Cdma кодування і перемежение, мережі

Надіслати заявку на отримання матеріалів

Цілком правомочний питання, а не зайве чи використання в CDMA додаткового кодування і перемежения символів? Чи не можна обійтися обробкою тих кодових послідовностей, які і без того передаються по радіоканалу? Теоретично, це можливо, але лише тоді, коли всі послуги мають однакові показники якості сервісу (QoS). На ділі ж типи інформації, що передається різноманітні (мова, факсимільні повідомлення, короткі повідомлення, мультимедіа, потоки Internet-даних), і кожному з них відповідають різні показники QoS, швидкість, допустима затримка і т.д.

Кодування і перемежение служать для підвищення достовірності прийому сигналів в умовах впливу перешкод і при завмираннях корисного сигналу.

канальне кодування

Вважається, що чим більше надлишкових символів вводиться в сигнал, тим більше його база і тим вище коригувальна здатність коду. Однак це твердження справедливе лише частково. Суть в тому, що один з основних показників якості передачі - відношення сигнал / шум Eb / No (де Eb - енергія сигналу на біт, Nо - спектральна щільність шуму) - можна підвищити і без кодування, тільки за рахунок збільшення тривалості сигналу. Застосування кодування (а як наслідок, ускладнення апаратури) виправдано лише в тих випадках, коли воно дозволяє отримати суттєвий виграш в величині відношення Eb / No.

Відзначимо, що для каналів з випадковим характером помилок (зазвичай з адитивними перешкодами типу «білого шуму») практичний інтерес представляють лише кілька кодів з десятків відомих. Найбільш часто розробники використовують три види кодів. згорткові, Ріда-Соломона і турбокоди.

Поєднання декількох схем завадостійкого кодування дозволяє врахувати різні умови експлуатації. Так, згорткове кодування зазвичай використовується для передачі мовного трафіку, коли ймовірність помилки на біт може бути досить великою. При передачі даних, коли потрібна вища надійність, застосовуються так звані каскадні коди, в яких зовнішніх зазвичай є код Ріда-Соломона, а внутрішнім - сверточних.

Процедура кодування в CDMA-системах виконується в два етапи. На першому нівелюються відмінності у відносинах сигнал / шум Eb / No (ця функція апаратно реалізується за допомогою кодера) різних типів трафіку, а на другому узгоджуються швидкості (апаратно реалізується за допомогою схем повторення і виключення біт).

Усунення відмінностей у відношенні сигнал / шум. У CDMA-кодере можуть використовуватися одна або дві з чотирьох типових кодують ланцюжків (рис. 1): сверточное кодування, каскадне кодування (зовнішній код Ріда-Соломона + перемежение зовнішнього коду + згорткове кодування), турбокодірованіе і спеціальне кодування. Перша з них, як уже зазначалося, використовується для кодування мовних сигналів, дві наступні - даних, а остання, згідно її назвою, - спеціальних сигналів.

Кодування мовлення має ряд принципових особливостей. Перш за все, необхідно забезпечити інтерактивний зв'язок в режимі реального часу, при якій затримка, пов'язана з обробкою інформації, не повинна перевищувати допустимої величини. Використовувані в CDMA мовні кодеки засновані на різних модифікаціях алгоритму CELP (лінійне передбачення з кодовим збудженням), який дозволяє домогтися не тільки ефективного стиснення мовного сигналу, але і кодування з заданим відношенням сигнал / перешкода при ймовірності помилки не більше 10 -3.

На відміну від мовних кодерів, «джерела» даних, як правило, не мають власних (вбудованих) процедур кодування. Підвищення завадостійкості обладнання, призначеного для передачі такої інформації, вирішується на канальному рівні (модель OSI); при цьому ймовірність помилки повинна бути не більше 10 -6.

Вибір швидкості кодування нижче R = 1/4 невигідний, так як реально досяжний виграш в величині відношення сигнал / шум виявляється незначним, а складність декодування різко зростає в міру зниження швидкості кодування. Наприклад, для згортальної коди з K = 9, R = 1/4 в порівнянні з кодом K = 9, R = 1/2 перевищення становить близько 0,5 дБ.

Слід зазначити, що два розглянутих випадки (передачі мови і даних з QoS, що визначаються ймовірністю помилки на біт 10 -3 і 10 -6) не вичерпують усього спектру можливих кодів. Іноді для розширення функціональних можливостей радіоінтерфейсу потрібно адаптувати певний клас кодів до конкретного виду передачі інформації, для чого використовуються спеціальні коди. Одним з типових прикладів спеціальних кодів є нерівномірна захист від помилок, необхідна для деяких типів мовних кодеків. Можливі й інші варіанти спеціального кодування.

Узгодження швидкостей. Коли усунені відмінності за показником сигнал / шум для різних видів інформації, починається другий етап кодування. Основна його мета - забезпечити узгодження між змінними швидкостями передачі логічних каналів і фіксованою швидкістю на вході широкосмугового CDMA-модулятора. Якщо мультиплексируются потоки, для яких задані однакові показники QoS, процедура узгодження не потрібна. Вона необхідна тільки при передачі даних з різними вимогами до обслуговування.

Узгодження швидкостей може бути статичним і динамічним, тобто мінливих від кадру до кадру. Статична узгодження здійснюється досить рідко, зазвичай при додаванні або видаленні каналу. При цьому переслідується мета змінити швидкість кодованого потоку таким чином, щоб можна було використовувати стандартні засоби мультиплексування даних. Узгодження реалізується за допомогою двох процедур: n-кратного повторення кодованих символів і періодичного виключення ( «виколювання») кожного j-го символу (puncturing). Далі ці процедури узгодження будуть пояснені на конкретних прикладах кодують ланцюжків.

Динамічне узгодження каналів здійснюється після операції мультиплексування і дозволяє забезпечити відповідність миттєвої швидкості групового транспортного каналу пропускної здатності фізичного каналу.

Якщо обсяг переданої інформації дуже великий і перевищує максимальну пропускну здатність каналу, то дані розбиваються на блоки меншого розміру і операції кодування і перемежения для них виконуються незалежно. Таку процедуру також прийнято відносити до узгодження швидкостей.

перемеженіє

Які б досконалі коди з виправленням помилок не використовувалися в каналах з завмираннями, вони не можуть гарантувати високу вірогідність прийому. Основна причина - різке зниження коригувальних здібностей кодів при появі в каналі пакетів помилок. викликаних сильними перешкодами і завмираннями. Спроби створення спеціальних кодів, здатних виправляти подібні серії помилок, робилися неодноразово (коди Хагельбаргера, Файера і т.п.), проте через величезну обчислювальної складності, експоненціально зростаючої зі збільшенням довжини пакета помилок, вони не знайшли практичного застосування.

З цієї ситуації був знайдений досить несподіваний і простий вихід: виконання операції декодування в два етапи дозволяє майже повністю позбавитися від перешкод. На першому етапі проводиться декорреляции пакетів помилок, в результаті якої вони перетворюються в групу випадкових (зазвичай одиночних) помилок. На другому етапі сигнал обробляється за допомогою класичних методів боротьби з випадковими помилками (згорткові коди, турбокоди), що призводить до їх повного придушення.

Для боротьби з завмираннями і виникненням пов'язаних з ними пакетів помилок служить процедура перемежения. Вона полягає в перестановці символів кодованого послідовності до її модуляції і відновленні вихідної послідовності після демодуляції. Перестановка дозволяє так рознести поруч стоять символи, щоб вони виявилися розділені групою інших символів, що передаються в тому ж блоці даних. Дана операція не вносить надмірності, а тільки змінює порядок проходження символів або біт. Однак чим більше глибина перемежения (тобто максимальна відстань, на яке розносяться сусідні символи вхідної послідовності), тим більше затримка.

Пояснимо ідею перемежения на прикладі багатокрокового перемежітеля (MIL, Multi-Stage Interliving). Принцип його роботи досить простий. Вихідна кодова послідовність з L символів розбивається на M блоків по N символів в кожному і перетворюється в матрицю розміром L = [NxM], де N - число символів в рядків, а M - число стовпців. Операція блочного перемежения полягає в послідовній порядкової запису вхідних даних і зчитуванні цієї інформації за стовпцями. В результаті порядок проходження символів у вихідний послідовності буде змінений, наприклад k-й рядок матриці буде виглядати як. З наведеної записі видно, що два будь-яких сусідніх символу вхідної послідовності будуть рознесені в радіоканалі на M-1 символ.

Максимальна відстань, на яке розносяться сусідні символи (тобто глибина перемежения) визначається як d = TM (де T - тривалість символу). Якщо час, протягом якого відбувався збій сигналу, менше глибини перемежения, будь-який пакет помилок буде перетворений в групу з M одиночних помилок, які легко усуваються сверточних кодом.

У загальному випадку вибір глибини перемежения залежить від двох чинників. З одного боку, чим більше відстань між сусідніми символами, тим більшої довжини пакет помилок може бути виправлений. З іншого боку, чим більше глибина перемежения, тим складніше апаратно-програмна реалізація устаткування і більше затримка сигналу.

Розрізняють зовнішнє і внутрішнє перемежение. Внутрішнє перемежение зазвичай здійснюється в межах одного кадру, зовнішнє - в межах інтервалу з декількох кадрів (зазвичай розміром від 10 до 80 мс).

кодують ланцюжка

Унікальність технології, що використовує кодове розділення каналів (CDMA) полягає в тому, що кожен логічний канал відображається на фізичний індивідуальним чином. Таким чином, цей канал відрізняється від інших не тільки своїми функціональними можливостями і швидкістю, але і типом використовуваного коду і його параметрами.

IS-95. Для захисту від помилок в системах цього стандарту використовується сверточное кодування з внутріканального перемежением. У передавальному тракті базової станції (лінія «вниз») реалізовані три кодують ланцюжка (див. Таблицю): для сінхроканала (SYNC), пейджингового каналу (PCH), основного і допоміжного каналів трафіку (FCH / SCH). На лінії «вгору» (до мобільної станції) використовуються два ланцюжки - для каналу доступу (ACH) і каналу трафіку (FCH / SCH). Безперервно випромінюється пілотний сигнал не вимагає застосування додаткових кодів.

До складу кожної кодує ланцюжка входять сверточних кодер з параметрами K = 9, R = 1/2 (базова станція) і K = 9, R = 1/3 (мобільна станція), повторювач і блоковий перемежітель (глибина перемежения 20 мс). Коефіцієнт повторення при різних конфігураціях каналу трафіку дорівнює 2, 4 або 8. При максимальній швидкості вхідного потоку символи не повторюються.

Канали, в яких використовуються розрізняються коди і закони перемежения, мають різні рівні потужності при прийомі, а отже, різні ймовірності помилок при прийомі.

Принципи формування сигналів і параметри кодування в каналах SYNC, PCH, ACH практично однакові з застосовуваними в системах на базі IS-95. Основна відмінність полягає в тому, що швидкість передачі даних по каналу доступу ACH складає 9,6 або 4,8 кбіт / с (більш низька з цих швидкостей призначається по команді базової станції в разі погіршення умов прийому).

При кодуванні будь-якого з CDMA-каналів (рис. 2) утворюються чотири кодують ланцюжка. Їх структура визначається швидкістю вхідного потоку і може динамічно змінюватися в залежності від помеховой обстановки і умов поширення радіохвиль. Кожна кодує ланцюжок складається з коду виявлення помилок CRC (6-12 біт), восьми кінцевих біт (вони необхідні для спрощення процедури декодування згортальної коди), згортальної коди з параметрами K = 9, R = 1/3, повторювачів (n = 2, 4, 8), блоків «вирізання» біт і внутрикадрового перемежітеля (20 мс).

UTRA / W-CDMA. Для більш ефективного використання фізичного каналу CDMA-системи при передачі низкоскоростной інформації передбачається мультиплексування декількох низькошвидкісних потоків даних в одному фізичному каналі. Параметри кодування для всіх транспортних каналів, крім виділеного DCH, однакові (K = 9, R = 1/2). Для виділеного каналу DCH при швидкості передачі інформації більше 32 кбіт / с використовується турбокоди K = 3, R = 1/3.

В технології W-CDMA глибина перемежения, яка обирається для транспортних каналів, залежить від величини допустимої затримки. У специфікаціях вказані чотири значення: 10 мс (перемежение в межах кадру), 20, 40 і 80 мс.

Параметри кодування для логічних каналів системи на базі IS-95