|
|
| Разместил: |
MAAT  |
| Авторские права |
Автор не установлен. |
| Прикрепленные файлы |
1.  Обзор технологии UMTS (WCDMA) С красивыми картинками :) (1406.6 Kb)
|
|
|
Краткое рассмотрение основных параметров WCDMA
В данном разделе мы представляем основные параметры системного проектирования WCDMA и даем краткое толкование большинства из них. Основные параметры, относящиеся к воздушному интерфейсу WCDMA, приводятся в таблице 3.1. Здесь мы освещаем некоторые вопросы, характеризующие WCDMA.
WCDMA представляет собой систему множественного доступа с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра (DS -CDMA), т.е. биты информации пользователя передаются в широкой полосе частот путем умножения исходного потока данных пользователя на последовательности квазислучайных битов (называемых чипами), являющиеся кодами расширения CDMA. Для обеспечения очень высоких скоростей передачи (до 2 Мбит/с) поддерживается использование переменного коэффициента расширения и мультикодовых комбинаций. Пример организации такой структуры показан на рис. 3.1.
Скорость передачи, равная 3,84 Мчип/с, приводит к занятию полосы приблизительно в 5 МГц. Системы DS-CDMA с шириной полосы около 1 МГц, например, IS-95, обычно называют узкополосными системами CDMA. Присущая системам WCDMA большая ширина полосы на несущей обеспечивает высокие скорости передачи данных пользователя, а также создает определенные преимущества в работе, например в каналах с повышенной многолучевостью. Не нарушая полученной лицензии на работу системы, оператор может иметь несколько таких несущих с полосой 5 МГц для увеличения пропускной способности, возможно, в виде ячеек иерархической структуры. Такое построение показано на рис.3.1. Фактически такое разнесение несущих может быть реализовано и на 200 килогерцовой сетке приблизительно в полосе 4,4 и 5 МГц в зависимости от уровня интерференции несущих.
WCDMA поддерживает самые разные скорости передачи данных пользователя, другими словами, концепция получения ширины полосы по требованию (BoD) достаточно хорошо поддерживается. Каждому пользователю выделяются фреймы длительностью 10 мс, в течение каждого из которых скорость передачи данных пользователя остается постоянной. Однако пропускная способность для передачи данных у пользователя может меняться от фрейма к фрейму. На рис. 3.1 показан пример такой особенности. Быстрое выделение пропускной способности для радиосвязи будет обычно управляться сетью для достижения максимальной пропускной способности при передаче пакетированных данных.
WCDMA поддерживает два основных режима работы: частотное разделение дуплексных каналов (FDD) и временное разделение дуплексных каналов (TDD). В режиме FDD для восходящего и нисходящего каналов используются раздельные несущие с частотой 5 МГц, тогда как в режиме TDD только одна несущая 5 МГц используется для вос-ходящего и нисходящего каналов с разделением прием-передача во времени. Восходящий канал - это канал от подвижной станции к базовой, а нисходящий - от базовой станции к подвижной. Режим TDD в значительной мере основан на концепциях режима FDD и был дополнительно введен, чтобы использовать базовую систему WCDMA так-же и для непарного (несимметричного) распределения спектра, выделенного ITU для систем IMT-2000. Подробно режим TDD описывается в главе 12
WCDMA поддерживает работу асинхронных базовых станций, так что в отличие от синхронной системы IS-95 отсутствует необходимость в глобальной привязке ко времени, например к GPS. Развертывание базовых станций внутри помещений и миниатюрных базовых станций (для пикосот) производится легче, когда не требуется получать сигнал GPS.
WCDMA использует когерентный прием для систем WCDMA в восходящем и нисходящем каналах на основе применения пилот-символов или общих пилот-сигналов. Хотя когерентный прием уже используется в нисходящем канале в IS-95, его применение в восходящем канале является новым для систем CDMA общего пользования и приведет к увеличению общей зоны охвата и пропускной способности восходящего канала.
Воздушный интерфейс WCDMA задуман таким образом, что оператор сети может использовать перспективные концепции построения приемников CDMA, например многопользовательский прием и применение интеллектуальных адаптивных антенн как способ повышения пропускной способности и/или зоны охвата. В большинстве систем второго поколения отсутствуют возможности использования таких концепций построения приемника, и в результате они либо не могут применяться, либо могут применяться лишь с большими ограничениями и дают лишь незначительное улучшение эксплуатационных показателей.
WCDMA предназначена для использования вместе с GSM. Поэтому поддерживаются эстафетные передачи управления (хэндоверы) между GSM и WCDMA для того, чтобы иметь возможность использовать зону охвата GSM для внедрения WCDMA.
Таблица 3.1. Основные параметры WCDMA
В остальных разделах этой главы мы коротко рассмотрим общие принципы работы CDMA. В последующих главах вышеупомянутые аспекты, отличающие стандарт WCDMA, будут представлены и разъяснены более подробно. Основные принципы CDMA изложены также в литературе [1], [2], [3] и [4].
Рис.3.1. Распределение ширины полосы частот в WCDMA во временном-частотном-кодовом пространстве
Расширение и сжатие
На рис. 3.2 показаны основные операции при расширении и сжатии спектра системы DS-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/последовательность 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 CDMA чаще 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 как Eb/N0, где Eb энергия или плотность мощности на бит пользователя и N0 плотность мощности помехи и шума. Для передачи речи Eb/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 приемник WCDMA все еще будет способен принимать сигнал. Отношение широкополосного сигнала к помехе называется также отношением сигнал/помеха на частоте несущей C/I. Благодаря расширению и сжатию C/I в WCDMA может быть ниже, чем, например в GSM. Речевой трафик в GSM требует C/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 сигнала WCDMA по отношению к помехе явно компрометируется. Характеристики WCDMA при высоких скоростях передачи приво-дятся в разделе 11.4.
Как базовые станции, так и подвижные станции, для режима WCDMA используют 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 приемника Rake CDMA. Мы опишем работу приемника Rake CDMA. 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 WCDMA идут скорее "через заднюю дверь" мимо широкополосных качеств сигнала при рассмотрении на системном уровне, а не на уровне отдельного радиоканала:
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.
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 слу-чая.
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.
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.
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.
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 = 3,0·108 мс-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 системе IS-95.
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 бы-стрыми 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, изменения сигнала, обусловленные быстрыми замираниями, происходят на несколько порядков чаще, чем изменения среднего профиля задержки при многолучевом распространении.
Рис. 3.4. Многолучевое распространение приводит к получению многолучевого профиля задержки
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 WCDMA необходимо принимать соответствующие контрмеры. Такие контрмеры по борьбе с замираниями приведены ниже.
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.
Для смягчения проблемы, связанной с замиранием мощности сигнала, используются быстрое управление мощностью и разнесенный прием приемником Rake.
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.
Определить позиции временной задержки сигналов, поступающих со значительной энергией и выделить для них корреляционные приемники, т.е. те тракты каналы Rake, 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.
В каждом корреляционном приемнике требуется проследить быстро изменяющиеся 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.
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 WCDMA использует известные пилотные символы, которые приме-няются для зондирования канала и получения оценки состояния канала в дан-ный 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 симво-лы затем могут просто складываться для восстановления энергии во всех поло-жениях, 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.
|
|
|
| Автор |
Комментарий |
Вебмастер
Редактор
 |
14 Окт 2009 23:20
Но ведь какой-то автор у этой статьи должен быть?
|
Вебмастер
Редактор
|
18 Окт 2009 22:34
Up. И все-таки, откуда статья?
|
MAAT
Участник
|
18 Окт 2009 22:50
Up. И все-таки, откуда статья?
wcdma3g.ru
но они её дали без копирайта, т.е. сами спёрли. + понапихали рекламы.
Кстати прибил глюк с картинками, только сейчас поправил.
|
|
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные, активировавшие регистрацию и не ограниченные в доступе участники сайта!
|
| Файл создан: 14 Окт 2009 18:00, посл. исправление: 20 Окт 2009 02:17 |
|
