eng
Содержание
Предисловие к переводу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Сведения об авторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Глава 1. Системы CDMA третьего поколения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.2.
Основы систем CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2.1.
Основы широкополосного спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.2.1.1.
Скачки частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.2.1.2.
Прямая последовательность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.2.2.
Влияние многолучевых каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.2.3.
Приемник Rake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.2.4.
Коллективный, многостанционный доступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.2.4.1.
Помехи входящей линии — DL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.2.4.2.
Помехи исходящей линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.2.4.3.
Гауссова аппроксимация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.2.5.
Расширяющие коды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.2.5.1.
m-последовательности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.2.5.2.
Последовательности Голда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.2.5.3.
Расширенные m-последовательности [102] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.2.6.
Оценивание канала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.2.6.1.
Оценивание с использованием контрольного канала . . . . . . . . . . . 59
1.2.6.2.
Оценивание исходящей линии UL с использованием
контрольных символов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.2.6.3.
Оценивание канала по контрольным символам с управлением
по решению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.2.7.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.3.
Системы мобильной связи третьего поколения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.3.2.
UTRA — система наземного радиодоступа UMTS [59, 115, 117—124] . . . . . 67
1.3.2.1.
Характеристики UTRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
1.3.2.2.
Транспортные каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.3.2.3.
Физические каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
1.3.2.3.1.
Выделенные физические каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.3.2.3.2.
Общие физические каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1.3.2.3.2.1.
Общие физические каналы режима FDD 78
1.3.2.3.2.2.
Общие физические каналы в режиме
временного дуплекса TDD . . . . . . . . . . . 82
1.3.2.4.
Мультиплексирование и кодирование каналов в UTRA . . . . . . . . . 84
1.3.2.4.1.
Использование CRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.3.2.4.2.
Объединение последовательности транспортных
блоков — упорядочивание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.3.2.4.3.
Канальное кодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.3.2.4.4.
Дополнение радиоцикла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.3.2.4.5.
Первое перемежение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.3.2.4.6.
Сегментация радиоцикла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.3.2.4.7.
Согласование скоростей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
1.3.2.4.8.
Индикация перерыва передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.3.2.4.9.
Мультиплексирование транспортного канала . . . . . . . . 89
1.3.2.4.10.
Сегментация физического канала . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.3.2.4.11.
Второе перемежение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.3.2.4.12.
Вставка в физический канал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
1.3.2.4.13.
Вставка нескольких услуг с различными скоростями
в физические каналы UL в режиме FDD [115] . . . . . . . 90
1.3.2.4.14.
Вставка канала данных на скорости 4,1 кбит/с
в DPDCH (направление DL) в режиме FDD . . . . . . . . . 92
1.3.2.4.15.
Вставка нескольких каналов с разлиными скоростями
в физические каналы (направление UL) в режиме
TDD [115] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
1.3.2.5.
Переменная скорость и мультикодовая передача в UTRA . . . . . . . . 96
1.3.2.6.
Расширени и модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
1.3.2.6.1.
Ортогональные коды с переменным коэффициентом
расширения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
1.3.2.6.2.
Скремблирующие последовательности исходящей
линии UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
1.3.2.6.3.
Скремблирующие последовательности входящей
линии DL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.3.2.6.4.
Модуляция и расширение сигналов исходящей
линии UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
1.3.2.6.5.
Модуляция и расширение на входящей линии DL . . . . 103
1.3.2.7.
Произвольный доступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
1.3.2.7.1.
Порядок произвольного физического доступа,
инициированный мобильной станцией . . . . . . . . . . . . 104
1.3.2.7.2.
Порядок доступа общиго пакетного канала . . . . . . . . . 105
1.3.2.8.
Управление мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
1.3.2.8.1.
Управление мощностью в UTRA с обратной связью . . 106
1.3.2.8.2.
Управление мощностью в UTRA без обратной связи . . 107
1.3.2.9.
Идентификация сот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
1.3.2.9.1.
Идентификация сот в режиме FDD . . . . . . . . . . . . . . 107
1.3.2.9.2.
Идентификация соты в режиме TDD . . . . . . . . . . . . . 110
1.3.2.10.
Передача обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6
Оглавление
1.3.2.10.1.
Плавная или внутрисистемная передача
обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
1.3.2.10.2.
Жесткая или межсистемная передача обслуживания . 112
1.3.2.11.
Межсотовая временная синхронизация UTRA в режиме TDD . . . 114
1.3.3.
Система наземного радиодоступа cdma2000 [151—153] . . . . . . . . . . . . . . . 115
1.3.3.1.
Характеристики cdma2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
1.3.3.2.
Физические каналы в cdma2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
1.3.3.3.
Канальное кодирование и мультиплексирование . . . . . . . . . . . . . 121
1.3.3.4.
Расширения и модуляции сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
1.3.3.4.1.
Расширения и модуляции сигналов на DL . . . . . . . . . 124
1.3.3.4.2.
Расширение и модуляция на UL . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
1.3.3.5.
Произвольный доступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
1.3.3.6.
Передача эстафеты обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
1.3.4.
Особенности улучшения показателей работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
1.3.4.1.
Методы разнесения передачи на входящих линиях . . . . . . . . . . . . 130
1.3.4.1.1.
Пространственно-временное разнесение
передаваемых закодированных блоков . . . . . . . . . . . . 130
1.3.4.1.2.
Разнесение передачи за счет переключения во времени 130
1.3.4.1.3.
Разнесение передачи с обратной связью . . . . . . . . . . . 131
1.3.4.2.
Адаптивные антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
1.3.4.3.
Многопользовательское детектирование и компенсация помех . . . 132
1.3.5.
Заключение по системам 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
1.4.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Глава 2. Высокоскоростной пакетный доступ в исходящем и входящем направлениях 134
2.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 134
2.2.
Высокоскоростной пакетный доступ во входящем направлении — DL . . . . . . . 135
2.2.1.
Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
2.2.1.1.
Высокоскоростной входящий физический канал совместного
использования (HS-PDSCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
2.2.1.2.
Высокоскоростной совместно используемый канал
управления (HS-SCCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
2.2.1.3.
Высокоскоростной выделенный физический канал
управления (HS-DPCCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.2.2.
Уровень управления доступом к среде передачи (MAC) . . . . . . . . . . . . . . 148
2.3.
Высокоскоростной пакетный доступ в исходящем направлении . . . . . . . . . . . . 149
2.3.1.
Физический слой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
2.3.1.1.
Расширенный выделенный физический канал данных
(E-DPDCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2.3.1.2.
Расширенный выделенный физический канал
управления (E-DPCCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2.3.1.3.
Расширенный выделенный канал индикации процедуры
НARQ (E-HICH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Оглавление 7
2.3.1.4.
Расширенный выделенный канал с абсолютным грантом
(E-AGSH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.3.1.5.
Расширенный выделенный канал с относительным грантом
(E-RGCH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.3.2.
Уровень МАС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
2.4.
Аспекты технической реализации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
2.4.1.
Алгоритм детектирования каналов HS-SCCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
2.4.1.1.
Алгоритм Витерби, основанный на разности метрик путей . . . . . . 166
2.4.1.2.
Алгоритм Ямамото-Ито . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
2.4.1.3.
Алгоритм минимальной разности метрик путей . . . . . . . . . . . . . . 167
2.4.1.4.
Алгоритм средней разности метрик путей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
2.4.1.5.
Алгоритм частоты разностей метрик путей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2.4.1.6.
Алгоритм последней разности метрик путей . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2.4.1.7.
Качественные показатели алгоритмов детектирования . . . . . . . . . 168
2.4.2.
Модуляция 16QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2.4.2.1.
Оценка амплитуды и фазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2.4.2.2.
Эквалайзер (корректор) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
2.4.3.
Время обработки результатов процедуры HARQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
2.4.4.
Пик-фактор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Глава 3. Пакетные адаптивные беспроводные приемопередатчики HSDPA . . . . . . . 173
3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
3.2.
Узкополосная пакетная адаптивная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.3.
Широкополосная пакетная адаптивная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.3.1.
Метрики качества канала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.4.
Широкополосные видео приемопередатчики BbB-AQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
3.5.
Характеристики BbB-AQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
3.6.
Показатели видео широкополосной BbB-AQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
3.6.1.
Пороги переключения AQAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
3.6.2.
Показатели видеотелефонов с турбо кодированной AQAM . . . . . . . . . . . . 191
3.7.
Адаптивные видеоприемопередатчики CDMA с совместным детектированием
и последовательной передачей пакетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.7.1
Многопользовательское детектирование в CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.7.2.
Режимы сигнализации и адаптации модема JD-ACDMA . . . . . . . . . . . . . 195
3.7.3.
Видеоприемопередатчик JD-ACDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.7.4.
Показатели видео приемопередатчиков JD-ACDMA . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.8.
Видео приемопередатчики OFDM с адаптивными поддиапазонами . . . . . . . . . 204
3.9.
Итоги и заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Глава 4. Интеллектуальные антенные решетки и формирование луча . . . . . . . . . . 210
4.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.2.
Формирование луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.2.1.
Параметры антенной решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.2.2.
Потенциальные преимущества применения антенных решеток
в мобильной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8
Оглавление
4.2.2.1.
Многолучевая передача [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.2.2.2.
Адаптивные лучи [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.2.2.3
Управление положением нулей диаграммы направленности
[6, 295] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.2.2.4
Схемы разнесения [6, 296] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
4.2.2.5.
Снижение разброса задержек и замираний при многолучевом
распространении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.2.2.6.
Подавление внутриканальных помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4.2.2.7.
Повышение пропускной способности и спектральная
эффективность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.2.2.8.
Повышение эффективности передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.2.2.9.
Сокращение эстафетной передачи обслуживания . . . . . . . . . . . . . 222
4.2.3.
Модель сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.2.4.
Пример формирования луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
4.2.5.
Аналоговое формирование луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.2.6.
Цифровое формирование луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
4.2.7.
Формирование диаграммы направленности с разнесением элементов . . . 228
4.2.8.
Формирователь диаграммы направленности с разнесением лучей . . . . . . 229
4.3.
Адаптивное формирование луча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4.3.1.
Фиксированные лучи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
4.3.2.
Методы с использованием временных опорных сигналов . . . . . . . . . . . . . 234
4.3.2.1.
Метод наименьших средних квадратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4.3.2.2.
Алгоритм нормированных наименьших средних квадратов . . . . . . 239
4.3.2.3.
Обращение матрицы отсчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
4.3.2.4.
Рекурсивный алгоритм наименьших квадратов . . . . . . . . . . . . . . . 248
4.3.3.
Методы с использованием пространственных опорных сигналов . . . . . . . 249
4.3.3.1.
Калибровка антенны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
4.3.4.
Слепая адаптация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
4.3.4.1.
Алгоритм постоянных модулей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
4.3.5.
Применение адаптивных решеток во входящем направлении . . . . . . . . . . 255
4.3.6.
Оценка качественных показателей адаптивного формирования луча . . . . 257
4.3.6.1.
Двухэлементная адаптивная антенна, использующая обращение
матрицы отсчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
4.3.6.2.
Двухэлементная адаптивная антенна с использованием метода
обычных наименьших средних квадратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
4.3.6.3.
Двухэлементная адаптивная антенна с использованием
алгоритма нормированных наименьших средних квадратов . . . . . 263
4.3.6.4.
Качественные показатели трехэлементной адаптивной
антенной решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.3.6.5.
Анализ сложности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
4.4.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Глава 5. Адаптивные антенные решетки в сетях сотовой связи FDMA/TDMA . . . . . . . 283
5.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 283
5.2.
Моделирование адаптивных антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
5.2.1.
Алгебраическая манипуляция с оптимальным формированием луча . . . . . 285
5.2.2.
Использование функций плотности вероятности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
5.2.3.
Формирование луча методом обращения матрицы отсчетов . . . . . . . . . . . 288
5.3.
Методы распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.3.1.
Обзор методов распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
5.3.1.1.
Фиксированное распределение каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
5.3.1.1.1.
Заимствование каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.3.1.1.2.
Гибкое распределение каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
5.3.1.2.
Динамическое распределение каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
5.3.1.2.1.
Алгоритмы DCA с централизованным управлением . . . 299
5.3.1.2.2.
Распределенные алгоритмы DCA . . . . . . . . . . . . . . . . 300
5.3.1.2.3.
Локально распределенные алгоритмы DCA . . . . . . . . . 301
5.3.1.3
Гибридное распределение каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
5.3.1.4.
Влияние процедур передачи обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
5.3.1.5.
Влияние управления мощностью передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
5.3.2.
Моделирование алгоритмов распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . 305
5.3.2.1.
Имитатор мобильной радиосети «Netsim» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
5.3.2.1.1.
Модель физического слоя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
5.3.2.1.2.
Модель теневого замирания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
5.3.3.
Обзор алгоритмов распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
5.3.3.1.
Алгоритм фиксированного распределения каналов . . . . . . . . . . . . 311
5.3.3.2.
Распределенные алгоритмы динамического распределения
каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
5.3.3.3.
Локально распределенные алгоритмы динамического
распределения каналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
5.3.3.4.
Параметры качества работы алгоритмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
5.3.3.5.
Модель неоднородного трафика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
5.3.4.
Качественные показатели DCA без адаптивных антенных решеток . . . . . 316
5.4.
Использование адаптивных антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
5.5.
Среды с многолучевым распространением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
5.6.
Результаты моделирования качественных показателей сети . . . . . . . . . . . . . . . 327
5.6.1.
Параметры, используемые при моделировании системы . . . . . . . . . . . . . 328
5.6.2.
Результаты исследования работы неперекрывающейся сети . . . . . . . . . . . 341
5.6.2.1.
Результаты исследования работы по каналу прямой видимости . . . 341
5.6.2.2.
Результаты исследования работы по многолучевому каналу . . . . . 348
5.6.2.3.
Работа по каналу с многолучевым распространением
с использованием управления мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
5.6.2.4.
Передача по многолучевому каналу, в котором используются
управление мощностью и адаптивная модуляция . . . . . . . . . . . . . 361
5.6.2.5.
Алгоритм управления мощностью и адаптивной модуляции . . . . . 363
5.6.2.6.
Качественные показатели динамического распределения каналов с
использованием управления мощностью и AQAM . . . . . . . . . . . . 367
5.6.2.7.
Обобщение исследования работы неперекрывающейся сети . . . . . 375
5.6.3.
Результаты исследования качества работы перекрывающейся сети . . . . . . 376
5.6.3.1.
Результаты исследования качества работы по каналу прямой видимо-
сти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
5.6.3.2.
Результаты исследования качества работы по многолучевому каналу
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
5.6.3.3.
Качество работы по многолучевому каналу при использовании управ-
ления мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
5.6.3.4.
Качество работы сети на основе AQAM при использовании управле-
ния мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
5.7.
Обобщение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Глава 6. Адаптивная модуляция, адаптивные антенные решетки и сетевые принципы
высокоскоростного доступа HSDPA с частотным дуплексом FDD . . . . . . . . . . . . . . . 405
6.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 405
6.2.
Доступ с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра . . . . . 407
6.3.
Наземный радиодоступ UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
6.3.1.
Расширение спектра и модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
6.3.2.
Общий контрольный канал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
6.3.3.
Управление мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
6.3.3.1.
Управление мощностью в исходящем направлении UL . . . . . . . . . 417
6.3.3.2.
Управление мощностью во входящем направлении DL . . . . . . . . . 419
6.3.4.
Мягкая передача обслуживания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
6.3.5.
Расчет отношения сигнала к помехе плюс шум . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
6.3.5.1.
Передача от базовой станции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
6.3.5.2.
Исходящая линия UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
6.3.6.
Многопользовательское детектирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
6.4.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
6.4.1.
Параметры моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
6.4.2.
Влияние управления мощностью на проведение мягкой передачи . . . . . . 429
6.4.2.1.
Фиксированные пороги уровня мощности без замираний . . . . . . . 430
6.4.2.2.
Фиксированные пороги уровня мощности при замираниях 0,5 Гц 434
6.4.2.3.
Фиксированные пороги принимаемой мощности контрольного
сигнала при замираниях с частотой 1 Гц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
6.4.2.4.
Основные итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
6.4.2.5.
Относительные уровни порогов контрольных сигналов
без замираний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
6.4.2.6.
Относительные уровни порогов контрольных сигналов
с замираниями частотой 0,5 Гц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
6.4.2.7.
Относительные уровни порогов контрольных сигналов
с замираниями частотой 1 Гц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
6.4.2.8
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
6.4.3.
Результаты моделирования мягкой передачи обслуживания,
основанного на отношении Ec/Io . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
6.4.3.1.
Фиксированные пороги Ec/Io без замираний . . . . . . . . . . . . . . . . 446
6.4.3.2.
Фиксированные пороги Ec/Io при замираниях с частотой 0,5 Гц . 450
6.4.3.3.
Фиксированные пороги Ec/Io при замираниях с частотой 1,0 Гц . 451
6.4.3.4.
Итоги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
6.4.3.5.
Относительные пороги Ec/Io без замираний . . . . . . . . . . . . . . . . 453
6.4.3.6.
Относительные пороги Ec/Io при замираниях с частотой 0,5 Гц . . 455
6.4.3.7.
Относительные пороги Ec/Io при замираниях с частотой 1,0 Гц . . 458
6.4.3.8.
Итоги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
6.4.4.
Обзор результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
6.4.5.
Показатели адаптивных антенных решеток в обстановке с высокой
скоростью передачи данных пешеходом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
6.4.6.
Performance of Adaptive Antenna Arrays and Adaptive Modulation
in a High Data Rate Pedestrian Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
6.5.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
Глава 7. Характеристики систем FDD/CDMA с hsdpa при использовании
слабо синхронизированных расширяющих кодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 480
7.1.
Влияние слабо синхронизированных расширяющих кодов на качественные
показатели систем CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
7.1.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
7.1.2.
Слабо синхронизированные коды [427] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
7.1.3.
Параметры системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
7.1.4.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
7.1.5.
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
7.2.
Влияние размера соты на качественные показатели системы UTRA . . . . . . . . . 501
7.2.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
7.2.2.
Модель и параметры системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
7.2.3.
Результаты моделирования и их сравнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
7.2.3.1.
Качественные показатели сети при использовании адаптивных
антенных решеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
7.2.3.2.
Качественные показатели сети при использовании адаптивных
антенных решеток и адаптивной модуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
7.2.4.
Заключение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
7.3.
Влияние порога SINR на качественные показатели систем CDMA . . . . . . . . . . 513
7.3.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
7.3.2.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
7.3.3.
Заключение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
7.4.
Характеристики сетевого уровня системы CDMA с несколькими несущими . . . 516
7.4.1.
Введение [440] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
7.4.2.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
7.4.3.
Заключение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
Глава 8. Показатели сети типа HSDPA с TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
8.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
8.2.
Сравнение режимов дуплекса FDD и TDD в системе наземного
радиодоступа UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
8.2.1.
Распределение спектров UTRA в режимах FDD и TDD . . . . . . . . . . . . . . 523
8.2.2.
Физические каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
8.3.
Система UTRA с TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
8.3.1.
Физический слой режима TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
8.3.2.
Общий физический канал в режиме TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
8.3.3.
Управление мощностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
8.3.4.
Опережение во времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
8.4.
Сценарии помех в CDMA с TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
8.4.1.
Взаимные влияния между мобильными станциями МС . . . . . . . . . . . . . . 531
8.4.2.
Взаимные влияния между базовыми станциями БС . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
8.5.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
8.5.1.
Параметры моделирования [416] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
8.5.2.
Показатели системы CDMA с TDD, оснащенной адаптивными
антенными решетками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
8.5.3.
Показатели использования в системе типа HSDPA с TDD адаптивных
антенных решеток и адаптивной модуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
8.6.
Показатели использования в системе типа UTRA TDD/CDMA слабо
синхронизированных расширяющих кодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
8.6.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
8.6.2.
Коды LS Codes в системе UTRA с TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
8.6.3.
Системные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
8.6.4.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
8.6.5.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
Глава 9. Влияния управления мощностью и жесткой передачи обслуживания
на показатели системы UTRA С TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
9.1.
Историческая ретроспектива систем передачи обслуживания . . . . . . . . . . . . . . 556
9.2.
Жесткая ЭПО в UTRA-подобных системах TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
9.2.1.
Жесткая процедура ЭПО, использующая относительный уровень
контрольного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
9.2.2.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
9.2.2.1.
Почти симметричные транспортные нагрузки UL/DL . . . . . . . . . 561
9.2.2.2.
Асимметричный трафик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
9.3.
Управление мощностью в системах типа UTRA с TDD/CDMA . . . . . . . . . . . . . 571
9.3.1.
Управление мощностью с обратной связью в направлении DL
в системе UTRA с TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
9.3.2.
Управление мощностью с обратной связью в исходящем направлении
системы UTRA с TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
9.3.3.
Результаты моделирования управления мощностью с обратной связью . . 575
9.3.3.1.
Симметричные нагрузки трафика в направлениях UL/DL . . . . . . 576
9.3.3.2.
Асимметричный трафик с преобладанием в исходящем
направлении UL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
9.3.3.3.
Асимметричные нагрузки с преобладанием трафика
в нисходящем направлении DL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
9.3.4.
Управление мощностью без обратной связи в восходящем тракте UL
системы UTRA TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585
9.3.5.
Модель регулирования мощности при задержке на цикл . . . . . . . . . . . . . 586
9.3.5.1.
Симметричный трафик в направлениях UL/DL . . . . . . . . . . . . . . 592
9.3.5.2.
Асимметричные нагрузки трафика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
9.4.
Итоги и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
Глава 10. Генетически модифицированные показатели сети UTRA/TDD . . . . . . 600
10.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
10.2.
Генетически модифицированная система типа UTRA c TDD/CDMA . . . . . . . 601
10.3.
Результаты моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
10.4.
Заключение и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612
Глава 11. Выводы и дальнейшие исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
11.1.
Краткие выводы относительно построения сети FDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
11.2.
Итоги сравнения сетей с частотным FDD и временным TDD дуплексом . . . . 620
11.3.
Дальнейшие исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
11.3.1.
Модифицированные целевые функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
11.3.2.
Другие типы генетических алгоритмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
Глоссарий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .664
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРЕВОДУ
На протяжении многих лет стандарты мобильной связи второго поколения
(2G) были основными при построении систем сотовой связи. Предложенный
в 1991 году стандарт GSM (Global System for Mobile Communications) обеспе-
чивал более качественную передачу речи за счет предварительного преобразо-
вания ее в цифровую форму и стремительно распространился по всему миру.
Однако со временем набор услуг, которые могли предложить стандарты 2G
оказался недостаточным. Возросшая потребность в беспроводном доступе в
Интернет привела к дальнейшему развитию технологии 2G. Появилась техно-
логия 2.5G, примером которой является GPRS (General Packet Radio Services)
— стандартизованная технология пакетной передачи данных, позволяю-
щая использовать оконечное устройство мобильной связи для доступа в
Интернет. Позже была внедрена технология EDGE (Enhanced Data rates for
GSM Evolution), что позволило повысить скорость передачи данных до сотен
килобит в секунду.
Сети мобильной связи третьего поколения, благодаря высокой скорости
передачи данных, позволили осуществлять видеосвязь, реализовывать различ-
ные мультимедийные сервисы, а также предоставляют высокоскоростной дос-
туп к интернету, в любой точке, где есть 3G сеть. Главным отличием 3G от се-
тей второго поколения является индивидуализация, то есть, присвоение
каждому абоненту IP-адреса. Стандарт 3G был разработан Международным
союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) и носит на-
звание IMT 2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Под этой аб-
бревиатурой объединены пять стандартов, используются только три основных
стандарта 3G: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service),
CDMA2000 и WCDMA (Wide CDMA).
IMT-2000 обеспечивает высокую скорость передачи данных как внутри по-
мещений, так и на открытой местности; симметричную и асимметричную пе-
редачу данных; поддержку канальной и пакетной коммутации для обеспечения
таких сервисов, как Internet Protocol и Real Time Video; высокое качество го-
лоса, не уступающее качеству голоса при передаче по проводной линии; боль-
шую компактность спектра и более эффективное его использование; возмож-
ность глобального роуминга.
Книга английских авторов в систематизированном виде излагает все
основные аспекты сотовой связи третьего поколения: история, принципы по-
строения и технические проблемы, характеристики основных стандартов IMT
2000, направления их модернизации и перспективы развития. Рассмотрены
усовершенствованные методы адаптивной модуляции и кодирования, которые
позволили обеспечить скорости передачи до 14 Мбит/с в спецификациях
HSDPA и HSUPA. Исследованы возможности улучшения качественных пока-
зателей обслуживания за счет использования на базовых станциях сотовой
сети адаптивных антенных решеток в сочетании с управлением мощностью.
Представлены результаты исследования пропускной способности сети, полу-
ченные для различных условий распространения, проанализированы преиму-
щества, обеспечиваемые за счет применения методов адаптивного формирова-
ния луча и адаптивной модуляции.
Книга может быть интересна и полезна инженерно-техническим работни-
кам, профессионально занимающимся сотовой связью, аспирантам, учащимся
высших и средних специальных учебных заведений, специализирующимся в
области связи, а также всем тем, кто интересуется современными телекомму-
никационными технологиями или новыми предложениями, появляющимися
на рынке услуг.
Сорокин В.Н.,
старший научный сотрудник,
кандидат технических наук
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Лайош Ханцо (Lajos Hanzo) (http://www-mobile.ecs.soton.
ac.uk) FREng, почетный член Института инженеров по
электротехнике и электронике (FIEEE1), FIET, доктор наук
(DSc), получил диплом по специальности «Электроника» в
1976 г., а докторскую степень — в 1983 г. На протяжении 31
года работы в области телекоммуникаций Л.Ханцо занимал
различные научные и педагогические должности в Венгрии,
Германии и Великобритании. С 1986 г. он работает в Школе
электроники и компьютерных наук при Саутгемптонском
Университете (Великобритания), где заведует кафедрой те-
лекоммуникаций. Является соавтором 15 книг по мобильной радиосвязи об-
щим тиражом более 10 000 экземпляров, опубликовал более 700 научных ста-
тей, был председателем технических программных комитетов различных
конференций IEEE, выступал в качестве основного докладчика и был отмечен
множеством наград. В настоящее время Л.Ханцо руководит исследовательской
группой, которая работает над рядом научных проектов в области беспровод-
ной мультимедийной связи, финансируемых промышленными структурами,
Научным советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC2, Великоб-
ритания), Европейской программой IST3 и Виртуальным центром мастерства
(VCE4) в области мобильной связи (Великобритания). Он активно пропаган-
дирует сотрудничество промышленных и научных структур и подготовил ряд
учебных курсов, ориентированных на потребности промышленности и бизне-
са. Кроме того, Л.Ханцо является почетным лектором и управляющим двух
обществ IEEE — Телекоммуникационного общества (ComSoc5) и Общества
технологий связи на транспорте (VTS6). Более детальную информацию о по-
следних исследованиях и соответствующих публикациях Л.Ханцо можно най-
ти на сайте http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk.
Джонатан Блох (Jonathan Blogh) в 1997 г. получил дип-
лом магистра с отличием по специальности «Информацион-
ная техника» в Саутгемптонском университете (Великобри-
тания). В том же году он стал лауреатом Премии Общества
инженеров-электриков (IEE7) памяти Лорда Ллойда Килгер-
рана за интерес к вопросам разработки систем мобильной
радиосвязи. С 1997 по 2000 гг. Д.Блох учился в аспирантуре,
1FIEEE — Fellow of the Institute of Electrical and Electronics Engineers
2EPSRC — Engineering and Physical Sciences Research Council
3IST (Information Society Technologies) — Технологии информационного общества. —
Прим. пер.
4VCE — Virtual Centre of Excellence
5ComSoc — Communications Society
6VTS — Vehicular Technology Society
7IEE — Institution of Electrical Engineers. — Прим. пер.
и в 2001 г. в Саутгемптонском университете (Великобритания) получил уче-
ную степень доктора философии (PhD) со специализацией в области мобиль-
ной связи. Сейчас в сферу его научных интересов входят различные аспекты
построения сотовых сетей мобильной связи третьего поколения с частотным
(FDD1) и временным (TDD2) разделением направлений передачи и приема.
После непродолжительного периода работы инженером-программистом в
компании Radioscape (Лондон, Великобритания), в настоящее время Д.Блох
занимает должность старшего научного сотрудника в компании Anritsu (Вели-
кобритания).
Сон Ни (Song Ni) в 1999 г. получил диплом бакалавра по
специальности «Обнаружение информации и контрольно-из-
мерительная аппаратура» в Шанхайском университете Цзяо-
Тун (Jiaotong). Затем он работал инженером-программистом в
компании Winbond Electronics (Shanghai) Ltd., где занимался
исследованиями и разработкой средств связи. В 2001 г. С.Ни
начал работать над диссертацией, посвященной интеллектуа-
льным беспроводным сетям. Эта работа проводилась в Саут-
гемптонском университете и финансировалась в рамках про-
екта IST SCOUT. Результатом четырехлетних исследований стали разработка
платформы системы моделирования сетевого уровня системы UTRA с TDD в
сетях UMTS на основе WCDMA и анализ различных методов улучшения про-
пускной способности систем UTRA. В настоящее время доктор Сон Ни рабо-
тает системным инженером в компании Panasonic Mobile Communication (Ве-
ликобритания).
1FDD — Frequency Division Duplexing
2TDD — Time Division Duplexing
ДРУГИЕ ИЗДАНИЯ WILEY И IEEE PRESS
ПО ДАННОЙ ТЕМАТИКЕ1
• R. Steele, L. Hanzo (Ed): Mobile Radio Communications: Second and Third Generation
Cellular and WATM Systems, JohnWiley and IEEE Press, 2nd edition,
1999, ISBN 07 273-1406-8, 1064 pages.
• L. Hanzo, T.H. Liew, B.L. Yeap: Turbo Coding, Turbo Equalisation and Space-
Time Coding, John Wiley and IEEE Press, 2002, 751 pages.
• L. Hanzo, C.H. Wong, M.S. Yee: Adaptive Wireless Transceivers: Turbo-Coded,
Turbo-Equalised and Space-Time Coded TDMA, CDMA and OFDM Systems,
John Wiley and IEEE Press, 2002, 737 pages.
• L. Hanzo, L-L. Yang, E-L. Kuan, K. Yen: Single- and Multi-Carrier CDMA:
Multi-User Detection, Space-Time Spreading, Synchronization, Networking and
Standards, John Wiley and IEEE Press, June 2003, 1060 pages.
• L. Hanzo, M. Mьnster, T. Keller, B-J. Choi, OFDM and MC-CDMA for Broadband
Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting, John-Wiley and
IEEE Press,2003, 978 pages.
• L. Hanzo, S-X. Ng, T. Keller andW.T.Webb, Quadrature Amplitude Modulation:
From Basics to Adaptive Trellis-Coded, Turbo-Equalised and Space-Time Coded
OFDM, CDMA and MC-CDMA Systems, JohnWiley and IEEE Press, 2004,
1105 pages.
• L. Hanzo, T. Keller: An OFDM and MC-CDMA Primer, John Wiley and IEEE
Press,2006, 430 pages.
• L. Hanzo, F.C.A. Somerville, J.P.Woodard: Voice and Audio Compression
for Wireless Communications, John Wiley and IEEE Press, 2nd edition, 2007,
858 pages.
• L. Hanzo, P.J. Cherriman, J. Streit: Video Compression and Communications:
H.261, H.263, H.264, MPEG4 and HSDPA-Style Adaptive Turbo-Transceivers,
John Wiley and IEEE Press, 2nd edition, 2007, 680 pages.
1Развернутое содержание и примеры глав перечисленных книг можно най-
ти на сайте http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk
ПРЕДИСЛОВИЕ
Обзор состояния вопроса
Сегодня беспроводная связь демонстрирует взрывоподобный рост. Высокий
спрос на услуги беспроводной связи выдвигает повышенные требования к
пропускной способности систем. Проще всего было бы выделить для этих
услуг более широкую полосу частот, но электромагнитный спектр, будучи
ограниченным ресурсом, начинает стремительно исчерпываться [1]. Более
того, в ряде европейских стран, например, в Германии и Англии, частотные
полосы для работы систем беспроводной связи 3-го поколения (3G) стали
предметом торгов и были проданы по очень высокой цене. Поэтому на пер-
вый план выходит задача эффективного использования имеющегося частотно-
го ресурса [1, 2].
Методы цифровой передачи, используемые в сетях мобильной радиосвязи
2-го поколения (2G), в свое время позволили повысить пропускную способ-
ность и качество передачи речи по сравнению с аналоговыми системами пер-
вого поколения. Однако возникла необходимость в более эффективных мето-
дах, позволяющих множеству абонентов совместно использовать доступный
частотный ресурс. Классические методы обеспечения множественного доступа
абонентов — это организация многостанционного доступа с частотным, вре-
менным, поляризационным, кодовым или пространственным разделением ка-
налов [3]. При использовании многостанционного доступа с частотным разде-
лением (FDMA1) [4, 5] доступный частотный спектр делится на частотные
полосы, каждая из которых используется определенным абонентом. В систе-
мах многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA2)
[4, 5] каждому абоненту выделяется определенный период — канальный ин-
тервал, в течение которого он может вести передачу. Передатчик должен обес-
печивать хранение данных, подлежащих передаче, и передавать их с пропор-
ционально увеличенной скоростью в течение «своего» канального интервала,
представляющего часть цикла TDMA. При использовании многостанционного
доступа с кодовым разделением каналов (CDMA3) [4, 5] каждому абоненту вы-
деляется уникальный код. С помощью этого кода спектр сигнала данных рас-
ширяется на всю полосу частот, совместно используемую всеми абонентами.
Для обнаружения переданных данных должен использоваться тот же уникаль-
ный код, часто называемый сигнатурной (идентифицирующей) последователь-
ностью.
Возрастающий спрос на системы мобильной связи, эффективно использу-
ющие спектр, заставил разработчиков искать новые технические решения.
Пространственная обработка сигналов в пределах соты позволяет использо-
вать оптимальные лучи на приеме и передаче, улучшая характеристики систе-
мы в части достигаемой пропускной способности и качества обслуживания
1FDMA — Frequency Division Multiple Access
2TDMA — Time Division Multiple Access
3CDMA — Code Division Multiple Access
(QoS1). Такой подход, обычно называемый многостанционным доступом с
пространственным разделением (SDMA2) [3, 6], позволяет множеству абонен-
тов в пределах одной соты использовать одинаковые частоты и временные ин-
тервалы за счет свойств пространственной избирательности, обеспечиваемых
адаптивными антеннами [7]. С другой стороны, если полезный сигнал и поме-
хи занимают один и тот же частотный диапазон или временной интервал, то
для отделения сигнала от помех нельзя использовать «временную фильтра-
цию». Но, как правило, источники полезного и мешающих сигналов террито-
риально разнесены, что позволяет использовать для отделения сигнала от по-
мех «пространственно избирательный фильтр» в приемнике [8—10]. Поэтому,
если два абонента, использующие одну и ту же полосу частот, находятся на
достаточно большом расстоянии друг от друга, то взаимные влияния между
ними будут пренебрежимо малыми. Чем больше сот формируется на опреде-
ленной территории (за счет использования сот малого размера), тем чаще бу-
дет иметь место повторное использование частот и, соответственно, выше бу-
дет плотность передаваемого трафика в расчете на единицу площади
обслуживаемой территории.
Расстояние между сотами, использующими одни и те же частоты, должно
быть достаточно большим для того, чтобы внутрисотовые помехи не превышали
максимально допустимых пределов [3]. Поэтому число сот в пределах опреде-
ленной географической области ограничивается уровнем передаваемой мощно-
сти базовых станций. Для повышения емкости системы используют секториаль-
ные пучки лучей с углом сектора 120° на различных несущих частотах [11].
Каждый из пучков может обслуживать такое же число абонентов, как и в случае
обычной соты с всенаправленным излучением, при этом отношение сигнал-по-
меха (SIR3) может быть повышено за счет направленности антенны. В пределе
такой подход предполагает независимо регулируемые лучи с высоким усилени-
ем, способные отслеживать отдельных абонентов, перемещающихся в сети [3].
Другой метод повышения спектральной эффективности представляет адап-
тивная квадратурная амплитудная модуляция (AQAM4) в сочетании с режимом
высокоскоростного пакетного доступа во входящем направлении (HSDPA5)
[12,13]. Идея адаптивной модуляции состоит в выборе одного из нескольких
режимов модуляции исходя из качества радиоканала в текущий момент време-
ни [12, 13]. Так, если канал демонстрирует высокое отношение сигнала к сум-
ме помехи и шума (SINR6), то можно применить режим модуляции высокого
порядка, извлекая пользу из временно высокой пропускной способности ка-
нала. Если же мгновенное значение отношения SINR в канале низкое, то при-
менение модуляции высокого порядка привело бы к недопустимому высокому
коэффициенту ошибок по кадрам (FER7) и поэтому следует использовать бо-
лее надежный режим модуляции с более низкой пропускной способностью.
1QoS — Quality of Service
2SDMA — Space Division Multiple Access
3SIR — Signal-to-Interference Ratio
4AQAM — Adaptive Quadrature Amplitude Modulation
5HSDPA — High Speed Downlink Packet Access
6SINR — Signal to Interference plus Noise Ratio
7FER — Frame Error Ratio
Таким образом, адаптивная модуляция не только борется с последствиями
плохого качества канала, но и пытается максмизировать пропускную способ-
ность, сохраняя при этом требуемый уровень коэффициента ошибок FER.
Управляя порогами переключения режимов работы модема, находят компро-
мисс между средним значением FER и пропускной способностью канала. По-
роги переключения режимов модема устанавливают значения SINR, при кото-
рых делается вывод о том, что мгновенное состояние канала требует
изменения текущего режима модуляции, т.е. необходимо применить другой
режим AQAM.
Переключение режимов AQAM в широкополосных системах HSDPA про-
иллюстрировано на рис. 1, где показаны варианты режимов модуляции, кото-
рые выбираются исходя из близкого к мгновенному значения SINR при сред-
них значениях отношения сигнал-шум (SNR1) в канале, равных 10 и 20 дБ. На
рисунке четко видно, что при низких уровнях псевдо-SNR выбираются режи-
мы модуляции низшего порядка. И наоборот, при высоких уровнях псев-
до-SNR выбираются режимы модуляции высшего порядка, что позволяет по-
высить пропускную способность. Этот рисунок также может служить
примером применения широкополосной модуляции AQAM в различных сре-
дах — в помещении и в открытом пространстве. В этом плане рис. 1а характе-
ризует неблагоприятную внешнюю среду с низким уровнем SINR и низким
средним качеством канала. В подобных условиях, как правило, используются
более надежные схемы модуляции, такие как двоичная фазовая манипуляция
(BPSK2) и четырехпозиционная квадратурная амплитудная модуляция (4QAM,
КАМ-4). Рис. 1б соответствует более благоприятной среде передачи внутри
помещения с высоким уровнем SINR и, соответственно, более высоким каче-
ством канала. Такие условия позволяют подобрать подходящий режим моду-
ляции высшего порядка, как показано на рис. 1б. Этот простой пример де-
монстрирует, что широкополосная модуляция AQAM с HSDPA может
использоваться для «бесшовной», почти мгновенной реконфигурации систе-
мы, например, при переходе из помещения в открытую среду распростране-
ния. Самый убедительный аргумент в пользу применения AQAM с HSDPA —
это то, что в системе с фиксированным режимом модуляции для сохранения
заданного коэффициента ошибок по битам (BER1) потребовалось бы повысить
требуемую мощность передачи в исходящем (UL2) или входящем (DL3) на-
правлениях, в результате чего все другие абоненты испытали бы повышение
уровня помех многостанционного доступа (MUI4). В результате все остальные
абоненты были бы вынуждены также повышать свои показатели мощности,
что могло бы вызвать нестабильность работы системы. Вместо этого система
AQAM просто регулирует используемый режим, чтобы наиболее рационально
использовать имеющиеся ресурсы.
В этой книге исследуются вопросы повышения пропускной способности
сети за счет применения адаптивных антенных решеток и методов адаптивной
модуляции с HSDPA в сетях сотовой связи на основе FDMA/TDMA и CDMA,
использующих как частотное (FDD5), так и временное (TDD6) разделение на-
правлений передачи и приема. Применение адаптивных антенн обладает мно-
жеством преимуществ, которые перечислены ниже.
Оснащение базовых станций антенными решетками позволяет реализовать про-
странственную фильтрацию (см. рис. 2) как в режиме передачи, так и в режиме
приема, для подавления помех совмещенного канала, возникающих в беспровод-
ных системах при передаче от абонента и к абоненту (в направлениях DL и UL)
[1, 2, 14, 15]. Когда передача ведется к абоненту (DL) с высоким усилением в за-
данном направлении, антенна базовой станции фокусирует излучаемую энергию,
формируя направленный луч с высоким усилением в той области, где, предполо-
жительно, находится мобильный приемник. Это, в свою очередь, означает, что
мобильные приемники, перемещающиеся в других направлениях (где направлен-
ный луч имеет меньшее усиление), получат меньше излучаемой энергии и, соот-
ветственно, испытают меньшие помехи. Внутриканальные помехи, создаваемые
базовой станцией в режиме передачи, могут быть еще более ослаблены за счет
формирования лучей с нулями диаграммы направленности в направлениях дру-
гих приемников [6, 16]. Эта схема преднамеренно ослабляет энергию, передавае-
мую в направлении приемников совмещенного канала, и поэтому требует пред-
варительной информации об их местоположении.
Применение антенных решеток с целью снижения внутриканальных по-
мех, возникающих на базовой станции в режиме приема, также широко осве-
щено в литературе [1, 2, 6, 16—18]. Этот метод не требует точной информации
об источниках внутриканальных помех, однако он должен располагать инфор-
мацией о полезном сигнале, в частности, о направлении его источника, об
опорном сигнале (например, канальной зондирующей последовательности)
или о сигнале, имеющем высокую степень корреляции с полезным сигналом.
Повышение пропускной способности и эффективность использования спектра
Под спектральной эффективностью беспроводной сети понимают объем тра-
фика, который может обработать заданная система, располагающая опреде-
ленным частотным ресурсом. Повышение спектральной эффективности харак-
теризуется ростом числа абонентов системы мобильной связи без ухудшения
ее качественных показателей. Пропускная способность канала определяется
максимальной скоростью передачи данных, которую может обеспечить канал
с заданной полосой частот. Повышение пропускной способности канала по-
зволяет обслужить больше абонентов с заданной скоростью передачи, что
означает улучшение эффективности использования спектра. Повышение ка-
чества обслуживания QoS, достигаемое за счет подавления помех совмещенно-
го канала и многолучевых замираний [18, 19] при использовании «умных» ан-
тенн, можно «обменять» на увеличение числа абонентов [2, 20].
Антенная решетка по своей природе является направленной структурой с вы-
соким усилением в том направлении, куда наведен луч. Это свойство может
быть использовано для расширения рабочего диапазона базовой станции (что
позволяет формировать соты большего размера) или для снижения переда-
ваемой мощности мобильных станций. Применение направленной антенны
позволяет базовой станции принимать более слабые сигналы по сравнению с
использованием всенаправленной антенны. Это означает, что мобильная стан-
ция может вести передачу с меньшей мощностью; в результате увеличивается
интервал между подзарядками аккумулятора или же может использоваться ак-
кумулятор меньшего размера, позволяющий уменьшить размеры и вес мо-
бильной станции, что важно для ручных мобильных аппаратов. Соответствую-
щее снижение мощности сигналов, передаваемых базовой станцией, позволяет
использовать более дешевые электронные компоненты с меньшей номиналь-
ной мощностью.
Уменьшение числа процедур передачи обслуживания
Когда объем трафика в соте превышает ее пропускную способность, часто
прибегают к разделению соты на несколько новых сот [2], каждая из которых
имеет свою базовую станцию и свою выделенную полосу частот. Уменьшение
размеров сот ведет к росту числа процедур эстафетной передачи обслужива-
ния — хэндовера. Повышение пропускной способности соты за счет использо-
вания антенных решеток [1] фактически позволяет уменьшить число требуе-
мых процедур передачи обслуживания. Поскольку каждый антенный луч
отслеживает определенную мобильную станцию [2], то никакой передачи об-
служивания не требуется, за исключением случая, когда различные лучи, ис-
пользующие одну и ту же частоту, пересекаются друг с другом.
Предотвращение ошибок передачи
При низком мгновенном качестве канала в обычных приемопередатчиках с
фиксированным режимом работы, как правило, имеют место пакеты ошибок
передачи. Адаптивные приемопередатчики обходят эту проблему, уменьшая
число передаваемых бит на символ или даже временной приостановки переда-
чи. Связанные с этим потери пропускной способности могут быть компенси-
рованы за счет передачи большего числа бит на символ в периоды относитель-
но высокого качества канала. Это полезное свойство проявляется также в
повышении качества обслуживания, которое в данной книге оценивается по
параметрам достижимого качества видеосигнала.
Однако реальные сценарии распространения оказываются намного слож-
нее, чем это показано на рис. 2. В частности, как полезный сигнал, так и ис-
точники помех испытывают влияние многолучевого распространения, в резу-
льтате которого на антенную решетку приемника базовой станции поступает
большое количество входящих сигналов от абонентов. Рост числа принятых
входящих сигналов приводит к исчерпыванию ограниченных степеней свобо-
ды антенной решетки на базовой станции, что делает подавление источников
помех менее эффективным. Решение данной проблемы заключается в увели-
чении числа антенных элементов адаптивной решетки, используемой на базо-
вой станции, хотя при этом появляется побочный эффект — повышение стои-
мости и сложности решетки. В макросотовой системе можно пренебречь
составляющими многолучевого распространения, поступающими на базовую
станцию от источников помех, поскольку большинство рассеивающих элемен-
тов находится вблизи мобильной станции [21]. В микросотовой системе рассе-
ивающие элементы находятся как в области низко расположенной базовой
станции, так и вблизи мобильных станций, и поэтому многолучевое распро-
странение следует учитывать. На рис. 3 представлена реальная среда распро-
странения в исходящем (UL) и входящем (DL) направлениях. На рисунке чет-
ко видны многолучевые составляющие полезного сигнала и мешающие
сигналы, при этом для простоты принято, что многолучевые составляющие в
направлениях UL и DL идентичны. Конечно, это не всегда так, и потому мы
исследуем потенциальные возможности повышения качественных показателей
в сценарии, когда диаграммы направленности в направлениях UL и DL фор-
мируются независимо.
При более детальном рассмотрении оказывается, что в основе разработки
беспроводных сетей лежат сложные взаимосвязи между различными качест-
венными показателями, а также множество других, часто противоречивых,
компромиссов, которые в обобщенном виде проиллюстрированы на рис. 4.
Так, на этом рисунке предполагается, что всегда можно уменьшить вероят-
ность сброса соединения за счет повышения вероятности блокировки, когда
меньшее число абонентов получает доступ к системе. С другой стороны, мы
можем допустить в систему больше абонентов за счет уменьшения вероятно-
сти блокировки соединения, но это приведет к повышению вероятности сбро-
са. Более того, существует возможность повышения качества работы всей сис-
темы в целом при повышении ее сложности за счет использования более
интеллектуальных, но и более сложных алгоритмов обработки сигналов, на-
пример, в приемопередатчиках с использованием схем формирования луча и
адаптивной модуляции в режиме HSDPA, о которых идет речь в этой книге
(особенно подробно — в 6 и 8 главах). Описанные в 10 главе методы интел-
лектуального сетевого планирования на основе генетического алгоритма (GA1)
могут быть использованы для снижения внутриканальных помех в системе,
что, в свою очередь, позволит увеличить число абонентов системы и/или улуч-
шить ее качественные показатели в части вероятности блокировки и отказа
соединения. Продолжая наши рассуждения в духе рис. 4, отметим, что число
поддерживаемых абонентов можно также повысить за счет повышения допус-
тимой вероятности низкокачественного доступа. Анализируя рис. 4, можно
сделать множество подобных выводов, которые будут подкреплены детальным
анализом в последующих главах. Поэтому отложим детальное обсуждение дан-
ных вопросов до соответствующих глав.
В табл. 1 приведен перечень работ, проведенных в области исследования
качественных показателей сетей наземного радиодоступа (UTRA2) в режимах
FDD и TDD.
Для реализации управления доступом к среде пе-
редачи (МАС3) в исходящем канале UL системы
UTRA (режим TDD/CDMA) был предложен ме-
тод многомерного многостанционного доступа с
резервированием пакетов (PRMA4)
Маркоулидакис (Markoulidakis),
Меноласкино (Menolascino),
Гальяно (Galliano) и Пи-
царрозо (Pizarroso) [25]
Предложен эффективный метод сетевого плани-
рования применительно к техническим требова-
ниям UTRA
1999 Местре (Mestre), Наяр (Najar),
Антон (Anton) и Фоноллоса
(Fonollosa) [26]
Предложен метод «полуслепого» формирования
луча для систем UTRA с FDD.
Ахтар (Akhtar) и Зеглаче (Zeghlache)
[27]
Проведено исследование пропускной способно-
сти системы UTRA WCDMA
Беренс (Berens), Бинг (Bing),
Михель (Michel), Ворм (Worm)
и Байер (Baier) [28]
Исследованы характеристики турбо-кодов низ-
кой сложности, применяемых в системах UTRA с
TDD
2000 Хаардт (Haardt) и Мор (Mohr)
[29]
Представлен обзор технологии UMTS, стандар-
тизированной в рамках проекта по разработке
стандартов мобильной связи 3-го поколения
(3GPP5)
Хольма (Holma), Хайкинен
(Heikkinen), Летинен (Lehtinen)
и Тоскала (Toskala) [30]
Проведено исследование помех в системе UTRA
с TDD с использованием моделирования.
Агуадо (Aguado), О’Фаррелл
(O’Farrell) и Харрис (Harris)
[31]
Представлены результаты анализа влияния сме-
шанного трафика на качественные показатели
системы UTRA.
2001 Хаас (Haas) и МакЛахлин
(McLaughlin) [32]
Предложен алгоритм динамического распределе-
ния каналов DCA на основе «противостоящих
канальных интервалов» («TS-opposing») для ра-
диоинтерфейса систем TD-CDMA/TDD
1WCDMA — Wideband Code Division Multiple Access
2UMTS — Universal Mobile Telecommunications System
3МАС — Medium Access Control
4PRMA — Packet Reservation Multiple Access
53GPP — Third Generation Partnership Project
Год Автор Результаты работы
2001 Гинех (Guenach) и Вандендорп
(Vandendorpe) [33]
Исследованы качественные показатели стандарт-
ного приемника «Рэйк» при работе во входящем
направлении (DL) в системах UTRA-WCDMA
Поза (Poza), Герас (Heras),
Лабланка (Lablanca) и Лопес
(Lopez) [34]
Предложен аналитический метод оценки помех
во входящем направлении (DL) в системах
UMTS
2002 Перес-Ромеро (Perez-Romero),
Саллент (Sallent) и Агусти и
Санчес (Agusti and Sanchez)
[35]
Предложены и проанализированы механизмы от-
слеживания перегрузок в системах UTRA с FDD
Ален (Allen), Бич (Beach) и
Карлссон (Karlsson) [36]
Исследованы нарушения радиосвязи, обуслов-
ленные использованием интеллектуальных ан-
тенн с формированием луча в макросотовом
окружении систем UTRA с FDD
Руис-Гарсия (Ruiz-Garcia), Ро-
меро-Джерес (Romero-Jerez) и
Диас-Эстрелла Diaz-Estrella
[37]
Исследовано влияние управления доступом к
среде передачи (МАС) на показатели качества
обслуживания (QoS) в контексте поддержки
мультимедийного трафика в системе UTRA
Эбнер (Ebner), Ролинг (Rohling),
Хаффман (Halfmann) и
Лотт (Lott) [38]
Предложены решения по синхронизации специа-
лизированных сетей на базе UTRA с TDD
2003 Агнетис (Agnetis), Броги (Brogi),
Кьячетти Детти (Ciaschetti
Detti) и Джиамбене (Giambene)
[39]
Предложен покадровый алгоритм точного плани-
рования трафика во входящем направлении (DL)
с учетом различных уровней качества обслужива-
ния (QoS)
Као (Kao) и Мар (Mar) [40] Предложен интеллектуальный протокол управле-
ния доступом к среде передачи (МАС) на основе
каскадного управления с нечеткой логикой
(CFLC1) для применения в системах UTRA с
TDD
Блох (Blogh) и Ханцо (Hanzo)
[41]
Исследованы качественные показатели системы
UTRA с FDD при использовании адаптивных
антенных решеток и адаптивной модуляции
Раммлер (Rummler), Чанг
(Chung) и Агвами (Aghvami)
[42]
Предложен новый протокол многоадресной пе-
редачи для применения в системах UMTS
2004 Янг (Yang) и Юм (Yum) [43] Предложена гибкая схема распределения ортого-
нальных расширяющих кодов с переменным ко-
эффициентом расширения (OVSF) для передачи
трафика с различными скоростями в системе
UTRA
Продолжение табл. 1.
1CFLC — Сascade fuzzylogic-control
Год Автор Результаты работы
2004 Сиварайа (Sivarajah) и Эль-Ра-
вешиди (Al-Raweshidy) [44]
Представлен сравнительный анализ различных
схем динамического распределения каналов
(DCA1), разработанных для поддержки входящих
вызовов в системе UTRA с TDD
Янг (Yang) и Юм (Yum) [45] Предложена схема линейного изменения мощно-
сти для канала случайного доступа в системах
UTRA с FDD
2005 Ни (Ni) и Ханцо (Hanzo) [46] Предложена схема распределения канальных ин-
тервалов с использованием генетического алго-
ритма для сетей CDMA стандарта UTRA с TDD
Роуз (Rouse), С. МакЛахлин
(S. McLaughlin) и Бенд (Band)
[47]
Исследована топология сети, позволяющая сис-
теме CDMA с TDD передавать как трафик между
равноправными узлами, так и трафик нелокаль-
ного характера
Чанг (Zhang), Тао (Tao), Ванг
(Wang) и Ли (Li) [48]
Китайской специальной рабочей группой «Chinese
communications TDD Special Work Group»
начаты разработки системы мобильной связи,
«выходящей за рамки 3G»
Обзор книги
• 1 глава. После краткого представления основ технологии CDMA, дана
характеристика трех наиболее важных стандартов беспроводной связи
третьего поколения — UTRA, IMT 2000 и cdma 2000. Обсуждаются раз-
нообразные транспортные и физические каналы, объединение различ-
ных услуг при передаче информации, аспекты канального кодирования.
Рассмотрены различные возможности поддержки переменной скорости
передачи и разных уровней качества обслуживания (QoS). Описаны ме-
тоды модуляции и расширения спектра при работе в исходящем UL и
входящем DL направлениях; сделано сравнение различных технических
решений, стандартизированных для систем UTRA и IMT 2000. В завер-
шение главы подобным образом представлена американская система
cdma 2000.
• 2 глава. Со времени стандартизации систем 3G был достигнут значитель-
ный технологический прогресс в части методов адаптивной модуляции и
кодирования, которые можно использовать для компенсации неизбеж-
ных временных флуктуаций характеристик беспроводных каналов. Ре-
зультатом этих усовершенствований стало введение режимов HSDPA и
HSUPA, которые подробно описаны в данной главе. За счет адаптивной
модуляции режим HSDPA позволяет обеспечить скорости передачи при-
мерно до 14 Мбит/с. Во входящем направлении UL адаптивную модуля-
Продолжение табл. 1.
1DCA — Dynamic Channel Assignment
цию не применяют, чтобы избежать необходимости использования в мо-
бильных терминалах неэффективных и потребляющих много мощности
усилителей класса А. Вместо этого для повышения скорости передачи в
направлении UL применяются кратные расширяющие последовательно-
сти, позволяющие достичь скорости около 4 Мбит/с.
• 3 глава. После описания стандартов HSDPA/HSUPA1, в данной главе бо-
лее подробно обсуждаются методы адаптивной модуляции в режиме
HSDPA, призванные компенсировать неизбежные временные флуктуа-
ции характеристик беспроводных каналов. В этой главе мы не ограничи-
вались только стандартизованными решениями, а представили эволюци-
онный обзор, анализируя усовершенствованные технические решения,
которые могут найти применение в будущих стандартах, в частности,
при доработке проекта стандарта 3GPP для систем долговременной пер-
спективы (LTE2) или стандартов IEEE 802.11 для беспроводных локаль-
ных вычислительных сетей (WLAN3). Вначале приведен краткий обзор
современных методов адаптивной модуляции в режиме, близком к мгно-
венному, с рассмотрением базовых принципов данной технологии. Затем
идея адаптивной модуляции AQAM рассматривается в применении к
технологиям CDMA и мультиплексирования с ортогональным частот-
ным разделением (OFDM4), а также охарактеризованы преимущества
адаптивных приемопередатчиков в части достижимого качества видео-
сигнала. Примеры соответствующих приложений демонстрируют потен-
циальные возможности предлагаемых адаптивных методов с точки зре-
ния реального улучшения качества предоставляемых услуг.
• 4 глава.В главе представлены принципы формирования диаграммы
направленности и различные методы, которыми можно его реализо-
вать. В развитие данной идеи предложена концепция адаптивного фор-
мирования диаграммы направленности и проанализированы методы с
использованием временных и пространственных опорных сигналов.
Представлены результаты оценки качественных показателей для трех
различных алгоритмов адаптивного формирования луча с временными
опорными сигналами — обращения матрицы отсчетов (SMI5), обычных
наименьших средних квадратов (ULMS6) и нормированных наименьших
средних квадратов (NLMS7).
• 5 глава.В начале главы дан краткий обзор возможных методов модели-
рования качественных показателей адаптивных антенных решеток. Затем
следует обзор схем фиксированного и динамического распределения ка-
налов. После этого рассмотрены модели многолучевого распростране-
ния, используемые нами при моделировании работы сети. Далее опреде-
лены параметры, используемые для оценки качества работы сотовых се-
1HSUPА — High Speed Uplink Packet Access
2LTE — Long-Term Evolution
3WLAN — Wireless Local Area Network
4OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing
5SMI — Sample Matrix Inversion
6ULMS — Unconstrained Least Mean Squares
7NLMS — Normalized Least Mean Squares
тей мобильной связи, и представлены результаты моделирования, полу-
ченные для условий распространения по линии прямой видимости
(LOS1) с использованием и без использования адаптивных антенн. Затем
приведены результаты, полученные для аналогичных сетей в условиях
многолучевого распространения, а также для сценариев управления
мощностью с использованием как фиксированной, так и адаптивной
квадратурной амплитудной модуляции (QAM2). Результаты модели-
рования пропускной способности сети были получены для сценариев с
зоной моделирования «островного» типа и бесконечной плоскости, смо-
делированной с использованием циклического метода (метода завора-
чивания).
• 6 глава. Глава начинается с краткого обзора сотовой сети мобильной свя-
зи третьего поколения, известной как сеть UTRA. Это сделано для того,
чтобы читатель мог сразу перейти к описанию качественных показателей
сетевого уровня, не прибегая к поиску информации в предыдущих главах.
Затем представлены результаты исследования пропускной способности
сети, полученные для различных условий распространения, а также раз-
личные пороговые параметры процедуры мягкой передачи обслуживания
(мягкого хэндовера). Далее анализируются преимущества использования
адаптивных антенных решеток с точки зрения качественных показателей,
в условиях среды распространения без затенений препятствиями и с зате-
нениями при наличии замираний с логарифмически нормальным распре-
делением и частотой 0,5 и 1 Гц. Затем это исследование было расширено
за счет сочетания методов адаптивной модуляции в режиме HSDPA и ме-
тодов формирования луча; при этом предполагалось, что флуктуации ха-
рактеристик канала еще более усилились за счет замираний от затенений.
• 7 глава. В данной главе анализируются достижимые качественные пока-
затели системы типа UTRA на основе CDMA с FDD, использующей
слабо синхронизированные (LS3) расширяющие коды. Качество работы
сети исследовалось методами моделирования, при этом полученные ре-
зультаты сравнивались с аналогичными результатами для системы типа
UTRA на основе CDMA с FDD, использующей ортогональные расширя-
ющие коды с переменным коэффициентом расширения (OVSF4). Далее
анализируются компромиссы между абонентской емкостью и размером
соты, а также пороговым значением защищенности SINR. Также иссле-
довались преимущества, обеспечиваемые при использовании адаптивных
антенных решеток и методов адаптивной модуляции с точки зрения або-
нентской нагрузки и качественных показателей в сотовой сети на основе
CDMA с множеством несущих (MC-CDMA5).
• 8 глава. В этой главе представлено сравнение результатов исследования
пропускной способности сетей с FDD и TDD, полученных для различ-
1LOS — Line-Of-Sight
2QAM — Quadrature Amplitude Modulation
3LS — Loosely Synchronized
4OVSF — Orthogonal Variable Spreading Factor
5MC-CDMA — Multi-Carrier Code Division Multiple Access
ных условий распространения. Проанализированы преимущества, обес-
печиваемые за счет применения методов адаптивного формирования
луча и адаптивной модуляции. Затем эти результаты сравниваются с ана-
логичными результатами, полученными при использовании слабо син-
хронизированных расширяющих кодов — LS.
• 9 глава. В этой главе исследуется влияние пределов жесткой передачи
обслуживания и различных схем управления мощностью на показатели
системы UTRA с TDD/CDMA. На основе стандарта 3GPP разработаны
схемы управления мощностью с замкнутой и разомкнутой обратной свя-
зью. Для борьбы с флуктуациями характеристик канала, обусловленны-
ми непостоянством распределения канальных интервалов в различных
мешающих сотах, был предложен алгоритм регулировки мощности с за-
держкой на кадр.
• 10 глава. Глава посвящена разработке схемы распределения каналь-
ных интервалов в направлениях UL/DL с использованием генетического
алгоритма (GA), позволяющей избежать сильных межсотовых по-
мех, возникающих при использовании радиоинтерфейса системы UTRA
с TDD/CDMA.
• 11 глава.Здесь представлены выводы и направления дальнейшей работы.
Основные результаты, полученные в данной книге
• Представлен метод адаптивной модуляции в режиме, близком к мгно-
венному, для случаев модуляции с одной или несколькими несущими,
OFDM и CDMA.
• Оценены преимущества адаптивных приемопередатчиков в режиме
HSDPA с точки зрения качественных показателей беспроводной видео-
телефонии.
• Представлен обзор различных стандартов беспроводной связи 3G на
основе CDMA.
• Исследованы возможности улучшения качественных показателей за счет
использования на базовых станциях сотовой сети мобильной связи
FDMA/TDMA адаптивных антенных решеток [49, 50].
• Исследованы возможности улучшения качественных показателей за счет
использования на базовых станциях сотовой сети мобильной связи
FDMA/TDMA адаптивных антенных решеток в сочетании с управлени-
ем мощностью [51, 52].
• Разработан комбинированный алгоритм распределения каналов с испо-
льзованием управления мощностью и адаптивной модуляции; исследова-
но качество работы данного алгоритма в сотовой сети мобильной связи
FDMA/TDMA [52, 53].
• Проведено сравнение качества работы различных схем мягкой передачи
обслуживания в системах типа UTRA/HSDPA.
• Произведена оценка пропускной способности сети UTRA при различ-
ных условиях в канале.
• Произведена оценка качественных показателей сети UTRA при исполь-
зовании адаптивных антенных решеток.
• Продемонстрированы преимущества адаптивной модуляции примени-
тельно к сотовым сетям мобильной связи как на основе FDMA/TDMA,
так и на основе CDMA.
Авторы надеются, что читатель найдет в этой книге множество интересных
тем, актуальность которых обусловлена все большим распространением бес-
проводных сетей 3G. Мы попытались создать информативную техническую
«дорожную карту», которая позволила бы читателю оценить величины пропу-
скной способности, которых можно достичь за счет внедрения более эффек-
тивных технологий физического уровня. Основная задача данной книги состо-
яла в том, чтобы проанализировать возникающие при разработке систем
компромиссы между сложностью и пропускной способностью сети, с которы-
ми приходится сталкиваться разработчикам. Мы стремились объективно оха-
рактеризовать все многообразие внутренних противоречий, возникающих при
разработке системы, предоставив читателю достаточно информации для реше-
ния конкретных задач планирования беспроводных сетей. Но, прежде всего,
нам хочется верить, что чтение книги будет приятным и относительно неслож-
ным занятием, стимулирующим появление новых идей.
Лайош Ханцо, Джонатан Блох
и Сон Ни
БЛАГОДАРНОСТИ
Мы признательны нашим многочисленным коллегам, и, в особенности, про-
фессору Эмеритусу Раймонду Стилу (Prof. Emeritus Raymond Steele), благодаря
которым нам удалось достичь более глубокого понимания изучаемых вопро-
сов. Эти высоко ценимые нами коллеги и друзья, слишком многочисленные,
чтобы их перечислить, повлияли на наше видение различных аспектов беспро-
водной мультимедийной связи. Мы благодарны им за знания, полученные при
совместной работе над различными проектами, статьями и книгами. Хотелось
бы поблагодарить Яна Брехта (Jan Brecht), Марко Брейлинга (Marco Breiling),
Марко дель Буоно (Marco del Buono), Шен Чен (Sheng Chen), Питера Черри-
мана (Peter Cherriman), Стенли Чиа (Stanley Chia), Бьонг Джо Чой (Byoung Jo
Choi), Джозефа Чонга (Joseph Cheung), Питера Фортуна (Peter Fortune), Ше-
йам Лал Домеджа (Sheyam Lal Dhomeja), Лим Донгмин (Lim Dongmin), Дирка
Дидаскалоу (Dirk Didascalou), Стефана Эрнста (Stephan Ernst), Эдди Грина
(Eddie Green), Девида Гринвуда (David Greenwood), Хи Тонг Хоу (Hee Thong
How), Томаса Келлера (Thomas Keller), И Лин Куан (Ee Lin Kuan), В.Х. Лем
(W. H. Lam), Матиаса Мюнстера (Matthias Mьnster), С.С. Ли (C. C. Lee), М.А.
Нофала (M. A. Nofal), Ксяо Лиин (Xiao Lin), Чи Сьон Ли (Chee Siong Lee),
Тон-Хой Лью (Tong-Hooi Liew), Джефа Рива (Jeff Reeve), Винсента
Роже-Маршара (Vincent Roger-Marchart), Редвана Салами (Redwan Salami),
Девида Стюарта (David Stewart), Клер Соммервиль (Clare Sommerville), Джефа
Торранса (Jeff Torrance), Спироса Влахойаннатоса (Spyros Vlahoyiannatos),
Вильяма Вебба (William Webb), Стефана Вайса (StefanWeiss), Джона Вильямса
(John Williams), Джейсона Вударда (Jason Woodard), Чонг Хин Вонг (Choong
Hin Wong), Генри Вонга (HenryWong), Джеймса Вонга (JamesWong), Ли-Льян
Янг (Lie-Liang Yang), Би-Льонг Йип (Bee-Leong Yeap), Мон-Суан Йи
(Mong-Suan Yee), Кай Йен (Kai Yen), Анди Йен (Andy Yuen) и многих других
людей, с которыми нам посчастливилось работать.
Кроме того, очень полезными оказались контакты с Виртуальным центром
мастерства в области мобильной связи, в частности, с его руководителем док-
тором Уолтером Татлиби (Dr. Walter Tuttlebee) и членами исполнительного ко-
митета — доктором Кейт Бохан (Dr. Keith Baughan), профессором Хамидом
Агвами (Prof. Hamid Aghvami), профессором Марком Бичем (Prof. Mark Beach),
профессором Джоном Данлопом (Prof. John Dunlop), профессором Барри
Эвансом (Prof. Barry Evans), профессором Стивом МакЛахлином (Prof. Steve
MacLaughlin), профессором Джозефом МакГихеном (Prof. Joseph McGeehan) и
многими другими уважаемыми коллегами. Также мы очень признательны
Джону Хенду (John Hand) и Нафису Симджи (Nafeesa Simjee) (EPSRC, Вели-
кобритания) за поддержку наших исследований. Кроме того, хотелось бы по-
благодарить доктора Жоао Да Силва (Dr. Joao Da Silva), доктора Жорже Пе-
рейра (Dr Jorge Pereira), Бартоломе Арройо (Bartholome Arroyo), Бернарда
Барани (Bernard Barani), Демосфеноса Икономоу (Demosthenes Ikonomou) и
других уважаемых коллег из комиссии Европейского экономического сообще-
ства (Брюссель, Бельгия), а также Энди Афтелака (Andy Aftelak), Майка Фи-
липса (Mike Philips), Энди Вилтона (Andy Wilton), Луиса Лопеса (Luis Lopes) и
Пола Криктона (Paul Crichton) из компании Motorola ECID (Суиндон, Вели-
кобритания) за спонсорскую помощь в проведении наших недавних исследо-
ваний. Еще одна благодарность адресована Тиму Вилкинсону (НР, Бристоль)
за финансирование ряда наших исследований.
Мы очень благодарны Кетрин Унвин (Katharine Unwin), Марку Хаммонду
(Mark Hammond), Саре Хинтон (Sarah Hinton) и их коллегам из издательства
Wiley (Чичистер, Великобритания), а также Денис Харвей, которая помогала
нам в процессе написания книги. И наконец, хотелось бы выразить благодар-
ность многочисленным авторам, перечисленным в авторском указателе (а так-
же тем, на чьи работы мы не сослались из-за пространственных ограничений)
за их вклады в развитие современной мобильной связи, без которых идея этой
книги не могла бы быть реализована.
Лайош Ханцо, Джонатан Блох
Глава 1
СИСТЕМЫ CDMA
ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ
K. Йен, Л. Ганзо (K. Yen, L. Hanzo)
1.1. Введение
Несмотря на то, что абоненты сотовой связи, число которых непрерывно рас-
тет во всем мире, в подавляющем числе случаев используют услуги, ориенти-
рованные на передачу речи, данных и электронной почты, все же ожидается,
что в ближайшем будущем эти услуги обогатятся массой новых услуг. При
этом можно ожидать, что показатели недавно стандартизированных систем
мобильной связи многостанционного доступа с кодовым разделением CDMA1
третьего поколения — 3G будут сопоставимы с показателями конкурирующих
проводных систем или даже превзойдут их.
Такие амбициозные цели были недостижимы для существующих систем
мобильной связи второго поколения 2G, таких как всемирная система моби-
льной связи GSM2 [55], панамериканская система Interim Standard-95 (IS-95)
или японская сотовая система PDC3 [56]. Поэтому в последние годы был
предложен целый ряд идей и направлений, которые объединились в концеп-
ции мобильных систем третьего поколения — 3G. Европейский институт стан-
дартизации в электросвязи ETSI4 и Международный союз электросвязи МСЭ5
ведут работы по стандартизации этих систем в рамках проектов универсальной
системы мобильной связи UMTS6 [54,56—60] и международной системы мо-
бильной связи 2000 года (IMT7-2000)8 [57, 58, 61].
Технические параметры и концептуальные положения систем 3G подроб-
но обсуждаются в последующих разделах. Во всем мире при разработке бес-
проводных систем связи 3G доминирующее положение занимает метод много-
станционного доступа CDMA. Данный метод уже использовался в некоторых
системах второго поколения 2G (например, в системе IS-95) и хорошо себя за-
рекомендовал. Отчасти благодаря этому успеху, разработчики общеевропей-
ской системы UMTS и системы IMT-2000 отдали предпочтение методу
1CDMA — Code Division Multiple Access. — Прим. пер.
2GSM — Global System for Mobile Communications. — Прим. пер.
3PDC — Personal Digital Cellular. — Прим. пер.
4ETSI — European Telecommunications Standards Institute. — Прим. пер.
5Англоязычная аббревиатура — ITU, International Telecommunication Union. — Прим. пер.
6UMTS — Universal Mobile Telecommunications System. — Прим. пер.
7IMT — International Mobile Telecommunications. — Прим. пер.
8Извесной ранее как будущая система наземной мобильной связи общего пользова-
ния — Future Public Land Mobile Telecommunication Systems.
CDMA, хотя европейская система включает также элементы доступа с времен-
ным разделением каналов — TDMA.
В настоящей главе представлено элементарное изложение основ CDMA.
Затем рассматриваются концептуальные положения европейской, американ-
ской и японской систем мобильной связи 3G, основывающихся на CDMA,
после чего представлен научно-ориентированный прогноз будущого развития
подобных систем.
Настоящая глава организована следующим образом. В разделе 1.2, с тем,
чтобы сделать эту главу самодостаточной, представлено элементарное введе-
ние в CDMA, в то время как раздел 1.3 сконцентрирован на основних целях и
концептуальных положениях европейской, американской и японской систем
мобильной связи 3G, основывающихся на CDMA. И наконец, в разделе 1.4
представлены наши выводы.
1.2. Основы системCDMA
CDMA — это метод широкополосной связи, предусматривающий одновре-
менную передачу цифровых сигналов нескольких абонентов в условиях мно-
гостанционного доступа. Несмотря на то, что разработка CDMA мотивирова-
лась соображениями абонетской емкости, емкость, обеспечиваемая системой
CDMA, сопоставима с ее традиционными соперниками — системами на
основе доступа с частотным разделением каналов — FDMA1 и временным
разделением каналов — TDMA2 [62]. Но CDMA обладает уникальной спо-
собностью одновременной поддержки нескольких абонентов в одном радио-
канале с легким постепенным снижением качественных показателей от вза-
имного влияния абонентов. Следовательно, снижение влияний создает
условия для повышения емкости [63]. Более того, коэффициент повторного
использования частоты в сотах при CDMA возрастает в разы, и CDMA, бу-
дучи так называемой широкополосной системой, может сосуществовать с
другими (узкополосными) системами, которые, поражая спектр сигналов
CDMA в узкой полосе, не оказывают на них существенного мешающего вли-
яния [63]. Это обстоятельство упрощает проблему распределения частот, а
также позволяет обеспечить плавный переход от узкополосных систем к ши-
рокополосным системам. Но, вероятно, наиболее яркое достоинство метода
CDMA заключается в его способности противостоять или извлекать пользу
из замираний многолучевого распространения, что составит предмет нашего
серьезного обсуждения.
В ближайших разделах мы представим базовую терминологию, которую
будем использовать во всех последующих разделах. Дополнительную более де-
тальную информацию о CDMA можно найти в обширном перечне исследова-
тельских работ [62, 64, 65] и учебников [66—69].
38 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
1FDMA — frequency division multiple access
2TDMA — time division multiple access
1.2.1. Основы широкополосного спектра
При широкополосной передаче исходный информационный сигнал, занимаю-
щий полосу шириной B Гц, передается после расширения спектра полосы час-
тот в N раз, где N — коэффициент расширения (выигрыш от обработки). На
практике коэффициент расширения обычно находится в пределах 10—30 дБ
[64]. Рис. 1.1 иллюстрирует идею расширения спектра в частотной области.
Мощность передаваемого сигнала с расширенным спектром распределена в
полосе частот, в N раз превышающей исходную полосу, а спектральная плот-
ность, соответственно, понижена на эту же величину. Таким образом, коэф-
фициент расширения выражается в виде:
N = Bs/B, (1.1)
где Bs — полоса частот сигнала с расширенным спектром, а B — полоса частот
исходного информационного сигнала. Как будет видно из последующего изло-
жения, этот оригинальный метод расширения информационного спектра играет
решающую роль для улучшения условий его обнаружения в обстановке мобиль-
ного радио и, кроме того, позволяет узкополосным сигналам сохранять сущест-
венно более высокую спектральную плотность в той же полосе частот [64].
Существует два основных способа расширения спектра — SS1 [62]:
• расширение спектра методом прямой последовательности — DS2 (DS-SS)
• расширение спектра методом скачков частоты — FH3 (DS-FH).
1.2. Основы систем CDMA 39
P Вт/Гц
P
N
Вт/Гц
B Частота
BS = B Ї N
Рис. 1.1. Спектральная плотность сигнала до и после расширения
Спектральная плотность
1SS — Spread spectrum
2DS — Direct Sequence
3FH — Frequency Hopping
1.2.1.1. Скачки частоты
При расширении спектра методом скачков частоты, который впервые был ре-
ализован в системах второго пололения 2G — GSM, узкополосный сигнал пе-
редается с использованием различных несущих частот в разные моменты вре-
мени. В результате сигнал данных передается в широком спектре. Есть два
класса последовательностей скачков частоты. При быстрых скачках частоты,
несущие частоты изменяются несколько раз на передаваемый символ, а при
медленных скачках несущая частота изменяется обычно после нескольких
символов или пачки. В системах GSM каждая передаваемая пачка из 114 бит
телефонного канала с закодированной речью передается на своей частоте, а
поскольку временной цикл TDMA был равен 4,615 мс, то соответствующая
частота скачков составляла обратную величину, а именно 217 скачков в секун-
ду. Приемнику вызываемого абонента должна быть известна точная последо-
вательность скачков, для того чтобы удалить скачки в нужной последователь-
ности и демодулировать сигнал [64]. Чаще всего в CDMA используется
расширение прямой последовательностью DS. Поэтому все наше последующее
изложение будет подразумевать раширение прямой последовательностью.
1.2.1.2. Прямая последовательность
При расширении методом прямой последовательности DS информационный
сигнал умножается на высокочастотную идентифицирующую последователь-
ность — сигнатуру, которую называют также расширяющим кодом или расши-
ряющей последовательностью. Идентифицирующая последовательность або-
нента облегчает обнаружение сигналов различных абонентов при организации
многостанционного доступа в CDMA. В CDMA такое «разделение» абонентов
достигается использованием ортогональных расширяющих кодов, а при час-
тотном FDMA и временном TDMA разделении каналов доступа используются
ортогональные частотные или временные интервалы, соответственно.
Из рис. 1.2 можно видеть, что информационный символ длительностью Ts
разбивается на Nc равномерных интервалов длительностью Tc, каждый из ко-
торых перемножается с различными битами расширяющей последовательно-
сти. Таким образом, Nc = Ts / Tc. В результате на выходе появляется высокоча-
стотная последовательность.
Для двоичных сигналов Ts = Tb, где Tb — длительность бита данных. Следо-
вательно, Nc равно выигрышу от обработки N. Однако у M-значных сигналов
при M > 2, Ts Tb и, следовательно, Nc N. Важно понимать различие между Nc
и N, поскольку эти величины оказывают непосредственное влияние на эффек-
тивность использования полосы частот и характеристики системы CDMA.
На рис. 1.3 показана структурная схема типичного предатчика DS-SS с фа-
зовой манипуляцией — ФМн (BPSK1). Теперь выразим сигналы в математиче-
ском виде.
Двоичный сигнал можно записать в виде:
b t b j T t jTb
j
b ( ) ( )
, (1.2)
1BPSK — Binary phase shift keying
где Tb — длительность бита, bj {+1, 1} обозначает j-тый бит, а Tb(t)— фор-
ма импульса бита данных. В практических случаях Гф(t) — сигнал с ограничен-
ной полосой, подобный приподнятому косинусоидальному импульсу Най-
квиста. Тем не менее, на протяжении всей данной главы для упрощения
выкладок и моделирования предполагается, что импульс имеет прямоугольную
форму, которая определяется как:
( )
, ,
,
t
t
1
0 иначе
, (1.3)
Подобным образом можно записать расширяющую последовательность
в виде:
a t ah T t hTc
h
c ( ) ( )
, (1.4)
1.2. Основы систем CDMA 41
Ї
Рис. 1.2. Временное представление сигналов, используемых при расширении
спектра прямой последовательностью
Информа-
ционный
сигнал b(t)
Идентифи-
цирующая
последова-
тельность
a(t)
Сигнал с
расши-
ренным
спектром
u(t)
2Pb coswct
Рис. 1.3. Передатчик сигнала DS-SS с модуляцией ФМн (BPSK)
где ah {+1, 1} обозначает h-тый бит, а Tc (t)— импульс бита длительностью
Тс. Энергия расширяющей последовательности в течение времени одного бита
Tb нормируется согласно:
a t dt T
T
b
b
( ) 2
0
. (1.5)
Как следует из рис. 1.3, сигнал данных и расширяющая последователь-
ность перемножаются, и, для формирования на выходе широкополосного сиг-
нала s(t), полученный расширенный сигнал модулирует несущую:
s(t) = (2Pb)1/2 b(t) a(t) cos ct, (1.6)
где Pb — усредненная мощность на передаче. В соответствующем приемнике
для того, чтобы выделить информационный сигнал, расширенный сигнал пе-
ремножается с последовательностью, сопряженной с расширяющей последова-
тельностью передатчика и известной как сжимающая последовательность.
В идеальном случае при одном абоненте, отсутствии замираний и шумов, ис-
ходная информация может быть принята без ошибок. Это следует из рис. 1.4.
В действительности, однако, условия никогда не идеальны. Принимаемый
сигнал поражен шумами, одновременно подвержен замираниям многолучево-
го распространения, которые приводят к межсимвольной интерференции ISI1,
и влияниям сигналов других абонентов, создающих помеху многоканального,
группового сигнала. Более того, этот сигнал задерживается в изменяющейся
во времени среде. Влияния замираний многолучевого распространения и дру-
гих абонентов можно снизить современными методами обработки сигналов,
которые описываются в последующих разделах.
На рис. 1.5 показана структурная схема приемника канала с шумами на
основе коррелятора для определения принимаемого сигнала, который дает:
Рис. 1.4. Временная диаграмма декодирования сигнала, расширенного прямой
последовательностью
Данные
b(t)
Сжимаю-
щая после-
дователь-
ность
a*(t) Вход
u(t)
1ISI — Intersymbol interference
( )[ ( ) ( )]* cos
( )
b
T
i a t s t nt tdt
b
c
iT
i T
b
b
sgn
1 1
sgn
b
i
b
c
iT
i T
b
T
a t nt tdt
b
b
2
1 1
*
( )
( ) ( )cos
, (1.7)
где оb = Tb Pb — энергия бита, а sgn(x) — знаковая функция x, которая рав-
на 1 при x > 0 и 1
при x < 0. Приемник, показанный на рис. 1.5, оптимален
при работе по каналу одного абонента с аддитивным белым гауссовым шу-
мом — AWGN1. На самом деле, показатели системы DS-SS до сих пор обсуж-
дались, как будто это обычный модем с ФМн (BPSK) для канала с AWGN, ве-
роятность ошибки по битам в котором Prb( ) определяется выражением:
Prb
Q b
N
( )
2
0
, (1.8)
где
Q x e y dy
x
( ) /
2 2 (1.9)
есть Q-функция Гаусса. Преимущества связи с расширенным спектром и
CDMA могут быть оценены по достоинству только в условиях многолучевого
многостанционного доступа. Аспекты многолучевого прохождения и то, как
можно использовать так называемый приемник «Rake» [5, 70] для преодоле-
ния влияния многолучевого распространения, будут подробно рассмотрены в
следующем разделе.
1.2.2. Влияние многолучевых каналов
В настоящем разделе представлен обзор влияний многолучевых беспроводных
каналов в цифровых системах мобильной связи, которые прекрасно представ-
лены, например, в [11]. Заинтересованный читатель может также обратиться к
недавним статьям Скляра (Sklar) [71, 72] с кратким обзором данного предмета.
1.2. Основы систем CDMA 43
Прини- Выде-
маемый ленный
сигнал сигнал
Отсчет в
*
Идентифицирующая
последовательность
Рис. 1.5. Приемник сигнала DS-SS с ФМн (BPSK) для канала с аддитивным га-
уссовым шумом AWGN
1 1
Tb
iT
i T
b
( ) b
1AWGN — Additive White Gaussian Noise
Поскольку обычно мобильные станции находятся близко к земле, то пере-
даваемые сигналы отражаются, преломляются и рассеиваются от близлежащих
объектов, например, деревьев, зданий и гор [62]. Поэтому принимаемый сиг-
нал содержит в себе последовательности возможных перекрытий, задержанных
копий переданного сигнала. Каждая копия неповторима по мощности, фазе и
времени поступления. Так как приемник или отражающий объект нестацио-
нарны, то отражения накладываются на принимаемый сигнал в виде замира-
ний, причем замирания приводят к непредсказуемым изменениям напряже-
ния сигнала. Данное явление называют многолучевым распространением [11].
Как правило, в мобильных радиоканалах различают два вида замираний [71]:
• долговременные замирания (фединг);
• кратковременные замирания (фединг).
Как показано в [11], долговременный фединг обусловлен конфигурацией
местности между базовой и мобильной станциями, например, холмы и скоп-
ления зданий, которые приводят к ослаблению средней мощности сигнала в
функции расстояния. Для наших целей канал следует представить в понятиях
средних потерь тракта, подчиняющихся обычно обратно пропорциональной
зависимости четвертой степени [62] с логнормальным распределением относи-
тельно среднего значения. В силу этого, долговременные затеняющие замира-
ния называют также логарифмически нормальными замираниями [11, 71].
С другой стороны, как отмечено в [11, 71], кратковременные замирания
приводят к значительным изменениям фазы и амплитуды сигнала под влияни-
ем незначительных изменений в пространстве, разделяющем приемник и пе-
редатчик.
Кроме того, движения между передатчиком и приемником вызывают изме-
нения в тракте распространения, которые проявляются в виде временных за-
висимостей канала. Частотно-селективный канал, изменяющийся во времени,
представлен моделью линии задержки с отводами, в которой комплексный от-
клик низкочастного фильтра на импульс может быть представлен как:
~
h(t) al (t) e ( ) (t )
j t
l
l
L
l
1
, (1.10)
где |бl(t)|, цl(t) и фl — амплитуда, фаза и задержка в тракте l, а L — общее число
трактов многолучевого распространения. Как показано в [11], степень флукту-
аций уровня сигнала определяется частотой Доплера fD, которая, в свою оче-
редь, зависит от несущей частоты и скорости перемещения мобильной стан-
ции v (см. также стр. 16 в [74]):
fD = v(fc/c), (1.11)
где с — скорость света.
Статистику кратковременных замираний обычно моделируют распределе-
ниями Рэлея, Райса или Накагами-m [75]. Распределения Рэлея и Райса
представлены, например, в [11]. В литературе существует некоторое расхож-
дение точек зрения в отношении того, насколько хорошо эти распределения
описывают статистики быстрых замираний в канале. Хотя эмпирические ре-
зультаты показывают, что лучше всего статистика замираний описывается
распределением Накагами [76], во многих случаях при анализе и моделиро-
44 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
вании используется распределение Рэлея, благодаря своей простоте и на-
глядности влияния замираний на передачу. Более того, распределение Рэлея
представляет частный случай распределения Накагами, когда показатель за-
мираний m равен единице (см. стр. 28 в [5]). Распределение Райса, в кото-
ром присутствуют доминирующие составляющие сигнала, известные как от-
раженные — зеркальные составляющие, больше подходит к спутниковой
связи, чем к крупным наземным сотам, в которых часто отсутствует тракт на
линии прямой видимости между наземной базовой станцией и мобильной
станцией. Хотя при небольших микросотах верно противоположное. В дан-
ной главе при исследовании частотно-избирательных замираний будет испо-
льзовано распределение Рэлея.
Задержка пропорциональна протяженности тракта соответствующего сиг-
нала между передатчиком и приемником. Разброс задержек, обусловленный
различием длин траекторий составляющих многолучевого распространения,
приводит к появлению межсимвольной интерференции ISI, которая становит-
ся в значительной степени доминирующей при высокой скорости передачи
данных.
Характерный импульсный отклик радиоканала приведен на рис. 1.6. Эта
импульсная характеристики канала известна как импульсная характеристика
COST 207 BU1 для плохих городских условий [77]. Можно видеть, что импуль-
сный отклик содержит две основные группы задержек трактов прохождения:
главный профиль и маленькое эхо, следующее за главным профилем с задерж-
кой 5 мкс. Главный профиль формируется отражениями сигнала от структур,
расположенных вблизи приемника, с коротким временем задержки. С другой
стороны, профиль эха может быть обусловлен несколькими отражениями от
больших, но значительно дальше расположенных объектов, например, холма
[78]. В любом случае, можно видеть, что оба профиля примерно соответствуют
экспоненциально спадающей функции относительно времени задержки.
1.2. Основы систем CDMA 45
Временная задержка, мкс
Рис. 1.6. Импульсная характеристика COST 207 BU Амплитуда
1BU — Bad urban
На рис. 1.7 показано воздействие на сигнал с расширенным спектром при
его прохождении по многолучевому каналу с L независимыми трактами, что
дает выражение для принимаемного сигнала в виде:
r t s l t l n t
l
L
( ) ~( ) ()
!
1
(1.12)
где бl(t) — временная переменная комплексного коэффициента передачи
канала, которая задана в выражении (1.10) в виде al t e
j t ( ) l ( ) с амплитудой,
распределенной по закону Рэлея и равномерно распределенной на интервале
[р
. . . р] фазой, а ~s(t l)— эквивалент основного переданного сигнала с
расширенным спектром из уравнения 1.6, задержанный на время фl. Выраже-
ние выше показывает, что в тракт l вносятся затухание с коэффициентом бl(t)
и задержка на фl. Если не применять специальные методы разнесенного прие-
ма [5], то эти тракты складываются вместе на входе приемника с любыми фа-
зами или различными задержками и могут создавать множество многолучевых
мешающих сигналов, искаженных межсимвольной интерференцией (ISI) всле-
дствие дисперсии.
На рис. 1.8 показана вероятность ошибки приема бита при CDMA с моду-
ляцией ФМн в каналах без замираний и с замираниями. Без разнесения, ко-
эффициент ошибок по битам BER1 спадает примерно по закону Prb"1/4#c,
где # c — усредненное отношение сигнал-шум SNR2, и потому его график в ло-
гарифмической шкале log Prb" log 4#cблизок к линии [5]. Видна разница с
графиком при отсутствии замираний или в канале с аддитивным гауссовым
шумом — AWGN, в котором при увеличении SNR коэффициент ошибок спа-
46 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
Рис. 1.7. Модель многолучевого распространения передаваемого сигнала
1bit error rate (BER)
2Signal-to-Noise Ratio (SNR)
дает экспоненциально. Таким образом, в канале с замираниями для поддержа-
ния малой величины ошибок требуется высокий уровень передаваемой мощ-
ности. Как будет показано в следующем разделе, для преодоления этого
недостатка могут использоваться методы разнесения.
1.2.3. Приемник Rake
Как упоминалось ранее, методы расширенного спектра могут получить преи-
мущество за счет улучшения приема в условиях многолучевых мобильных ка-
налов. Это возможно благодаря широкополосной природе сигнала, частотная
полоса которого существенно превышает полосу когерентности многолучевых
каналов [79]. В этом случае канал рассматривают как канал с частотно-изби-
рательным федингом, поскольку различные переданные частоты ослабевают
по-разному, если их разнесение больше, чем ранее упомянутая полоса коге-
рентности. Предположим, что расширенный спектр имеет ширину полосы Bs,
а полоса когерентности канала равна Bc, так что Bs $$ Bc. Тогда число разли-
чимых независимых трактов, то есть трактов, замирания в которых почти не-
зависимы, равно:
LR = %Bs/Bc& + 1, (1.13)
где %x& — большее целое, которое меньше или равно x. Количество разреши-
мых трактов LR изменяется в соответствии с окружающей обстановкой и об-
ычно выше в городской части, чем в пригородной, поскольку в городской
зоне полоса когерентности обычно меньше из-за более высокого разброса за-
держек в канале. Если говорить точнее, то это результат большей дисперсии
1.2. Основы систем CDMA 47
Без разнесения
2 разнесенных
тракта
3 разнесенных
тракта
Среднее значение SNR на бит
Рис. 1.8. Показатели системы CDMA с ФМн (BPSK) в различных каналах с рэ-
леевскими замираниями. Графики получены с использованием совер-
шенного оценивания каналов и при отсутствии внутренней интерфе-
ренции между разнесенными каналами
Коэффициент ошибок
импульсной характеристики, так как полоса когерентности обратно пропорци-
ональна разбросу задержек импульсных характеристик, как это показано в
[79]. Подобно схемам частотного или пространственного разноса, при много-
лучевом разнесении создают LR разрешимых трактов, используя тот факт, что,
по статистике, разные тракты не могут одновременно находиться в состоянии
глубокого замирания, а значит, всегда есть хотя бы один тракт распростране-
ния, создающий приемлемый канал. Такие многолучевые составляющие и
представляют разнесенные тракты.
Многолучевой разнос может использоваться только применительно к ши-
рокополосным сигналам. Из уравнения (1.13) видно, что ширина полосы Bs
узкополосного сигнала, не использующего специальный расширяющий сиг-
нал, будет существенно меньше Bc. В этом случае канал становится частот-
но-неизбирательным [79]. В таких каналах не могут наблюдаться различимые
разнесенные тракты, как при широкой полосе, и это объясняет, почему доступ
с частотным TDMA и временным FDMA разделением в узкополосных моби-
льных радиоканалах менее помехоустойчив, чем CDMA.
Многолучевой разнос образуется, например, при использовании приемни-
ка, называемого «Rake», который был изобретен Прайсом (Price) и Грином
(Green) [70]. Это оптимальный приемник широкополосных сигналов при мно-
голучевых замираниях. Свое название он получил по аналогии с садовыми
граблями, собирая с помощью «пальцев» подходящие тракты. Точка, в кото-
рой соединяются пальцы и ручка, представляет собой место, в котором сум-
мируются разнесенные тракты. Существует четыре способа объединения раз-
несенных трактов [80]:
• селективное суммирование — SC1;
• суммирование дифференциально взвешенных сигналов каждого кана-
ла — MRC2;
• линейное суммирование сигналов равной мощности — EGC3 (Equal
Gain Combining);
• суммирование лучших n сигналов — SCn4.
Анализ характеристик селективного суммирования в системах CDMA мож-
но найти в [81, 82], а общее сравнение различных методов суммирования разне-
сенных трактов для рэллеевских каналов — в [80]. Суммирование дифференци-
ально взвешенных сигналов каждого канала MRC дает лучшие показатели, а
селективное суммирование — простейшее в реализации. Число различимых
трактов, объединяемых в приемнике, представляет порядок разнесения прием-
ника, обозначаемый в данной работе как LP. Отметим, однако, что на практике,
из-за сложности реализации, в приемнике суммируются не все различимые со-
ставляющие многолучевого прохождения сигнала, то есть LP Ѕ LR.
Существует два основных метода демодуляции, а именно, когерентная и
некогерентная демодуляция [5]. В контексте CDMA в настоящем разделе
основное внимание уделено когерентной демодуляции. Но, прежде чем нач-
1SC — Selection Combining
2MRC — Maximal Ratio Combining
3EGC — Equal Gain Combining
4SCn — Combining of the n best signals
нется процесс демодуляции, между передатчиком и приемником должен быть
достигнут режим синхронизма.
Синхронизация в системах DS-CDMA реализуется в процессе, известном
как кодовое обнаружение, захват и отслеживание. Обнаружение реализуется
обычно с использованием корреляционных методов между собственной ко-
пией сигнатурной последовательности приемника и принятой сигнатурной
последовательностью и поиска сдвига между ними, связанного с моментом на-
чала отсчета бита, свидетельствующего о достижении высокого уровня корре-
ляции [64, 83, 84]. Когда захват состоялся, то обычно для достижения и под-
держания точного выравнивания двух последовательностей используется схема
отслеживания кода [85]. Подробности захвата и отслеживания кода находятся
вне рассмотрения настоящей главы. Заинтересованный читатель может обра-
титься к [86—89] и найти там исчерпывающее изложение данного предмета.
Таким образом, в данной главе мы предполагаем, что передатчик и соответст-
вующий приемник полностью синхронизированы.
Нам предстоит определить затухание и сдвиг фазы тракта оптимального
приемника Rake, использующего когерентную демодуляцию. Такая оценка,
использующая известный метод оценивания канала, скрупулезно выполена в
разделе 1.2.6. В обычных несложных приложениях в передаваемую последова-
тельность вставляются заранее известные специальные символы, по которым
может быть проведена оценка затухания и сдвига фазы в канале. Тем не ме-
нее, в данном случае при оценке параметров сумматора разнесенных каналов
приемника Rake будем предполагать, что используется идеальная процедура
оценивания канала.
На рис. 1.9 представлена блок-схема приемника Rake с двоичной ФМн
(BPSK). Принимаемые сигналы предварительно перемножаются в каждой вет-
ви приемника, настроенной на разрешимый тракт, на оценочные коэффици-
енты б1(t), ... , бLp(t). Для оптимизации характеристик приемника Rake, испо-
льзующего суммирование максимально взвешенных сигналов каждого канала,
и с тем, чтобы компенсировать влияние каналов, эти оценочные канальные
коэффициенты должны быть сопряжены с реальными коэффициентами соот-
ветствующих трактов1. Заметьте, что линейное суммирование сигналов равной
1.2. Основы систем CDMA 49
* * –
* * –
Рис. 1.9. Приемник Rake
iT
i T
b LP
b LP
( 1)
Decision
variable
iT
i T
b
b
1
1 ( 1)
1! ! !
l
j
l
j
l el' e l 2
мощности оценивает только фазу, а вклады каждого канала перед сложением
перемножаются на единичный коэффициент усиления. Затем полученные сиг-
налы на выходе каждой ветви приемника Rake перемножаются на ответную
сигнатурную последовательность (см. рис. 1.3), задержанную в соответствии с
процессом кодового захвата. После устранения расширения с помощью согла-
сованных сигнатурных последовательностей a*(t — 1), ... , a*(t — Lр), сигналы
на выходах корреляторов складываются для получения декодированного сим-
вола1 (рис. 1.9):
( ) * ( ) *( )
( )
b
T
i a t r t a t dt
b
l l
iT
i T
b l
b l
(
%
)
sgn
1
1
)
*
&
++
l
L
b
b
l l l
P
P
T
a t bt at
1
2 sgn ( ) ( ) ( )a t dt
T
a
l
iT
i T
l
L
b
l
b l
P b l
*
( )
*
( )
(
%
))
1
1
1
( ) ( ) *( )
( )
t r t a t dt
a
l
iT
i T
l
b l
b l
*
&
++
1
sgn ( ) *( ) ( ) *( )
( )
t b
T
b l a t nt a t dt
b
l l
iT
i T
b l
b l
2
1
1
(
%
))
*
&
++
l
LP
1
(1.14)
Обычно первый член уравнения (1.14), содержащий полезную информа-
цию, намного больше второго сжатого шумоподобного члена. Это связано с
тем, что первый член пропорционален сумме абсолютных значений канальных
коэффициентов, а второй член уравнения (1.14) пропорционален векторной
сумме комплексных канальных коэффициентов. Поэтому действительная
часть первого члена обычно больше второго члена. Следовательно, приемник
Rake может улучшить возможности обнаружения сигналов данных в уловиях
многолучевого распространения.
Возвращаясь к графикам коэффициента ошибок на рис. 1.8, можно видеть,
что показатели системы улучшаются при использовании многолучевого разне-
сения. При увеличении числа различимых трактов LP наблюдается улучшение
показателей передачи. Конечно же, при этом повышается сложность приемни-
ка, так как возрастает число корреляторов, показанных на рис. 1.9.
1.2.4. Коллективный, многостанционный доступ
До сих пор рассматривалась передача сигналов только одного абонента. Такая
система проста и прямолинейна в реализации. Рассмотрим теперь, как повли-
яет на характеристики системы передача сигналов нескольких абонентов.
В системе DS-CDMA режим коллективного доступа достигается за счет
того, что общая полоса частот может одновременно использоваться несколь-
50 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
1При этом предполагается, что помехи многолучевого распространения отсутствуют.
Эти помехи могут быть учтены как часть помех смежных пользователей, которые рассмат-
риваются в следующем разделе.
кими абонентами. Каждому передатчику и связанному с ним приемнику выде-
ляется индувидуальная сигнатурная последовательность. Только приемники
располагают точными сведениями о характере индивидуальной последователь-
ности, способной детектировать переданный сигнал. Рассмотрим ситуацию,
когда К активных абонентов ведут одновременную передачу. Эквивалентная
модель системы, работающей в основной полосе, показана на рис. 1.10. Для
простоты подразумевается, что в данном случае многолучевое распростране-
ние отсутствует, и поддерживается идеальное управление мощностью.
Математическое представление сигнала k-го абонента подобно выражению
(1.2), за исключением дополнительного верхнего индекса, обозначающего
коллективную, многостанционную передачу. То есть, выражение имеет вид:
b t b k t jT
j
k
T b
h
b
( )( ) ( ) ( )
. (1.15)
где b(k) { 1, 1}. Имеется выделенная абонентская сигнатурная последователь-
ность a(k)(t) k-го пользователя, подобная последовательности (1.4), за исклю-
чением верхних индексов, разделяющих пользователей:
ak t a t hT
h
k
T c
h
c
( )( ) ( ) ( )
. (1.16)
Для получения исходного широкополосного сигнала, сигнал данных k-го або-
нента b(k)(t) перемножается с сигнатурной последовательнсотью a(k)(t), то есть:
sk t P b ta t
b
( )( ) (k) (k)( ) (k)( ), (1.17)
где Pb
(k) — средняя мощность, передавемая k-ым абонентом. Групповой при-
нимаемый сигнал в основной полосе равен:
r t P b t a t n t b
k k k k k
k
K()
(
)
(
)(
(
))( )(
(
))
(
)
1
, (1.18)
1.2. Основы систем CDMA 51
–
–
–
Рис. 1.10. Модель системы CDMA
Decision
Decision
Decision
Delay
Delay
Delay
где ф(k) — задержка распространения плюс задержка сигнала k-го абонента от-
носительно сигналов других абонентов, а n(t) — аддитивный белый гауссов
шум с двухсторонней спектральной плотностью мощности N0/2, Вт/Гц.
1.2.4.1. Помехи входящей линии — DL
На входящих линиях DL (от базовой станции к мобильному абоненту) базовая
станция может синхронизировать все сигналы абонентов при условии, что
длительности символов выровнены друг с другом. Поэтому групповой сигнал
принимается каждой мобильной станцией с задержкой ф(k) = 0 при k = 1, 2,…, К.
Такой сценарий известен как передача, синхронизированная по символам.
При использовании обычного, так называемого одиночного детектора, каж-
дый символ j-того пользователя выделяется из принимаемого сигнала r(t) бла-
годаря корреляции с расширяющим кодом j-того абонента, что дает:
( ) ( ) ( )*( )
( )
b
T
i r t a t dt
j
b
j
iT
i T
b
b
sgn
1 1
(1.19)
Подстановка выражения (1.18) в (1.19) дает:
b ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) (
T
i P b ta t nt a
j
b
b
k k k
k
K
(
% )
*
& +
sgn
1
1
j
iT
i T
b
b
j j
t dt
T
P b ta
b
b
) *
( )
( ) ( )
( )
( )
1
1
sgn ( ) ( )*
( )
( ) ( )
( ) ( )
( )
j j
iT
i T
b
b
k k
t a t dt
T
P b ta
b
b
1
1 ( ) ( ) * ( )*
( )
k ( ) j ( ) ( ) ( )
b
j
iT
i T
kk
t a t dt
T
n t a t dt
b
b
1 1
1
j
K
iT
i T
b
j
i
j
b
b
b
( )
( ) ( )
1
sgn
Нужный
сигнал
b
k
i
k
jk
k
k j
K
( )b( )R
1
Переходные помехи
коллективного доступа
Белый
шум
n( j)
(1.20)
где Rjk — взаимная корреляция расширяющих кодов j-го и k-того абонентов
для iTb Ѕ t Ѕ (i + 1)Tb, в виде:
R
T
jk a ta tdt
b
j k
Tb
1
0
( )( ) ( )( ). (1.21)
В данном случае, если расширяющие коды строго ортогональны друг дру-
гу, то взаимные помехи отсутствуют. То есть, Rjk = 0 при всех k j. Однако вы-
деление ортогональных кодов для большого числа абонентов представляет
чрезвычайно сложную задачу. В системе IS-95 для достижения ортогонально-
сти используются так называемые коды Адамара-Уолша [90].
52 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
1.2.4.2. Помехи исходящей линии
В отличие от ранее рассмотренного случая входящей (нисходящей) линии, в
реальных системах на исходящих линиях (направление от абонента к базовой
станции) строгая ортогональность не может быть достигнута, поскольку в дан-
ном случае отсутствует координация действий по передаче сигналов абонен-
тов. В системе CDMA сигналы всех абонентов передаются в одной общей по-
лосе частот, в несогласованном во времени виде. Таким образом ф(k) 0,
а соответствующий сценарий определяют как асинхронный режим передачи.
В данном случае задержка во времени ф(k), k = 1, . . ., K нуждается в вычисле-
нии. Без потери общности можно предположить, что ф(1) = 0 и что 0 < ф(2) <
< ф(3) < ··· < ф(K) < Tb. В отличие от синхронного режима входящей линии —
DL, описанного уравнением 1.19, демодуляция i-того символа j-того абонента
осуществляется по корреляции принимаемого сигнала r(t) с последовательнос-
тьюa( j)*(t), задержанной на ( j), что дает:
( ) ( ) ( )*( ( ))
( )
( )
b
T
i r t a t dt
j
b
j j
iT
i T
b
j
b
sgn
1 1
(j)
(1.22)
где ( j) — оценка задержки приемником.
Подставляя (1.18) в (1.22) и полагая захват и отслеживание кода безупреч-
ными, получим1
b ( ) ( ) ( )( ( ))( )( ( )) ()
T
i P b t a t nt
j
b
b
k k k k k
k
sgn
1
1
K
iT
i T
j j
b
j
b
j
a t dt
(
% )
*
& +
( )
( ) ( )
( )*( ( ))
1
sgn
1
T
P b t a t a t
b
b
( j) (j) (j) (j) (j) ( j)* ( ) ( ) ( ( )
( )
( ) ( )
)
(
( )
( )
j
iT
i T
b
k k
dt
P b t
b
j
b
j
(
%
))
1
( ) ( ) ( )
( )
( )
) ( )
( )
( )
k k k
i T
i T
k
j
a t a
b
j
b
k
1
1
1
1
( )* ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) (
j j
b
k k
b
k k
b
k
t dt
P b t T a t T
) ( )
( )
( ) ( )
( )* ( )
(
iT
i T
k
j
j j
b
k
b
k
b
j
a t dt
P
1
1
1
) ( )( ( ))( )( ( ))
( )
( )
bk t T a t T
b
k k
b
k
iT
iT
k
b
j
b
k
j
K
j j
b
k k k k k
a t dt
P b t a t
1
( )* ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) (
) ( )
( )
( )
( ) ( )
( )* ( )
iT
i T
k j
K
j j
b
k
b
j
a t dt
n t
1
1
aj t j dt
iT
i T
b
j
b
j
( )* ( )
( )
( )
( )
( )
*
&
++
1
(1.23)
1.2. Основы систем CDMA 53
1При точном зазвате и отслеживании (j) (j).
( ) ( ) bi b( ) ( )
j
b
j
i
j
b
k
sgn
Нужный
сигнал
bi R b R
k
jk
k
j
b
k
i
k
jk
k
j
( ) (0) ( ) ( ) (1)
1
1
1
1
1
Переходные помехи коллективного доступа
b
k
i
k
jk
k j
K
b
k
i
k
( )b( )R ( ) ( )b( )R jk ( ) 1
1
1 0
k j
K
1
Переходные помехи коллективного доступа
n( j)
Белый
шум
(1.24)
гдеRjk(i) иR jk(i), i {+1, 0, 1}
представляют взаимную корреляцию расширя-
ющих кодов при асинхронной передаче, которая задается в виде [91]:
R i
T
jk a t a t iT dt
b
j j k
b
k
j
k
() ( )( ( )) ( )( ( ))
( )
( )
1
(1.25)
() ( )( ( )) ( )( ( ))
( )
( )
R i
T
jk a t a t iT
b
j j k
b
k
T
k
b
j
1
dt (1.26)
и ограничивается значениями +1, 0, 1,
поскольку, как говорилось в разделе
1.2.2, предполагается, что максимальная задержка в тракте ограничивается
длительностью одного символа.
Уравнения (1.24) и (1.20) представляют ожидаемый демодулированный
символ данных j-го абонента на базовой и мобильной станциях, соответствен-
но. Оба содержат нужный символ j-го абонента. Однако он подвержен влия-
нию шумов и помех, создаваемых другими абонентами. Эти помехи известны
как помехи многостанционного, коллективного доступа — MAI1. Они содер-
жат нежелательные, мешаюшие сигналы других (K 1)
абонентов. Помехи
коллективного доступа возникают из-за ненулевой взаимной корреляции рас-
ширяющих кодов. В идеальном случае расширяющие коды должны удовлетво-
рять условия ортогональности, так что:
R
T
a ta t dt
k j
k jk
b
k j
Tb
( ) () ( )
, ,
,
( ) ( )
, 1 1 0
0 0
для
,
(1.27)
Однако в условиях асинхронной передачи исходящих сигналов UL невоз-
можно создать коды, ортогональные для всех возможных временных сдвигов.
Поэтому в исходящих линиях UL всегда будут присутствовать помехи много-
станционного доступа — MAI. Это наблюдение подтверждается сравнением
членов уравнений (1.20) и (1.24).
С другой стороны, многостанционные помехи всегда присутствуют в кана-
лах в прямом и обратном направлении. Многостанционные помехи обусловле-
ны разницей времени прибытия одного и того же сигнала из-за разницы трак-
тов прохождения к приемнику. Это подобно тому, как если бы сигналы
поступали от других абонентов, и тогда помехи многолучевого распростране-
ния анализируются обычно — тем же способом, что и помехи MAI.
54 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
1MAI — Multiple access interference
С ростом числа абонентов помехи MAI также возрастают. Из-за этого о
CDMA говорят как о системе, емкость которой ограничивается помехами. Си-
стема CDMA способна обслуживать дополнительных абонентов в фиксирован-
ной полосе частот, постепенно снижая качественные показатели, в то время
как доступ с частотным FDMA или временным TDMA разделением для обслу-
живания дополнительных абонентов потребует дополнительную полосу частот.
Были проведены исследования по поиску средств смягчения воздействия по-
мех MAI. Некоторые методы использовали управление активностью речи, раз-
работку расширяющих кодов, схемы управления мощностью и секционные/
адаптивные антенны [92]. Эти средства позволили в определенной мере сни-
зить MAI.
На данный момент самый многообещающий метод для исходящих линий
UL представляет многопользовательское обнаружение, впервые предложенное
Верду (Verdu) [93]. Многопользовательское обнаружение [94—96], которое бу-
дет обсуждаться детально в следующей главе, для того чтобы распознать каж-
дого абонента, нуждается в знании сигнатурных последовательностей всех
абонентов и данных о характере всех импульсных характеристик каналов або-
нентов. Использование этого алгоритма более пригодно для реализации в ис-
ходящих каналах UL, так как все мобильные станции передают сигналы на ба-
зовую станцию, и базовая станция должна определить эти сигналы в любом
случае. Однако тема многопользовательского детектирования лежит вне рас-
смотрения настоящей главы и будет обсуждаться несколько подробней в 3 гла-
ве. Для более глубокого понимания заинтерсованный читатель может обрати-
ться к прекрасной книге Верду [97], которая представляет всестороннее
обсуждение данной темы. Обзор различных схем многопользовательского де-
тектирования и список дополнительной литературы можно также найти, на-
пример, в работе Мошави (Moshavi) [92].
Еще один недостаток систем CDMA заключается в их восприимчивости к
проблеме «ближний — дальний», которая будет рассмотрена ниже. Если все
абоненты работают с равной мощностью, то из-за разницы потерь сигналы от
абонентов вблизи базовой станции принимаются с более высокой мощностью,
чем сигналы тех абонентов, которые находятся вдали от базовой станции.
Влияние замираний, рассмотренное в разделе 1.2.2, также вносит свой вклад в
колебания мощности. Таким образом, согласно уравнению (1.24), если j-тый
абонент работает на границе соты, а все остальные абоненты находятся вблизи
базовой станции, то сигнал j-того абонента будет маскироваться более силь-
ными сигналами других абонентов, что приводит к более высокому коэффи-
циенту ошибок. Для смягчения проблемы «ближний — дальний» используется
регулирование мощности с тем, чтобы гарантировать, что сигналы абонентов
принимаются примерно с равной мощностью, вне зависимости от их расстоя-
ния от базовой станции.
Используются две типичные схемы управления мощностью [65]:
• открытая схема упрвления мощностью;
• закрытая, замкнутая схема управления мощностью.
Открытая, без обратной связи, схема регулирования мощности обычно ис-
пользуется для устранения различий в мощности, обусловленных потерями в
1.2. Основы систем CDMA 55
тракте. Замкнутая схема регулирования с обратной связью используется для
устранения затеняющих замираний, вызванных многолучевым распростране-
нием. Детали различных методов регулирования мощности не будут рассмат-
риваться в настоящей главе. За более подробной информацией читатели могут
обратиться к [98].
1.2.4.3. Гауссова аппроксимация
Для упрощения анализа условий коллективной работы в системе CDMA обыч-
но предполагается, что, согласно центральной предельной теореме, взаимные
помехи доступа MAI имеют гауссово распределение [99—101]. Это предполо-
жение точно выполняется даже при числе абонетов K < 10, при коэффициенте
ошибок BER, равном или более 103.
При анализе взаимных помех доступа
MAI мы также будем использовать распределение Гаусса, как это представле-
но в работе Пёрсли (Pursley) [99]. Если рассматриваемая абонентская последо-
вательность синхронна по битам и фазе со всеми мешающими последователь-
ностями, где синхронные по фазе отношения определяются как бы при
отсутствии шумов, то худший случай вероятности ошибок Prb( ) согласно Пёр-
сли [99] задается в виде:
Prb
Q c
N
K
( )
( )
(
% )
*
& +
1
, (1.28)
где Q(·) — Q-функция Гаусса, заданная выражением (1.9), поскольку синхрон-
ная передача не создает чисто случайную мешающую последовательность гаус-
сового вида. Данная формула должна характеризовать синхронный вид пере-
дачи во входящей линии, представленный в разделе 1.2.4.1. Однако в
практических сутуациях исходящих линий UL, пердставленных в разделе
1.2.4.2, существует некоторая задержка среди абонентов, и каждый принимае-
мый сигнал сдвигается по фазе независимо. В этом случае, согласно Пёрсли,
вероятность ошибки при отсутствии шумов равна [99]:
Prb
Q c
N
K
( )
( )
(
% )
*
& +
3
1
, (1.29)
Уравнение (1.29) представляет лучшие качественные показатели, соответ-
ствующие помехам гауссового вида. Между этими двумя крайними оценками
находятся остальные варианты. В первом случае требуемая и мешающая по-
следовательности синхронизированы по битам, но не синхронны по фазе. Ве-
роятность ошибки в отсутствии шумов выражается как [99]:
Prb
Q c
N
K
( )
( )
(
% )
*
& +
2
1
, (1.30)
Во втором случае требуемая и мешающая последовательности синхронизи-
рованы по фазе, но не синхронны по битам. Тогда вероятность ошибки в от-
сутствии шумов определяется выражением [99]:
Prb
Q c
N
K
( )
( )
(
% )
*
& +
3
2 1
, (1.31)
56 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
Анализируя приведенные выше уравнения, можно видеть, что при увели-
чении количества битов Nc на символ показатели системы также улучшаются.
Однако существует ограничение на коэффициент расширения последователь-
ности в основе которого лежат возможности цифровой обработки сигналов.
На рис. 1.11 сравниваются результаты моделирования двоичных систем с резу-
льтатами вычислений по выражениям (1.28) и (1.29) при выигрыше от обра-
ботки, равном 7. Из графиков следует, что предположение о гауссовом распре-
делении взаимных помех доступа MAI верно, особенно при большом числе
абонентов. Графики также показывают, что система CDMA достигает лучших
своих характеристик в асинхронном режиме многостанционного доступа. В этом
заключается преимущество CDMA над доступом с частотным (FDMA) и вре-
менным (TDMA) доступом, так как и TDMA и FDMA нуждаются в согласова-
нии передачи сигналов пользователей, что увеличивает сложность системы.
На протяжении многих лет стандарты мобильной связи второго поколения
(2G) были основными при построении систем сотовой связи. Предложенный
в 1991 году стандарт GSM (Global System for Mobile Communications) обеспе-
чивал более качественную передачу речи за счет предварительного преобразо-
вания ее в цифровую форму и стремительно распространился по всему миру.
Однако со временем набор услуг, которые могли предложить стандарты 2G
оказался недостаточным. Возросшая потребность в беспроводном доступе в
Интернет привела к дальнейшему развитию технологии 2G. Появилась техно-
логия 2.5G, примером которой является GPRS (General Packet Radio Services)
— стандартизованная технология пакетной передачи данных, позволяю-
щая использовать оконечное устройство мобильной связи для доступа в
Интернет. Позже была внедрена технология EDGE (Enhanced Data rates for
GSM Evolution), что позволило повысить скорость передачи данных до сотен
килобит в секунду.
Сети мобильной связи третьего поколения, благодаря высокой скорости
передачи данных, позволили осуществлять видеосвязь, реализовывать различ-
ные мультимедийные сервисы, а также предоставляют высокоскоростной дос-
туп к интернету, в любой точке, где есть 3G сеть. Главным отличием 3G от се-
тей второго поколения является индивидуализация, то есть, присвоение
каждому абоненту IP-адреса. Стандарт 3G был разработан Международным
союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) и носит на-
звание IMT 2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Под этой аб-
бревиатурой объединены пять стандартов, используются только три основных
стандарта 3G: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service),
CDMA2000 и WCDMA (Wide CDMA).
IMT-2000 обеспечивает высокую скорость передачи данных как внутри по-
мещений, так и на открытой местности; симметричную и асимметричную пе-
редачу данных; поддержку канальной и пакетной коммутации для обеспечения
таких сервисов, как Internet Protocol и Real Time Video; высокое качество го-
лоса, не уступающее качеству голоса при передаче по проводной линии; боль-
шую компактность спектра и более эффективное его использование; возмож-
ность глобального роуминга.
Книга английских авторов в систематизированном виде излагает все
основные аспекты сотовой связи третьего поколения: история, принципы по-
строения и технические проблемы, характеристики основных стандартов IMT
2000, направления их модернизации и перспективы развития. Рассмотрены
усовершенствованные методы адаптивной модуляции и кодирования, которые
позволили обеспечить скорости передачи до 14 Мбит/с в спецификациях
HSDPA и HSUPA. Исследованы возможности улучшения качественных пока-
зателей обслуживания за счет использования на базовых станциях сотовой
сети адаптивных антенных решеток в сочетании с управлением мощностью.
Представлены результаты исследования пропускной способности сети, полу-
ченные для различных условий распространения, проанализированы преиму-
щества, обеспечиваемые за счет применения методов адаптивного формирова-
ния луча и адаптивной модуляции.
Книга может быть интересна и полезна инженерно-техническим работни-
кам, профессионально занимающимся сотовой связью, аспирантам, учащимся
высших и средних специальных учебных заведений, специализирующимся в
области связи, а также всем тем, кто интересуется современными телекомму-
никационными технологиями или новыми предложениями, появляющимися
на рынке услуг.
Сорокин В.Н.,
старший научный сотрудник,
кандидат технических наук
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Лайош Ханцо (Lajos Hanzo) (http://www-mobile.ecs.soton.
ac.uk) FREng, почетный член Института инженеров по
электротехнике и электронике (FIEEE1), FIET, доктор наук
(DSc), получил диплом по специальности «Электроника» в
1976 г., а докторскую степень — в 1983 г. На протяжении 31
года работы в области телекоммуникаций Л.Ханцо занимал
различные научные и педагогические должности в Венгрии,
Германии и Великобритании. С 1986 г. он работает в Школе
электроники и компьютерных наук при Саутгемптонском
Университете (Великобритания), где заведует кафедрой те-
лекоммуникаций. Является соавтором 15 книг по мобильной радиосвязи об-
щим тиражом более 10 000 экземпляров, опубликовал более 700 научных ста-
тей, был председателем технических программных комитетов различных
конференций IEEE, выступал в качестве основного докладчика и был отмечен
множеством наград. В настоящее время Л.Ханцо руководит исследовательской
группой, которая работает над рядом научных проектов в области беспровод-
ной мультимедийной связи, финансируемых промышленными структурами,
Научным советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC2, Великоб-
ритания), Европейской программой IST3 и Виртуальным центром мастерства
(VCE4) в области мобильной связи (Великобритания). Он активно пропаган-
дирует сотрудничество промышленных и научных структур и подготовил ряд
учебных курсов, ориентированных на потребности промышленности и бизне-
са. Кроме того, Л.Ханцо является почетным лектором и управляющим двух
обществ IEEE — Телекоммуникационного общества (ComSoc5) и Общества
технологий связи на транспорте (VTS6). Более детальную информацию о по-
следних исследованиях и соответствующих публикациях Л.Ханцо можно най-
ти на сайте http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk.
Джонатан Блох (Jonathan Blogh) в 1997 г. получил дип-
лом магистра с отличием по специальности «Информацион-
ная техника» в Саутгемптонском университете (Великобри-
тания). В том же году он стал лауреатом Премии Общества
инженеров-электриков (IEE7) памяти Лорда Ллойда Килгер-
рана за интерес к вопросам разработки систем мобильной
радиосвязи. С 1997 по 2000 гг. Д.Блох учился в аспирантуре,
1FIEEE — Fellow of the Institute of Electrical and Electronics Engineers
2EPSRC — Engineering and Physical Sciences Research Council
3IST (Information Society Technologies) — Технологии информационного общества. —
Прим. пер.
4VCE — Virtual Centre of Excellence
5ComSoc — Communications Society
6VTS — Vehicular Technology Society
7IEE — Institution of Electrical Engineers. — Прим. пер.
и в 2001 г. в Саутгемптонском университете (Великобритания) получил уче-
ную степень доктора философии (PhD) со специализацией в области мобиль-
ной связи. Сейчас в сферу его научных интересов входят различные аспекты
построения сотовых сетей мобильной связи третьего поколения с частотным
(FDD1) и временным (TDD2) разделением направлений передачи и приема.
После непродолжительного периода работы инженером-программистом в
компании Radioscape (Лондон, Великобритания), в настоящее время Д.Блох
занимает должность старшего научного сотрудника в компании Anritsu (Вели-
кобритания).
Сон Ни (Song Ni) в 1999 г. получил диплом бакалавра по
специальности «Обнаружение информации и контрольно-из-
мерительная аппаратура» в Шанхайском университете Цзяо-
Тун (Jiaotong). Затем он работал инженером-программистом в
компании Winbond Electronics (Shanghai) Ltd., где занимался
исследованиями и разработкой средств связи. В 2001 г. С.Ни
начал работать над диссертацией, посвященной интеллектуа-
льным беспроводным сетям. Эта работа проводилась в Саут-
гемптонском университете и финансировалась в рамках про-
екта IST SCOUT. Результатом четырехлетних исследований стали разработка
платформы системы моделирования сетевого уровня системы UTRA с TDD в
сетях UMTS на основе WCDMA и анализ различных методов улучшения про-
пускной способности систем UTRA. В настоящее время доктор Сон Ни рабо-
тает системным инженером в компании Panasonic Mobile Communication (Ве-
ликобритания).
1FDD — Frequency Division Duplexing
2TDD — Time Division Duplexing
ДРУГИЕ ИЗДАНИЯ WILEY И IEEE PRESS
ПО ДАННОЙ ТЕМАТИКЕ1
• R. Steele, L. Hanzo (Ed): Mobile Radio Communications: Second and Third Generation
Cellular and WATM Systems, JohnWiley and IEEE Press, 2nd edition,
1999, ISBN 07 273-1406-8, 1064 pages.
• L. Hanzo, T.H. Liew, B.L. Yeap: Turbo Coding, Turbo Equalisation and Space-
Time Coding, John Wiley and IEEE Press, 2002, 751 pages.
• L. Hanzo, C.H. Wong, M.S. Yee: Adaptive Wireless Transceivers: Turbo-Coded,
Turbo-Equalised and Space-Time Coded TDMA, CDMA and OFDM Systems,
John Wiley and IEEE Press, 2002, 737 pages.
• L. Hanzo, L-L. Yang, E-L. Kuan, K. Yen: Single- and Multi-Carrier CDMA:
Multi-User Detection, Space-Time Spreading, Synchronization, Networking and
Standards, John Wiley and IEEE Press, June 2003, 1060 pages.
• L. Hanzo, M. Mьnster, T. Keller, B-J. Choi, OFDM and MC-CDMA for Broadband
Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting, John-Wiley and
IEEE Press,2003, 978 pages.
• L. Hanzo, S-X. Ng, T. Keller andW.T.Webb, Quadrature Amplitude Modulation:
From Basics to Adaptive Trellis-Coded, Turbo-Equalised and Space-Time Coded
OFDM, CDMA and MC-CDMA Systems, JohnWiley and IEEE Press, 2004,
1105 pages.
• L. Hanzo, T. Keller: An OFDM and MC-CDMA Primer, John Wiley and IEEE
Press,2006, 430 pages.
• L. Hanzo, F.C.A. Somerville, J.P.Woodard: Voice and Audio Compression
for Wireless Communications, John Wiley and IEEE Press, 2nd edition, 2007,
858 pages.
• L. Hanzo, P.J. Cherriman, J. Streit: Video Compression and Communications:
H.261, H.263, H.264, MPEG4 and HSDPA-Style Adaptive Turbo-Transceivers,
John Wiley and IEEE Press, 2nd edition, 2007, 680 pages.
1Развернутое содержание и примеры глав перечисленных книг можно най-
ти на сайте http://www-mobile.ecs.soton.ac.uk
ПРЕДИСЛОВИЕ
Обзор состояния вопроса
Сегодня беспроводная связь демонстрирует взрывоподобный рост. Высокий
спрос на услуги беспроводной связи выдвигает повышенные требования к
пропускной способности систем. Проще всего было бы выделить для этих
услуг более широкую полосу частот, но электромагнитный спектр, будучи
ограниченным ресурсом, начинает стремительно исчерпываться [1]. Более
того, в ряде европейских стран, например, в Германии и Англии, частотные
полосы для работы систем беспроводной связи 3-го поколения (3G) стали
предметом торгов и были проданы по очень высокой цене. Поэтому на пер-
вый план выходит задача эффективного использования имеющегося частотно-
го ресурса [1, 2].
Методы цифровой передачи, используемые в сетях мобильной радиосвязи
2-го поколения (2G), в свое время позволили повысить пропускную способ-
ность и качество передачи речи по сравнению с аналоговыми системами пер-
вого поколения. Однако возникла необходимость в более эффективных мето-
дах, позволяющих множеству абонентов совместно использовать доступный
частотный ресурс. Классические методы обеспечения множественного доступа
абонентов — это организация многостанционного доступа с частотным, вре-
менным, поляризационным, кодовым или пространственным разделением ка-
налов [3]. При использовании многостанционного доступа с частотным разде-
лением (FDMA1) [4, 5] доступный частотный спектр делится на частотные
полосы, каждая из которых используется определенным абонентом. В систе-
мах многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA2)
[4, 5] каждому абоненту выделяется определенный период — канальный ин-
тервал, в течение которого он может вести передачу. Передатчик должен обес-
печивать хранение данных, подлежащих передаче, и передавать их с пропор-
ционально увеличенной скоростью в течение «своего» канального интервала,
представляющего часть цикла TDMA. При использовании многостанционного
доступа с кодовым разделением каналов (CDMA3) [4, 5] каждому абоненту вы-
деляется уникальный код. С помощью этого кода спектр сигнала данных рас-
ширяется на всю полосу частот, совместно используемую всеми абонентами.
Для обнаружения переданных данных должен использоваться тот же уникаль-
ный код, часто называемый сигнатурной (идентифицирующей) последователь-
ностью.
Возрастающий спрос на системы мобильной связи, эффективно использу-
ющие спектр, заставил разработчиков искать новые технические решения.
Пространственная обработка сигналов в пределах соты позволяет использо-
вать оптимальные лучи на приеме и передаче, улучшая характеристики систе-
мы в части достигаемой пропускной способности и качества обслуживания
1FDMA — Frequency Division Multiple Access
2TDMA — Time Division Multiple Access
3CDMA — Code Division Multiple Access
(QoS1). Такой подход, обычно называемый многостанционным доступом с
пространственным разделением (SDMA2) [3, 6], позволяет множеству абонен-
тов в пределах одной соты использовать одинаковые частоты и временные ин-
тервалы за счет свойств пространственной избирательности, обеспечиваемых
адаптивными антеннами [7]. С другой стороны, если полезный сигнал и поме-
хи занимают один и тот же частотный диапазон или временной интервал, то
для отделения сигнала от помех нельзя использовать «временную фильтра-
цию». Но, как правило, источники полезного и мешающих сигналов террито-
риально разнесены, что позволяет использовать для отделения сигнала от по-
мех «пространственно избирательный фильтр» в приемнике [8—10]. Поэтому,
если два абонента, использующие одну и ту же полосу частот, находятся на
достаточно большом расстоянии друг от друга, то взаимные влияния между
ними будут пренебрежимо малыми. Чем больше сот формируется на опреде-
ленной территории (за счет использования сот малого размера), тем чаще бу-
дет иметь место повторное использование частот и, соответственно, выше бу-
дет плотность передаваемого трафика в расчете на единицу площади
обслуживаемой территории.
Расстояние между сотами, использующими одни и те же частоты, должно
быть достаточно большим для того, чтобы внутрисотовые помехи не превышали
максимально допустимых пределов [3]. Поэтому число сот в пределах опреде-
ленной географической области ограничивается уровнем передаваемой мощно-
сти базовых станций. Для повышения емкости системы используют секториаль-
ные пучки лучей с углом сектора 120° на различных несущих частотах [11].
Каждый из пучков может обслуживать такое же число абонентов, как и в случае
обычной соты с всенаправленным излучением, при этом отношение сигнал-по-
меха (SIR3) может быть повышено за счет направленности антенны. В пределе
такой подход предполагает независимо регулируемые лучи с высоким усилени-
ем, способные отслеживать отдельных абонентов, перемещающихся в сети [3].
Другой метод повышения спектральной эффективности представляет адап-
тивная квадратурная амплитудная модуляция (AQAM4) в сочетании с режимом
высокоскоростного пакетного доступа во входящем направлении (HSDPA5)
[12,13]. Идея адаптивной модуляции состоит в выборе одного из нескольких
режимов модуляции исходя из качества радиоканала в текущий момент време-
ни [12, 13]. Так, если канал демонстрирует высокое отношение сигнала к сум-
ме помехи и шума (SINR6), то можно применить режим модуляции высокого
порядка, извлекая пользу из временно высокой пропускной способности ка-
нала. Если же мгновенное значение отношения SINR в канале низкое, то при-
менение модуляции высокого порядка привело бы к недопустимому высокому
коэффициенту ошибок по кадрам (FER7) и поэтому следует использовать бо-
лее надежный режим модуляции с более низкой пропускной способностью.
1QoS — Quality of Service
2SDMA — Space Division Multiple Access
3SIR — Signal-to-Interference Ratio
4AQAM — Adaptive Quadrature Amplitude Modulation
5HSDPA — High Speed Downlink Packet Access
6SINR — Signal to Interference plus Noise Ratio
7FER — Frame Error Ratio
Таким образом, адаптивная модуляция не только борется с последствиями
плохого качества канала, но и пытается максмизировать пропускную способ-
ность, сохраняя при этом требуемый уровень коэффициента ошибок FER.
Управляя порогами переключения режимов работы модема, находят компро-
мисс между средним значением FER и пропускной способностью канала. По-
роги переключения режимов модема устанавливают значения SINR, при кото-
рых делается вывод о том, что мгновенное состояние канала требует
изменения текущего режима модуляции, т.е. необходимо применить другой
режим AQAM.
Переключение режимов AQAM в широкополосных системах HSDPA про-
иллюстрировано на рис. 1, где показаны варианты режимов модуляции, кото-
рые выбираются исходя из близкого к мгновенному значения SINR при сред-
них значениях отношения сигнал-шум (SNR1) в канале, равных 10 и 20 дБ. На
рисунке четко видно, что при низких уровнях псевдо-SNR выбираются режи-
мы модуляции низшего порядка. И наоборот, при высоких уровнях псев-
до-SNR выбираются режимы модуляции высшего порядка, что позволяет по-
высить пропускную способность. Этот рисунок также может служить
примером применения широкополосной модуляции AQAM в различных сре-
дах — в помещении и в открытом пространстве. В этом плане рис. 1а характе-
ризует неблагоприятную внешнюю среду с низким уровнем SINR и низким
средним качеством канала. В подобных условиях, как правило, используются
более надежные схемы модуляции, такие как двоичная фазовая манипуляция
(BPSK2) и четырехпозиционная квадратурная амплитудная модуляция (4QAM,
КАМ-4). Рис. 1б соответствует более благоприятной среде передачи внутри
помещения с высоким уровнем SINR и, соответственно, более высоким каче-
ством канала. Такие условия позволяют подобрать подходящий режим моду-
ляции высшего порядка, как показано на рис. 1б. Этот простой пример де-
монстрирует, что широкополосная модуляция AQAM с HSDPA может
использоваться для «бесшовной», почти мгновенной реконфигурации систе-
мы, например, при переходе из помещения в открытую среду распростране-
ния. Самый убедительный аргумент в пользу применения AQAM с HSDPA —
это то, что в системе с фиксированным режимом модуляции для сохранения
заданного коэффициента ошибок по битам (BER1) потребовалось бы повысить
требуемую мощность передачи в исходящем (UL2) или входящем (DL3) на-
правлениях, в результате чего все другие абоненты испытали бы повышение
уровня помех многостанционного доступа (MUI4). В результате все остальные
абоненты были бы вынуждены также повышать свои показатели мощности,
что могло бы вызвать нестабильность работы системы. Вместо этого система
AQAM просто регулирует используемый режим, чтобы наиболее рационально
использовать имеющиеся ресурсы.
В этой книге исследуются вопросы повышения пропускной способности
сети за счет применения адаптивных антенных решеток и методов адаптивной
модуляции с HSDPA в сетях сотовой связи на основе FDMA/TDMA и CDMA,
использующих как частотное (FDD5), так и временное (TDD6) разделение на-
правлений передачи и приема. Применение адаптивных антенн обладает мно-
жеством преимуществ, которые перечислены ниже.
Оснащение базовых станций антенными решетками позволяет реализовать про-
странственную фильтрацию (см. рис. 2) как в режиме передачи, так и в режиме
приема, для подавления помех совмещенного канала, возникающих в беспровод-
ных системах при передаче от абонента и к абоненту (в направлениях DL и UL)
[1, 2, 14, 15]. Когда передача ведется к абоненту (DL) с высоким усилением в за-
данном направлении, антенна базовой станции фокусирует излучаемую энергию,
формируя направленный луч с высоким усилением в той области, где, предполо-
жительно, находится мобильный приемник. Это, в свою очередь, означает, что
мобильные приемники, перемещающиеся в других направлениях (где направлен-
ный луч имеет меньшее усиление), получат меньше излучаемой энергии и, соот-
ветственно, испытают меньшие помехи. Внутриканальные помехи, создаваемые
базовой станцией в режиме передачи, могут быть еще более ослаблены за счет
формирования лучей с нулями диаграммы направленности в направлениях дру-
гих приемников [6, 16]. Эта схема преднамеренно ослабляет энергию, передавае-
мую в направлении приемников совмещенного канала, и поэтому требует пред-
варительной информации об их местоположении.
Применение антенных решеток с целью снижения внутриканальных по-
мех, возникающих на базовой станции в режиме приема, также широко осве-
щено в литературе [1, 2, 6, 16—18]. Этот метод не требует точной информации
об источниках внутриканальных помех, однако он должен располагать инфор-
мацией о полезном сигнале, в частности, о направлении его источника, об
опорном сигнале (например, канальной зондирующей последовательности)
или о сигнале, имеющем высокую степень корреляции с полезным сигналом.
Повышение пропускной способности и эффективность использования спектра
Под спектральной эффективностью беспроводной сети понимают объем тра-
фика, который может обработать заданная система, располагающая опреде-
ленным частотным ресурсом. Повышение спектральной эффективности харак-
теризуется ростом числа абонентов системы мобильной связи без ухудшения
ее качественных показателей. Пропускная способность канала определяется
максимальной скоростью передачи данных, которую может обеспечить канал
с заданной полосой частот. Повышение пропускной способности канала по-
зволяет обслужить больше абонентов с заданной скоростью передачи, что
означает улучшение эффективности использования спектра. Повышение ка-
чества обслуживания QoS, достигаемое за счет подавления помех совмещенно-
го канала и многолучевых замираний [18, 19] при использовании «умных» ан-
тенн, можно «обменять» на увеличение числа абонентов [2, 20].
Антенная решетка по своей природе является направленной структурой с вы-
соким усилением в том направлении, куда наведен луч. Это свойство может
быть использовано для расширения рабочего диапазона базовой станции (что
позволяет формировать соты большего размера) или для снижения переда-
ваемой мощности мобильных станций. Применение направленной антенны
позволяет базовой станции принимать более слабые сигналы по сравнению с
использованием всенаправленной антенны. Это означает, что мобильная стан-
ция может вести передачу с меньшей мощностью; в результате увеличивается
интервал между подзарядками аккумулятора или же может использоваться ак-
кумулятор меньшего размера, позволяющий уменьшить размеры и вес мо-
бильной станции, что важно для ручных мобильных аппаратов. Соответствую-
щее снижение мощности сигналов, передаваемых базовой станцией, позволяет
использовать более дешевые электронные компоненты с меньшей номиналь-
ной мощностью.
Уменьшение числа процедур передачи обслуживания
Когда объем трафика в соте превышает ее пропускную способность, часто
прибегают к разделению соты на несколько новых сот [2], каждая из которых
имеет свою базовую станцию и свою выделенную полосу частот. Уменьшение
размеров сот ведет к росту числа процедур эстафетной передачи обслужива-
ния — хэндовера. Повышение пропускной способности соты за счет использо-
вания антенных решеток [1] фактически позволяет уменьшить число требуе-
мых процедур передачи обслуживания. Поскольку каждый антенный луч
отслеживает определенную мобильную станцию [2], то никакой передачи об-
служивания не требуется, за исключением случая, когда различные лучи, ис-
пользующие одну и ту же частоту, пересекаются друг с другом.
Предотвращение ошибок передачи
При низком мгновенном качестве канала в обычных приемопередатчиках с
фиксированным режимом работы, как правило, имеют место пакеты ошибок
передачи. Адаптивные приемопередатчики обходят эту проблему, уменьшая
число передаваемых бит на символ или даже временной приостановки переда-
чи. Связанные с этим потери пропускной способности могут быть компенси-
рованы за счет передачи большего числа бит на символ в периоды относитель-
но высокого качества канала. Это полезное свойство проявляется также в
повышении качества обслуживания, которое в данной книге оценивается по
параметрам достижимого качества видеосигнала.
Однако реальные сценарии распространения оказываются намного слож-
нее, чем это показано на рис. 2. В частности, как полезный сигнал, так и ис-
точники помех испытывают влияние многолучевого распространения, в резу-
льтате которого на антенную решетку приемника базовой станции поступает
большое количество входящих сигналов от абонентов. Рост числа принятых
входящих сигналов приводит к исчерпыванию ограниченных степеней свобо-
ды антенной решетки на базовой станции, что делает подавление источников
помех менее эффективным. Решение данной проблемы заключается в увели-
чении числа антенных элементов адаптивной решетки, используемой на базо-
вой станции, хотя при этом появляется побочный эффект — повышение стои-
мости и сложности решетки. В макросотовой системе можно пренебречь
составляющими многолучевого распространения, поступающими на базовую
станцию от источников помех, поскольку большинство рассеивающих элемен-
тов находится вблизи мобильной станции [21]. В микросотовой системе рассе-
ивающие элементы находятся как в области низко расположенной базовой
станции, так и вблизи мобильных станций, и поэтому многолучевое распро-
странение следует учитывать. На рис. 3 представлена реальная среда распро-
странения в исходящем (UL) и входящем (DL) направлениях. На рисунке чет-
ко видны многолучевые составляющие полезного сигнала и мешающие
сигналы, при этом для простоты принято, что многолучевые составляющие в
направлениях UL и DL идентичны. Конечно, это не всегда так, и потому мы
исследуем потенциальные возможности повышения качественных показателей
в сценарии, когда диаграммы направленности в направлениях UL и DL фор-
мируются независимо.
При более детальном рассмотрении оказывается, что в основе разработки
беспроводных сетей лежат сложные взаимосвязи между различными качест-
венными показателями, а также множество других, часто противоречивых,
компромиссов, которые в обобщенном виде проиллюстрированы на рис. 4.
Так, на этом рисунке предполагается, что всегда можно уменьшить вероят-
ность сброса соединения за счет повышения вероятности блокировки, когда
меньшее число абонентов получает доступ к системе. С другой стороны, мы
можем допустить в систему больше абонентов за счет уменьшения вероятно-
сти блокировки соединения, но это приведет к повышению вероятности сбро-
са. Более того, существует возможность повышения качества работы всей сис-
темы в целом при повышении ее сложности за счет использования более
интеллектуальных, но и более сложных алгоритмов обработки сигналов, на-
пример, в приемопередатчиках с использованием схем формирования луча и
адаптивной модуляции в режиме HSDPA, о которых идет речь в этой книге
(особенно подробно — в 6 и 8 главах). Описанные в 10 главе методы интел-
лектуального сетевого планирования на основе генетического алгоритма (GA1)
могут быть использованы для снижения внутриканальных помех в системе,
что, в свою очередь, позволит увеличить число абонентов системы и/или улуч-
шить ее качественные показатели в части вероятности блокировки и отказа
соединения. Продолжая наши рассуждения в духе рис. 4, отметим, что число
поддерживаемых абонентов можно также повысить за счет повышения допус-
тимой вероятности низкокачественного доступа. Анализируя рис. 4, можно
сделать множество подобных выводов, которые будут подкреплены детальным
анализом в последующих главах. Поэтому отложим детальное обсуждение дан-
ных вопросов до соответствующих глав.
В табл. 1 приведен перечень работ, проведенных в области исследования
качественных показателей сетей наземного радиодоступа (UTRA2) в режимах
FDD и TDD.
Для реализации управления доступом к среде пе-
редачи (МАС3) в исходящем канале UL системы
UTRA (режим TDD/CDMA) был предложен ме-
тод многомерного многостанционного доступа с
резервированием пакетов (PRMA4)
Маркоулидакис (Markoulidakis),
Меноласкино (Menolascino),
Гальяно (Galliano) и Пи-
царрозо (Pizarroso) [25]
Предложен эффективный метод сетевого плани-
рования применительно к техническим требова-
ниям UTRA
1999 Местре (Mestre), Наяр (Najar),
Антон (Anton) и Фоноллоса
(Fonollosa) [26]
Предложен метод «полуслепого» формирования
луча для систем UTRA с FDD.
Ахтар (Akhtar) и Зеглаче (Zeghlache)
[27]
Проведено исследование пропускной способно-
сти системы UTRA WCDMA
Беренс (Berens), Бинг (Bing),
Михель (Michel), Ворм (Worm)
и Байер (Baier) [28]
Исследованы характеристики турбо-кодов низ-
кой сложности, применяемых в системах UTRA с
TDD
2000 Хаардт (Haardt) и Мор (Mohr)
[29]
Представлен обзор технологии UMTS, стандар-
тизированной в рамках проекта по разработке
стандартов мобильной связи 3-го поколения
(3GPP5)
Хольма (Holma), Хайкинен
(Heikkinen), Летинен (Lehtinen)
и Тоскала (Toskala) [30]
Проведено исследование помех в системе UTRA
с TDD с использованием моделирования.
Агуадо (Aguado), О’Фаррелл
(O’Farrell) и Харрис (Harris)
[31]
Представлены результаты анализа влияния сме-
шанного трафика на качественные показатели
системы UTRA.
2001 Хаас (Haas) и МакЛахлин
(McLaughlin) [32]
Предложен алгоритм динамического распределе-
ния каналов DCA на основе «противостоящих
канальных интервалов» («TS-opposing») для ра-
диоинтерфейса систем TD-CDMA/TDD
1WCDMA — Wideband Code Division Multiple Access
2UMTS — Universal Mobile Telecommunications System
3МАС — Medium Access Control
4PRMA — Packet Reservation Multiple Access
53GPP — Third Generation Partnership Project
Год Автор Результаты работы
2001 Гинех (Guenach) и Вандендорп
(Vandendorpe) [33]
Исследованы качественные показатели стандарт-
ного приемника «Рэйк» при работе во входящем
направлении (DL) в системах UTRA-WCDMA
Поза (Poza), Герас (Heras),
Лабланка (Lablanca) и Лопес
(Lopez) [34]
Предложен аналитический метод оценки помех
во входящем направлении (DL) в системах
UMTS
2002 Перес-Ромеро (Perez-Romero),
Саллент (Sallent) и Агусти и
Санчес (Agusti and Sanchez)
[35]
Предложены и проанализированы механизмы от-
слеживания перегрузок в системах UTRA с FDD
Ален (Allen), Бич (Beach) и
Карлссон (Karlsson) [36]
Исследованы нарушения радиосвязи, обуслов-
ленные использованием интеллектуальных ан-
тенн с формированием луча в макросотовом
окружении систем UTRA с FDD
Руис-Гарсия (Ruiz-Garcia), Ро-
меро-Джерес (Romero-Jerez) и
Диас-Эстрелла Diaz-Estrella
[37]
Исследовано влияние управления доступом к
среде передачи (МАС) на показатели качества
обслуживания (QoS) в контексте поддержки
мультимедийного трафика в системе UTRA
Эбнер (Ebner), Ролинг (Rohling),
Хаффман (Halfmann) и
Лотт (Lott) [38]
Предложены решения по синхронизации специа-
лизированных сетей на базе UTRA с TDD
2003 Агнетис (Agnetis), Броги (Brogi),
Кьячетти Детти (Ciaschetti
Detti) и Джиамбене (Giambene)
[39]
Предложен покадровый алгоритм точного плани-
рования трафика во входящем направлении (DL)
с учетом различных уровней качества обслужива-
ния (QoS)
Као (Kao) и Мар (Mar) [40] Предложен интеллектуальный протокол управле-
ния доступом к среде передачи (МАС) на основе
каскадного управления с нечеткой логикой
(CFLC1) для применения в системах UTRA с
TDD
Блох (Blogh) и Ханцо (Hanzo)
[41]
Исследованы качественные показатели системы
UTRA с FDD при использовании адаптивных
антенных решеток и адаптивной модуляции
Раммлер (Rummler), Чанг
(Chung) и Агвами (Aghvami)
[42]
Предложен новый протокол многоадресной пе-
редачи для применения в системах UMTS
2004 Янг (Yang) и Юм (Yum) [43] Предложена гибкая схема распределения ортого-
нальных расширяющих кодов с переменным ко-
эффициентом расширения (OVSF) для передачи
трафика с различными скоростями в системе
UTRA
Продолжение табл. 1.
1CFLC — Сascade fuzzylogic-control
Год Автор Результаты работы
2004 Сиварайа (Sivarajah) и Эль-Ра-
вешиди (Al-Raweshidy) [44]
Представлен сравнительный анализ различных
схем динамического распределения каналов
(DCA1), разработанных для поддержки входящих
вызовов в системе UTRA с TDD
Янг (Yang) и Юм (Yum) [45] Предложена схема линейного изменения мощно-
сти для канала случайного доступа в системах
UTRA с FDD
2005 Ни (Ni) и Ханцо (Hanzo) [46] Предложена схема распределения канальных ин-
тервалов с использованием генетического алго-
ритма для сетей CDMA стандарта UTRA с TDD
Роуз (Rouse), С. МакЛахлин
(S. McLaughlin) и Бенд (Band)
[47]
Исследована топология сети, позволяющая сис-
теме CDMA с TDD передавать как трафик между
равноправными узлами, так и трафик нелокаль-
ного характера
Чанг (Zhang), Тао (Tao), Ванг
(Wang) и Ли (Li) [48]
Китайской специальной рабочей группой «Chinese
communications TDD Special Work Group»
начаты разработки системы мобильной связи,
«выходящей за рамки 3G»
Обзор книги
• 1 глава. После краткого представления основ технологии CDMA, дана
характеристика трех наиболее важных стандартов беспроводной связи
третьего поколения — UTRA, IMT 2000 и cdma 2000. Обсуждаются раз-
нообразные транспортные и физические каналы, объединение различ-
ных услуг при передаче информации, аспекты канального кодирования.
Рассмотрены различные возможности поддержки переменной скорости
передачи и разных уровней качества обслуживания (QoS). Описаны ме-
тоды модуляции и расширения спектра при работе в исходящем UL и
входящем DL направлениях; сделано сравнение различных технических
решений, стандартизированных для систем UTRA и IMT 2000. В завер-
шение главы подобным образом представлена американская система
cdma 2000.
• 2 глава. Со времени стандартизации систем 3G был достигнут значитель-
ный технологический прогресс в части методов адаптивной модуляции и
кодирования, которые можно использовать для компенсации неизбеж-
ных временных флуктуаций характеристик беспроводных каналов. Ре-
зультатом этих усовершенствований стало введение режимов HSDPA и
HSUPA, которые подробно описаны в данной главе. За счет адаптивной
модуляции режим HSDPA позволяет обеспечить скорости передачи при-
мерно до 14 Мбит/с. Во входящем направлении UL адаптивную модуля-
Продолжение табл. 1.
1DCA — Dynamic Channel Assignment
цию не применяют, чтобы избежать необходимости использования в мо-
бильных терминалах неэффективных и потребляющих много мощности
усилителей класса А. Вместо этого для повышения скорости передачи в
направлении UL применяются кратные расширяющие последовательно-
сти, позволяющие достичь скорости около 4 Мбит/с.
• 3 глава. После описания стандартов HSDPA/HSUPA1, в данной главе бо-
лее подробно обсуждаются методы адаптивной модуляции в режиме
HSDPA, призванные компенсировать неизбежные временные флуктуа-
ции характеристик беспроводных каналов. В этой главе мы не ограничи-
вались только стандартизованными решениями, а представили эволюци-
онный обзор, анализируя усовершенствованные технические решения,
которые могут найти применение в будущих стандартах, в частности,
при доработке проекта стандарта 3GPP для систем долговременной пер-
спективы (LTE2) или стандартов IEEE 802.11 для беспроводных локаль-
ных вычислительных сетей (WLAN3). Вначале приведен краткий обзор
современных методов адаптивной модуляции в режиме, близком к мгно-
венному, с рассмотрением базовых принципов данной технологии. Затем
идея адаптивной модуляции AQAM рассматривается в применении к
технологиям CDMA и мультиплексирования с ортогональным частот-
ным разделением (OFDM4), а также охарактеризованы преимущества
адаптивных приемопередатчиков в части достижимого качества видео-
сигнала. Примеры соответствующих приложений демонстрируют потен-
циальные возможности предлагаемых адаптивных методов с точки зре-
ния реального улучшения качества предоставляемых услуг.
• 4 глава.В главе представлены принципы формирования диаграммы
направленности и различные методы, которыми можно его реализо-
вать. В развитие данной идеи предложена концепция адаптивного фор-
мирования диаграммы направленности и проанализированы методы с
использованием временных и пространственных опорных сигналов.
Представлены результаты оценки качественных показателей для трех
различных алгоритмов адаптивного формирования луча с временными
опорными сигналами — обращения матрицы отсчетов (SMI5), обычных
наименьших средних квадратов (ULMS6) и нормированных наименьших
средних квадратов (NLMS7).
• 5 глава.В начале главы дан краткий обзор возможных методов модели-
рования качественных показателей адаптивных антенных решеток. Затем
следует обзор схем фиксированного и динамического распределения ка-
налов. После этого рассмотрены модели многолучевого распростране-
ния, используемые нами при моделировании работы сети. Далее опреде-
лены параметры, используемые для оценки качества работы сотовых се-
1HSUPА — High Speed Uplink Packet Access
2LTE — Long-Term Evolution
3WLAN — Wireless Local Area Network
4OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing
5SMI — Sample Matrix Inversion
6ULMS — Unconstrained Least Mean Squares
7NLMS — Normalized Least Mean Squares
тей мобильной связи, и представлены результаты моделирования, полу-
ченные для условий распространения по линии прямой видимости
(LOS1) с использованием и без использования адаптивных антенн. Затем
приведены результаты, полученные для аналогичных сетей в условиях
многолучевого распространения, а также для сценариев управления
мощностью с использованием как фиксированной, так и адаптивной
квадратурной амплитудной модуляции (QAM2). Результаты модели-
рования пропускной способности сети были получены для сценариев с
зоной моделирования «островного» типа и бесконечной плоскости, смо-
делированной с использованием циклического метода (метода завора-
чивания).
• 6 глава. Глава начинается с краткого обзора сотовой сети мобильной свя-
зи третьего поколения, известной как сеть UTRA. Это сделано для того,
чтобы читатель мог сразу перейти к описанию качественных показателей
сетевого уровня, не прибегая к поиску информации в предыдущих главах.
Затем представлены результаты исследования пропускной способности
сети, полученные для различных условий распространения, а также раз-
личные пороговые параметры процедуры мягкой передачи обслуживания
(мягкого хэндовера). Далее анализируются преимущества использования
адаптивных антенных решеток с точки зрения качественных показателей,
в условиях среды распространения без затенений препятствиями и с зате-
нениями при наличии замираний с логарифмически нормальным распре-
делением и частотой 0,5 и 1 Гц. Затем это исследование было расширено
за счет сочетания методов адаптивной модуляции в режиме HSDPA и ме-
тодов формирования луча; при этом предполагалось, что флуктуации ха-
рактеристик канала еще более усилились за счет замираний от затенений.
• 7 глава. В данной главе анализируются достижимые качественные пока-
затели системы типа UTRA на основе CDMA с FDD, использующей
слабо синхронизированные (LS3) расширяющие коды. Качество работы
сети исследовалось методами моделирования, при этом полученные ре-
зультаты сравнивались с аналогичными результатами для системы типа
UTRA на основе CDMA с FDD, использующей ортогональные расширя-
ющие коды с переменным коэффициентом расширения (OVSF4). Далее
анализируются компромиссы между абонентской емкостью и размером
соты, а также пороговым значением защищенности SINR. Также иссле-
довались преимущества, обеспечиваемые при использовании адаптивных
антенных решеток и методов адаптивной модуляции с точки зрения або-
нентской нагрузки и качественных показателей в сотовой сети на основе
CDMA с множеством несущих (MC-CDMA5).
• 8 глава. В этой главе представлено сравнение результатов исследования
пропускной способности сетей с FDD и TDD, полученных для различ-
1LOS — Line-Of-Sight
2QAM — Quadrature Amplitude Modulation
3LS — Loosely Synchronized
4OVSF — Orthogonal Variable Spreading Factor
5MC-CDMA — Multi-Carrier Code Division Multiple Access
ных условий распространения. Проанализированы преимущества, обес-
печиваемые за счет применения методов адаптивного формирования
луча и адаптивной модуляции. Затем эти результаты сравниваются с ана-
логичными результатами, полученными при использовании слабо син-
хронизированных расширяющих кодов — LS.
• 9 глава. В этой главе исследуется влияние пределов жесткой передачи
обслуживания и различных схем управления мощностью на показатели
системы UTRA с TDD/CDMA. На основе стандарта 3GPP разработаны
схемы управления мощностью с замкнутой и разомкнутой обратной свя-
зью. Для борьбы с флуктуациями характеристик канала, обусловленны-
ми непостоянством распределения канальных интервалов в различных
мешающих сотах, был предложен алгоритм регулировки мощности с за-
держкой на кадр.
• 10 глава. Глава посвящена разработке схемы распределения каналь-
ных интервалов в направлениях UL/DL с использованием генетического
алгоритма (GA), позволяющей избежать сильных межсотовых по-
мех, возникающих при использовании радиоинтерфейса системы UTRA
с TDD/CDMA.
• 11 глава.Здесь представлены выводы и направления дальнейшей работы.
Основные результаты, полученные в данной книге
• Представлен метод адаптивной модуляции в режиме, близком к мгно-
венному, для случаев модуляции с одной или несколькими несущими,
OFDM и CDMA.
• Оценены преимущества адаптивных приемопередатчиков в режиме
HSDPA с точки зрения качественных показателей беспроводной видео-
телефонии.
• Представлен обзор различных стандартов беспроводной связи 3G на
основе CDMA.
• Исследованы возможности улучшения качественных показателей за счет
использования на базовых станциях сотовой сети мобильной связи
FDMA/TDMA адаптивных антенных решеток [49, 50].
• Исследованы возможности улучшения качественных показателей за счет
использования на базовых станциях сотовой сети мобильной связи
FDMA/TDMA адаптивных антенных решеток в сочетании с управлени-
ем мощностью [51, 52].
• Разработан комбинированный алгоритм распределения каналов с испо-
льзованием управления мощностью и адаптивной модуляции; исследова-
но качество работы данного алгоритма в сотовой сети мобильной связи
FDMA/TDMA [52, 53].
• Проведено сравнение качества работы различных схем мягкой передачи
обслуживания в системах типа UTRA/HSDPA.
• Произведена оценка пропускной способности сети UTRA при различ-
ных условиях в канале.
• Произведена оценка качественных показателей сети UTRA при исполь-
зовании адаптивных антенных решеток.
• Продемонстрированы преимущества адаптивной модуляции примени-
тельно к сотовым сетям мобильной связи как на основе FDMA/TDMA,
так и на основе CDMA.
Авторы надеются, что читатель найдет в этой книге множество интересных
тем, актуальность которых обусловлена все большим распространением бес-
проводных сетей 3G. Мы попытались создать информативную техническую
«дорожную карту», которая позволила бы читателю оценить величины пропу-
скной способности, которых можно достичь за счет внедрения более эффек-
тивных технологий физического уровня. Основная задача данной книги состо-
яла в том, чтобы проанализировать возникающие при разработке систем
компромиссы между сложностью и пропускной способностью сети, с которы-
ми приходится сталкиваться разработчикам. Мы стремились объективно оха-
рактеризовать все многообразие внутренних противоречий, возникающих при
разработке системы, предоставив читателю достаточно информации для реше-
ния конкретных задач планирования беспроводных сетей. Но, прежде всего,
нам хочется верить, что чтение книги будет приятным и относительно неслож-
ным занятием, стимулирующим появление новых идей.
Лайош Ханцо, Джонатан Блох
и Сон Ни
БЛАГОДАРНОСТИ
Мы признательны нашим многочисленным коллегам, и, в особенности, про-
фессору Эмеритусу Раймонду Стилу (Prof. Emeritus Raymond Steele), благодаря
которым нам удалось достичь более глубокого понимания изучаемых вопро-
сов. Эти высоко ценимые нами коллеги и друзья, слишком многочисленные,
чтобы их перечислить, повлияли на наше видение различных аспектов беспро-
водной мультимедийной связи. Мы благодарны им за знания, полученные при
совместной работе над различными проектами, статьями и книгами. Хотелось
бы поблагодарить Яна Брехта (Jan Brecht), Марко Брейлинга (Marco Breiling),
Марко дель Буоно (Marco del Buono), Шен Чен (Sheng Chen), Питера Черри-
мана (Peter Cherriman), Стенли Чиа (Stanley Chia), Бьонг Джо Чой (Byoung Jo
Choi), Джозефа Чонга (Joseph Cheung), Питера Фортуна (Peter Fortune), Ше-
йам Лал Домеджа (Sheyam Lal Dhomeja), Лим Донгмин (Lim Dongmin), Дирка
Дидаскалоу (Dirk Didascalou), Стефана Эрнста (Stephan Ernst), Эдди Грина
(Eddie Green), Девида Гринвуда (David Greenwood), Хи Тонг Хоу (Hee Thong
How), Томаса Келлера (Thomas Keller), И Лин Куан (Ee Lin Kuan), В.Х. Лем
(W. H. Lam), Матиаса Мюнстера (Matthias Mьnster), С.С. Ли (C. C. Lee), М.А.
Нофала (M. A. Nofal), Ксяо Лиин (Xiao Lin), Чи Сьон Ли (Chee Siong Lee),
Тон-Хой Лью (Tong-Hooi Liew), Джефа Рива (Jeff Reeve), Винсента
Роже-Маршара (Vincent Roger-Marchart), Редвана Салами (Redwan Salami),
Девида Стюарта (David Stewart), Клер Соммервиль (Clare Sommerville), Джефа
Торранса (Jeff Torrance), Спироса Влахойаннатоса (Spyros Vlahoyiannatos),
Вильяма Вебба (William Webb), Стефана Вайса (StefanWeiss), Джона Вильямса
(John Williams), Джейсона Вударда (Jason Woodard), Чонг Хин Вонг (Choong
Hin Wong), Генри Вонга (HenryWong), Джеймса Вонга (JamesWong), Ли-Льян
Янг (Lie-Liang Yang), Би-Льонг Йип (Bee-Leong Yeap), Мон-Суан Йи
(Mong-Suan Yee), Кай Йен (Kai Yen), Анди Йен (Andy Yuen) и многих других
людей, с которыми нам посчастливилось работать.
Кроме того, очень полезными оказались контакты с Виртуальным центром
мастерства в области мобильной связи, в частности, с его руководителем док-
тором Уолтером Татлиби (Dr. Walter Tuttlebee) и членами исполнительного ко-
митета — доктором Кейт Бохан (Dr. Keith Baughan), профессором Хамидом
Агвами (Prof. Hamid Aghvami), профессором Марком Бичем (Prof. Mark Beach),
профессором Джоном Данлопом (Prof. John Dunlop), профессором Барри
Эвансом (Prof. Barry Evans), профессором Стивом МакЛахлином (Prof. Steve
MacLaughlin), профессором Джозефом МакГихеном (Prof. Joseph McGeehan) и
многими другими уважаемыми коллегами. Также мы очень признательны
Джону Хенду (John Hand) и Нафису Симджи (Nafeesa Simjee) (EPSRC, Вели-
кобритания) за поддержку наших исследований. Кроме того, хотелось бы по-
благодарить доктора Жоао Да Силва (Dr. Joao Da Silva), доктора Жорже Пе-
рейра (Dr Jorge Pereira), Бартоломе Арройо (Bartholome Arroyo), Бернарда
Барани (Bernard Barani), Демосфеноса Икономоу (Demosthenes Ikonomou) и
других уважаемых коллег из комиссии Европейского экономического сообще-
ства (Брюссель, Бельгия), а также Энди Афтелака (Andy Aftelak), Майка Фи-
липса (Mike Philips), Энди Вилтона (Andy Wilton), Луиса Лопеса (Luis Lopes) и
Пола Криктона (Paul Crichton) из компании Motorola ECID (Суиндон, Вели-
кобритания) за спонсорскую помощь в проведении наших недавних исследо-
ваний. Еще одна благодарность адресована Тиму Вилкинсону (НР, Бристоль)
за финансирование ряда наших исследований.
Мы очень благодарны Кетрин Унвин (Katharine Unwin), Марку Хаммонду
(Mark Hammond), Саре Хинтон (Sarah Hinton) и их коллегам из издательства
Wiley (Чичистер, Великобритания), а также Денис Харвей, которая помогала
нам в процессе написания книги. И наконец, хотелось бы выразить благодар-
ность многочисленным авторам, перечисленным в авторском указателе (а так-
же тем, на чьи работы мы не сослались из-за пространственных ограничений)
за их вклады в развитие современной мобильной связи, без которых идея этой
книги не могла бы быть реализована.
Лайош Ханцо, Джонатан Блох
Глава 1
СИСТЕМЫ CDMA
ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ
K. Йен, Л. Ганзо (K. Yen, L. Hanzo)
1.1. Введение
Несмотря на то, что абоненты сотовой связи, число которых непрерывно рас-
тет во всем мире, в подавляющем числе случаев используют услуги, ориенти-
рованные на передачу речи, данных и электронной почты, все же ожидается,
что в ближайшем будущем эти услуги обогатятся массой новых услуг. При
этом можно ожидать, что показатели недавно стандартизированных систем
мобильной связи многостанционного доступа с кодовым разделением CDMA1
третьего поколения — 3G будут сопоставимы с показателями конкурирующих
проводных систем или даже превзойдут их.
Такие амбициозные цели были недостижимы для существующих систем
мобильной связи второго поколения 2G, таких как всемирная система моби-
льной связи GSM2 [55], панамериканская система Interim Standard-95 (IS-95)
или японская сотовая система PDC3 [56]. Поэтому в последние годы был
предложен целый ряд идей и направлений, которые объединились в концеп-
ции мобильных систем третьего поколения — 3G. Европейский институт стан-
дартизации в электросвязи ETSI4 и Международный союз электросвязи МСЭ5
ведут работы по стандартизации этих систем в рамках проектов универсальной
системы мобильной связи UMTS6 [54,56—60] и международной системы мо-
бильной связи 2000 года (IMT7-2000)8 [57, 58, 61].
Технические параметры и концептуальные положения систем 3G подроб-
но обсуждаются в последующих разделах. Во всем мире при разработке бес-
проводных систем связи 3G доминирующее положение занимает метод много-
станционного доступа CDMA. Данный метод уже использовался в некоторых
системах второго поколения 2G (например, в системе IS-95) и хорошо себя за-
рекомендовал. Отчасти благодаря этому успеху, разработчики общеевропей-
ской системы UMTS и системы IMT-2000 отдали предпочтение методу
1CDMA — Code Division Multiple Access. — Прим. пер.
2GSM — Global System for Mobile Communications. — Прим. пер.
3PDC — Personal Digital Cellular. — Прим. пер.
4ETSI — European Telecommunications Standards Institute. — Прим. пер.
5Англоязычная аббревиатура — ITU, International Telecommunication Union. — Прим. пер.
6UMTS — Universal Mobile Telecommunications System. — Прим. пер.
7IMT — International Mobile Telecommunications. — Прим. пер.
8Извесной ранее как будущая система наземной мобильной связи общего пользова-
ния — Future Public Land Mobile Telecommunication Systems.
CDMA, хотя европейская система включает также элементы доступа с времен-
ным разделением каналов — TDMA.
В настоящей главе представлено элементарное изложение основ CDMA.
Затем рассматриваются концептуальные положения европейской, американ-
ской и японской систем мобильной связи 3G, основывающихся на CDMA,
после чего представлен научно-ориентированный прогноз будущого развития
подобных систем.
Настоящая глава организована следующим образом. В разделе 1.2, с тем,
чтобы сделать эту главу самодостаточной, представлено элементарное введе-
ние в CDMA, в то время как раздел 1.3 сконцентрирован на основних целях и
концептуальных положениях европейской, американской и японской систем
мобильной связи 3G, основывающихся на CDMA. И наконец, в разделе 1.4
представлены наши выводы.
1.2. Основы системCDMA
CDMA — это метод широкополосной связи, предусматривающий одновре-
менную передачу цифровых сигналов нескольких абонентов в условиях мно-
гостанционного доступа. Несмотря на то, что разработка CDMA мотивирова-
лась соображениями абонетской емкости, емкость, обеспечиваемая системой
CDMA, сопоставима с ее традиционными соперниками — системами на
основе доступа с частотным разделением каналов — FDMA1 и временным
разделением каналов — TDMA2 [62]. Но CDMA обладает уникальной спо-
собностью одновременной поддержки нескольких абонентов в одном радио-
канале с легким постепенным снижением качественных показателей от вза-
имного влияния абонентов. Следовательно, снижение влияний создает
условия для повышения емкости [63]. Более того, коэффициент повторного
использования частоты в сотах при CDMA возрастает в разы, и CDMA, бу-
дучи так называемой широкополосной системой, может сосуществовать с
другими (узкополосными) системами, которые, поражая спектр сигналов
CDMA в узкой полосе, не оказывают на них существенного мешающего вли-
яния [63]. Это обстоятельство упрощает проблему распределения частот, а
также позволяет обеспечить плавный переход от узкополосных систем к ши-
рокополосным системам. Но, вероятно, наиболее яркое достоинство метода
CDMA заключается в его способности противостоять или извлекать пользу
из замираний многолучевого распространения, что составит предмет нашего
серьезного обсуждения.
В ближайших разделах мы представим базовую терминологию, которую
будем использовать во всех последующих разделах. Дополнительную более де-
тальную информацию о CDMA можно найти в обширном перечне исследова-
тельских работ [62, 64, 65] и учебников [66—69].
38 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
1FDMA — frequency division multiple access
2TDMA — time division multiple access
1.2.1. Основы широкополосного спектра
При широкополосной передаче исходный информационный сигнал, занимаю-
щий полосу шириной B Гц, передается после расширения спектра полосы час-
тот в N раз, где N — коэффициент расширения (выигрыш от обработки). На
практике коэффициент расширения обычно находится в пределах 10—30 дБ
[64]. Рис. 1.1 иллюстрирует идею расширения спектра в частотной области.
Мощность передаваемого сигнала с расширенным спектром распределена в
полосе частот, в N раз превышающей исходную полосу, а спектральная плот-
ность, соответственно, понижена на эту же величину. Таким образом, коэф-
фициент расширения выражается в виде:
N = Bs/B, (1.1)
где Bs — полоса частот сигнала с расширенным спектром, а B — полоса частот
исходного информационного сигнала. Как будет видно из последующего изло-
жения, этот оригинальный метод расширения информационного спектра играет
решающую роль для улучшения условий его обнаружения в обстановке мобиль-
ного радио и, кроме того, позволяет узкополосным сигналам сохранять сущест-
венно более высокую спектральную плотность в той же полосе частот [64].
Существует два основных способа расширения спектра — SS1 [62]:
• расширение спектра методом прямой последовательности — DS2 (DS-SS)
• расширение спектра методом скачков частоты — FH3 (DS-FH).
1.2. Основы систем CDMA 39
P Вт/Гц
P
N
Вт/Гц
B Частота
BS = B Ї N
Рис. 1.1. Спектральная плотность сигнала до и после расширения
Спектральная плотность
1SS — Spread spectrum
2DS — Direct Sequence
3FH — Frequency Hopping
1.2.1.1. Скачки частоты
При расширении спектра методом скачков частоты, который впервые был ре-
ализован в системах второго пололения 2G — GSM, узкополосный сигнал пе-
редается с использованием различных несущих частот в разные моменты вре-
мени. В результате сигнал данных передается в широком спектре. Есть два
класса последовательностей скачков частоты. При быстрых скачках частоты,
несущие частоты изменяются несколько раз на передаваемый символ, а при
медленных скачках несущая частота изменяется обычно после нескольких
символов или пачки. В системах GSM каждая передаваемая пачка из 114 бит
телефонного канала с закодированной речью передается на своей частоте, а
поскольку временной цикл TDMA был равен 4,615 мс, то соответствующая
частота скачков составляла обратную величину, а именно 217 скачков в секун-
ду. Приемнику вызываемого абонента должна быть известна точная последо-
вательность скачков, для того чтобы удалить скачки в нужной последователь-
ности и демодулировать сигнал [64]. Чаще всего в CDMA используется
расширение прямой последовательностью DS. Поэтому все наше последующее
изложение будет подразумевать раширение прямой последовательностью.
1.2.1.2. Прямая последовательность
При расширении методом прямой последовательности DS информационный
сигнал умножается на высокочастотную идентифицирующую последователь-
ность — сигнатуру, которую называют также расширяющим кодом или расши-
ряющей последовательностью. Идентифицирующая последовательность або-
нента облегчает обнаружение сигналов различных абонентов при организации
многостанционного доступа в CDMA. В CDMA такое «разделение» абонентов
достигается использованием ортогональных расширяющих кодов, а при час-
тотном FDMA и временном TDMA разделении каналов доступа используются
ортогональные частотные или временные интервалы, соответственно.
Из рис. 1.2 можно видеть, что информационный символ длительностью Ts
разбивается на Nc равномерных интервалов длительностью Tc, каждый из ко-
торых перемножается с различными битами расширяющей последовательно-
сти. Таким образом, Nc = Ts / Tc. В результате на выходе появляется высокоча-
стотная последовательность.
Для двоичных сигналов Ts = Tb, где Tb — длительность бита данных. Следо-
вательно, Nc равно выигрышу от обработки N. Однако у M-значных сигналов
при M > 2, Ts Tb и, следовательно, Nc N. Важно понимать различие между Nc
и N, поскольку эти величины оказывают непосредственное влияние на эффек-
тивность использования полосы частот и характеристики системы CDMA.
На рис. 1.3 показана структурная схема типичного предатчика DS-SS с фа-
зовой манипуляцией — ФМн (BPSK1). Теперь выразим сигналы в математиче-
ском виде.
Двоичный сигнал можно записать в виде:
b t b j T t jTb
j
b ( ) ( )
, (1.2)
1BPSK — Binary phase shift keying
где Tb — длительность бита, bj {+1, 1} обозначает j-тый бит, а Tb(t)— фор-
ма импульса бита данных. В практических случаях Гф(t) — сигнал с ограничен-
ной полосой, подобный приподнятому косинусоидальному импульсу Най-
квиста. Тем не менее, на протяжении всей данной главы для упрощения
выкладок и моделирования предполагается, что импульс имеет прямоугольную
форму, которая определяется как:
( )
, ,
,
t
t
1
0 иначе
, (1.3)
Подобным образом можно записать расширяющую последовательность
в виде:
a t ah T t hTc
h
c ( ) ( )
, (1.4)
1.2. Основы систем CDMA 41
Ї
Рис. 1.2. Временное представление сигналов, используемых при расширении
спектра прямой последовательностью
Информа-
ционный
сигнал b(t)
Идентифи-
цирующая
последова-
тельность
a(t)
Сигнал с
расши-
ренным
спектром
u(t)
2Pb coswct
Рис. 1.3. Передатчик сигнала DS-SS с модуляцией ФМн (BPSK)
где ah {+1, 1} обозначает h-тый бит, а Tc (t)— импульс бита длительностью
Тс. Энергия расширяющей последовательности в течение времени одного бита
Tb нормируется согласно:
a t dt T
T
b
b
( ) 2
0
. (1.5)
Как следует из рис. 1.3, сигнал данных и расширяющая последователь-
ность перемножаются, и, для формирования на выходе широкополосного сиг-
нала s(t), полученный расширенный сигнал модулирует несущую:
s(t) = (2Pb)1/2 b(t) a(t) cos ct, (1.6)
где Pb — усредненная мощность на передаче. В соответствующем приемнике
для того, чтобы выделить информационный сигнал, расширенный сигнал пе-
ремножается с последовательностью, сопряженной с расширяющей последова-
тельностью передатчика и известной как сжимающая последовательность.
В идеальном случае при одном абоненте, отсутствии замираний и шумов, ис-
ходная информация может быть принята без ошибок. Это следует из рис. 1.4.
В действительности, однако, условия никогда не идеальны. Принимаемый
сигнал поражен шумами, одновременно подвержен замираниям многолучево-
го распространения, которые приводят к межсимвольной интерференции ISI1,
и влияниям сигналов других абонентов, создающих помеху многоканального,
группового сигнала. Более того, этот сигнал задерживается в изменяющейся
во времени среде. Влияния замираний многолучевого распространения и дру-
гих абонентов можно снизить современными методами обработки сигналов,
которые описываются в последующих разделах.
На рис. 1.5 показана структурная схема приемника канала с шумами на
основе коррелятора для определения принимаемого сигнала, который дает:
Рис. 1.4. Временная диаграмма декодирования сигнала, расширенного прямой
последовательностью
Данные
b(t)
Сжимаю-
щая после-
дователь-
ность
a*(t) Вход
u(t)
1ISI — Intersymbol interference
( )[ ( ) ( )]* cos
( )
b
T
i a t s t nt tdt
b
c
iT
i T
b
b
sgn
1 1
sgn
b
i
b
c
iT
i T
b
T
a t nt tdt
b
b
2
1 1
*
( )
( ) ( )cos
, (1.7)
где оb = Tb Pb — энергия бита, а sgn(x) — знаковая функция x, которая рав-
на 1 при x > 0 и 1
при x < 0. Приемник, показанный на рис. 1.5, оптимален
при работе по каналу одного абонента с аддитивным белым гауссовым шу-
мом — AWGN1. На самом деле, показатели системы DS-SS до сих пор обсуж-
дались, как будто это обычный модем с ФМн (BPSK) для канала с AWGN, ве-
роятность ошибки по битам в котором Prb( ) определяется выражением:
Prb
Q b
N
( )
2
0
, (1.8)
где
Q x e y dy
x
( ) /
2 2 (1.9)
есть Q-функция Гаусса. Преимущества связи с расширенным спектром и
CDMA могут быть оценены по достоинству только в условиях многолучевого
многостанционного доступа. Аспекты многолучевого прохождения и то, как
можно использовать так называемый приемник «Rake» [5, 70] для преодоле-
ния влияния многолучевого распространения, будут подробно рассмотрены в
следующем разделе.
1.2.2. Влияние многолучевых каналов
В настоящем разделе представлен обзор влияний многолучевых беспроводных
каналов в цифровых системах мобильной связи, которые прекрасно представ-
лены, например, в [11]. Заинтересованный читатель может также обратиться к
недавним статьям Скляра (Sklar) [71, 72] с кратким обзором данного предмета.
1.2. Основы систем CDMA 43
Прини- Выде-
маемый ленный
сигнал сигнал
Отсчет в
*
Идентифицирующая
последовательность
Рис. 1.5. Приемник сигнала DS-SS с ФМн (BPSK) для канала с аддитивным га-
уссовым шумом AWGN
1 1
Tb
iT
i T
b
( ) b
1AWGN — Additive White Gaussian Noise
Поскольку обычно мобильные станции находятся близко к земле, то пере-
даваемые сигналы отражаются, преломляются и рассеиваются от близлежащих
объектов, например, деревьев, зданий и гор [62]. Поэтому принимаемый сиг-
нал содержит в себе последовательности возможных перекрытий, задержанных
копий переданного сигнала. Каждая копия неповторима по мощности, фазе и
времени поступления. Так как приемник или отражающий объект нестацио-
нарны, то отражения накладываются на принимаемый сигнал в виде замира-
ний, причем замирания приводят к непредсказуемым изменениям напряже-
ния сигнала. Данное явление называют многолучевым распространением [11].
Как правило, в мобильных радиоканалах различают два вида замираний [71]:
• долговременные замирания (фединг);
• кратковременные замирания (фединг).
Как показано в [11], долговременный фединг обусловлен конфигурацией
местности между базовой и мобильной станциями, например, холмы и скоп-
ления зданий, которые приводят к ослаблению средней мощности сигнала в
функции расстояния. Для наших целей канал следует представить в понятиях
средних потерь тракта, подчиняющихся обычно обратно пропорциональной
зависимости четвертой степени [62] с логнормальным распределением относи-
тельно среднего значения. В силу этого, долговременные затеняющие замира-
ния называют также логарифмически нормальными замираниями [11, 71].
С другой стороны, как отмечено в [11, 71], кратковременные замирания
приводят к значительным изменениям фазы и амплитуды сигнала под влияни-
ем незначительных изменений в пространстве, разделяющем приемник и пе-
редатчик.
Кроме того, движения между передатчиком и приемником вызывают изме-
нения в тракте распространения, которые проявляются в виде временных за-
висимостей канала. Частотно-селективный канал, изменяющийся во времени,
представлен моделью линии задержки с отводами, в которой комплексный от-
клик низкочастного фильтра на импульс может быть представлен как:
~
h(t) al (t) e ( ) (t )
j t
l
l
L
l
1
, (1.10)
где |бl(t)|, цl(t) и фl — амплитуда, фаза и задержка в тракте l, а L — общее число
трактов многолучевого распространения. Как показано в [11], степень флукту-
аций уровня сигнала определяется частотой Доплера fD, которая, в свою оче-
редь, зависит от несущей частоты и скорости перемещения мобильной стан-
ции v (см. также стр. 16 в [74]):
fD = v(fc/c), (1.11)
где с — скорость света.
Статистику кратковременных замираний обычно моделируют распределе-
ниями Рэлея, Райса или Накагами-m [75]. Распределения Рэлея и Райса
представлены, например, в [11]. В литературе существует некоторое расхож-
дение точек зрения в отношении того, насколько хорошо эти распределения
описывают статистики быстрых замираний в канале. Хотя эмпирические ре-
зультаты показывают, что лучше всего статистика замираний описывается
распределением Накагами [76], во многих случаях при анализе и моделиро-
44 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
вании используется распределение Рэлея, благодаря своей простоте и на-
глядности влияния замираний на передачу. Более того, распределение Рэлея
представляет частный случай распределения Накагами, когда показатель за-
мираний m равен единице (см. стр. 28 в [5]). Распределение Райса, в кото-
ром присутствуют доминирующие составляющие сигнала, известные как от-
раженные — зеркальные составляющие, больше подходит к спутниковой
связи, чем к крупным наземным сотам, в которых часто отсутствует тракт на
линии прямой видимости между наземной базовой станцией и мобильной
станцией. Хотя при небольших микросотах верно противоположное. В дан-
ной главе при исследовании частотно-избирательных замираний будет испо-
льзовано распределение Рэлея.
Задержка пропорциональна протяженности тракта соответствующего сиг-
нала между передатчиком и приемником. Разброс задержек, обусловленный
различием длин траекторий составляющих многолучевого распространения,
приводит к появлению межсимвольной интерференции ISI, которая становит-
ся в значительной степени доминирующей при высокой скорости передачи
данных.
Характерный импульсный отклик радиоканала приведен на рис. 1.6. Эта
импульсная характеристики канала известна как импульсная характеристика
COST 207 BU1 для плохих городских условий [77]. Можно видеть, что импуль-
сный отклик содержит две основные группы задержек трактов прохождения:
главный профиль и маленькое эхо, следующее за главным профилем с задерж-
кой 5 мкс. Главный профиль формируется отражениями сигнала от структур,
расположенных вблизи приемника, с коротким временем задержки. С другой
стороны, профиль эха может быть обусловлен несколькими отражениями от
больших, но значительно дальше расположенных объектов, например, холма
[78]. В любом случае, можно видеть, что оба профиля примерно соответствуют
экспоненциально спадающей функции относительно времени задержки.
1.2. Основы систем CDMA 45
Временная задержка, мкс
Рис. 1.6. Импульсная характеристика COST 207 BU Амплитуда
1BU — Bad urban
На рис. 1.7 показано воздействие на сигнал с расширенным спектром при
его прохождении по многолучевому каналу с L независимыми трактами, что
дает выражение для принимаемного сигнала в виде:
r t s l t l n t
l
L
( ) ~( ) ()
!
1
(1.12)
где бl(t) — временная переменная комплексного коэффициента передачи
канала, которая задана в выражении (1.10) в виде al t e
j t ( ) l ( ) с амплитудой,
распределенной по закону Рэлея и равномерно распределенной на интервале
[р
. . . р] фазой, а ~s(t l)— эквивалент основного переданного сигнала с
расширенным спектром из уравнения 1.6, задержанный на время фl. Выраже-
ние выше показывает, что в тракт l вносятся затухание с коэффициентом бl(t)
и задержка на фl. Если не применять специальные методы разнесенного прие-
ма [5], то эти тракты складываются вместе на входе приемника с любыми фа-
зами или различными задержками и могут создавать множество многолучевых
мешающих сигналов, искаженных межсимвольной интерференцией (ISI) всле-
дствие дисперсии.
На рис. 1.8 показана вероятность ошибки приема бита при CDMA с моду-
ляцией ФМн в каналах без замираний и с замираниями. Без разнесения, ко-
эффициент ошибок по битам BER1 спадает примерно по закону Prb"1/4#c,
где # c — усредненное отношение сигнал-шум SNR2, и потому его график в ло-
гарифмической шкале log Prb" log 4#cблизок к линии [5]. Видна разница с
графиком при отсутствии замираний или в канале с аддитивным гауссовым
шумом — AWGN, в котором при увеличении SNR коэффициент ошибок спа-
46 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
Рис. 1.7. Модель многолучевого распространения передаваемого сигнала
1bit error rate (BER)
2Signal-to-Noise Ratio (SNR)
дает экспоненциально. Таким образом, в канале с замираниями для поддержа-
ния малой величины ошибок требуется высокий уровень передаваемой мощ-
ности. Как будет показано в следующем разделе, для преодоления этого
недостатка могут использоваться методы разнесения.
1.2.3. Приемник Rake
Как упоминалось ранее, методы расширенного спектра могут получить преи-
мущество за счет улучшения приема в условиях многолучевых мобильных ка-
налов. Это возможно благодаря широкополосной природе сигнала, частотная
полоса которого существенно превышает полосу когерентности многолучевых
каналов [79]. В этом случае канал рассматривают как канал с частотно-изби-
рательным федингом, поскольку различные переданные частоты ослабевают
по-разному, если их разнесение больше, чем ранее упомянутая полоса коге-
рентности. Предположим, что расширенный спектр имеет ширину полосы Bs,
а полоса когерентности канала равна Bc, так что Bs $$ Bc. Тогда число разли-
чимых независимых трактов, то есть трактов, замирания в которых почти не-
зависимы, равно:
LR = %Bs/Bc& + 1, (1.13)
где %x& — большее целое, которое меньше или равно x. Количество разреши-
мых трактов LR изменяется в соответствии с окружающей обстановкой и об-
ычно выше в городской части, чем в пригородной, поскольку в городской
зоне полоса когерентности обычно меньше из-за более высокого разброса за-
держек в канале. Если говорить точнее, то это результат большей дисперсии
1.2. Основы систем CDMA 47
Без разнесения
2 разнесенных
тракта
3 разнесенных
тракта
Среднее значение SNR на бит
Рис. 1.8. Показатели системы CDMA с ФМн (BPSK) в различных каналах с рэ-
леевскими замираниями. Графики получены с использованием совер-
шенного оценивания каналов и при отсутствии внутренней интерфе-
ренции между разнесенными каналами
Коэффициент ошибок
импульсной характеристики, так как полоса когерентности обратно пропорци-
ональна разбросу задержек импульсных характеристик, как это показано в
[79]. Подобно схемам частотного или пространственного разноса, при много-
лучевом разнесении создают LR разрешимых трактов, используя тот факт, что,
по статистике, разные тракты не могут одновременно находиться в состоянии
глубокого замирания, а значит, всегда есть хотя бы один тракт распростране-
ния, создающий приемлемый канал. Такие многолучевые составляющие и
представляют разнесенные тракты.
Многолучевой разнос может использоваться только применительно к ши-
рокополосным сигналам. Из уравнения (1.13) видно, что ширина полосы Bs
узкополосного сигнала, не использующего специальный расширяющий сиг-
нал, будет существенно меньше Bc. В этом случае канал становится частот-
но-неизбирательным [79]. В таких каналах не могут наблюдаться различимые
разнесенные тракты, как при широкой полосе, и это объясняет, почему доступ
с частотным TDMA и временным FDMA разделением в узкополосных моби-
льных радиоканалах менее помехоустойчив, чем CDMA.
Многолучевой разнос образуется, например, при использовании приемни-
ка, называемого «Rake», который был изобретен Прайсом (Price) и Грином
(Green) [70]. Это оптимальный приемник широкополосных сигналов при мно-
голучевых замираниях. Свое название он получил по аналогии с садовыми
граблями, собирая с помощью «пальцев» подходящие тракты. Точка, в кото-
рой соединяются пальцы и ручка, представляет собой место, в котором сум-
мируются разнесенные тракты. Существует четыре способа объединения раз-
несенных трактов [80]:
• селективное суммирование — SC1;
• суммирование дифференциально взвешенных сигналов каждого кана-
ла — MRC2;
• линейное суммирование сигналов равной мощности — EGC3 (Equal
Gain Combining);
• суммирование лучших n сигналов — SCn4.
Анализ характеристик селективного суммирования в системах CDMA мож-
но найти в [81, 82], а общее сравнение различных методов суммирования разне-
сенных трактов для рэллеевских каналов — в [80]. Суммирование дифференци-
ально взвешенных сигналов каждого канала MRC дает лучшие показатели, а
селективное суммирование — простейшее в реализации. Число различимых
трактов, объединяемых в приемнике, представляет порядок разнесения прием-
ника, обозначаемый в данной работе как LP. Отметим, однако, что на практике,
из-за сложности реализации, в приемнике суммируются не все различимые со-
ставляющие многолучевого прохождения сигнала, то есть LP Ѕ LR.
Существует два основных метода демодуляции, а именно, когерентная и
некогерентная демодуляция [5]. В контексте CDMA в настоящем разделе
основное внимание уделено когерентной демодуляции. Но, прежде чем нач-
1SC — Selection Combining
2MRC — Maximal Ratio Combining
3EGC — Equal Gain Combining
4SCn — Combining of the n best signals
нется процесс демодуляции, между передатчиком и приемником должен быть
достигнут режим синхронизма.
Синхронизация в системах DS-CDMA реализуется в процессе, известном
как кодовое обнаружение, захват и отслеживание. Обнаружение реализуется
обычно с использованием корреляционных методов между собственной ко-
пией сигнатурной последовательности приемника и принятой сигнатурной
последовательностью и поиска сдвига между ними, связанного с моментом на-
чала отсчета бита, свидетельствующего о достижении высокого уровня корре-
ляции [64, 83, 84]. Когда захват состоялся, то обычно для достижения и под-
держания точного выравнивания двух последовательностей используется схема
отслеживания кода [85]. Подробности захвата и отслеживания кода находятся
вне рассмотрения настоящей главы. Заинтересованный читатель может обра-
титься к [86—89] и найти там исчерпывающее изложение данного предмета.
Таким образом, в данной главе мы предполагаем, что передатчик и соответст-
вующий приемник полностью синхронизированы.
Нам предстоит определить затухание и сдвиг фазы тракта оптимального
приемника Rake, использующего когерентную демодуляцию. Такая оценка,
использующая известный метод оценивания канала, скрупулезно выполена в
разделе 1.2.6. В обычных несложных приложениях в передаваемую последова-
тельность вставляются заранее известные специальные символы, по которым
может быть проведена оценка затухания и сдвига фазы в канале. Тем не ме-
нее, в данном случае при оценке параметров сумматора разнесенных каналов
приемника Rake будем предполагать, что используется идеальная процедура
оценивания канала.
На рис. 1.9 представлена блок-схема приемника Rake с двоичной ФМн
(BPSK). Принимаемые сигналы предварительно перемножаются в каждой вет-
ви приемника, настроенной на разрешимый тракт, на оценочные коэффици-
енты б1(t), ... , бLp(t). Для оптимизации характеристик приемника Rake, испо-
льзующего суммирование максимально взвешенных сигналов каждого канала,
и с тем, чтобы компенсировать влияние каналов, эти оценочные канальные
коэффициенты должны быть сопряжены с реальными коэффициентами соот-
ветствующих трактов1. Заметьте, что линейное суммирование сигналов равной
1.2. Основы систем CDMA 49
* * –
* * –
Рис. 1.9. Приемник Rake
iT
i T
b LP
b LP
( 1)
Decision
variable
iT
i T
b
b
1
1 ( 1)
1! ! !
l
j
l
j
l el' e l 2
мощности оценивает только фазу, а вклады каждого канала перед сложением
перемножаются на единичный коэффициент усиления. Затем полученные сиг-
налы на выходе каждой ветви приемника Rake перемножаются на ответную
сигнатурную последовательность (см. рис. 1.3), задержанную в соответствии с
процессом кодового захвата. После устранения расширения с помощью согла-
сованных сигнатурных последовательностей a*(t — 1), ... , a*(t — Lр), сигналы
на выходах корреляторов складываются для получения декодированного сим-
вола1 (рис. 1.9):
( ) * ( ) *( )
( )
b
T
i a t r t a t dt
b
l l
iT
i T
b l
b l
(
%
)
sgn
1
1
)
*
&
++
l
L
b
b
l l l
P
P
T
a t bt at
1
2 sgn ( ) ( ) ( )a t dt
T
a
l
iT
i T
l
L
b
l
b l
P b l
*
( )
*
( )
(
%
))
1
1
1
( ) ( ) *( )
( )
t r t a t dt
a
l
iT
i T
l
b l
b l
*
&
++
1
sgn ( ) *( ) ( ) *( )
( )
t b
T
b l a t nt a t dt
b
l l
iT
i T
b l
b l
2
1
1
(
%
))
*
&
++
l
LP
1
(1.14)
Обычно первый член уравнения (1.14), содержащий полезную информа-
цию, намного больше второго сжатого шумоподобного члена. Это связано с
тем, что первый член пропорционален сумме абсолютных значений канальных
коэффициентов, а второй член уравнения (1.14) пропорционален векторной
сумме комплексных канальных коэффициентов. Поэтому действительная
часть первого члена обычно больше второго члена. Следовательно, приемник
Rake может улучшить возможности обнаружения сигналов данных в уловиях
многолучевого распространения.
Возвращаясь к графикам коэффициента ошибок на рис. 1.8, можно видеть,
что показатели системы улучшаются при использовании многолучевого разне-
сения. При увеличении числа различимых трактов LP наблюдается улучшение
показателей передачи. Конечно же, при этом повышается сложность приемни-
ка, так как возрастает число корреляторов, показанных на рис. 1.9.
1.2.4. Коллективный, многостанционный доступ
До сих пор рассматривалась передача сигналов только одного абонента. Такая
система проста и прямолинейна в реализации. Рассмотрим теперь, как повли-
яет на характеристики системы передача сигналов нескольких абонентов.
В системе DS-CDMA режим коллективного доступа достигается за счет
того, что общая полоса частот может одновременно использоваться несколь-
50 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
1При этом предполагается, что помехи многолучевого распространения отсутствуют.
Эти помехи могут быть учтены как часть помех смежных пользователей, которые рассмат-
риваются в следующем разделе.
кими абонентами. Каждому передатчику и связанному с ним приемнику выде-
ляется индувидуальная сигнатурная последовательность. Только приемники
располагают точными сведениями о характере индивидуальной последователь-
ности, способной детектировать переданный сигнал. Рассмотрим ситуацию,
когда К активных абонентов ведут одновременную передачу. Эквивалентная
модель системы, работающей в основной полосе, показана на рис. 1.10. Для
простоты подразумевается, что в данном случае многолучевое распростране-
ние отсутствует, и поддерживается идеальное управление мощностью.
Математическое представление сигнала k-го абонента подобно выражению
(1.2), за исключением дополнительного верхнего индекса, обозначающего
коллективную, многостанционную передачу. То есть, выражение имеет вид:
b t b k t jT
j
k
T b
h
b
( )( ) ( ) ( )
. (1.15)
где b(k) { 1, 1}. Имеется выделенная абонентская сигнатурная последователь-
ность a(k)(t) k-го пользователя, подобная последовательности (1.4), за исклю-
чением верхних индексов, разделяющих пользователей:
ak t a t hT
h
k
T c
h
c
( )( ) ( ) ( )
. (1.16)
Для получения исходного широкополосного сигнала, сигнал данных k-го або-
нента b(k)(t) перемножается с сигнатурной последовательнсотью a(k)(t), то есть:
sk t P b ta t
b
( )( ) (k) (k)( ) (k)( ), (1.17)
где Pb
(k) — средняя мощность, передавемая k-ым абонентом. Групповой при-
нимаемый сигнал в основной полосе равен:
r t P b t a t n t b
k k k k k
k
K()
(
)
(
)(
(
))( )(
(
))
(
)
1
, (1.18)
1.2. Основы систем CDMA 51
–
–
–
Рис. 1.10. Модель системы CDMA
Decision
Decision
Decision
Delay
Delay
Delay
где ф(k) — задержка распространения плюс задержка сигнала k-го абонента от-
носительно сигналов других абонентов, а n(t) — аддитивный белый гауссов
шум с двухсторонней спектральной плотностью мощности N0/2, Вт/Гц.
1.2.4.1. Помехи входящей линии — DL
На входящих линиях DL (от базовой станции к мобильному абоненту) базовая
станция может синхронизировать все сигналы абонентов при условии, что
длительности символов выровнены друг с другом. Поэтому групповой сигнал
принимается каждой мобильной станцией с задержкой ф(k) = 0 при k = 1, 2,…, К.
Такой сценарий известен как передача, синхронизированная по символам.
При использовании обычного, так называемого одиночного детектора, каж-
дый символ j-того пользователя выделяется из принимаемого сигнала r(t) бла-
годаря корреляции с расширяющим кодом j-того абонента, что дает:
( ) ( ) ( )*( )
( )
b
T
i r t a t dt
j
b
j
iT
i T
b
b
sgn
1 1
(1.19)
Подстановка выражения (1.18) в (1.19) дает:
b ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) (
T
i P b ta t nt a
j
b
b
k k k
k
K
(
% )
*
& +
sgn
1
1
j
iT
i T
b
b
j j
t dt
T
P b ta
b
b
) *
( )
( ) ( )
( )
( )
1
1
sgn ( ) ( )*
( )
( ) ( )
( ) ( )
( )
j j
iT
i T
b
b
k k
t a t dt
T
P b ta
b
b
1
1 ( ) ( ) * ( )*
( )
k ( ) j ( ) ( ) ( )
b
j
iT
i T
kk
t a t dt
T
n t a t dt
b
b
1 1
1
j
K
iT
i T
b
j
i
j
b
b
b
( )
( ) ( )
1
sgn
Нужный
сигнал
b
k
i
k
jk
k
k j
K
( )b( )R
1
Переходные помехи
коллективного доступа
Белый
шум
n( j)
(1.20)
где Rjk — взаимная корреляция расширяющих кодов j-го и k-того абонентов
для iTb Ѕ t Ѕ (i + 1)Tb, в виде:
R
T
jk a ta tdt
b
j k
Tb
1
0
( )( ) ( )( ). (1.21)
В данном случае, если расширяющие коды строго ортогональны друг дру-
гу, то взаимные помехи отсутствуют. То есть, Rjk = 0 при всех k j. Однако вы-
деление ортогональных кодов для большого числа абонентов представляет
чрезвычайно сложную задачу. В системе IS-95 для достижения ортогонально-
сти используются так называемые коды Адамара-Уолша [90].
52 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
1.2.4.2. Помехи исходящей линии
В отличие от ранее рассмотренного случая входящей (нисходящей) линии, в
реальных системах на исходящих линиях (направление от абонента к базовой
станции) строгая ортогональность не может быть достигнута, поскольку в дан-
ном случае отсутствует координация действий по передаче сигналов абонен-
тов. В системе CDMA сигналы всех абонентов передаются в одной общей по-
лосе частот, в несогласованном во времени виде. Таким образом ф(k) 0,
а соответствующий сценарий определяют как асинхронный режим передачи.
В данном случае задержка во времени ф(k), k = 1, . . ., K нуждается в вычисле-
нии. Без потери общности можно предположить, что ф(1) = 0 и что 0 < ф(2) <
< ф(3) < ··· < ф(K) < Tb. В отличие от синхронного режима входящей линии —
DL, описанного уравнением 1.19, демодуляция i-того символа j-того абонента
осуществляется по корреляции принимаемого сигнала r(t) с последовательнос-
тьюa( j)*(t), задержанной на ( j), что дает:
( ) ( ) ( )*( ( ))
( )
( )
b
T
i r t a t dt
j
b
j j
iT
i T
b
j
b
sgn
1 1
(j)
(1.22)
где ( j) — оценка задержки приемником.
Подставляя (1.18) в (1.22) и полагая захват и отслеживание кода безупреч-
ными, получим1
b ( ) ( ) ( )( ( ))( )( ( )) ()
T
i P b t a t nt
j
b
b
k k k k k
k
sgn
1
1
K
iT
i T
j j
b
j
b
j
a t dt
(
% )
*
& +
( )
( ) ( )
( )*( ( ))
1
sgn
1
T
P b t a t a t
b
b
( j) (j) (j) (j) (j) ( j)* ( ) ( ) ( ( )
( )
( ) ( )
)
(
( )
( )
j
iT
i T
b
k k
dt
P b t
b
j
b
j
(
%
))
1
( ) ( ) ( )
( )
( )
) ( )
( )
( )
k k k
i T
i T
k
j
a t a
b
j
b
k
1
1
1
1
( )* ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) (
j j
b
k k
b
k k
b
k
t dt
P b t T a t T
) ( )
( )
( ) ( )
( )* ( )
(
iT
i T
k
j
j j
b
k
b
k
b
j
a t dt
P
1
1
1
) ( )( ( ))( )( ( ))
( )
( )
bk t T a t T
b
k k
b
k
iT
iT
k
b
j
b
k
j
K
j j
b
k k k k k
a t dt
P b t a t
1
( )* ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) (
) ( )
( )
( )
( ) ( )
( )* ( )
iT
i T
k j
K
j j
b
k
b
j
a t dt
n t
1
1
aj t j dt
iT
i T
b
j
b
j
( )* ( )
( )
( )
( )
( )
*
&
++
1
(1.23)
1.2. Основы систем CDMA 53
1При точном зазвате и отслеживании (j) (j).
( ) ( ) bi b( ) ( )
j
b
j
i
j
b
k
sgn
Нужный
сигнал
bi R b R
k
jk
k
j
b
k
i
k
jk
k
j
( ) (0) ( ) ( ) (1)
1
1
1
1
1
Переходные помехи коллективного доступа
b
k
i
k
jk
k j
K
b
k
i
k
( )b( )R ( ) ( )b( )R jk ( ) 1
1
1 0
k j
K
1
Переходные помехи коллективного доступа
n( j)
Белый
шум
(1.24)
гдеRjk(i) иR jk(i), i {+1, 0, 1}
представляют взаимную корреляцию расширя-
ющих кодов при асинхронной передаче, которая задается в виде [91]:
R i
T
jk a t a t iT dt
b
j j k
b
k
j
k
() ( )( ( )) ( )( ( ))
( )
( )
1
(1.25)
() ( )( ( )) ( )( ( ))
( )
( )
R i
T
jk a t a t iT
b
j j k
b
k
T
k
b
j
1
dt (1.26)
и ограничивается значениями +1, 0, 1,
поскольку, как говорилось в разделе
1.2.2, предполагается, что максимальная задержка в тракте ограничивается
длительностью одного символа.
Уравнения (1.24) и (1.20) представляют ожидаемый демодулированный
символ данных j-го абонента на базовой и мобильной станциях, соответствен-
но. Оба содержат нужный символ j-го абонента. Однако он подвержен влия-
нию шумов и помех, создаваемых другими абонентами. Эти помехи известны
как помехи многостанционного, коллективного доступа — MAI1. Они содер-
жат нежелательные, мешаюшие сигналы других (K 1)
абонентов. Помехи
коллективного доступа возникают из-за ненулевой взаимной корреляции рас-
ширяющих кодов. В идеальном случае расширяющие коды должны удовлетво-
рять условия ортогональности, так что:
R
T
a ta t dt
k j
k jk
b
k j
Tb
( ) () ( )
, ,
,
( ) ( )
, 1 1 0
0 0
для
,
(1.27)
Однако в условиях асинхронной передачи исходящих сигналов UL невоз-
можно создать коды, ортогональные для всех возможных временных сдвигов.
Поэтому в исходящих линиях UL всегда будут присутствовать помехи много-
станционного доступа — MAI. Это наблюдение подтверждается сравнением
членов уравнений (1.20) и (1.24).
С другой стороны, многостанционные помехи всегда присутствуют в кана-
лах в прямом и обратном направлении. Многостанционные помехи обусловле-
ны разницей времени прибытия одного и того же сигнала из-за разницы трак-
тов прохождения к приемнику. Это подобно тому, как если бы сигналы
поступали от других абонентов, и тогда помехи многолучевого распростране-
ния анализируются обычно — тем же способом, что и помехи MAI.
54 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
1MAI — Multiple access interference
С ростом числа абонентов помехи MAI также возрастают. Из-за этого о
CDMA говорят как о системе, емкость которой ограничивается помехами. Си-
стема CDMA способна обслуживать дополнительных абонентов в фиксирован-
ной полосе частот, постепенно снижая качественные показатели, в то время
как доступ с частотным FDMA или временным TDMA разделением для обслу-
живания дополнительных абонентов потребует дополнительную полосу частот.
Были проведены исследования по поиску средств смягчения воздействия по-
мех MAI. Некоторые методы использовали управление активностью речи, раз-
работку расширяющих кодов, схемы управления мощностью и секционные/
адаптивные антенны [92]. Эти средства позволили в определенной мере сни-
зить MAI.
На данный момент самый многообещающий метод для исходящих линий
UL представляет многопользовательское обнаружение, впервые предложенное
Верду (Verdu) [93]. Многопользовательское обнаружение [94—96], которое бу-
дет обсуждаться детально в следующей главе, для того чтобы распознать каж-
дого абонента, нуждается в знании сигнатурных последовательностей всех
абонентов и данных о характере всех импульсных характеристик каналов або-
нентов. Использование этого алгоритма более пригодно для реализации в ис-
ходящих каналах UL, так как все мобильные станции передают сигналы на ба-
зовую станцию, и базовая станция должна определить эти сигналы в любом
случае. Однако тема многопользовательского детектирования лежит вне рас-
смотрения настоящей главы и будет обсуждаться несколько подробней в 3 гла-
ве. Для более глубокого понимания заинтерсованный читатель может обрати-
ться к прекрасной книге Верду [97], которая представляет всестороннее
обсуждение данной темы. Обзор различных схем многопользовательского де-
тектирования и список дополнительной литературы можно также найти, на-
пример, в работе Мошави (Moshavi) [92].
Еще один недостаток систем CDMA заключается в их восприимчивости к
проблеме «ближний — дальний», которая будет рассмотрена ниже. Если все
абоненты работают с равной мощностью, то из-за разницы потерь сигналы от
абонентов вблизи базовой станции принимаются с более высокой мощностью,
чем сигналы тех абонентов, которые находятся вдали от базовой станции.
Влияние замираний, рассмотренное в разделе 1.2.2, также вносит свой вклад в
колебания мощности. Таким образом, согласно уравнению (1.24), если j-тый
абонент работает на границе соты, а все остальные абоненты находятся вблизи
базовой станции, то сигнал j-того абонента будет маскироваться более силь-
ными сигналами других абонентов, что приводит к более высокому коэффи-
циенту ошибок. Для смягчения проблемы «ближний — дальний» используется
регулирование мощности с тем, чтобы гарантировать, что сигналы абонентов
принимаются примерно с равной мощностью, вне зависимости от их расстоя-
ния от базовой станции.
Используются две типичные схемы управления мощностью [65]:
• открытая схема упрвления мощностью;
• закрытая, замкнутая схема управления мощностью.
Открытая, без обратной связи, схема регулирования мощности обычно ис-
пользуется для устранения различий в мощности, обусловленных потерями в
1.2. Основы систем CDMA 55
тракте. Замкнутая схема регулирования с обратной связью используется для
устранения затеняющих замираний, вызванных многолучевым распростране-
нием. Детали различных методов регулирования мощности не будут рассмат-
риваться в настоящей главе. За более подробной информацией читатели могут
обратиться к [98].
1.2.4.3. Гауссова аппроксимация
Для упрощения анализа условий коллективной работы в системе CDMA обыч-
но предполагается, что, согласно центральной предельной теореме, взаимные
помехи доступа MAI имеют гауссово распределение [99—101]. Это предполо-
жение точно выполняется даже при числе абонетов K < 10, при коэффициенте
ошибок BER, равном или более 103.
При анализе взаимных помех доступа
MAI мы также будем использовать распределение Гаусса, как это представле-
но в работе Пёрсли (Pursley) [99]. Если рассматриваемая абонентская последо-
вательность синхронна по битам и фазе со всеми мешающими последователь-
ностями, где синхронные по фазе отношения определяются как бы при
отсутствии шумов, то худший случай вероятности ошибок Prb( ) согласно Пёр-
сли [99] задается в виде:
Prb
Q c
N
K
( )
( )
(
% )
*
& +
1
, (1.28)
где Q(·) — Q-функция Гаусса, заданная выражением (1.9), поскольку синхрон-
ная передача не создает чисто случайную мешающую последовательность гаус-
сового вида. Данная формула должна характеризовать синхронный вид пере-
дачи во входящей линии, представленный в разделе 1.2.4.1. Однако в
практических сутуациях исходящих линий UL, пердставленных в разделе
1.2.4.2, существует некоторая задержка среди абонентов, и каждый принимае-
мый сигнал сдвигается по фазе независимо. В этом случае, согласно Пёрсли,
вероятность ошибки при отсутствии шумов равна [99]:
Prb
Q c
N
K
( )
( )
(
% )
*
& +
3
1
, (1.29)
Уравнение (1.29) представляет лучшие качественные показатели, соответ-
ствующие помехам гауссового вида. Между этими двумя крайними оценками
находятся остальные варианты. В первом случае требуемая и мешающая по-
следовательности синхронизированы по битам, но не синхронны по фазе. Ве-
роятность ошибки в отсутствии шумов выражается как [99]:
Prb
Q c
N
K
( )
( )
(
% )
*
& +
2
1
, (1.30)
Во втором случае требуемая и мешающая последовательности синхронизи-
рованы по фазе, но не синхронны по битам. Тогда вероятность ошибки в от-
сутствии шумов определяется выражением [99]:
Prb
Q c
N
K
( )
( )
(
% )
*
& +
3
2 1
, (1.31)
56 Глава 1. Системы CDMA третьего поколения
Анализируя приведенные выше уравнения, можно видеть, что при увели-
чении количества битов Nc на символ показатели системы также улучшаются.
Однако существует ограничение на коэффициент расширения последователь-
ности в основе которого лежат возможности цифровой обработки сигналов.
На рис. 1.11 сравниваются результаты моделирования двоичных систем с резу-
льтатами вычислений по выражениям (1.28) и (1.29) при выигрыше от обра-
ботки, равном 7. Из графиков следует, что предположение о гауссовом распре-
делении взаимных помех доступа MAI верно, особенно при большом числе
абонентов. Графики также показывают, что система CDMA достигает лучших
своих характеристик в асинхронном режиме многостанционного доступа. В этом
заключается преимущество CDMA над доступом с частотным (FDMA) и вре-
менным (TDMA) доступом, так как и TDMA и FDMA нуждаются в согласова-
нии передачи сигналов пользователей, что увеличивает сложность системы.