CC BY
108
УДК 621.396.73
RAKE-ПРИЙМАЧI В СУЧАСНИХ СИСТЕМАХ ТЕЛЕКОМУНШАЦП
Кахно А.О., Дяченко С.М.
Розглянуто еволюцю систем з кодовим роздшенням канал1в. Досл1джено принципи побудови та роботи Rake-приймача, а також зм1ни, як1 вносять у приймач нов1 стан-дарти зв 'язку.
Вступ
Мгжнародна Спглка Електрозв'язку ITU (International Telecommunication Union) Bei технологи (стандарти) мобшьного зв'язку 3-го поколшня позна-чила як стандарт IMT-2000, до складу якого входять 5 ргзних несумгсних стандарта. Найбгльш перспективнг - W-CDMA (Wide Band Code Division Multiple Access), який в Сврош частгше називають UMTS (Universal Mobile Telephone System) як наступний крок пгсля GSM i cdma2000 - американсь-кий стандарт, розгорнутий на базi iснуючоï системи CDMA II поколшня. IMT-2000 за параметрами значно переважае технологiï FTDMA (GSM).
Постановка задачi та шляхи ïï вир1шення
Першим стандартом стiльникового мобшьного звязку з кодовим роздг-ленням каналгв став стандарт IS-95. Основна мета розробки компангею Qualcom системи стгльникового рухомого зв'язку з кодовим роздшенням каналгв (CDMA) полягала в необхгдностг збiльшення пропускноï здатностi мережi не менше, нiж на порядок, в порiвняннi з аналоговою системою AMPS (IS-19) в дiапазонi 800 МГц. В цьому стандарт користувачi (близько 64) одночасно працюють в однгй смузi 1,25 МГц. 1ндивгдуальний псевдо-шумовий код дае можливгсть роздiлити трафiк. Бiт iнформацiï кодуеться за допомогою псевдошумовоï послiдовностi (ПШП), елемент якоï називають чiпом. Тривалгсть чiпа в багато разiв менша тривалостi бiта Тб, який пере-даеться. Як GSM, IS-95 тдтримуе передачу даних з швидкiстю 14,4 кбгт/с. В таблицi наведенi основнг параметри рiзних модифiкацiй CDMA._
Система CDMA Частотна смуга Частота 4iniB Максимальна
cdmaOne IS-95b cdma2000 1XMC cdma 2000 IXtreme cdma 2000 HDR cdma 2000 3XMC W-CDMA
каналу
1,25 МГц 1,25 МГц 1,25 МГц 1,25 МГц 3,75 МГц 3,75 МГц
1,2288 МГц 1,2288 МГц 1,2288 МГц 1,2288 МГц 3,6864 МГц 4,096 МГц
швидюсть
115 Кбгг/с 384 Кбгт/с 5,2 Мбгт/с 2,4 Мбгт/с 4 Мбгт/с 4 Мбгт/с
Реальна швидккть
64 Кбгт/с 144 Кбгт/с 1,2 Мбгт/с 621 Кбгт/с 1,117 Мбгт/с 1,126 Мбгт/с
Технологiя CDMA поступово розвиваеться вiд 2-го до 2,5 i 3-го поко-лiння з метою збшьшення швидкостi передавання шформаци, але принципи 11 збереглися незмшними. Технологiя cdma2000 1Х - перша фаза переходу вщ 2-го поколшня до 2,5, яка забезпечуе передачу даних з швидюстю 144 кбЫс, що дозволяе надавати послуги голосового зв'язку, передачу коротких повщомлень, роботу з електронною поштою, 1нтернетом, базами
даних, передачу даних та нерухомих зображень, а також перегляд повшь-ного вщео. В другш фазi cdma2000 1Х використовуеться та ж смуга частот 1,25 МГц, швидкiсть передачi сягае 384 кбiт/с, що дае можливють по-ряд з рашше iснуючими послугами, надавати послуги передачi повного вiдео. Наступний крок - перехщ вiд систем зв'язку 2,5 поколшня до 3-го поколiння cdma2000 1Х-БУ, зi збереженням термшально1 сумiсностi. Останнi модифшаци технологи доступу cdma2000 1Х-БУ е cdma2000 1хЕУ-Э0 та cdma2000 1хЕУ-ОУ: cdma2000 1хЕУ-Э0 - тдтримуе лише високошвидкiсну передачу даних (в прямому канат 2,4 Мбгг/с в зворот-ному 153 кбгг/с); cdma2000 1хЕУ-ВУ - пiдтримуе передачу даних i голосу в /Р-архггектуру з швидкiстю передачi даних 3 Мбгг/с.[1]
Збiльшення швидкостi передавання досягаеться застосуванням ряду за-ходiв, в тому чи^ адаптацiею системи до динамiчного трафiку, до змiни параметрiв радiоканалу, тощо. Одним з цих кроюв е використання Яаке-приймачiв, якi мiнiмiзують вплив мiжсимвольноl штерференци, що вини-кае за рахунок багатопроменевого поширення радiохвиль. Принцип ди ^аке-приймача, який був створений для приймання рознесених в час сиг-налiв, базуеться на вiдокремленiй обробщ кiлькох променевих компонентiв (найбiльш потужного променя, що приходить по найкоротшому шляху, та декшькох iнших, що вщстоять вiд першого на певш, заздалегiдь вiдомi промiжки часу) i обчисленнi 1х середньозважено! суми. Кожна з компонен-тiв обробляеться окремим каналом (Лаке-палець). Основною компонентою ^аке-пальця е оптимальний (по критерiю вщношення сигнал/шум) при-ймач. На вхщ приймача сигнал надходить з виходу пристрою зважування (шдсилювача), коефiцiенти якого залежать вiд якостi кожного з каналiв. Коефiцiенти визначаються шляхом аналiзу пiлот-сигналу, що надходить з базово! станци (БС) на мобiльну станщю МС. З виходу приймача сигнал потрапляе в лiнiю затримки для забезпечення одночасного надходження сигналiв з кожного з Лаке-пальщв на вхщ суматора. Пiсля суматора вирь шуючий пристрiй визначае переданий символ.
Принципи кодового роздшення каналiв базуються на використанш ши-рокосмугових сигналiв(ШСС). Основною характеристикою такого сигналу е його (значно бшьша одинищ) база В = БТ, де Б - спектр сигналу, Т -тривалють одного шформацшного символу. Прийом ШСС здiйснюеться приймачем, який для сигналу з повшстю вiдомим кодом розширення вира-ховуе кореляцiйний штеграл за допомогою корелятора або узгодженого
Т
фшьтра: 2 = | х (£)и (£)&, де х(()- вхщна сумш, що являе собою суму ко-
0
рисного сигналу i завади, и^) iндивiдуальна псевдошумова послiдовнiсть користувача. Величина 2 порiвнюеться з заданим порогом (вiдомим для заданого коду розширення). Корелятор реалiзуе «стискання» спектра ши-
рокосмугового сигналу шляхом множення його на u(t) з наступною фшьт-ращею в CMy3i 1/Т, що призводить до покращення вiдношення сигнал/шум на виходi корелятора в В разiв по вщношенню до входу. Математичну модель Rake- приймача можна отримати проаналiзувавши процеси, що вщбу-
ваються у каналi зв'язку[5]. Тодi значення основних параметрiв приймача
-1
визначаються спiввiдношеннями: b
b opt
f \ ■
Ф [0] , де
(JU rji
R + £ ф [i]ф T [i]
о2 i
2 2
bopt -коефiцiенти масштабування у каналах приймача, os =E{sn } потуж-нiсть символу, si - шформацшш символи, Rp(t) =|p(i)p(T+t)^T iмпульсна функщя автокореляци, p(t) - ПШП, матриця Ф[^ характеризуе канал зв'язку, затримка у трактах якого визначаеться як
0 opt = argmax
Ф[0]Т (-^R + EO[i]Or [i])-1 Ф[0]
о2 i=-^
Значення Ьорг i ©орГ вiдповiдають коефiцiентам зважування i затримкам, якi необхiдно задати ^аке-приймачу при заданому типi сигналу для досяг-нення максимального спiввiдношення сигнал/шум на його виходь В назе-мних радiоканалах сигнали багатопроменевих компоненлв можуть вiдрiз-нятись (на величину близьку до тривалост одного чша). Затримки меншi за один чш усуваються синхронiзацiею приймача, яка дозволяе швелювати малу змiну. Компоненти, що вщстоять один вiд одного бшьше нiж на один чiп, обробляються i складаються.
Алгоритм роботи ^аке-приймача (див.рис.1):
1. Пiд час передачi даних (надходження виклику чи здшснення дзвiнка) сигнал надходить на вхщ кожного з 3 пальцiв ^аке-приймача.
2. В кожний канал сумш корисного сигналу i завади надходить на при-стрiй зважування 1. Значення коефщенлв зважування в каналах для зада-ного коду розраховуються по методищ наведенiй вище i фiксуються.
3. Зважена сумш в схемах перемноження каналiв 5, 6, 7 перемножуеть-ся з шдивщуальною ПШП користувача, яку виробляе генератор 4.
4. Отримаш функци iнтегруеться в iнтеграторах 13, 14, 15.
5. Шсля кожного перюду (тривалостi бiта) iнтегратори скидаються генераторами скидання 8, 9, 10.
6. З виходiв iнтеграторiв сигнали потрапляють в лшй затримки 16, 17 з часом затримки розрахованим вище.
7. Сигнали з уЫх каналiв пiсля вщповщно1 затримки потрапляють на суматор 18, що i формуе вихщний пiк.
8. Шк потрапляе на вирiшуючий пристрiй 19, який визначае тип сигналу на входi приймача: "1", "0", "завада" [4].
Рис. 1 Яакв-приймач
В системах стандарту 1Б-95 викорисовуеться 3-канальна схема Яакв-приймача, яка дае можливють видiлити 3 компоненти багатопроменевого каналу з рiзними затримками i коефiцiентами передачi. При рус мобшьно-го обекта змшюються умови вiдбиття радiохвиль, а вщповщно, i коефще-нти послаблення сигналу. Щоб вiдслiдкувати подiбнi змiни в Яакв-приймачi третiй канал виконуе ^м основних функцiй i допомiжну - зон-дування багатопроменевого середовища, яке вiдбуваеться за алгоритм:
1. Скануючий Л*аке-палець (3-й канал) надсилае в напрямку БС пшот-сигнал.
2. За прийнятим сигналом БС видае свш пiлот-сигнал-вiдповiдь, а також сигнали регулювання потужностi.
3. У МС обробляються 3 компоненти пшот-сигналу-вщповщь По результатам обробки у каналах встановлюються вiдповiднi коефiцiенти зва-жування (фактично оцiнка променiв на наявшсть помилок) [3].
У системах ейша2000 та Ж-СБЫЛ алгоритм дещо вiдрiзняеться.
1. Вводиться так звана процедура (функщя) ммаксимiзацiям, яка реалiзуе алгоритм:
• Пiд час передачi даних у каналi № 1 вщбуваеться девiацiя значення часу затримки фжсовано! ПШП у межах тривалостi 1 чшу;
• Значення девiацil записуеться у запам'ятовуючий пристрiй;
• Значення отриманого максимуму сигналу на виходi iнтегратора записуеться в виршуючий пристрiй.
• Це значення порiвнюеться з пороговим значенням i при перевищенш
його встановлюе новий nopir;
• При спрацюванш порогового пристрою змшюеться значення в ЛЗ ПШП та вихщнш ЛЗ.
Дану процедуру можна пopiвняти 3i скануванням, яке вiдбуваеться в межах чшу i слугуе для компенсаци змiни затримки пiд час руху абонента.
2. З розвитком нов^шх технoлoгiй збiльшилась швидкoдiя кopелятopiв. Це дало можливють poздiляти сигнали зсунут один вiднoснo другого на тривалють одного чiпу.
3. Оптимiзацiя мoделi .Ка&е-приймача систем IS-95 полягала у знахо-дженнi такого часу затримки в ЛЗ 2-го та 3-го каналiв, щоб сумарний сигнал на вихoдi Rake-приймача був максимальним як при незначних вщста-нях до БС так i при значному вщдалеш вщ не1. Як вщомо, у системi IS-95 бшьшють затримок була фiксoванoю. На тепершнш час oптимiзацiя поля-гае у пошуку найкращого алгоритму адаптацiï Rake-приймача до змiни затримки вхщного сигналу та його вiдбитих копш [2].
Висновки
У сучасних системах зв'язку Rake-приймач е невiд'емнoю складовою приймально-передавальних пpистpoïв, який забезпечуе значний виграш у викopистаннi енергетичного ресурсу зв'язку i як наслщок виграш у сшв-вiднoшеннi сигнал/шум. Функцюнальна модель Rake-приймача мае важли-вi навчальнo-дoсдiдницькi властивoстi. Вона дозваляе бшьш детально ви-вчити принципи функцюнування pадioмеpежi пoбудoванoï на базi стандарту CDMA, а також е основою для розробки нових бшьш швидюсних мето-дiв пеpедачi даних. В майбутньому приймач буде удосконалюватися у на-прямку адаптаци до змiн у каналi пеpедачi даних з метою покращення ви-хiднoгo значення сигнал/шум та збшьшення швидкoстi пеpедачi.
Л1тература
1. Системи телекомушкацш. За ред. Мазуркова М.1., Правди В.1. Одеса, ТЕС. 2005
2. Holma H. and Toskala A., WCDMA for UMTS, John Wiley & Sons, Ltd., N.Y. 2000.
3. Scholtz R.A.,. Win M.Z, On the Robustness of Ultra-Wide Bandwidth Signals in Dense Multipath Environments. Communications Letters, vol. 2, pp. 51-53, Feb 1998.
4. Громаков Ю.А.. Сотовые системы подвижной радиосвязи. Технологии электрон-
ных коммуникаций. Т. 48. "Эко-Трендз". М. 1994.
5. Прокис Дж. Цифровая связь. М. Радио и связь, 2000.
Кахно А. А., Дяченко С.М. Rake-приемники в современных системах телекоммуникации
Рассмотрено эволюцию систем с кодовым разделением каналов. Исследованы принципы построения и работы Rake-приемников и изменения их схем, связанные с новыми стандартами связи.
Kahno A. A. Dyachenko S.M. Rake-receivers in the modern telecommunication systems
The evolution of the systems is considered with the code division. It is investigational principles of construction and work of Rake-receiver, and also changes which bring in the new standards of connection in a receiver.
