O scurtă trecere în revistă a principalilor parametri ai WCDMA
Tabelul 3.1. Parametrii de bază ai WCDMA
În celelalte secțiuni ale acestui capitol, analizăm pe scurt principiile generale ale operării CDMA. În următoarele capitole, aspectele de mai sus care disting standardul WCDMA vor fi prezentate și explicate mai detaliat. Principiile de bază ale CDMA sunt, de asemenea, descrise în literatură [1], [2], [3] și [4].
Figura 3.1. Alocarea lățimii de bandă WCDMA în spațiul de coduri de timp-frecvență
Extindere și compresie
În Fig. 3.2 prezintă operațiile de bază la extinderea și comprimarea spectrului sistemului DS-CDMA.
Fig. 3.2. Extinderea și comprimarea în DS-CDMA
Se presupune că aici datele de utilizator sunt o secvență de biți cu două poziții de schimbare a fazei (BPSK) transmisă la o rată de R, în care biții de date de utilizator au o valoare de ± 1. Operația de expansiune din acest exemplu este multiplicarea fiecărui bit de date de utilizator printr-o secvență de biți de coduri de 8, numite chips-uri. Presupunem că acest lucru se aplică și modulației extensiei utilizând BPSK. Vedem că datele rezultate sunt transmise la o viteză de 8 R și au același aspect aleator (asemănător zgomotului) ca și codul de expansiune. În acest caz, putem spune că am folosit un factor de extindere de 8. Acest semnal de bandă largă este apoi transmis fără fir la capătul receptorului.
În timpul comprimării, se multiplică secvența extinsă a datelor de utilizator / cip, bit-by-bit, cu aceleași șase cipuri de cod care au fost utilizate în timpul extinderii acestor biți. După cum se arată în figura 3.2, secvența de biți originală a utilizatorului este perfect restaurată, cu condiția să avem o sincronizare precisă a semnalului extins al utilizatorului și o copie exactă a codului de extensie (compresie).
Înmulțirea ratei de transmisie a semnalului cu un factor de 8 corespunde unei extinderi (cu un factor de 8) a spectrului ocupat de un semnal extins de date de utilizator. Datorită acestui avantaj, sistemele CDMA sunt mai des numite sisteme cu spectru extins. Compresia restaurează lățimea de bandă proporțional cu semnalul R.
Principiul de funcționare al receptorului de corelație pentru CDMA este prezentat în Fig. 3.3. Jumătatea superioară a figurii arată recepția unui semnal propriu util. Ca și în Fig. 3.2, aici vedem o operație de compresie cu un cod perfect sincronizat. Receptorul de corelare integrează deci (sumele) produsele rezultate (cod de date) pentru fiecare bit utilizator.
Fig. 3.3. Principiul de funcționare al receptorului de corelare CDMA
Jumătatea inferioară a Fig. 3.3 prezintă efectul asupra operației de comprimare, atunci când se referă la un semnal CDMA altui utilizator, care se crede că semnalul a fost extins folosind codul de împrăștiere diferit. interferențe semnalul rezultatului de multiplicare propriul cod și integrarea produselor rezultate conduc la valori apropiate de semnalul de interferență la 0. După cum se poate observa propriile creșteri de amplitudine a semnalului în coeficientul mediu de expansiune de 8 în raport cu amplitudinea semnalului de utilizator crearea unui alt sistem de interferență, și anume . recepție de corespondență posibilă pentru a crește semnalul util asupra coeficientului de expansiune, în acest caz, de opt ori, în comparație cu semnalul de interferență prezentă în sistemul CDMA. Acest efect se numește „câștig în raport / zgomot de semnal în procesarea semnalelor“, și este un parametru fundamental pentru toate sistemele CDMA și, în general, la toate sistemele de spectru împrăștiat. Câștigul în raport / zgomot de semnal în procesarea semnalului - aceasta este ceea ce face sistemul robust împotriva interferențelor interne CDMA, și este necesar să se reutilizeze transportator existent cu o frecvență de 5 MHz la distanțe apropiate geografic.
Să dăm un exemplu cu parametrii reali ai WCDMA. Transmisia de vorbire la o rată de 12,2 Kbps oferă un câștig de procesare de 25 dB = 10 log10 (3,84 e6 / 12,2e3). După compresie, este necesar ca puterea semnalului, de regulă, să fie mai multe decibeli mai mari decât puterea de interferență și de zgomot. Densitatea de putere necesară în ceea ce privește densitatea de putere de interferență din această carte este desemnată ca Eb / N0, unde Eb este densitatea de energie sau de putere per utilizator și N0 este densitatea de putere a interferențelor și a zgomotului. Pentru transmisia vocală, Eb / N0 este de obicei de aproximativ 5,0 dB, iar raportul de interferență de bandă largă necesară este, prin urmare, de 5,0 dB minus câștigul la procesare = 20,0 dB. Cu alte cuvinte, puterea semnalului poate fi cu 20 dB sub puterea de interferență și zgomotul termic, iar receptorul WCDMA va putea totuși să primească semnalul. Raportul dintre semnalul de bandă largă și interferență se numește și raportul semnal-interferență la frecvența purtătoare C / I. Datorită extinderii și comprimării C / I în WCDMA poate fi mai mică decât, de exemplu, în GSM. Traficul de vorbire în GSM necesită C / I = 9 12 dB.
Deoarece semnalul de bandă largă poate fi mai mic decât nivelul de zgomot termic, recepția sa este dificilă fără a cunoaște secvența de împrăștiere. Din acest motiv, sistemele de spectru împrăștiat au fost întâlnite pentru aplicații militare, unde natura de bandă largă a semnalului face posibila ascunderea acestuia sub zgomot termic care funcționează în mod constant.
Rețineți că la o anumită lățime de bandă a canalului (rata transferului de cip) vom avea un câștig mai mare în prelucrare pentru rate de date mai mici ale utilizatorilor decât pentru cele mai mari. În special, pentru rata de transfer de date de utilizator de 2 MHz, câștigul de procesare este mai mic de 2 (= 3,84Mchip / s. 2Mbit / s = 1,92, ceea ce corespunde cu 2,8 dB) și WCDMA robustețea semnal cu privire la interferența evident compromisă . Caracteristicile WCDMA la viteze mari de transmisie sunt prezentate în secțiunea 11.4.
Ambele stații de bază și stații mobile utilizează în esență acest tip de receptor de corelare pentru modul WCDMA. Cu toate acestea, datorită propagării multipath (și posibil cu antene receptoare multiple), este necesar să se utilizeze un set adecvat de receptoare de corelare pentru a recupera energia din mai multe grinzi și / sau antene. Un astfel de set de receptoare de corelație numite "degete" ("deșeuri"), este ceea ce include conceptul de receptor Rake CDMA. Vom descrie funcționarea receptorului Rake CDMA. Mai multe detalii în secțiunea următoare, dar înainte de aceasta vom face câteva concluzii remarcabile privind conversia de extindere / compresie atunci când o utilizați în sistemele fără fir.
Este important să se înțeleagă că, prin sine de expansiune / compresie nu oferă nici o îmbunătățire a semnalului pentru aplicații fără fir, de fapt, câștigul în raportul semnal / zgomot în procesarea este obținută în detrimentul transmiterii lățimii de bandă a crescut (înmulțit cu valoarea de câștig de procesare) .
Toate avantajele WCDMA sunt mai mult "prin ușa din spate" dincolo de calitatea semnalului de bandă largă atunci când sunt văzute la nivel de sistem, mai degrabă decât la nivelul unui canal radio separat:
Câștigul în raport / zgomot de semnal, împreună cu natura în bandă largă a semnalului sugerează posibilitatea factorului plin de reutilizare a frecvenței este 1 repetare, în diferite celule ale unui sistem wireless (adică, frecvența este reutilizată în fiecare celulă / sector). Această proprietate poate fi utilizată pentru a obține o eficiență spectrală ridicată.
Distribuirea multor utilizatori ai aceluiași operator de bandă largă pentru comunicarea lor oferă diversitate de interferențe, i. E. interferențe atunci când accesul multiplu de la mai mulți utilizatori ai sistemului în medie, iar acest lucru va duce la o creștere a capacității în comparație cu sistemele în cazul în care în planificarea ar trebui să se concentreze pe cel mai rău interferență LES-ceai.
Cu toate acestea, ambele avantaje de mai sus necesită utilizarea gestionării greu de energie și a transferului soft, pentru a evita blocarea semnalului unui utilizator de către altul. Gestionarea puterii și transferul soft vor fi discutate mai târziu în acest capitol.
Atunci când se utilizează un semnal de bandă largă, diferite căi de propagare a semnalului wireless pot primi rezoluție cu o precizie mai mare decât semnalele cu o lățime de bandă mai mică. Acest lucru conduce la posibilități mai diverse de combatere a decolorării și, prin urmare, de îmbunătățire a performanței.
Canale radio multipate și recepție rake
Propagarea undelor radio în canalul comunicațiilor mobile terestre se caracterizează prin prezența unui număr mare de reflexii, difracție și atenuare a energiei semnalului. Motivul pentru toate acestea este obstacole naturale, cum ar fi clădiri, dealuri etc., iar rezultatul este multipath. Multiplicarea propagării conduce la două consecințe pe care le vom lua în considerare în această secțiune.
Energia semnalului (legată, de exemplu, de un singur cip de semnal CDMA) poate ajunge la receptor în momente clar de detectat. Energia primită este "murdară" într-un anumit profil de întârziere pentru propagarea multipath: a se vedea, de exemplu, Fig. 3.4. Intervalul de întârziere în zonele urbane și suburbane, în general, de la 1 la 2 microsecunde, cu toate că, în unele cazuri, în zonele de deal observate întârziere la 20 microsecunde la o energie ridicată semnal suficient. Durata cipului la o rată de transfer de 3,84 Mchip / s este de 0,26 microsecunde. În cazul în care diferența de timp a componentelor multipath va fi de cel puțin 0,26 ms, receptorul WCDMA poate separa componentele multipath și să le combine coerent multipath. Întârzierea de 0,26 ms poate fi obținută în cazul în care diferența de lungime dintre razele va fi de cel puțin 78 m (lumină rată Chip viteză. = 3,0 x 108 ms-1. 3,84 Mchip / s). Dacă diferența de rată cip aproximativ 1 Mchip / s în lungimile razelor componentelor multicale ar trebui să fie de aproximativ 300 m, care nu pot fi obținute în celule mici. Prin urmare, este ușor de văzut că WCDMA cu o frecvență de ceas de 5 MHz poate oferi diversitate de multipath în celule mici, este imposibil în sistemul IS-95.
În plus, pentru o anumită valoare a întârzierii în timp, există, de obicei, o mulțime de raze de lungime aproape egală, peste care se propagă semnalul radio. De exemplu, razele cu o diferență de lungime egală cu jumătate din lungimea de undă (la 2 GHz este de aproximativ 7 cm), ajunge în mod substanțial simultan, comparativ cu raze având o diferență cale de 78 m și între care există o întârziere egală cu durata cip (la o rată de transmisie de 3,84 Mcps / s). Ca urmare, în receptor, care se deplasează chiar și la distanțe mai scurte, există o suprimare a semnalului util, numit o scădere rapidă. Suprimarea semnalului util este cel mai bine reprezentat ca o însumare a mai multor vectori ponderați care primesc defazaj (unde de obicei modulo radio de lungime) și de atenuare a lungul unei direcții predeterminate, la un moment dat.
În Fig. 3.5 prezintă un tip aproximativ de estompare rapidă, perceput de energia semnalului de intrare la o valoare specifică a întârzierii de timp când receptorul se mișcă. Vedem că puterea semnalului recepționat poate scădea brusc (cu 20-30 dB), când supresia de fază apare datorită reflexiilor multipate. În anumite condiții geometrice care provoacă fenomene de atenuare și împrăștiere, schimbările de semnal datorate decolorării rapide apar mai multe ordini de mărime mai des decât modificările profilului mediu de întârziere în propagarea multipath.
Fig. 3.4. Multiplicarea propagării are ca rezultat un profil de întârziere cu mai multe căi
Statisticile privind energia medie a semnalului recepționat într-o perioadă scurtă sunt de obicei bine descrise de distribuția Rayleigh (vezi de exemplu [5] și [6]). Aceste diferențe de energie datorate decolorării fac ca recepția biților de date transmise fără erori să fie o sarcină extrem de dificilă, prin urmare este necesar să se ia măsuri contrare în WCDMA. Astfel de contra-măsuri de atenuare sunt prezentate mai jos.
Energia disipată a semnalelor întârziate constă în utilizarea mai multor canale Rake (reglate la receptorul de corelare) reglate la valorile de întârziere cu care sunt recepționate semnale cu energie semnificativă.
Pentru a atenua problema asociată cu puterea semnalului de decolorare, se utilizează controlul rapid al puterii și recepția diversității de către receptorul Rake.
Utilizați puternic de codificare protocoale și intercalarea pentru a crește semnalul de diversitate de repetiție de transmisie redundanță și de timp, și, astfel, ajută receptorul în recuperarea biții de utilizator expuse la decolorare.
Dinamica propagării undelor radio determină următoarele principii de funcționare la primirea semnalelor CDMA.
Se determină pozițiile de întârziere a semnalelor care ajung la o energie considerabilă și se alocă pentru ei receptoare de corelație, adică acele tractate ale canalelor Rake care sunt reglate la aceste vârfuri. O grilă de măsurători de lungime pentru a obține un profil de întârziere pentru propagarea multipath este de ordinul unui cip (de obicei în intervalul de timp de 0,25 0,5 cip) cu o rată de reîmprospătare de ordinul zecilor de milisecundă.
În fiecare receptor de corelare este necesar să se urmărească schimbarea rapidă a valorilor de fază și amplitudine cauzate de procesul de decolorare a bitului și să se elimine. Acest proces de urmărire ar trebui să fie foarte rapid, cu o rată de reîmprospătare de ordinul 1 ms sau mai mică.
Sumați simbolurile demodulate și ajustate în fază în toate căile active și le transferați la decodor pentru prelucrare ulterioară.
Figura 3.5. Rapid Rayleigh se estompează datorită propagării multipath
În Fig. 3.6 căile de recepție 2 și 3 sunt marcate prin afișarea simbolurilor de modulație (BPSK sau QPSK), precum și prin starea instantanee a canalului sub forma unui vector complex ponderat. Pentru a facilita decizia pe calea 2, WCDMA utilizează simboluri pilot cunoscute care sunt utilizate pentru a sonda canalul și pentru a obține o estimare a stării canalului la un moment dat (valori vectoriale ponderate) pentru o anumită cale. Apoi, simbolul recepționat se rotește în direcția opusă pentru a elimina rotația fazei cauzate de canal. Astfel de simboluri compensate prin canal pot fi adăugate pur și simplu pentru a recupera energia în toate pozițiile care au o întârziere. Această procesare este numită și adăugarea prin raportul maxim (MRC).
Fig. 3.6. Principiul adăugării prin raportul maxim în receptorul Rake CDMA
În conformitate cu aceste principii, Fig. 3.7 este o diagramă bloc a unui receptor Rake cu trei căi. Probele digitalizate ale semnalelor de intrare sunt recepționate din etapele RF de intrare și sunt reprezentate sub formă de ramificații de tip quadrature I și Q (adică în formatul complex de număr al filtrului low-pass la ieșirea receptorului). Generatoarele de coduri și corelatoare efectuează comprimarea și sumarea simbolurilor transmisiei de date de utilizator. Dispozitivul de canal utilizează simboluri pilot pentru a estima starea canalului, efectul acestuia fiind apoi compensat de către schimbătorul de faze pentru simbolurile recepționate. Întârzierea este compensată de diferența de timp de sosire a simbolurilor în fiecare cale. Apoi, combinatorul Rake adaugă simbolurile canalului compensat, asigurând astfel diversitatea multipath ca mijloc de combatere a decolorării.
De asemenea, este afișat un filtru corespunzător utilizat pentru a determina și actualiza profilul curent întârziat cu mai multe căi în canal. Acest profil de întârziere multi-cale măsurat și eventual mediu este apoi utilizat pentru a adăuga semnale de la ieșirile căilor de recepție a rakei cu cele mai mari valori de vârf.
În implementările tipice, Rake receptor efectuează procesarea cu rata de chip (generatorul de cod corelator, filtrul potrivire) se realizează pe ASICs (aplicații specifice circuitelor integrate), în timp ce procesarea la nivelul simbolului (un dispozitiv de estimare de canal, un defazor, un sumator) sunt implementate folosind DSP (procesor de semnal digital). Deși există unele diferențe între receptoarele Rake și WCDMA de pe stația mobilă și de la stația de bază, toate principiile de bază ale lucrării prezentate aici sunt aceleași.
Fig. 3.7 Diagrama bloc a receptorului Rake WCDMA
În cele din urmă, observăm că numărul de antene de receptie poate găzdui la fel de multe raze primite de la o singură antenă: pur și simplu, prin utilizarea de căi suplimentare Rake la antenele, putem lua toată energia dintr-o multitudine de grinzi și antene. Din poziția receptoarelor de rake, de fapt, nu există nicio diferență în aceste două tipuri de recepție a diversității.
Articole similare
-
Sub acoperișul casei sale cum să îmbunătățească comunicațiile celulare
-
Тп - exact - (nord-vest) - tarife megafon - forum de comunicatii mobile si comunicatii celulare
Trimiteți-le prietenilor: