШЛflAflfЫlЯftЛAДflЛЯЛШWЦtf

Puc. 12.41. Последовательность из 64 сигналов Уолша

~LR-JTJlJT=r~fcrLFin=j4-^^ ~LTU~Ln f^Jl-^ndTJ^JT-Pl-R-rii'L =lJT=rU=briJ4-rbT-FbAJ^^ ^JTJlilJLRJTJLnnJTJT-nJT-n-TLri ^J^J^J^flr^JTJ^nJbrLnJTJirLrLrLn. ЪЛJRJ=fcПd^^lЯJ^ЛJ^ftJ~^^ ^fU=fcnfcnJinJ4AJirUUaJl^^ \ЛГlJlAJlПfeГLЯПJtJ\ГЪJVlJ^ПJfcf^,:LAП■ 4J\Rfl-An-TV\J\nAJ\nnJ\nnJl^^ =U\RnjlTWJUTAJirWJinfl=fU^№l^^ 1Л-Ш~1/и1ПА-ПЛЛ-ПЛЛГЦНЦ⁷1ЯДПЯ^'1ПЛ:

тлгпя^г/ш~шл1ПАЯЛЛ1гиишлгшл\т

^:ШЛ¥¥1Г¥ЪДП/ШЛ1ЛЛЯПА/иЬЛГии1ГШПЛ. WJWinAAnJiminAnnjUWVWiUWAm

wffljuwnnwLfwnniumnnnnjuuirum

ⁱlAnflJVUlfl/Umrifm/UTmUbnAfWAAAnAAn. ЧЛЛЯЛАЛ^иШЛЛЛАЛАААШУШЛНАПШЦиШ. ЧАЛШШЛЛАЛЛАЛЛШШАЛЛАШЦЦШАПАААЯ

_пп

Следующий применяемый код (рис. 12.40) называют коротким (short), по­скольку он основывается на 15-разрядном регистре сдвига и повторяется с интер­валом 2¹⁵ - 1 элементарных сигналов (один период длится 26,67 мс). Этот послед­ний “барьер”, используемый со сдвигом по фазе 90° со скоростью передачи

1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду, позволяет зашифровать сиг­нал. Поскольку все базовые станции используют идентичное распределение по каналам методом Уолша, при отсутствии шифрования их сигналы коррелировали бы между собой (что нежелательно). Короткий код можно представить в качестве “адреса” базовой станции. Использование этого кода требует наличия двух реги­стров сдвига: одного в синфазном канале(/), другого в квадратурном (Q). Каждая базовая станция для определения своего местоположения применяет особую мо­дификацию (сдвиг) кодов / и Q, состоящих из 64 элементарных сигналов. Таким образом, использование данных кодов позволяет получить 512 уникальных адре­сов. Это число достаточно велико, поскольку станции, находящиеся достаточно далеко друг от друга, могут использовать одинаковые адреса.

Таким образом, код Уолша позволяет ортогонализировать сигналы пользовате­лей, находящихся в одной ячейке; короткий псевдослучайный код делает сигналы пользователей разных ячеек независимыми друг от друга (присваивает адрес каж­дой станции); длинный псевдослучайный код позволяет сделать сигналы разных пользователей системы взаимно независимыми (используется для конфиденци­альности связи). Чтобы после применения кода Уолша ортогональность каналов была идеальной, работа всех пользователей должна быть синхронизирована во времени с погрешностью, не превышающей малой доли длительности элементар­ного сигнала. Для прямого канала это теоретически возможно, поскольку переда­ча сигнала на мобильные устройства производится базовой станцией. Однако, учитывая эффект многолучевого распространения, более корректно будет сказать, что применение кодов Уолша позволяет достичь неполной ортогональности. Для получения аналогичного результата в случае обратного канала необходимо ис­пользовать временную синхронизацию с обратной связью, что не предусмотрено в IS-95. Уменьшить сложность системы можно за счет увеличения интерференции

оло

внутри ячейки. В широкополосном стандарте CDMA третьего поколения (wideband CDMA — WCDMA) такая возможность предусмотрена [38].

Последние шаги, представленные на рис. 12.40, соответствуют широкополосному (1,25 МГц) фильтрованию на фильтре с конечной импульсной характеристикой, а также смешиванию несущей с использованием расширения QPSK и модуляции BPSK. Идентичные кодированные сигналы одновременно присутствуют в синфазном и квадратурном каналах, однако из-за шифрования коротким кодом эти сигналы от­личаются друг от друга.

12.8.4.2. Обратный канал связи

Уплотненный сигнал, передаваемый каждой базовой станцией, состоит из 64 ка­налов, причем для передачи данных могут использоваться лишь 61 из них (или меньше). Однако при связи в обратном направлении (мобильное устройство­базовая станция) передается единичный сигнал (канал), который может содержать данные или запрос на доступ к сети. На рис. 12.43 представлена упрощенная блок-схема передачи сигнала с использованием обратного канала. Общая структу­ра аналогична существующей в прямом канале (рис. 12.40), однако существуют некоторые существенные отличия. В стандарте IS-95 не поддерживается примене­ние обратных управляющих каналов, поскольку для каждого мобильного устрой­ства был бы необходим отдельный канал такого типа. В стандарте IS-2000 для ка­ждого обратного канала связи резервируется управляющий канал. Поскольку об­ратный канал менее устойчив по сравнению с прямым, для улучшения работы системы применяется более эффективный сверточный код (степень кодирования 1/3). Следует также отметить, что после обработки устройством временного уп­лотнения импульсных сигналов биты канала модулируют 64-разрядный код Уол­ша. Этот код аналогичен используемому для распределения по каналам при пере­даче по прямому каналу. Однако при обратной связи коды Уолша используются для прямо противоположной цели — они играют роль модулирующих волн. При скорости передачи данных, равной 9,6 Кбит/с, два бита данных (после кодирова­ния трансформируются в шесть канальных битов, иногда называемых кодовыми символами) после разделения отображаются одним из 64 ортогональных сигналов Уолша, который впоследствии и передается. Скорость передачи символов Уолша равна

R_w = ——— = ^R(^n,k}: ——1..*? _ 4goo символов Уолша / с. (12.69)

log 2 м log₂ Мб

Здесь скорость передачи канальных битов R_c равна произведению скорости пере­дачи данных и обратной интенсивности кода, или R(n/k). Каждый из 64-разрядных кодов Уолша состоит из 64 элементов, называемых элементарными сигналами Уол­ша. Исходя из уравнения (12.69), скорость передачи элементарных сигналов Уол­ша составляет 64 х 4800 = 307 200 сигналов/с. Следовательно, результатом моду­ляции является расширение спектра (однако не до полной ширины полосы). Элементарные сигналы Уолша повторяются 4 раза, и окончательная скорость пе­редачи данных составляет 1,2288 миллионов элементарных сигналов в секунду.

опо

Может возникнуть вопрос, почему в качестве модулирующих волн были выбра­ны 64-ричные функции Уолша. Вспомним компромиссы между параметрами кана­лов, ограниченных по мощности (раздел 9.7.3). Для сохранения мощности за счет уменьшения ширины полосы было бы логично использовать М-арную частотную манипуляцию, например, MFSK. По мере возрастания М ширина полосы будет уве-» личиваться и одновременно будет снижаться отношение EJN§, необходимое для по­лучения заданного уровня достоверности передачи. Использование подобного мето­да передачи сигнала для низкочастотной системы является компромиссным реше­нием, поскольку снижение необходимого уровня мощности достигается за счет увеличения ширины полосы. Однако для систем расширенного спектра, соответст­вующих стандарту IS-95, применение 64-ричных функций Уолша для модуляции можно описать как “бесплатное приобретение”, поскольку система уже использует расширенную полосу в 1,25 МГц. Применение 64-ричных ортогональных функций не приводит к дальнейшему расширению полосы. Если представить, что форма им­пульсов на графике функций Уолша (рис. 12.41) несколько округлена, то не напом­нило бы вам это форму сигналов MFSK? Да, графики этих двух функций весьма похожи. В общем случае базовая станция детектирует 64-ричные функции Уолша некогерентно, что аналогично детектированию 64-ричных тонов FSK. Нужно отме­тить, что некоторые типы приемников базовых станций используют когерентный метод детектирования, что позволяет выиграть 1-2 дБ.

Дата добавления: 2015-10-28