Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

12.8.1. CDMA/DS. Теоретические основы цифровой связи

Лекции по Теоретическим основам цифровой связи   

12. Методы расширенного спектра

12.8.1. CDMA/DS

На рис. 11.3 и 11.7 иллюстрируется совместное использование ресурса связи для схем FDMA и ТDМА. При FDMA различные полосы частот являются взаимно ортогональными (предполагается идеальная фильтрация). Для ТDМА взаимно ортогональными являются различные временные интервалы (предполагается идеальная синхронизация). Аналогичный случай ортогональности различных каналов для системы СDМА со скачкообразной перестройкой частоты представлен на рис. 11.14, причем подразумевается, что коды управления частотными скачками позволяют всем абонентам использовать разные временные интервалы и частоты. Графически несложно изобразить процесс передачи данных со скачкообразной перестройкой частоты и переключением временных интервалов при отсутствии конфликтных ситуаций. Однако при использовании системы расширения спектра методом прямой последовательности (direct-sequence spread-spectrum — DS/SS) графическое представление необходимых условий ортогональности для многих пользователей, одновременно работающих в одном спектре, будет нелегкой задачей. На рис. 12.37 представлены три различных сигнала DS/SS, расширенных по широкому диапазону частот, находящемуся ниже уровня мощности шумов и интерференции. Считается, что шумы и интерференция являются гауссовыми и широкополосными; их спектральная плотность мощности равна N0+I0. В связи с примером, приведенным на рис. 12.37, наиболее часто возникает вопрос, как один из этих сигналов может быть обнаружен, если все они находятся по соседству в спектральной области и скрыты в шумах и помехах, вызванных интерференцией. Детектор DS/SS проверяет корреляцию полученного сигнала с псевдослучайным кодом определенного пользователя. Если псевдослучайные коды взаимно ортогональны, то в течение длительного времени приема средняя мощность всех сигналов других пользователей будет равна нулю. Если же условие взаимной ортогональности не выполняется, в процессе обнаружения будет происходить интерференция между сигналами разных пользователей.

Рис. 12.37. Три сигнала DS|SS в одной спектральной области.

В системе мобильной телефонной связи с использованием СDМА сигналы разных пользователей интерферируют между собой. Это происходит по следующим причинам.

1. Корреляция двух различных расширяющих кодов, принадлежащих одному семейству идеально ортогональных длинных кодов, может не равняться нулю в течение короткого времени, такого как длительность передачи одного символа.

2. Для обслуживания большого числа пользователей, как правило, необходимы длинные коды. При разработке таких кодов можно добиться малой взаимной корреляции, но при этом сложно получить идеальную взаимную ортогональность.

3. Многолучевое распространение сигнала и неидеальная синхронизация приводят к интерференции элементарных сигналов различных пользователей.

Рассмотрим канал обратной связи (от мобильного устройства к базовой станции), работающий в перегруженной сотовой ячейке. Интерференция в данном случае вызвана одновременным присутствием многих сигналов CDMA и превосходит по мощности помехи, вызванные тепловым шумом. Следовательно, влиянием тепловых шумов при наличии взаимной интерференции сигналов можно пренебречь. Тогда при N0<<I0 для отношения Eb|I0 принятого сигнала, обозначенного как (Eb|I0)прин можно записать следующее.

                (12.62)

Здесь Gp = WSS/Rкоэффициент расширения спектра сигнала, WSS — ширина полосы расширенного спектра, Sполученная мощность сигнала одного из пользователей, I— мощность помех, вызванных интерференцией со всеми остальными пользователями. Из уравнения (12.62) следует, что даже если полученные помехи значительно превосходят по мощности сигнал пользователя, необходимую величину Eb|I0 можно получить за счет коэффициента расширения спектра (посредством механизма проверки корреляции с кодом). Если базовая станция связи управляет мощностью сигнала и, следовательно, полученная мощность сигнала каждого из пользователей сбалансирована, то можно записать I=S(М-1), где М— полное число пользователей, вносящих вклад в интерференцию на входе приемника. Теперь можно выразить (Eb|I0)прин через коэффициент расширения спектра и число активных пользователей в ячейке.

                     (12.63)

Следует отметить, что (Eb|I0)треб в уравнении (12.63) аналогично Eb|J0 для приемника, получающего подавляемый сигнал в уравнении (12.41), причем J0 и J соответствуют I0 и I. Системы CDMA подвержены интерференции (шумы считают широкополосными и гауссовыми) независимо от того, чем она вызвана — преднамеренными помехами, случайными источниками сигналов или же самими пользователями. Будем считать, что Gp и необходимое значение Eb|I0, (обозначим как (Eb|I0)треб) известны. Используя уравнение (12.63), можно записать максимально допустимое количество пользователей (источников интерферирующих сигналов) в сотовой ячейке для заданного уровня ошибок.

                          (12.64)

Отметим, что уравнение (12.63) показывает, что для перегруженной ячейки интерференция накладывает ограничения на использование технологии CDMA. К примеру, если количество активных пользователей в ячейке внезапно возрастет вдвое, то полученное Eb|I0 уменьшится в два раза. Аналогично из уравнения (12.63) следует, что уменьшение (Eb|I0)треб позволяет увеличить максимально допустимое количество пользователей. Ниже приводится список других факторов, от которых зависит число пользователей в ячейке.

1.   Разделение по секторам или коэффициент усиления антенны GА. Ячейка может быть разделена на три сектора по 120° с помощью трех направленных антенн с коэффициентом усиления порядка 2,5 (или 4 дБ). Данный коэффициент определяет, во сколько раз может быть увеличено количество пользователей.

2.   Фактор активности речи Gv. В среднем в процессе разговора около 60% времени занимают паузы между словами и фразами, а также время слушания. Следовательно, для непосредственной передачи сигнала необходимо лишь 40% общего времени связи, т.е. время, когда один из собеседников говорит. Для каналов передачи речи данный факт позволяет увеличить количество пользователей в число раз, равное коэффициенту Gv, 2,5 (или 4 дБ).

3.   Фактор интерференции от внешних ячеек Н0. При технологии CDMA может применяться 100%-ное повторное использование частоты (см. раздел 12.8.2). Все соседние ячейки могут использовать один и тот же спектр. Тогда, кроме заданного уровня интерференции Ix, внутри ячейки существует дополнительная внешняя интерференция. Если потери сигнала описываются функцией четвертой степени (см. раздел 15.2.1), мощность внешней интерференции можно считать равной 55% от полной мощности интерференции внутри ячейки [30, 31]. Следовательно, полная интерференция может быть записана в виде 1,55Ix. Число пользователей уменьшается в соответствии с коэффициентомH0, который равен 1,55 (или 1,9 дБ).

4.   Фактор несинхронной интерференции . При оценке уровня интерференции пользователей, находящихся внутри и снаружи ячейки, было сделано предположение, что все используемые каналы идентичны (т.е. рабочие характеристики одинаковы для всех пользователей, передающих голосовые сигналы). Предположим также, что интерференция, связанная с сужением, может аппроксимироваться случайной гауссовой переменной. Будем считать, что пользователи равномерно распределены по площади ячейки, а управление мощностью в каждой из ячеек идеально. Наихудший случай - когда все интерферирующие между собой сигналы синхронизованы по фазе и элементарному сигналу. Для несинхронного канала связи ситуация будет лучше. В данном случае в уравнение (12.64) вводится коэффициент , описывающий интерференцию, вследствие чего максимально возможное количество пользователей увеличивается по сравнению с наихудшим сценарием. Если считать, что элементарный сигнал можно графически представить в виде идеального прямоугольника, значение  равно 1,5 [31-34]. Вообще, данное значение зависит от формы функции, описывающей элементарный сигнал [31].

Используя коэффициенты GA, Gv, H0 и у (а также их значения, приведенные выше), вычислим максимально возможное количество активных пользователей М' в  ячейке.

                  (12.65)

Точный расчет возможностей системы CDMA намного сложнее, чем приведенный в уравнении (12.65). При выводе данной формулы считалось, что пользователи равномерно распределены по площади ячейки, а управление мощностью осуществляется идеально. В то же время влияние теплового шума считалось ничтожно малым. Изменения информационного обмена внутри ячейки не учитывались. Не рассматривалась топология местности как фактор, влияющий на параметр п функции потерь сигнала. При уменьшении и интерференция может возрастать. Вообще, емкость системы CDMA рассматривается во многих работах, в частности на примере систем, соответствующих стандарту IS-95. Для более подробного ознакомления с этой темой стоит обратиться к работам [30-32, 35-38]. В следующем разделе приводится упрощенный сравнительный анализ трех методов множественного доступа, позволяющий охарактеризовать преимущества CDMA.


Последние изменения страницы: 26.01.2018






© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки. Карта сайта

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru