CDMA: многопользовательское детектирование

Сегодня разработчики технологии CDMA большое внимание уделяют методам многопользовательского детектирования (MUD, multiuser detection), особенно одной из наиболее распространенных его разновидностей — совместному детектированию. Суть последнего состоит в том, что все принимаемые сигналы «мешающих» абонентов интерпретируются не как шум, а как один сигнал с межсимвольными искажениями, аналогичными возникающим в многолучевом канале.

Хотя с теоретической точки зрения все спектрально эффективные методы многостанционного доступа, в том числе CDMA, обеспечивают строгую ортогональность сигналов, их практическая реализация неизбежно связана с возникновением взаимных помех. Так, при использовании частотного метода доступа (FDMA) переходные помехи между каналами возникают вследствие как неидеальности частотных характеристик разделительных фильтров, так и нелинейности элементов в передающем тракте. Применение временного доступа (TDMA) в каналах с многолучевыми замираниями приводит к расширению сигналов по временной оси и, соответственно, к появлению межсимвольных искажений.

Теперь обратимся к технологии CDMA и рассмотрим причины возникновения взаимных помех между разными каналами приема. Использование классической CDMA-системы с однопользовательским детектированием предполагает, что все передатчики работают в одной и той же полосе частот, а принимаемые сигналы различаются по виду кодовой последовательности. На вход приемника базовой станции поступают одновременно все широкополосные сигналы. Чтобы демодулировать полезный сигнал, приемник выполняет его корреляцию с кодовой последовательностью заданной формы, которая является уникальной для каждого абонента (см. рисунок).

В идеальном случае функция взаимной корреляции двух разных CDMA-сигналов равна нулю, т.е. помех в системе нет. На самом же деле все абоненты системы работают асинхронно, а используемые для модуляции сигналы, например функции Уолша, ортогональны «в точке». Следовательно, при их временном сдвиге ортогональность нарушается и, как следствие, возникают внутриканальные помехи, или так называемые помехи многостанционного доступа (MAI, Multiple Access Interference).

Причиной появления MAI является не только асинхронность передачи. Дело в том, что даже если сигналы не были бы ортогональными в «точке» (т.е. условия ортогональности соблюдались бы при любом циклическом сдвиге), то после их прохождения через канал связи с переменной передаточной функцией h(j), где j — номер абонента, нарушение ортогональности сигналов абонентов все равно происходило бы, а следовательно, возникали бы и помехи.

Однако самое «уязвимое» место технологии CDMA — чувствительность к разбросу мощностей, проявляющаяся в так называемом эффекте «ближний — дальний» (см. «Сети», 2000, № 4, с. 18). Чтобы канальные приемники (детекторы) работали эффективно, необходимо обеспечить одинаковую мощность сигналов от всех абонентов на входе приемника базовой станции. Причем для терминала абонента уровень помех на входе будет тем меньшим, чем ниже разбаланс мощности принимаемых им сигналов. Именно по этой причине в CDMA-системах используются высокоэффективные протоколы организации связи, которые позволяют выравнивать мощность и создают примерно одинаковые условия приема сигналов от разных абонентов.

К сожалению, традиционные детекторы, такие как согласованные фильтры и Rake-приемники, неэффективны в каналах с переменными параметрами, поскольку помехи многостанционного доступа воспринимаются ими как шум — они «не умеют» использовать информацию о структуре кодовых последовательностей или характеристиках каналов связи. Применение этих детекторов приводит к возникновению неустранимых ошибок приема даже в тех случаях, когда отношение сигнал/шум в канале связи достаточно высокое.

Правильное однопользовательское детектирование возможно лишь при обработке сигнала с учетом функции взаимной корреляции между кодовыми последовательностями разных абонентов.

Однако сегодня существует широкий спектр оборудования, базирующегося на многопользовательском детектировании и способного выполнить эту задачу. Классический многопользовательский детектор включает в себя гребенку согласованных фильтров, в которых используется алгоритм Витерби. Выходной сигнал гребенки фильтров обрабатывается приемником как вектор кодов c последующим линейным или нелинейным преобразованием. Этот приемник позволяет обнаружить наиболее вероятную кодовую последовательность, передаваемую N абонентами, но сложность его практической реализации возрастает как 2N. Выпускаются также приемники, в которых высокочастотный сигнал не демодулируется, а дискретизируется с высокой частотой и последующей обработкой при помощи быстродействующих алгоритмов (например, БПФ). Но главное, что таким детекторам практически не нужна вспомогательная информация — кроме, пожалуй, обучающей последовательности.

Другой, более эффективный подход к этой проблеме предполагает предварительную оценку взаимных помех (для их дальнейшей компенсации) без точного определения взаимокорреляционных функций кодовых последовательностей различных пользователей. Такой способ устранения взаимных помех аналогичен методу подавления межсимвольных искажений, используемому при условии, что качество приема для одного абонента зависит от характеристик передачи N-1 других.

Фактически, внутриканальные помехи при многостанционном доступе можно рассматривать как один дискретный сигнал с межсимвольными помехами, распространяемый по N-1 путям многолучевого канала. Поэтому многопользовательское детектирование определяется как метод приема полезных сигналов, при использовании которого все мешающие сигналы от других абонентов воспринимаются и обрабатываются не как шум, а как некий дискретный сигнал, прошедший через многолучевой, точнее (N-1)-лучевой, канал. Принцип действия детектора, предназначенного для подавления внутриканальных помех в системах с кодовым доступом, основан на использовании априорных сведений о применяемых в системе кодовых последовательностях и на оценках характеристик каналов связи.

Наиболее известный класс многопользовательских детекторов — устройства для совместного детектирования (JD, join detection). Они служат для синхронной передачи пакетов, которые формируются с помощью корректирующих фильтров.

Проблемам совместного детектирования CDMA-сигналов на базовой станции (линия «вверх») посвящено большое количество публикаций. Не углубляясь в теорию, мы лишь кратко перечислим самые эффективные методы.

Наиболее широкое распространение получил способ MMSE-BLE (Minimum Mean Square Error Block Linear Equalization), основаный на блочной линейной коррекции по минимальной среднеквадратичной ошибке. Среди других следует упомянуть группу методов, называемых форсированием нуля (ZF, Zero-Forcing). Они обеспечивают многопользовательское детектирование за счет подавления межсимвольных искажений — обращения соответствующих им функций в нуль в точке отсчета. В реальном оборудовании применяются два таких метода — блочной линейной коррекции с форсированием нуля (ZF-BLE, Zero-Forcing Block Linear Equalization) и блочной коррекции с разрешающей обратной связью и форсированием нуля (ZF-BDFE, Zero-Forcing Block Decision Feedback Equalizer).

Для линии «вниз» (к абонентскому устройству) правомочны те же принципы многопользовательского детектирования, однако алгоритмы подавления взаимных помех в этом случае будут существенно проще. Действительно, мобильная станция должна обрабатывать гораздо меньшее число сигналов, чем базовая, которая работает со всеми пользователями.