3.3 Расширение и сжатие

На рис. 3.2 показаны основные операции при расширении и сжатии спектра системыDS-CDMA.

Рис. 3.2.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 рисунке 3.2, 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 CDMAчаще называют системами с расширенным спектром. Сжатие восстанавливает ширину полосы частот пропорционально R сигнала.

Принцип действия корреляционного приемника для CDMA показан на рис. 3.3. Верхняя половина рисунка показывает прием полезного собственного сигнала. Как и на рис. 3.2, здесь мы видим операцию сжатия при идеально синхронизированном коде. Затем корреляционный приемник интегрирует (т.е. суммирует) получающиеся произведения (данныекод) для каждого бита пользователя.

Рис. 3.3.Принцип действия корреляционного приемника CDMA

Нижняя половина рис. 3.3 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 какE_b/N₀, гдеE_b энергия или плотность мощности на бит пользователя иN₀ плотность мощности помехи и шума. Для передачи речиE_b/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 приемникWCDMAвсе еще будет способен принимать сигнал. Отношение широкополосного сигнала к помехе называется также отношением сигнал/помеха на частоте несущейC/I. Благодаря расширению и сжатиюC/IвWCDMAможет быть ниже, чем, например вGSM. Речевой трафик вGSMтребуетC/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 ÷ 2Мбит/с=1,92, что соответствует 2,8 дБ), и робастность сигналаWCDMAпо отношению к помехе явно компрометируется. ХарактеристикиWCDMAпри высоких скоростях передачи приводятся в разделе 11.4.

Как базовые станции, так и подвижные станции, для режима WCDMAиспользуют 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 приемникаRakeCDMA. Мы опишем работу приемникаRakeCDMA. 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 WCDMAидут 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.