CDMA: сигналы и их свойства

Инженеры выбирали сигналы, применение которых должно улучшить основные характеристики систем (качество связи, помехоустойчивость), полагаясь лишь на свою интуицию. Поворотным моментом стало создание теории формирования, обработки и передачи сигналов. Она позволяет определить эффективность использования конкретного ансамбля (множества) сигналов, базируясь лишь на знании их авто- и взаимокорреляционных характеристик.

Базовые понятия

Кодовые последовательности, используемые в CDMA-системах для передачи сигнала, состоят из N элементарных символов (чипов). Каждый информационный символ сигнала складывается с одной N-символьной последовательностью, которая называется «расширяющей» (spreading sequence), поскольку «результирующий» сигнал излучается в эфир с преднамеренно расширенным спектром. Выигрыш в качестве связи зависит как от числа символов (длины) последовательности, так и от характеристик совокупности сигналов, в первую очередь – их взаимокорреляционных свойств и способа модуляции.

Длина последовательности. В отечественной литературе сигналы, база которых существенно больше единицы (B=TF>>1, где T – длительность элемента сигнала, F – полоса частот), обычно называются сложными. По отношению к исходному (информационному) сложный сигнал представляет собой шум с практически одинаковой спектральной плотностью мощности.

Известно, что чем сильнее «растянут» спектр сигнала в эфире, тем меньше его спектральная плотность. Благодаря этому свойству сигналы с большой базой могут применяться в «чужой» (уже занятой) полосе частот «на вторичной основе», оказывая на работающую там систему сколь угодно малое воздействие.

Характеристики. Вся совокупность кодовых последовательностей, используемых в CDMA, делится на два основных класса: ортогональные (квазиортогональные) и псевдослучайные последовательности (ПСП) с малым уровнем взаимной корреляции (рис. 1).

В оптимальном CDMA-приемнике поступающие на его вход сигналы, которые, по сути, представляют собой аддитивный белый гауссовский шум, всегда обрабатываются с помощью корреляционных методов. Поэтому процедура поиска сводится к нахождению сигнала, максимально коррелированного с индивидуальным кодом абонента. Корреляция между двумя последовательностями {x(t)} и {y(t)} осуществляется путем перемножения одной последовательности на сдвинутую во времени копию другой. В зависимости от вида последовательности в CDMA-системах применяются различные способы корреляции:

• автокорреляция, если перемножаемые псевдослучайные последовательности имеют одинаковый вид, но сдвинуты во времени;
• взаимная, если ПСП имеют разные виды;
• периодическая, если сдвиг между двумя ПСП является циклическим;
• апериодическая, если сдвиг не является циклическим;
• на части периода, если результат перемножения включает в себя только сегменты двух последовательностей определенной длины.

Дабы получить выигрыш в качестве связи при использовании любого из способов корреляционной обработки, необходимо, чтобы ансамбль сигналов обладал «хорошими» автокорреляционными свойствами. Желательно, чтобы сигналы имели единственный автокорреляционный пик, иначе возможна ложная синхронизация по боковому лепестку автокорреляционной функции (АКФ). Заметим, что чем шире спектр излучаемых сигналов, тем уже центральный пик (основной лепесток) АКФ.

Пары кодовых последовательностей подбираются так, чтобы взаимная корреляционная функция (ВКФ) имела минимальное значение при их попарной корреляции. Это гарантирует минимальный уровень взаимных помех.

Следовательно, выбор оптимального ансамбля сигналов в CDMA сводится к поиску такой структуры кодовых последовательностей, в которой центральный пик АКФ имеет наибольший уровень, а боковые лепестки АКФ и максимальные выбросы ВКФ по возможности минимальны.

Ортогональные коды

В зависимости от способа формирования и статистических свойств ортогональные кодовые последовательности разделяются на собственно ортогональные и квазиортогональные. Отличительный признак последовательности – коэффициент взаимной корреляции pij, который в общем случае изменяется от -1 до +1.

В теории сигналов доказано, что предельно достижимое значение коэффициента взаимной корреляции определяется из условия

Минимальное значение ВКФ обеспечивает коды, у которых коэффициенты корреляции для любых пар последовательностей являются отрицательными (трансортогональные коды). Коэффициент взаимной корреляции ортогональных последовательностей, по определению, равен нулю, т.е. о?_ij=0. При больших значениях N различием между коэффициентами корреляции ортогональных и трансортогональных кодов практически можно пренебречь.

Существует несколько способов генерации ортогональных кодов. Наиболее распространенный – с помощью последовательностей Уолша длиной 2ⁿ, которые образуются на основе строк матрицы Адамара

Принцип формирования этой матрицы достаточно прост; его поясняет рис. 2. Исходным является сигнал вида H₁={1}. Подставляя его в матрицу H_2n, получаем новую матрицу большего размера:

Многократное повторение процедуры позволяет сформировать матрицу любого размера, для которой характерна взаимная ортогональность всех строк и столбцов.

Такой способ формирования сигналов реализован в стандарте IS-95, где длина последовательностей Уолша выбрана равной 64. Заметим, что различие между строками матрицы Адамара и последовательностями Уолша состоит лишь в том, что в последних используются униполяные сигналы вида {1,0}.

На примере матрицы Адамара легко проиллюстрировать и принцип построения трансортогональных кодов. Так, можно убедиться, что если из матрицы вычеркнуть первый столбец, состоящий из одних единиц, то ортогональные коды Уолша трансформируются в трансортогональные, у которых для любых двух последовательностей число несовпадений символов превышает число совпадений ровно на единицу, т.е. о?_ij= -1/(N-1).

Другая важная разновидность ортогональных кодов – биортогональный код, который формируется из ортогонального кода и его инверсии. Главное достоинство биортогональных кодов по сравнению с ортогональными – возможность передачи сигнала во вдвое меньшей полосе частот. Скажем, биортогональный блочный код (32,6), используемый в WCDMA, позволяет передавать сигнал транспортного формата TFI.

Отметим, что ортогональным кодам присущи два принципиальных недостатка.

1. Максимальное число возможных кодов ограничено их длиной (в стандарте IS-95 число кодов равно 64), а соответственно, они имеют ограниченное адресное пространство.

Для расширения ансамбля сигналов наряду с ортогональными используются квазиортогональные последовательности. Так, в проекте стандарта cdma2000 предложен метод генерации квазиортогональных кодов путем умножения последовательностей Уолша на специальную маскирующую функцию. Этот метод позволяет с помощью одной такой функции получить набор квазиортогональных последовательностей Quasi-Orthogonal Function Set (QOFS). С помощью m маскирующих функций и ансамбля кодов Уолша длиной 2ⁿ можно создать (m+1) 2ⁿ QOF-последовательностей.

2. Еще один недостаток ортогональных кодов (не исключение – и применяемые в стандарте IS-95) заключается в том, что функция взаимной корреляции равна нулю лишь «в точке», т.е. при отсутствии временного сдвига между кодами. Поэтому такие сигналы используются лишь в синхронных системах и преимущественно в прямых каналах (от базовой станции к абоненту).

Возможность адаптации системы CDMA к различным скоростям передачи обеспечивается за счет использования специальных ортогональных последовательностей с переменным коэффициентом расширения спектра (OVSF, Orthogonal Variable Spreading Factor), называемых кодами переменной длины. При передаче CDMA-сигнала, который создавался с помощью такой последовательности, чиповая скорость остается постоянной, а информационная скорость изменяется кратно двум. В стандартах 3-го поколения предлагается использовать в качестве OVSF-кодов ортогональные коды Голда с кратными скоростями передачи (multirate). Принцип их образования достаточно прост; его поясняет рис. 3, где приведено кодовое дерево, позволяющее строить коды разной длины.

Кодовое дерево для генерации OVS-кодов (SF – коэффициент расширения)

Каждый уровень кодового дерева определяет длину кодовых слов (коэффициент расширения спектра, SF), причем на каждом последующем уровне возможное число кодов удваивается. Так, если на уровне 2 может быть образовано только два кода (SF=2), то на уровне 3 генерируются уже четыре кодовых слова (SF=4) и т.д. Полное кодовое дерево содержит восемь уровней, что соответствует коэффициенту SF=256 (на рисунке показаны лишь три нижних уровня).

Таким образом, ансамбль OVSF-кодов не является фиксированным: он зависит от коэффициента расширения SF, т.е. фактически – от скорости канала.

Следует отметить, что не все комбинации кодового дерева могут быть одновременно реализованы в одной и той же соте CDMA-системы. Главное условие выбора комбинации – недопустимость нарушения их ортогональности.

Псевдослучайные последовательности

Наряду с ортогональными кодами ключевую роль в CDMA-системах играют ПСП, которые хотя и генерируются детерминированным образом, обладают всеми свойствами случайных сигналов. Однако они выгодно отличаются от ортогональных последовательностей инвариантностью к временному сдвигу. Существует несколько видов ПСП, обладающих разными характеристиками. Говоря попросту, сегодня появились технические средства, способные «вывести» любой ансамбль последовательностей с заданными свойствами.

m-последовательности

Одно из наиболее простых и чрезвычайно эффективных средств генерации двоичных детерминированных последовательностей – использование регистра сдвига (РС). Последовательность на выходе n-разрядного РС с обратной связью всегда периодична, причем ее период n (число тактов, через которое схема возвращается в исходное состояние) не превышает 2ⁿ.

Теоретически, используя n-разрядный регистр и соответствующим образом подобранную логику обратной связи, можно получить последовательность любой длины N в пределах от 1 до 2ⁿ включительно. Последовательность максимальной длины, или m-последовательность, будет иметь период 2ⁿ-1.

Функция автокорреляции m-последовательности является периодической и двузначной:

Автокорреляционная функция для m-поседовательности: а) апериодическая, б) периодическая

Уровень побочных максимумов автокорреляционной функции (рис. 4) не превышает значения

Коды Голда и Касами

В CDMA-системах чаще всего применяются псевдослучайные последовательности Голда и Касами, обеспечивающие малый уровень выбросов ВКФ. Коды Голда с периодом 2ⁿ-1 формируются на основе двух m-последовательностей с отбором так называемых «предпочтительных пар» (preferred pairs), имеющих трехзначную функцию автокорреляции (-1,-о?(t), о? (t)-2), где

Коды Голда формируются путем посимвольного сложения по модулю 2 двух m-последовательностей (рис. 5). В проекте WCDMA специфицированы три типа кодов Голда: первичный и вторичный ортогональные коды Голда (оба длиной 256 бит) и длинный код.

Генератор кодов Голда (T – элемент регистра сдвига; & – схема совпадения; + – сумматор по модулю 2)

Ортогональные коды Голда создаются на основе m-последовательности длиной 255 бит с добавлением одного избыточного символа. Первичный синхрокод имеет апериодическую автокорреляционную функцию и используется для первоначального вхождения в синхронизм. Вторичный синхрокод представляет собой немодулированный ортогональный код Голда, который передается параллельно с первичным синхрокодом. Каждый вторичный синхрокод выбирается из 17 различных кодов Голда {C1,...,C17}.

Длинный код для прямого канала представляет собой фрагменты кода Голда длиной 40 960 чипов. Система связи на базе WCDMA асинхронна, и соседние базовые станции используют различные коды Голда (всего их 512), повторяемые каждые 10 мс. Асинхронный принцип работы базовых станций делает их независимыми от внешних источников синхронизации. Предполагается применять длинный код и в обратном канале, однако только в тех сотах, где не задействуется режим многопользовательского детектирования.

Семейство кодов Касами содержит 2^к последовательностей с периодом 2^n-1. Они считаются оптимальными в том смысле, что для любой «предпочтительной» пары обеспечивается максимальное значение автокорреляционной функции, равное (1+2^к).

Кодовые последовательности Касами реализуются с помощью трех последовательно включенных регистров сдвига (u, v и w) с различными обратными связями (рис. 6), каждый из которых формирует свою m-последовательность. Чтобы получить кодовые последовательности Касами с заданными свойствами, последовательности v и w должны иметь различные сдвиги.

Генератор кодов Касами типа kas (6, m, k), где m и k – циклические сдвиги v- и w-кодов соответственно (см. условные обозначения к рис. 5)

Коды Касами длиной 256 бит используются в качестве коротких последовательностей в обратном канале (проект WCDMA) в тех сотах, в которых применяется многопользовательское детектирование.

Последовательности Баркера

Псевдослучайные последовательности с малым значением апериодической АКФ способны обеспечить синхронизацию передаваемых и принимаемых сигналов за достаточно короткий промежуток времени, обычно равный длине самой последовательности. Наибольшую известность получили последовательности Баркера (см. таблицу).

Эффективность последовательностей с апериодической АКФ принято оценивать показателем качества F, который определяется как отношение квадратов синфазных составляющих сигнала к сумме квадратов его расфазированных составляющих. Таким образом, мерой эффективности апериодической корреляции двоичной последовательности является показатель качества.