CDMA: Гибридные технологии доступа

Наряду с так называемыми «чистыми» технологиями, базирующимися на трех методах расширения спектра — DS-CDMA, FH-CDMA и TH-CDMA (см. «Сети», 2000, № 6, с. 26), — применяются гибридные методы доступа. Они позволяют повысить спектральную эффективность и помехозащищенность радиосистем.

Так, при сочетании технологий FDMA и CDMA передача сигналов становится более устойчивой к частотно-селективным замираниям, чем при использовании обычной широкополосной CDMA-связи. Комбинация TDMA и CDMA обеспечивает снижение межсимвольных искажений (МСИ), возникающих в многолучевом канале вследствие временного расширения спектра сигналов; избавиться от них только за счет подбора оптимальных методов модуляции и кодирования, как правило, не удается. Характеристики систем с пространственным разделением каналов (SDMA) существенно улучшаются, когда дополнительно задействуются методы CDMA, позволяющие снизить уровень взаимных помех при перекрытии соседних лучей.

На первый взгляд, использование гибридной технологии неизбежно должно привести к увеличению сложности аппаратной реализации передатчиков и приемников. В действительности же это не совсем так. Хотя число функциональных элементов в приемопередающей аппаратуре и увеличивается, создать каждый из них существенно проще, чем в том случае, когда заданные требования к пропускной способности и помехозащищенности обеспечиваются с помощью «чистой» технологии.

Рассмотрим особенности двух методов доступа — на базе многочастотной технологии МС-CDMA (Multi-Carrier CDMA) и кодово-временного разделения каналов TDMA/CDMA, или TD-CDMA (Time-Division CDMA). На их основе в рамках программы IMT-2000 разработаны два проекта стандартов: IMT-MC (МС-CDMA) и IMT-TC (TD-CDMA). Основное различие между ними состоит в том, что в случае MC-CDMA расширение спектра сигнала происходит преимущественно по частотной оси, а при TD-CDMA — вдоль временной.

Согласно концепции IMT-2000, гибридные технологии доступа используются как для создания микросотовых сетей внутриофисной связи, так и для повышения помехоустойчивости и конфиденциальности передачи информации в наземных и спутниковых системах.

Многочастотный доступ

Основой функционирования системы MC-CDMA является разбиение входного сигнала на пакеты, каждый из которых состоит из N символов длительностью T₀. При передаче сигнала формируется N параллельных «узких» радиоканалов, каждый из которых передается на своей несущей (рис. 1). А поскольку скорость узкополосного канала относительно невелика, то и частотно-селективные замирания в нем практически отсутствуют.

Эффективность системы MC-CDMA зависит от числа несущих N: чем оно больше, тем выше помехоустойчивость. Однако на практике его нецелесообразно увеличивать более чем до N=64, так как достигаемый выигрыш несоизмерим со сложностью реализации (рис. 2).

В современном оборудовании, основанном на MC-CDMA и методе OFDM (его часто обозначают также аббревиатурой CDMA-OFDM), сигналы формируются с помощью кодовой матрицы Уолша — Адамара и инверсного FFT (I-FFT). В этом случае каждый бит потока сигналов отображается на все поднесущие, а каждая поднесущая использует свой постоянный во времени фазовый сдвиг, выбираемый в соответствии с заданным законом кодирования. Разные наборы частотных сдвигов и кодовых последовательностей позволяют осуществить частотно-кодовое разделение абонентов.

Следует отметить, что если одна и та же информация передается на разных несущих, отстоящих друг от друга на ширину полосы когерентности (coherence bandwidth), то технология MC-CDMA обеспечивает эффективное частотное разнесение.

Нельзя не упомянуть о ряде проблем, возникающих при технической реализации MC-CDMA. Прежде всего, они связаны с синхронизацией потоков на разных поднесущих и высокой «чувствительностью» сигнального оборудования к частотному сдвигу. Кроме того, во избежание потерь, возникающих при работе передатчика на нескольких несущих, передача сигналов должна осуществляться в квазилинейном режиме.

Базовые принципы MC-CDMA стали основой проекта cdma2000. Согласно спецификациям cdma2000, модулированные символы уплотняются на трех несущих с общей шириной спектра 3,75 МГц (базовый вариант). На каждой поднесущей информация передается с помощью метода расширения спектра DS-CDMA с чиповой скоростью 1,2288 Мчип/с. Такая система не только будет совместима с уже существующими, но и позволит гибко использовать полосы частот в эфире, реализуя различные стратегии развертывания систем.

Кодово-временной доступ

Метод доступа TD-CDMA основан на разбиении каждого TDMA-кадра на N канальных интервалов (КИ) длительностью T_кад/N. Различие «таится внутри интервала». Если в классической TDMA обычно реализуется принцип «один абонент — один КИ» или, в крайнем случае, «два абонента — один КИ» (для полускоростных каналов), то гибридная технология TD-CDMA предполагает выделение одного КИ сразу нескольким работающим абонентам.

Типовая структура одного КИ включает четыре поля: два поля данных, обучающую последовательность (midample) и защитный временной интервал. Обучающая последовательность (ОП), обычно располагаемая в середине кадра, используется для оценки характеристик канала распространения радиоволн (рис. 3).

Выбор числа канальных интервалов для конкретной системы TD-CDMA зависит от ряда факторов. С одной стороны, при увеличении числа КИ упрощается процедура организации радиодоступа и увеличивается количество одновременно обслуживаемых абонентов. Кроме того, чем чаще передается ОП, тем выше точность оценки характеристик многолучевого канала. С другой стороны, при увеличении числа КИ (а следовательно, уменьшении их длины, T_ки=T_кад/N) возрастают объем служебной информации и количество символов ОП. Оптимизация этих переменных позволила рекомендовать для проекта стандарта 3-го поколения IMT-TC длительность КИ, равную 625 мкс.

В режиме TD-CDMA передаваемый блок информации (см. рис. 3) характеризуется тремя параметрами (частота, код и время), что дает возможность однозначно идентифицировать сигналы мобильных станций и устранять взаимные помехи, возникающие в пределах одного КИ.

В проекте IMT-TC предложены два способа расширения спектра: мультикодовая передача с фиксированным коэффициентом расширения спектра и однокодовая передача с переменным коэффициентом. Первый способ предполагает передачу внутри каждого КИ длиной 625 мкс нескольких кодов фиксированной длины (Q=16). При этом кодово-временной ресурс внутри одного КИ может выделяться как различным, так и одному абоненту (частично или полностью). В случае однокодовой передачи с переменным коэффициентом расширения спектра Q=2n (n — любое целое число от 1 до 5) мобильный терминал, работающий на линии «вверх», всегда использует один код, настраиваясь на заданную скорость передачи внутри данного КИ. Это обеспечивает существенное снижение разницы между пиковой и средней мощностью, что, в конечном итоге, увеличивает ресурс работы аккумуляторных батарей.

Следует также отметить, что в системе, построенной на основе технологии TD-CDMA, на базовых станциях (БС) можно реализовать режим многопользовательского детектирования. Данные от БС (линия «вниз») транспортируются в широковещательном режиме, при этом скорость передачи зависит от коэффициента расширения спектра. Высокая скорость обычно обеспечивается за счет выделения каждому терминалу нескольких рядом расположенных КИ. Однако ограниченные мощности процессора мобильного терминала позволяют распознать полезный сигнал лишь в первом КИ (пакеты, содержащиеся в остальных КИ, могут быть потеряны — процессор просто не успеет их обработать). Поэтому БС формирует единый пакет для всех КИ, выделенных конкретному абоненту. Алгоритм работы мобильного терминала в такой ситуации достаточно прост: он принимает все пакеты, но «чужие» отбрасывает, а «свои» обрабатывает.

Гибкая структура кадра в системах TD-CDMA дает возможность поддерживать разную пропускную способность в линиях «вверх» и «вниз». Хотя распределение КИ может быть произвольным, в любой конфигурации по крайней мере один интервал должен выделяться для каждого направления связи. Примеры организации кадра для систем связи разной конфигурации приведены на рис. 4.

Структура кадра TD-CDMA с 16 канальными интервалами обеспечивает настройку на широкий диапазон асимметричных каналов, причем соотношение числа КИ в линиях «вниз» и «вверх» может изменяться от 15:1 до 2:14. Различие коэффициентов асимметрии объясняется тем, что по крайней мере два КИ должны быть выделены в линии «вниз» (каналы синхронизации) и один КИ — в линии «вверх» (канал произвольного доступа).

ОБ АВТОРЕ

Леонид Невдяев (leonn@networld.ru) — ведущий научный сотрудник НИИТП.

OFDM: историческая справка