Спектральная эффективность CDMA

Примеры сотовых систем на основе DS-CDMA:

• Радиоинтерфейсы 3GPP/UMTS третьего поколения (WCDMA, HSDPA и HSUPA), распространённые по всему миру.
• Стандарты 3GPP2: cdmaOne (IS-95) — стандарт второго поколения, а также стандарты третьего поколения CDMA2000 1x и 1xEV-DO, используемые преимущественно в США и Южной Корее.
• Китайская система TD-SCDMA.

Терминология, применяющаяся в статье, прежде всего основана на стандартах 3GPP2.

Ожидается, что CDMA не будет использоваться в 4G-системах, а также отсутствует в пред-4G-системах, таких как LTE и WiMAX, однако может дополняться более спектрально-эффективными методами частотного эквализации (FDE), такими как OFDMA.

Целью повышения системной спектральной эффективности является максимально эффективное использование ограниченного радиочастотного спектра и инфраструктуры радиосети. Задача управления радиоресурсами чаще всего заключается в максимизации системной спектральной эффективности при условии, что уровень обслуживания должен оставаться выше определённого порога. Это связано с покрытием заданной территории и предотвращением отказов из-за координированных помех, шума, затухания на больших расстояниях, замираний вследствие теневых зон и многолучевости, доплеровского сдвига и других форм искажений. Уровень обслуживания также зависит от вероятности блокирования из-за контроля допуска, недостатка планирования или невозможности гарантировать качество обслуживания (QoS), запрошенное пользователями.

Существует множество способов повышения системной спектральной эффективности, реализуемых как на уровне абонентского оборудования, так и на уровне сети. Сюда относятся оптимизация сети и различные методы инкапсуляции скорости работы кодеков. Основные проблемы при внедрении этих методов связаны с затратами, требованиями к обновлению, изменениями аппаратного и программного обеспечения и необходимостью согласований с органами связи.

Общий пилот-канал (Common pilot channel, CPICH), вследствие большой мощности передачи, потребляет, возможно, 15–20 % ресурса как прямого, так и обратного канала^[1]. Возникают очевидные координированные помехи. Поэтому важно внедрять методы подавления помех, такие как пилотное подавление помех (PIC) и подавление помех прямого канала (FLIC). Квазилинейное подавление помех (QLIC) применяется для реализации и FLIC, и PIC.

Также важно подавление помех и по обратному каналу. В результате помеха уменьшается, мобильный телефон может передавать с меньшей мощностью для установления прямой видимости^[2] с базовой станцией, что увеличивает время работы аккумулятора.

Передача по 1/8 доле на обратном основном канале (R-FCH, reverse fundamental channel) используется для фрагментированной передачи в системе CDMA. Мобильная станция (мобильный телефон) в CDMA-системе передаёт обратный пилот-сигнал на частоте передачи, отличной от частоты прямой передачи, в режиме передачи с пропусками, а базовая станция — пилот-сигнал на прямой частоте передачи, отличной от обратной.

Если скважность составляет 1/8, то передаётся только 1/8 всех подгрупп управления мощностью в одном кадре. Подобное поведение отсутствует в других режимах CDMA.

Другое нововведение CDMA — специальные устройства и методики увеличения ёмкости и производительности нисходящей линии за счёт применения передачи с частичным фрагментированием восходящего канала DPCCH в подгруппе управления мощностью в мобильной системе связи. По умолчанию поддержка режима gating в тестовом оборудовании на R-FCH выключена.

Если функция gating в тестовом оборудовании включена и мобильная станция (MS) поддерживает этот режим, то при передаче со скоростью 1/8 MS будет фрагментировать передачу по каналам R-FCH/R-Pilot. Это позволяет экономить в среднем до 75 %^[3] мощности по обратным каналам.

Радиоконфигурация CDMA определяется как комбинация форматов передачи по прямому и обратному каналу, которые характеризуются физическими параметрами уровня: скоростями передачи данных, корректирующими кодами, характеристиками модуляции, коэффициентами расширения. Канал передачи данных может включать одну или несколько кодовых дорожек, таких как основные и дополнительные каналы.

Прямой канал CDMA третьего поколения может ограничивать общую ёмкость при увеличении числа абонентов.

Традиционный канализационный код, код Уолша, не обладает достаточным количеством бит для обеспечения максимального использования. Поэтому квазиортогональная функция (QOF), способная работать с оптимальной взаимной корреляцией с кодами Уолша, применяется как метод обхода ограничений последних.

Для повышения общей ёмкости вводятся альтернативные наборы ортогональных функций, так называемые квазиортогональные функции (QOF), обладающие оптимальной минимакс-взаимной корреляцией с наборами кодов Уолша различной длины, которые применяются в IS-2000.

Этот подход использует агрегацию нескольких квазиортогональных функций с меньшим размером алфавита созвездия для одного пользователя с объединённым многоканальным детектором. Метод сравнивается с альтернативным вариантом, при котором используется меньшее число кодов Уолша, но больший размер алфавита созвездия.

В индустрии и науке активно обсуждаются компромиссы между этими методами расширения ёмкости систем IS-2000/3G. Недостаток QOF — значительное увеличение сетевых помех, ограничивающее потенциальную выгоду метода.

В ряде мест возникает высокая загрузка узла и избыток «мягких» хэндоверов. Одним из решений для подобных объектов служит антенная система на 6 секторов, обеспечивающая большую детализацию покрытия по сравнению с традиционной трёхсекторной системой. Вместо одной базовой станции применяются две, и антенны могут быть разнесены на 60° вместо 120°.

Диверситет антенн— это множество методов беспроводного диверситета, использующих две и более антенны для повышения качества и надёжности радиоканала.

Особенно в городских и помещенийных условиях часто отсутствует прямая видимость (LOS) между передатчиком и приёмником. Сигнал отражается по множеству маршрутов, прежде чем будет принят. Каждое отражение вносит фазовые сдвиги, задержки, ослабления и даже искажения, которые могут взаимно разрушать сигнал на входе антенны.

Диверситет антенн особенно эффективен для ослабления последствий многолучевого распространения — поскольку с несколькими антеннами приёмник получает несколько копий сигнала, каждая из которых испытывает независимые помехи. Если одна антенна подвержена глубокому замиранию, другая обычно всё равно принимает сигнал на достаточном уровне.

Совместно такая система позволяет обеспечить более надёжное соединение. Хотя метод особенно распространён на приёме (диверситет приёма), он также применим и при передаче.

Диверситет требует дополнительного оборудования и интеграции по сравнению с одиночной антенной, но схемотехника может быть частично общей.

Обработка нескольких сигналов повышает требования к приёмнику и усложняет проектирование базовых станций, однако надёжность сигнала в радиоузле критически важна, и множественные антенны — эффективный способ уменьшить число обрывов и потерянных соединений.

Вокодеры четвёртого поколения (4GV, от англ. fourth generation vocoder), разработанные Qualcomm, — это комплекс голосовых кодеков, которые планируется применять в будущих 4G-сетях, а также в CDMA-сетях, что позволяет операторам динамически балансировать качество голоса для увеличения ёмкости при сохранении качества разговора. В настоящее время в набор входят EVRC-B и EVRC-WB.

Расширенный переменный речевой кодек B (EVRC-B) — кодек, применяемый в CDMA-сетях, обеспечивает сжатие 20 миллисекунд речевого сигнала (8000 Гц, 16-битный вход) в выходные кадры одного из четырёх размеров: Rate 1 — 171 бит, Rate 1/2 — 80 бит, Rate 1/4 — 40 бит, Rate 1/8 — 16 бит.

Также существуют два типа кадров нулевой длины: null-кадры и erasure-кадры (по аналогии с EVRC). Важное новшество EVRC-B — использование 1/4-скоростных кадров, ранее отсутствовавших. Это обеспечивает меньшие средние скорости передачи при аналогичном качестве голоса. Новые кодеки 4GV для CDMA2000 базируются именно на EVRC-B. 4GV позволяет оператору динамически выбирать приоритеты между ёмкостью сети и качеством голоса.

EVRC — голосовой кодек, применяемый в cdma2000-системах. EVRC обеспечивает высокое качество передачи речи при трёх скоростях: 8,55, 4,0 и 0,8 кбит/с. Однако качество обслуживания (QoS) в сетях cdma2000 может быть существенно улучшено, если использовать кодек, допускающий баланс между качеством и ёмкостью сети — чего невозможно эффективно достичь с помощью исходного EVRC.