Многостанционный доступ с кодовым разделением и сети CDMA

3.3. Кодирование

3.3.1. Кодирование в прямом канале

Следующий этап преобразования сообщения — кодирование с помощью кодов Уолша [14, 121]. Это повышает скорость информационного потока с 9,6 (19,2) Кбит/с до 1,2288 Мбит/с.

Рис. 3.11. Структурная схема формирования сигнала передатчиком базовой станции

Рассмотрим структурную схему формирования сигнала передатчиком базовой станции ( рис. 3.11).

В прямом и обратном канале эта схема повторяется. Последовательность функционирования соответствует цифрам на рисунке.

1. Речевой сигнал поступает на речевой кодер. Для передачи речи по каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP — Code Excited Linear Prediction) [67]. Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с, что достигается добавлением дополнительных корректирующих двоичных символов к цифровому потоку вокодера 8,55 Кбит/с (диапазон скоростей этого типа вокодеров от 4 до 16 Кбит/с).
2. Сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования. Для реализации на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без повторного запроса и передачи сообщения) в канале используется сверточное кодирование (convolution encoding) (см. часть 1 "GSM"). На передающей стороне используется кодирование с характеристиками: длина кодового ограничения , скорость кодирования .Для этого поступающий цифровой поток разбивается на пакеты длительностью по 20 мс и подается на сверточный кодер. На его выходе число битов удваивается ( ), и при входной скорости 9,6 Кбит/с выходная скорость равна 19,2 Кбит/с (384 бита в 20 мс).
3. Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала, предназначенный для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок — искажение нескольких бит информации подряд. Данные перемежаются, т. е. перемешиваются во временном интервале 20 мс. Это делается для того, чтобы равномерно распределить в потоке данных потерянные во время передачи биты. Известно, что ошибочно принятые символы обычно формируют группы. В то же время схема прямой коррекции ошибок работает наилучшим образом, когда ошибки распределены равномерно во времени. Это происходит после осуществления на приемной стороне процедуры, обратной перемежению при передаче.

   Принцип перемежения в данном случае следующий. Процесс перемежения битов осуществляется в пределах каждого блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2 Кбит/c 384 бита. Поток данных записывается в матрицу (24 строки x 16) по строкам. Как только матрица заполнена, начинается передача информации по столбцам со скоростью записи. Следовательно, когда в эфире искажаются подряд несколько битов информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную матрицу, преобразуется в одиночные ошибки.
4. Сигнал поступает в блок шифрования (защита от подслушивания), на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность) длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможных значений не эффективен, т. к. при генерации этой маски, перебирая всевозможные значения, придется генерировать 8,7 триллиона масок длиной 42 бита.

   Для шифрования применяется скремблирование информационной цифровой последовательности — производится суммирование по модулю 2 с другой цифровой последовательностью, формируемой с помощью длинного кода с периодом символов при скорости 1,2288 Мбит/с (длительность чипа 813,8 нс). Маска формируется генератором псевдослучайной последовательности.
5. После шифрования цифровой поток преобразуется с помощью длинного кода и логической операции "исключающее ИЛИ" (сложение по модулю два). Как уже говорилось, длинными кодами (кодами максимальной длины) являются коды, которые могут быть получены с помощью регистра сдвига или элемента задержки заданной длины. Максимальная длина двоичной последовательности, которая может быть получена с помощью генератора, построенного на основе регистра сдвига, равна двоичных символов, где — число разрядов регистра сдвига. В аппаратуре стандарта IS-95 длинный код формируется в результате нескольких последовательных логических операций с псевдослучайной двоичной последовательностью, генерируемой в 42-разрядном регистре сдвига. Такой регистр сдвига применяется во всех базовых станциях этого стандарта для обеспечения режима синхронизации всей сети. Так как информационный поток имеет скорость 19,2 Кбит/с, то в прямом канале с тактовой частотой 1,2288 Мбит/с используется только каждый 64-й символ длинного кода.

   Поскольку все пользователи получают объединенный сигнал, для выделения информации необходимо передавать опорный сигнал (по пилотному каналу). В этом канале передается нулевой информационный сигнал. Код Уолша для пилотного канала формируется из нулевого ряда матрицы Уолша. В пилотном канале передается мощный сигнал, который содержит только короткий код. Обычно на нем излучается около 20 % общей мощности. Опорный сигнал необходим для последующей фазовой демодуляции. Короткий код позволяет многократно использовать в каждой ячейке один и тот же набор кодов Уолша. Каждая базовая станция имеет свой временной сдвиг при формировании кода и поэтому может быть однозначно определена в сети. Основано это на свойстве псевдослучайных двоичных кодов: значение автокорреляционного момента приближается к нулю для всех временных смещений более одной битовой длины.
6. На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т. е. каждый бит информации кодируется последовательностями ПСП1 и ПСП2, построенными по функции Уолша, которые генерируются со скоростью 1,2288 Мбит/с. Канальная скорость потока данных (19,2 Кбит/с) увеличивается в 64 раза. Следовательно, в блоке модуляции сигнала скорость манипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот. Принцип преобразования сообщения — кодирование с помощью кодов Уолша — уже рассматривался выше. Один ряд матрицы Уолша ставится в соответствие каналу связи между абонентом и базовой станцией. Если на входе кодера "0", то посылается соответствующий ряд матрицы (кода Уолша), если "1" — посылается последовательность, сформированная путем логического отрицания соответствующего ряда матрицы (кода Уолша). Соответственно расширяется и спектр сигнала. Также функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других абонентов. В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота, на которой он будет работать, и один из 64 возможных логических каналов, который определяет функция Уолша.
7. На заключительном этапе двоичный поток разделяется между синфазным и квадратурным каналами (I- и Q-каналами) для последующей передачи с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK). Цифровой поток в каждом из каналов преобразуется с помощью короткого кода и логической операции "исключающее ИЛИ".

   Короткий код представляет собой псевдослучайную двоичную последовательность длиной двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,2288 Мбит/с. Эта последовательность является общей для всех базовых и подвижных станций в сети. Короткий код формируется в 15-разрядном регистре сдвига с линейной обратной связью. Он формируется на базе двух порождающих полиномов:

   
   

   Блок перемножения сигнала на две функции (их называют ПСП1 — ПСП2) предназначен для перемешивания сигнала блока модуляции.

   Скорость следования символов равна 1,2288 Мбит/с. Период последовательности из 32768 чипов составляет . Все абоненты одной соты или сектора используют одну и ту же пару псевдопоследовательностей. Эти псевдопоследовательности для различных ячеек и секторов различаются временным сдвигом относительно нулевой последовательности. Всего на длине 32768 чипов приняты 511 сдвигов на 64 чипа каждый относительно последовательности с нулевым сдвигом. Это позволяет идентифицировать 512 сот (секторов).

   Заметим, что использование псевдопоследовательностей при модуляции позволило развить новые технологии на основе CDMA [24]: многостанционный доступ со скачкообразной перестройкой частоты (FH CDMA — Frequency Hopping CDMA) и многостанционный с псевдослучайной перестройкой по времени (TH-CDMA — Time Hopping CDMA). Принципы работы этих технологий изложены в [24].
8. Блок модуляции сигнала. В стандарте CDMA используется квадратурная фазовая манипуляция ФМ4, ОФМ4. Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой, что позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Частота среза фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора. Для уменьшения занимаемой полосы частот на выходе модулятора устанавливают фильтр, который формирует специальный вид сигнала "приподнятый косинус".

Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции показана на рис. 3.12. Она содержит устройства, которые осуществляют действия, обратные по отношению схеме формирования сигнала передатчиком базовой станции.

Рис. 3.12. Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции

3.3.2. Кодирование в обратном канале

В обратном канале использован другой алгоритм формирования спектра, поскольку сигналы от удаленных терминалов достигают базовой станции по различным путям. Пользовательские данные также сгруппированы во фреймы длительностью 20 мс.

Структура формирования сигнала передатчика обратного канала (от мобильной станции к базовой) аналогична показанной на рис. 3.11. Отличия заключаются в следующем. В обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью 1/3. Это повышает скорость передачи данных с базовой скорости 9,6 до 28,8 Кбит/с, и перемежение в пакете производится на интервале 20 мс. После перемежения выходной поток разбивается на слова по шесть битов в каждом. Шестибитовому слову можно поставить в соответствие один из 64 кодов Уолша; порядковый номер этого кода соответствует двоичному числу, выражаемому этими шестью битами. Таким образом, каждый абонентский терминал использует весь их набор. После этой операции скорость потока данных повышается до .

Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного коду, который используется базовой станцией. На этом этапе происходит разделение пользователей.

Абонентская емкость системы определяется обратным каналом. Для ее увеличения применяются регулирование мощности в обратном канале, методы пространственного разнесения приема на базовой станции и др.

Окончательное формирование потоков данных происходит таким же образом, как и в базовой станции, за исключением дополнительного элемента задержки на 1/2 длительности символа в Q-канале для реализации смещенной QPSK.

Структурная схема приемника обратного канала (на базовой станции) аналогична схеме, приведенной на рис. 3.12. Однако в приемнике принимается объединенный поток от нескольких мобильных станций (в едином частотном спектре). Там же происходит разделение абонентских сигналов в соответствии с кодом Уолша.

Все базовые станции используют для кодирования каналов один и тот же короткий код, но со сдвигом с шагом 64 чипа. Таким образом, возможно 511 сдвигов по отношению к коду с нулевым сдвигом.