CC BY
91
23 декабря 2011 r. 11:47
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Современные системы связи с частотно-кодовым разделением каналов
Сомов ДА
В ностоящее время активно ведется разработка систем подвижной связи, основанных на комбинировании принципов множественного доступа на ортогональных поднесущих (OFDM) и множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) и сочетающих в себе преимущества обоих схем доступа. Достоинствами таких систем являются устойчивость к многолучевой и межсимвольной интерференции, к замираниям сигнала, эффективное частотно-территориальное планирование, позволяющее реализовать коэффициент повторного использования частот Кч* 1, высокая спектральная эффективность и тд Однако существуют различные подходы в решении данной задачи и способы комбинации двух методов радиодоступа. Ниже я постараюсь рассмотреть их более подробно.
1. MC-CDMA
Исторически является первой попыткой комбинации двух схем доступа. Стандарт разработан партнерским проектом 3GPP2 совместно с Т1А и TR-45.3. Принцип доступа основан на следующем [ 1 ]: каждому абоненту выделяется собственная кодовая последовательность из множества доступных ортогональных кодов (в данной системе используются коды Уолша-Адамара). Длина каждой кодовой последовательности Lc (количество чипов) является переменной и равно количеству активных на данный момент пользователей Np. Но при этом максимально допустимая длина кодовой последовательности не может превышать количество поднесущих в OFDM-символе. Затем вся группа каналов с кодовым разделением передается в одном OFDM-символе на всех имеющихся поднесущих частотах
Форма сигнала в системе стандарта MC-CDMA для случая Lc=Np показана на рис. 1. Процедура формирования символов во многом схожа с обычными OFDM-системами (рис. 2), отличия состоят лишь в порядке распределения поднесущих и дополнительных блоков в приемнике и передатчике, наличие которых связанно с расширением спектра частот. Входная информационная последовательность от каждого абонента подвергается сверточному FEC-ko-дированию с требуемой скоростью (COD) и перемежению (п^). Далее она подвергается процедуре мэппинга — последовательность
битов разбивоется на группы по числу позиций выбранной квадратурной модуляции и в соответствии с диаграммами Грея определяются значения I- и О-составляющих комплексных амплитуд — в результате на выходе имеем комплексный информационный символ.
В блоке распределения поднесущих (sub-carrier allocation) состоит главное отличие MC-CDMA систем — каждый комплексный символ умножается на индивидуальную для каждого пользователя расширяющую последовательность Уолша-Адамара, что превращает его в последовательность чипов, затем чипы распределяются по под-несущим частотам Как было отмечено выше, длина расширяющей последовательности Lc равна количеству активных пользователей Np. Затем следует еще один внутренний блок перемежения (внутренний интерливер). Сначала он осуществляет перемежение чипов, которые единовременно поступают с выхода блока распределения на его вход (что соответствует 1 OFDM-символу), после чего выполняет процедуру перемежения применительно ко всему OFDM-кадру.
Далее формирование сигоала продолжается по классической OFDM- схеме (на рисунке одним блоком): смволы попадают на вход блока ОБЛФ, формирующего OFDM-символ, в результате чего формируются выходные синфазный и квадратурный сигналы. К ним добавляется защитный интервал, после чего посредством АЦП, ФНЧ и квадратурного модулятора фор^руется окончательный аналоговый сигнал. На приемной стороне (рис. 3) преобразования сигнала выполняются в обратном порядке.
Имитационного моделирование показало, что системы MC-CDMA показывают наилучшую производительность по сравнению с OFDM в условиях неконтролируемого доступа абонентов к чостот-ному ресурсу, т.е. при отсутствии алгоритмов менеджмента радиоресурсов (RRM — Radio Resource Management). Системы, использующие RRM-схл го ритмы требуют полной синхронизации базовых станций по крайней мере в пределах кластера, благодаря чему становится возможным выделять псщнесущие частоты (или группы поднесущих частот) абонентам в каждой соте таким образом, чтобы они не совпадали с поднесущими частотами, выделенными абонентам в других сотах кластера (следует учитывать, что такая процедура возможна лишь для ограниченной абонентской нагрузки). Для каждой БС, использующей RRM, требуется, чтобы ее внутренний блок перемежения работал синхронно с внутренними интерливерами остальных БС в кластере. БС без RRM использует блок переме-
Nuuser Р codes
MC-CDMA system with Lc - Np
□ user Nu ■ user 2
►frequency
Np subcamers
Рйс.1
122
T-Comm, #9-2011
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
шст 1 Ч сор |—ПйЛ—[jE
,и Л“Ч COD 1—Н ru, I—н М.ч> I
Рис. 2
Хи'
л/ V.
■ •М.! О
aliocjtRtt 11ш г> Г)'А
м
*^(0
п
1/(0
А/Т)
I О п„‘ sub-camcr
D гЫlocal ion
М
V.V
Рйс.3
жения независимо от других БС, в результате чего используемые поднесущие могут совладать, и межсотовая интерференция в кластере возрастает. В таких случаях системы МС-СОМА используют выделенную полосу частот более эффективным способом, что в сочетании с применением расширяющих последовательностей позволяет снизил» влияние межсотовой и межкамальной интерференции.
Система МС-СОМА как система с кодовым расширением информационных символов позволяет получить выигрыш в отношении сигнал/шум, который составляет в дБ 10*1од(1с). Кроме того, МС-СОМА обладает устойчивостью к многолучевому распространению, которое вызывает нарушение условий ортогональности между поднесущими, т.е. приводит к меж сим вольной и меж канальной интерференции. Эго преимущество достигается не за счет включения защитного интервала между символами и циклического префикса, как в классической ОРОМ-схеме, а за счет свойств ортогональных кодов. Благодаря тем же свойствам повышается максимальная скорость движения мобильных абонентов, т.к. устраняется влияние до-плеровского сдвига, нарушающего ортогональность соседних под-несущих. Так же, за счет кодового расширения система более устойчива к узкополосным помехам и чостотной избирательности канала передачи. Борьба с линейным затуханием в канале осуществляется при помоши эквалайзера, который используется для каждой подне-сущей частоты и работает по принципу минимума среднеквадратической ошибки (МСКО).
Одним из недостатков данной схемы доступа являются высокие требования к АЦП. Так, если формируются сигналы МС-СОМА с очень широкой полосой (в спецификации, предложенной консорци-
Detunp--------• njJt --------* DEC’ ----------- user 1
Dcuuip HE ] *| DEC~|- user N{
умом Multi-Band OFDM Alliance (MBOA) для персональных беспроводных сетей доступа (WPAN) полоса сигнала может состаалеть от 100 МГц до 1,58 ГГц), это ведет к большому увеличению частоты дискретизации. Соответственно, такие АЦП крайне трудно реализовать.
2. SS-MC-MA
Система, предложенная институтом электроники и телекоммуникаций г. Ренн (IETR — INSA) для персональных беспроводных сетей доступа (WPAN), применяет иной подход в распределении поднесущих частот между абонентами [4].
Все множество поднесущих частот в данном случае делится на блоки из нескольких поднесущих (рис.4). Эти блоки распределяются между абонентами, что по сути очень напоминает классическую FDMA схему. Размерность расширяющей последовательности 1с может в этом случае использоваться для адаптивного управления ресурсами сети и их распределением (к примеру, с учетом выбранного типа модуляции, скорости передачи и т).
Расширение спектра сигнала ведет к тем же преимуществам, что и для системы МС-СОМА — те. более эффективное использование полосы частот, повышение устойчивости к межканальной, межсотовой и межсимвольной интерференции, а так же устойчивость к узкополосным помехам.
Главное преимущество перед МС-СОМА состоит в том, что в системе SS-MC-MA информационные символы (чипы) передаются одновременно на определенной подгруппе соседних друг с другом поднесущих частот, выделенной каждому абоненту, и при этом под-
* frequency
ftc.4
Т-Comm, #9-2011
123
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
CorrvoJubonal
Encoder
Puncturer
Interleaver
Insertion pilots and guard sub-carriers
Output
De-Scrarrbler
Vitertx
Decoder
De-Puncturer
BH
De-Interteaver
OFDM Modulation
+
Add Zero Padding
(ZP) I
Channel
Remove pilots and guard sub-earners
0«rlap& Add
OFDM
Demodulation
Рис 5
ее pro ют ся сходным искажениям и затуханию в канале передачи. В системе MC-CDMA поднесущие частоты, выделяемые каждому пользователю распределены по всей полосе, вследствие чего испытывают совершенно разное затухание. Данное обстоятельство значительно упрощает росчет коэффициентов эквалайзера МСКО, которые будут близки для поднесущих чостот, принадлежащих к одной группе. Помимо этого меж канальная интерференция в системе МС-CDMA значительно выше: в то время как в системе SS-MC- МА соседние поднесущие испытывают влияние одного и того же пользователя, в случае MC-CDMA каждая поднесущая в среднем искажается различными каналами различных пользователей, что еще больше усложняет расчет импульсной характеристики канала передачи. Таким образом на приемной стороне приходится учитывать импульсную характеристику большою числа каналов в пределах всей полосы пропускания. Структура приемника SS-MC-MA упрощается.
В случое небольшой абонентской нагрузки доступный системе чостотный ресурс может быть легко поделен между пользователями, как показано на рис 4. В случае, когда количество пользователей возрастает, система SS-MC-MA предлагает гибкие механизмы распределения данной нагрузки. К примеру, можно изменить длину расширяющей последовательности и уменьшить размер блока поднесущих, либо обслуживать в каждом блоке небольшое число пользователей (2-3 абонента) одновременно, при этом форма сигнала блока поднесущих аналогична MC-CDMA
Структура передающего и приемного тракта системы SS-MC-MA приведена на рис 5. Так же, как и MC-CDMA она основывается на классической схеме OFDM системы. Пунктиром обозначены блоки, необходимые для реализации сигнала SS-MC-MA Главным образом это блок быстрого преобразования Адамара (FHT) в передатчике и обратною быстрою преобразования Адамара (IFHT) в приемнике. Кроме того, в системе используется МСКО-эквалайзер.
В целом, система SS-MC-MA при сохранении всех преимуществ предоставляет большую гибкость в динамическом распределении и управлении радиоресурсами, чем MC-CDMA, и, благодаря более простой структуре приемопередатчика, несколько лучшую производительность. Эти преимущества наиболее ярко проявляются в микро- и пикосотовых сетях.
3. CS-OFDMA
Принцип работы данной системы изложен в роботе В. Ли [2] и основан на переиспользовании ортогональных кодов внутри кластера из 4 сот. Пусть имеется множество из N ортогональных кодов с длинной кодовой последовательности lc (N < 1с), из которого каждому абоненту может быть выделена собственная последовательность. Кодовые последовательности, входящие в данное множество, разбиваются на т.н. С-коды и S-коды, при этом длина кода составляет Lc/2, число С-кодов и S-кодов равно числу исходных последово-
тельностей N. Таким образом, каждый информационный символ, переданный обонентом j будет будет состоять из соответствующих последовательностей Q и Sj.
Пусть имеется множество из М ортогональных поднесущих частот (М-нечетное) Одна группа поднесущих, обозначаемая как Schp (р=1, (М-11/2), используется только для передачи информационных символов, расширенных С-кодом, другая группа, обозначаемая Sch (q={M+3)/2, М) - для передачи символов, расширенных S-ko-дом. Поднесущая с номером (М+1 )/2 используется для передачи синхронизирующего сигнала (обучающей последовательности).
Все множества С и S-кодов разбиваются на 4 подмножества, в каждое из которых входит N/4 С-кодов и N/4 S-кодов. Данные подмножества распределяются между группой из 4 сот. В каждой из этих сот используется одна и та же группа из М поднесущих, одна половина которых расширяются С-кедами, а другая половина — S кодами, при этом в каждой соте используется N/4 С и S-кодовых последовательностей. Таким образом коэффициент повторного использована частот Кч* 1, коэффициент повторного использования кодов KcsB4. Один информационный символ каждого абонента передается с помощью двух различных кодовых последовательностей (С и S) длиной Lc/2 на двух поднесущих частотах.
Одним из примеров практической реализации данной схемы доступа является система NG-1, которая разработана компанией Vbvas и в настоящее время проходит тестовые испытанв Индии и Китов. Диапазон рабочих частот400-430 МГц или 1785* 1805 МГц при полосе си тала 5 МГц. При этом заявленная производителем пропускная способность 1 БС составляет 45 Мбит/с, каждая БС может обслуживать до 9000 абонентов с подвижностью до 120 км/ч (количество одновременных вызовов на сектор может достигал) 300). Отличительной особенностью системы NG-1 является низкая мощность передатчиков — всего лишь до 2 Вт, в то время как у существующих СПС она составляет около 15-20 Вт. Эго становится возможным благодаря большему энергетическому бюджету радиолинии, который равен 163 дБ. Используемый алгоритм хецдовера — Fast Hard Handover, работающий по принципу разрыва связи только после установления нового соединения (Make Before Break, МВВ). Так же в системе не наблюдается эффект "дышащей" соты. Размерность расширяющей кодовой последовательности 1с=8.
Форма сигнала при использовании метода доступа CS-OFDMA позволяет сочетать преимущества OFDM-сигнала, такие как устойчивость к многолучевому распространению, и широкополосных CDMA-сигналов — устойчивость к межсотовой интерференции и затуханию сигнала в канале связи (Рис 6). Так же, благодаря тому, что набор кодовых последовательностей переиспользуется с коэффициентом Kcs“4, в системе удается снизить шумы неортогонольности.
Другой интересной особенностью CSOFDMA является временной дуплексный разнос каналов. Помимо того, что этот вид дуплек-
124
T-Comm, #9-2011
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
WCDMA Best on signal fading Worst on multipath interference Good on intercell interference
V /
ПГГГГ.
Г У У f._г_л
OFDM
Best on multipath interference Bad on intercell interference Worst on signal fading
CS-OFDMA Optimal tradeoff among multipath interference, intercell interference.
■ nH einnnl (9НІПП
Рйсб
ca позволяет отказаться от защитного частотного интервала между прямым и обратным каналами, что позволяет эффективнее использовать имеющийся диапазон чостот, также он предоставляет гибкий способ регулирования пропускной способности прямого и обратного каналов в зависимости от обслуживаемой нагрузки и используемых абонентами приложений.
В регионах, те наблюдается высокий дефицит частотного ресурса (к примеру, в странах с высокой плотностью населения, как в Индии и Китае) и обеспечение частотного дуплексного разноса связано с большими трудностями, использование систем TDD и в частности NG-1 является опровданным и эффективным
4. TD-LTE
Отдельно следует остановиться на технологии TD-LTE, которая к началу 2011 года уже станет коммерчески доступна сотовым операторам. Технология предложена партнерским проектом 3GPP в который вошли Европейски институт стандартизации электросвязи, Американский комитет по стандартизации телекоммуникаций, Японский комитет телекоммуникационных технологий и др. организации.
LTE является конкурентом технологии IMT-MC (MC-CDMA). Так же, как NG-1, данная система использует преимущественно временной дуплексный разнос каналов (хотя спецификациями предусмотрен также частотный дуплекс), метод доступа основывается традиционной модуляции OFDM/QAM. Однако, помимо этого в тех-
нических спецификациях LTE Release 8 было предложено использование перспективного вида модуляции OFDM/OQAM, при котором ортогональность OFDM-символов на поднесу щих чостотах достигается за счет использования специальной фильтрую щей функции ЮТА (Isotropic Orthogonal Transfer Algorithm — т.н. алгоритм многофазной фильтрации). Благодаря этому между OFDM-символами не требуется добавлять циклические префиксы.
Формирование OFDM/OQAM-сигнала происходит следующим образом [3]: комплексные информационные символы с^ полученные после процедуры мэппинго, разделяются на две комплексные составляющие — ве-и мнимую lm {C(1J * Ьтп, причем мнимая
щественную Re{cf часть сдвигается по времени на величину Т J2 относительно вещественной (Ти-длительность одного обычного OFDM символа).
Сигнал OFDM/OQAM при разложении с на комплексные составляющие и несложного упрощения может быть представлен выражением:
М,)=Х 5Х
W2
где с! = а^ или с! = Ь . в зависимости от значения п; Г*" опре-
тл пл тп гп*т 1 1
деляет тип слагаемого: действительное (если т+п четное) или мнимое (если т+п нечетное); пт0) — фильтрующая функция ЮТА.
Реально, в передатчике во время процедуры формирования сигнала ОАМ-модулятор генерирует N действительных символов длительностью Т0 = Т/2. Затем (до блока ОБПФ) они распараллеливаются на N потоков символов и мультиплексируются с учетом составляющей р*", которая при четном т+п является действительной, при нечетном — мнимой (при этом составляющая может быть как положительной, так и отрицательной). После блока ОБПФ каждый из N параллельных символов умножается на фильтрующую функцию
«О1*»—
а,(*і
в'**’1?
аы її**—-&— Премадупяция
FW-7
T-Comm, #9-2011
PIS
I
!i
N 5»
І
liS
ill
Помеха
nit)
■ЦцАГ^Канал[>фн^йп|>
s(t)
Многофазная
фипьтрация
- -
e
u—<8ь—
—]Re|—
125
