CDMA. Общее описание и преимущества. 1. Общее описание и преимущества 1 История развития
 Скачать 0.81 Mb.
|
|
PN-сигнал В корреляторе неинвертированный PN-код, близко совпадающий с локальным PN-кодом, генерирует бит информации "0". В то же время последовательность, соответствующая "1", приводит к полной декорреляции, так как для этого информационного бита PN-код инвертирован. Таким образом, коррелятор будет производить поток единиц для инвертированной PN- последовательности и поток нулей - для неинвертированной, что в конечном счете и будет означать восстановление переданной информации.. Иногда для передачи результирующего битового потока используется фазовый сдвиг 180 градусов, который называется двоичной фазовой модуляцией (манипуляцией) (binary phase- shift keying - BPSK) . Или же (чаще всего) передача реализуется квадратурно-фазовой модуляцией (quadrature phase-shift keying - QPSK), то есть одновременно передается по два бита (число от 0 до 4), закодированных четырьмя различными сдвигами фаз несущей частоты . Передатчик с одним PN-кодом не может создать точно те же боковые полосы (спектральные составляющие) как другой передатчик, использующий другой PN-код. Перемножение принятого сигнала и сигнала такого же источника псевдослучайного шума (ПСП), который использовался в передатчике, сжимает спектр полезного сигнала и одновременно расширяет спектр фонового шума и других источников интерференционных помех. Результирующий выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе приемника есть функция отношения ширины полос широкополосного и базового сигналов: чем больше расширение спектра, тем больше выигрыш. Во временной области - это функция отношения скорости передачи цифрового потока в радиоканале к скорости передачи базового информационного сигнала. Для стандарта IS-95 отношение составляет 128 раз, или 21 дБ. Это позволяет системе работать при уровне интерференционных помех, превышающих уровень полезного сигнала на 18 дБ, так как обработка сигнала на выходе приемника требует превышения уровня сигнала над уровнем помех всего на 3 дБ. В реальных условиях уровень помех значительно меньше. Кроме того, расширение спектра сигнала (до 1,23 МГц) можно рассматривать как применение методов частотного разнесения приема. Сигнал при распространении в радиотракте подвергается замираниям вследствие многолучевого характера распространения. В частотной области это явление можно представить как воздействие режекторного фильтра с изменяющейся шириной полосы режекции (обычно не более чем на 300 кГц). В стандарте AMPS это соответствует подавлению десяти каналов, а в системе CDMA подавляется лишь около 25% спектра сигнала, что не вызывает особых затруднений при восстановлении сигнала в приемнике. Чрезвычайно полезное свойство DSSS-устройств заключается в том, что благодаря очень низкому уровню мощности своего сигнала они практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), так как эти последние принимают широкополосный сигнал за шум в пределах допустимого. В другую же сторону - обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности "шумят" каждый только в своем узком канале и не могут заглушить широкополосный сигнал весь целиком. Это как если бы тонким карандашом, но крупно написанная буква была бы заштрихована жирным фломастером - если штрихи легли не подряд, мы сможем прочесть букву. В результате можно сказать, что использование широкополосных технологий дает возможность использовать один и тот же участок радиоспектра дважды - обычными узкополосными устройствами и "поверх них" - широкополосными .(например, сети AMPS/D-AMPS и IS-95) Суммируя, мы можем выделить следующие свойства ШПС-технологии, по крайней мере для метода прямой последовательности: Помехозащищенность. Не создаются помехи другим устройствам. Конфиденциальность передач. Экономичность при массовом производстве. Возможность повторного использования одного и того же участка спектра. 2.1.1 MC-CDMA (Multi Carrier - CDMA) Данный метод является разновидностью DSSS . В 1993 г., Институт Технологий Связи (Institute for Communications Technology ) представил новую синхронную схему совместного доступа. Предложенная схема объединяет преимущества метода DS-CDMA с эффективным Ортогональным Мультиплексированием с Разделением Частоты (OFDM) . Новая схема совместного доступа упоминается как многочастотная CDMA (MC-CDMA) или как OFDM-CDMA , и характеризуется высокой гибкостью и эффективностью использования частотного диапазона, сравнимой с DS-CDMA. В системе MC-CDMA биты после канального кодирования преобразуются в чипы путем перемножения с кодовой последовательностью разделения пользователей, что необходимо для минимизации интерференции между абонентам. Для формирования этих кодов используется ортогональные функции Уолша . Ключевое свойство системы MC-CDMA в том, что все чипы, сопоставленные одному биту кода , передаются п араллельно в узкополосных подканалах , с применением OFDM. Наглядно это можно представить себе , рассмотрев эту технологию на основе стандарта 802.11. Представим, что вся используемая " широкая " полоса частот делится на некоторое число подканалов - (по стандарту 802.11 этих каналов 11 ). Каждый передаваемый бит информации превращается, по определенному алгоритму, в последовательность из 11 бит, и эти 11 бит передаются одновременно и параллельно, используя все 11 подканалов. При приеме, полученная последовательность бит декодируется с использованием того же алгоритма, что и при ее кодировке. Другая пара приемник-передатчик может использовать другой алгоритм кодировки- декодировки, и таких различных алгоритмов может быть очень много. Очевидный результат применения этого метода - защита передаваемой информации от подслушивания ("чужой" приемник использует другой алгоритм и не сможет декодировать информацию не от своего передатчика). Но более важным оказалось другое свойство описываемого метода. Оно заключается в том, что благодаря 11- кратной избыточности передачи можно обойтись сигналом очень маленькой мощности (по сравнению с уровнем мощности сигнала при использовании обычной узкополосной технологии), не увеличивая при этом размеров антенн. При этом сильно уменьшается отношение уровня передаваемого сигнала к уровню шума, (т.е. случайных или преднамеренных помех), так что передаваемый сигнал уже как бы неразличим в общем шуме. Но благодаря его 11-кратной избыточности принимающее устройство все же сумеет его распознать. Это как если бы нам написали 11 раз одно и то же слово, и некоторые экземпляры оказались бы написаны неразборчивым почерком, другие полустерты или на обгоревшем клочке бумаги - но все равно в большинстве случаев мы сумеем определить, что это за слово, сравнив все 11 экземпляров. На данном этапе для систем MС-CDMA используется полоса частот в 1.25 Мгц с разделением на 512 поднесущих . Как установлено в ходе тестирования, они менее чувствительны к проблеме "ближней-дальней" зоны, чем DS-CDMA системы. 2.2 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Скачкообразное изменение частоты несущей во втором способе (рис. 2 ), осуществляется за счет быстрой перестройки выходной частоты синтезатора в соответствии с законом формирования псевдослучайной последовательности ( ППРЧ, Frequency hopping CDMA [FHSS-CDMA] ). Каждая несущая частота и связанные с ней боковые полосы должны оставаться в пределах ширины полосы, определяемой FCC. Только в случае, когда предполагаемый получатель знает последовательность прыжков частоты передатчика, его приемник может следовать этим прыжкам частоты. Рис. 2 При кодировке по методу частотных скачков ( FHSS ) вся отведенная для передач полоса частот подразделяется на некоторое количество подканалов (по стандарту 802.11 этих каналов 79). Каждый передатчик в каждый данный момент использует только один из этих подканалов , регулярно перескакивая с одного подканала на другой. Стандарт 802.11 не фиксирует частоту таких скачков - она может задаваться по-разному в каждой стране. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике по заранее определенной псевдослучайной последовательности, известной обоим; ясно, что не зная последовательности переключений, принять передачу также нельзя. Другая пара передатчик-приемник будет использовать другую последовательность переключений частот, заданную независимо от первой. В одной полосе частот и на одной территории прямой видимости (в одной "ячейке") таких последовательностей может быть много. Ясно, что при возрастании числа одновременных передач возрастает и вероятность коллизий, когда, например, два передатчика одновременно перескочили на частоту № 45, каждый в соответствии со своей последовательностью, и заглушили друг друга. Для случаев, когда два передатчика пытаются использовать ту же самую частоту одновременно, предусмотрен протокол разрешения столкновений, по которому передатчик делает попытку повторно послать данные на следующей в последовательности частоте. Ниже приводятся диаграммы для некоторых видов частотной манипуляции (ЧМ) FHSS с разными размерностями базового набора частот. Медленные " прыжки": Длительность передачи символа меньше времени нахождения на одной из подчастот. (т.е. , на каждом подканале может быть передано более одного символа) Рис. 2.0.1 .Быстрые "прыжки" : Длительность передачи символа больше времени нахождения на одной из подчастот ( на каждом подканале передается лишь часть кода символа). Рис.2.0.2 Как видно на нижней диаграмме, каждый символ передается одновременно на 2-х подчастотах , число чипов L=2. Рис 2.0.3 Двоичная ЧМ занимает только часть общего диапазона. Приемник осуществляет прием и принимает решение о принятом символе по мягкому или жесткому алгоритму. 2.2.1 Быстрая ППРЧ ЧМ в условиях многостанционного доступа Передатчик имеет в своем составе: Преобразователь " бит->символ "; M-позиционный. Перемножитель с адресным кодом ( для абонентского разделения ) Синтезатор частот. Представление сигналов посредством матрицы показывают планы частотного распределения Пример: M=8 (8-позиционная ЧМ), L=4 (4 чипа/символ) Рис.2.0.4 Каждый символ перемножается с адресным кодом корреспондента. Таким образом, исходный бит информации расширяется до 4-х (вводится избыточность), затем по определенному алгоритму в соответствии с адресом корреспондента формируется выходная параллельная частотная последовательность. Рис.2.0.5. На приеме происходит свертка сигнала в соответствии с принятым алгоритмом и адресной частью, как показано рис2.0.5 Метод частотных скачков, так же как и описанный выше метод прямой последовательности, обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач, устойчивость к селективным замираниям. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-нибудь из 79 подканалов передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом, и передача этого пакета повторяется на одном из следующих (в последовательности скачков) подканалов. С другой стороны, поскольку при использовании метода частотных скачков, в отличие от метода прямой последовательности, на каждом подканале передача ведется на достаточно большой мощности (сравнимой с мощностью обычных узкополосных передатчиков), про этот метод нельзя сказать, что он не мешает другим видам передач 2.3. Сравнение методов Сравнивнительный анализ двух методов показывает, что метод со скачками по частоте в общем случае обеспечивает лучшую избирательность по соседнему каналу . Однако, существующие правила требуют использования большого числа каналов псевдослучайным образом для обеспечения равномерной загрузки частотного диапазона. Селективное использование избранных каналов в методе FH запрещено. FCC позволяет FH-системам определять свой собственный канал, с шириной полосы частот вплоть до 1 MHz на 2.4 GHz. Время, в течение которого сигнал может присутствовать на любом из каналов, называется интервалом . Для устранения помех стандартному пользователю FCC требует, чтобы интервал был очень коротким и не превышал 10 миллисекунд, а количество каналов должно быть не меньше заданной величины. В нашей стране данный метод не получил широкого распространения из-за высокой стоимости госпошлин при регистрации радиооборудования в ГосСвязьнадзоре. Пользователи систем Direct Sequence (DS) имеют определенную свободу в выборе каналов, что может улучшить надежность при работе в сильно загруженных диапазонах. DS-сигнал имеет меньшую мощность на заданной частоте, чем более узкополосный FH-сигнал. Иногда говорят, что DS - сигнал со своим расширенным спектром имеет худшее отношение сигнал-шум, чем более узкий (в каждый момент времени) FH сигнал. Смысл в том, что DS - модуляция приводит к понижению мощности сигнала на каждой конкретной частоте. Тем не менее прирост уровня полезного сигнала в процессе обработки в корреляторе восстанавливает явный недостаток мощности, когда коррелятор свертывает сигнал обратно вплоть до ширины полосы частот данных. В этом случае говорят об эффекте прироста сигнала в процессе корреляции ( processing gain of the despreading correlation process ). Это приводит к увеличению отношения сигнал-шум, что и необходимо для успешной передачи данных. Увеличение прироста соответствует количеству чипов на бит данных и может регулироваться разработчиком системы для получения необходимых характеристик системы. В действительности DS Spread Spectrum сигнал может быть принят, даже если уровень его сигнала ниже уровня шума. 2.4 Математическая база 2.4.1 Характеристики шумоподобных сигналов Важным параметром ШПС-системы является ( processing gain )- выигрыш при обработке (ВО). ВО показывает степень улучшения отношения сигнал/шум при преобразовании полученного приемником шумоподобного сигнала в требуемый информационный сигнал. Эта процедура получила название сжатия или дераспределения (despreading) Согласно классическому определению, ВО равен: BO = 10 Lg [C k / C и ] . C k - частота следования чипов псевдослучайной последовательности, чип/с; C и - скорость передачи информации, бит/с. По этому определению система, которая имеет скорость передачи информации 1 Мбит/с и частоту следования чипов 11 Мчип/с (а значит, каждый бит информации кодируется псевдослучайной последовательностью из 11 битов), будет иметь ВО, равный 10,41 дБ. Полученный результат показывает, что работоспособность системы передачи информации сохранится с тем же коэффициентом BER, если полезный сигнал на входе уменьшится на 10,41 дБ. В обычных коммерческих шумоподобных радиомодемах, таких как Arlan , Wavelan и т.п., наибольшее значение зачастую уделяется скорости передачи информации, а не скрытности или помехоустойчивости. Поскольку инструкциями Федеральной комиссии по связи в США для подобных устройств предусмотрено минимальное значение ВО = 10 дБ , а также выделена минимально допустимая ширина полосы частот одного канала (что накладывает ограничения на максимальную частоту следования чипов С k ), то длина псевдослучайной кодовой последовательности должна быть не менее 10 чипов на бит . Обычно для выполнение этого условия используется код Баркера длиной 11 чипов. Если увеличить длину кодовой последовательности до 64 чипов на бит (это максимально возможная длина для известного процессора ШПС Z87200 фирмы Zilog), то при той же частоте следования чипов 11 Мчип/с выигрыш при обработке будет 10Lg (64) = 18,06 дБ, а скорость передачи информации уменьшится в 64:11= 5,8 раза. Для использования в ШПС-системе кодовые последовательности должны обладать определенными математическими и другими свойствами, основные из которых - хорошие автокорреляционные и взаимокорреляционные свойства. Кроме того, кодовая последовательность должна быть сбалансирована, то есть число единиц и нулей в ней должно отличаться не более чем на один символ Последнее требование важно для исключения постоянной составляющей информационного сигнала В итоге приемник сравнивает полученную кодовую последовательность с точной ее копией, хранящейся в памяти. Когда он обнаруживает корреляцию между ними, то переходит в режим приема информации, устанавливает синхронизацию и начинает операцию декодирования полезной информации. Любые частичные корреляции могут привести к ложному срабатыванию и нарушению работы приемника, вот почему кодовая последовательность должна обладать хорошими корреляционными свойствами. Рассмотрим понятие корреляции более подробно. 2.4.2. Корреляция Корреляция — фундаментальный процесс в Spread Spectrum системах, обеспечивающий выделение сигналов. Корреляция определяет степень подобия двух сигналов . Подобие часто выражается числом между нулем и единицей. Полное соответствие обычно обозначается нулем. Частные пары выдают значения между единицей и нулем, в зависимости от их схожести. В Spread Spectrum приемнике корреляция используется для выделения сигнала, который был кодирован с проектированной последовательностью. Корреляция выполняется схемой, известной как коррелятор . Коррелятор обычно состоит из смесителя , который совмещен с узкополосным фильтром , выделяющим среднюю составляющую (рис.3) . Два сигнала, которые нужно сравнить, перемножаются в смесителе. Совпадение сигналов выдает высокое значение выходного сигнала. При различии в сигналах выходной сигнал будет ниже в зависимости от того, как различны сравниваемые сигналы. |