3.4 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 ÷ скорость передачи чипов = 3,0·10⁸мс^–1÷ 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 системеIS-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.

На рис. 3.5 показан примерный вид быстрого замирания, воспринимаемый по поступающей энергии сигнала при конкретном значении временной задержки при движении приемника. Мы видим, что мощность принимаемого сигнала может резко падать (на 20 – 30 дБ), когда происходит фазовое подавление за счет отражений при многолучевом распространении. В определенных геометрических условиях, вызывающих явления замирания и рассеяния, изме-

Рис. 3.4.Многолучевое распространение приводит к получению

многолучевого профиля задержки

нения сигнала, обусловленные быстрыми замираниями, 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 (см. для примера [5] и [6]). Эти перепады энергии, обусловленные замираниями, делают прием передаваемых битов данных без ошибок делом весьма затруднительным, поэтому в WCDMAнеобходимо 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 каналыRake, 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. 

   1-трактовый рэлеевский канал с замираниями

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

Рис.3.5.Быстрые рэлеевские замирания, вызванные

многолучевым распространением

На рис. 3.6 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 WCDMAиспользует 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).

Рис. 3.6.Принцип сложения по максимальному отношению

в приемнике Rake CDMA

В соответствии с этими принципами на рис. 3.7 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.

Рис. 3.7 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.