8 Формирование сигнала в системе utra

Формирование сигнала в системе UTRA с технологией CDMA предусматривает такие операции, как канальное кодирование, перемеживание, согласование скоростей, формирование каналообразующих кодов, расширение спектра и модуляцию.

В системе UTRA предусмотрено использование четырех вариантов кодирования: сверточное кодирование, каскадное кодирование (код Рида-Соломона+внешнее перемеживание+сверточное кодирование), турбокодирование и специальное кодирование. Применение того или другого варианта кодирования определяется требованиями к допустимой вероятности ошибки на бит (BER). Возможные варианты кодирование приведено на рис.8.

Рисунок 9 - Варианты кодирования в системах 3G

При передаче речевого трафика необходимое значение вероятности ошибки не больше . Такую вероятность ошибки можно обеспечить с использованием сверточного кодирования со скоростью в низкоскоростных каналах и со скоростью в каналах управления с кодовым ограничением во всех вариантах.

При передаче данных допустимая величина вероятности ошибки не больше . Для обеспечения этого требования применяется каскадное кодирование, в котором используется сверточное кодирование в соединении с кодом Рида-Соломона и перемеживанием.

Значение коэффициентов, которые определяют структуру многочленов сверточного кода в восьмилетней форме для имеет вид, соответственно:

а для

.

Турбокодирование считается целесообразно использовать в высокоскоростных каналах со скоростью передачи 32 кбит/с и битовой вероятностью ошибки не более чем, .

Специальное кодирование обеспечивает разную степень защиты от ошибок для разных сообщений (пакетов). Специальное кодирование реализуется путем изменения чрезмерности в переданных данных. Такое кодирование обеспечивает разную степень защиты переданных сообщений. Так, например, для некоторых типов кодеров речевой поток делится на пакеты, каждый из которых передается с разной степенью защиты.

Глубина перемеживания в транспортных каналах в пределах одного кадра может принимать значение 10 мс, 20 мс, 40 мс и 80 мс в зависимости от требований к задержке информации.

Внешнее перемеживание осуществляется на ширину блока, обусловленного длиной кода Рида-Соломона. Глубина поблочного перемеживания изменяется в пределах от 20 до 150 мс.

Согласование скоростей предусматривает два режима: статическое согласование и динамическое согласование.

Статическое согласование осуществляется каждый раз, когда транспортный канал прибавляется в сеть или изымается из сети и имеет целью изменить скорость транспортного канала для обеспечения требований к качеству обслуживания при минимальных ресурсах системы. Технически статическое согласование реализуется путем n-кратного повторения символов или периодического исключения j-го символа. Статическое согласование осуществляется к мультиплексированию каналов.

Динамическое согласование скоростей выполняется после мультиплексирования каналов и обеспечивает согласование мгновенной скорости группового транспортного канала с пропускной способностью физического канала.

Поскольку на АС для передачи могут использоваться несколько выделенных каналов данных DPDCH (мультикодовая передача), то предусмотрены мероприятия, которые обеспечивают их разделение.

Разделение каналов данных DPDCH в линии “вверх” осуществляется на основе синхронизированных между собой ортогональных каналообразующих кодов со сменным расширением спектра сигнала (OVSF). Алгоритм формирования таких кодов рассмотрен раньше и представляется в виде двоичного кодового дерева. На каждой итерации кодовая последовательность, которая получена на предыдущем шаге (С_i), превращается в две новые удвоенной длины. Причем, (в соответствии алгоритму формирования кодов Уолша) одна из последовательностей является двукратным повторением предыдущей (С_i С_i), а вторая – повторением предыдущей и ее инвертированного значения (С_i- С_i). За К итераций можно получить 2^k последовательностей (кодов, функций) Уолша длиной L=2^k каждая. Параметр (коэффициент расширения) в линии “вверх” может принимать значение от 2-х до 8-ми, т.е. следует заметить, что полученные при этом кодовые последовательности представляют собой функции Уолша. Таким образом, минимальная длина кодовой комбинации Уолша равняется 4-м разрядам, а максимальная – 256. Изменением длины кодовых слов осуществляется управление скоростью передачи (ее изменение). Так как длительность одного чипа фиксированная (неизменная), то изменение продолжительности бита (изменение скорости передачи информационных символов) автоматически изменяет соотношение между продолжительностью бита и чипа, т.е. базы ШПС (англоязычная аббревиатура SF – spread factor – коэффициент расширения спектра). Минимальная величина коэффициента расширения SF=4, что отвечает скорости передачи Мбит/с.

Если, кроме того, необходимо увеличить скорость передачи, то АС может передавать информацию по несколько (до 6) параллельным каналам DPDCH с одинаковыми и равными значениями коэффициента расширения спектра SF. При SF=4 достигается максимальная скорость передачи по каналу DPDCH.

Как известно, уменьшение коэффициента SF (базы ) уменьшает выигрыш в соотношении сигнал/шум по мощности на выходе приемника . Возможное использование ШПС с небольшой базой (4, 8,...) предусмотрено в случаях, когда взаимные (системные) помехи практически отсутствуют (в микросотах в середине помещения). Приводятся и другие предположения, в которых указывается на возможность использования на БС так названного многопользовательского приемника, который обеспечивает более высокую скорость защищенности сигнала от интермодуляционных помех, чем корреляционный приемник, который используется.

В линии “вниз” для деления каналов используются такие же каналообразующие коды, как и в линии “вверх” с диапазоном возможного расширения спектра от 4 до 512. Следует заметить, что при работе с разными скоростями в разных каналах приходится использовать каналообразующие коды с разным коэффициентом расширения спектра FT (с разной базой сигнала). Вместе с тем, функции (коды) Уолша разной длины сохраняют ортогональность на минимальной из длин, если ни одна из них не является составной частью другой, более длинной. Это обстоятельство усложняет процесс присвоения кодовых последовательностей Уолша физическим каналам в линии “вниз”. Действительно, каждая АС может использовать любую последовательность Уолша из общего числа, так как абонентская станция отличается от любой другой АС данной ячейки маской - уникальным кодом скремблирования. В линии же “вниз” скремблирующий код для всех АС данной ячейки тот самый и служит для деления сигналов лишь между разными БС. Таким образом, мобильная емкость полностью зависит от каналообразующих кодов. Именно этот фактор существенным образом усложняет управление кодовым ресурсом в линии “вниз”. Задача управления оказывается сложной задачей динамического управления кодовым ресурсом, который решается на уровне координации сети в целом.

Для расширения спектра сигнала в системе стандарта UTRA используются длинные и короткие скремблирующие коды . Кодовые последовательности могут быть представлены в виде комплексной последовательности .

В первом случае длинные коды последовательности представляют собой соответствующим образом сформированные последовательности Голда. Последовательности Голда формируются на основе двух М-последовательностей, структура которых определяется полиномами и .

В линии “вверх” скремблирование мультиплексированого сигнала АС происходит последовательностью Голда длиной , уменьшенной до 38400 чипов, т.е. к длине одного кадра. Эта последовательность (длинный код) является идентификатором АС. Усечение длины последовательности Голда в принципе ухудшает ее корреляционные свойства. Однако простота формирования большого их числа (до ) оправдывает использование последовательностей Голда. Каждая скремблирующая последовательность четко синхронизирована со временной шкалой АС, так что начало кадра совпадает с первым символом последовательности Голда, что повторяется в каждом кадре.

Операция скремблирования осуществляется в квадратурном модуляторе путем перемножения комплексного сигнала со скремблирующим длинным кодом.

Сигнал, который скремблируется, делится на два потока: поток непарных и поток парных разрядов. Один из них поступает в синфазную, а второй – в квадратурный подканал модулятора. В результате сигнал, который скремблируется, можно представить в комплексном виде, который содержит синфазную (действительную) часть и квадратурную (мнимую) часть , т.е. . Предположим, что скремблирующий сигнал также можно представить в виде комплексного – . Тогда произведение комплексных сигналов определяется соотношением

.

Структурную схему устройства, которое реализует комплексное скремблирование, представлено на рис.10.

Рисунок 10 - Структурная схема устройства, которое реализует комплексное скремблирование.

В комплексном скремблирующем коде как действительная часть использует усеченную до 38400 чипов последовательность Голда, так же исходящая последовательность Голда (не усеченная) сдвигается на 16777 216 чипа, после чего ее длина уменьшается до 38400 чипов. Потом все непарные чипы заменяются на инверсии предыдущих парных чипов. Произведение полученного результата с действительной частью и используется как мнимая часть скремблирующего кода. Такое построение скремблирующего кода вдвое уменьшает частоту перехода QPSK-сигнала в противоположное состояние, которое облегчает энергетический режим передатчика.

Кроме длинных скремблирующих кодов в линии “вверх” могут использоваться короткие скремблирующие коды в виде расширенных последовательностей Касами длиной 256 символов. Использование коротких скремблирующих кодов предполагается в случаях применения более продвинутых многопользовательских приемников. Использование длинных скремблирующих кодов привело бы к важному осложнению структуры приемника.

Скремблирующие коды обеспечивают не только идентификацию АС (разделение сигналов разных АС), но и разделяют один от другого каналы общего пользования (PCDCH, PRACH) от выделенных каналов (DPDCH, DPCCH). Формирование скремблирующих кодов, их структура, алгоритмы обеспечения соответствия конкретных последовательностей тем или другим каналам определены соответствующими спецификациями.

Скремблирующие коды в линии “вниз” обеспечивают разделение сигналов разных БС. В качестве скремблирующих кодов используются последовательности Голда, построенные на основе М-последовательностей одинаковой длины, структура которых отвечает полиномам

і.

После поэлементного суммирования по модулю “2” двух М-последовательностей, сдвинутых одна от одной на некоторую величину, получается одна из последовательностей Голда длиной . Общее число последовательностей Голда (кроме исходных М-последовательностей) . Из этого числа последовательностей Голда используются последовательностей. Дальше длина каждой последовательности уменьшается до 38400 символов, нули заменяются на +1, а единицы - на -1. Эти последовательности используются в качестве действительной (синфазной) части комплексного скремблирующего кода. В качестве мнимой (квадратурной) части скремблирующего кода используются те же сдвинутые на 13072 символа последовательности Голда.

Все 8192 скремблирующие коды разделены на 16 множеств по 512 кодов, каждое из которых разделено на 64 группы по 8 кодов в каждой группе. Каждой БС присваивается только один код. Группирование кодов обеспечивает более быстрый поиск ячеек, особенно при вхождении в синхронизм.