CDMA: технологии доступа

Отчасти это объясняется тем, что существующие CDMA-системы основаны только на одном из методов, наиболее популярном, — DS-CDMA (см. «Сети», 2000, № 5, с.58). Попытаемся классифицировать такие системы, что позволит расширить наши представления о CDMA и разобраться в обилии применяемых аббревиатур, зачастую близких по написанию и не имеющих русских аналогов.

Формировать CDMA-сигналы можно двумя способами (рис. 1). Первый из них включает все методы, основанные на использовании сигналов с расширенным спектром (Spread Spectrum), а второй базируется на сочетании CDMA с другими методами временного (TDMA), частотного (FDMA) или пространственного (SDMA — Space Division Multiple Access) разделения каналов.

Классификация методов расширения спектра и многостанционного доступа на базе CDMA

В настоящее время известны три ключевых метода расширения спектра: DS (Direct Sequence) — прямая последовательность, FH (Frequency Hopping) — скачкообразная перестройка частоты и TH (Time Hopping) — псевдослучайная перестройка во времени. Соответственно, существует три способа передачи сигнала с расширением спектра: DSSS, FHSS и THSS (на рис.1 не показаны).

Технологии CDMA, использующие сигналы с расширенным спектром, обычно обозначают термином SSMA (Spread Spectrum Multiple Access). Системы этого класса условно разделим на две группы — «чистые» и гибридные (см. рис. 1). «Чистыми» методами доступа являются DS-CDMA, FH-CDMA и TH-CDMA, к гибридным (с разными комбинациями методов расширения спектра) можно отнести DS/FH, DS/TH, FH/TH и DS/FH/TH. Гибридные методы позволяют получить новые специфические характеристики радиосистемы, которые не обеспечивает каждая из их составляющих в отдельности. Следует отметить, что под термином «гибридный» в предлагаемой классификации подразумевается сочетание как методов расширения спектра, так и многостанционного доступа. В данной статье речь пойдет лишь о технологиях кодового разделения каналов, которые принято относить к классу SSMA.

FH- и TH-CDMA: основные принципы

Идея реализации скачкообразной перестройки частоты (или, как ее еще называют, многочастотной модуляции с кодовым управлением синтезатором частот) впервые возникла при построении систем военной связи. системы FH-CDMA обеспечивают высокую помехозащищенность и низкую вероятность перехвата.

Принцип скачкообразной перестройки частоты в CDMA-системах воплощается следующим образом. Любой бит передается в виде комбинации из N частот, причем на каждой частоте передается своя псевдослучайная последовательность (ПСП). В течение заданного временного интервала T несущая остается неизменной, а по его истечении она скачкообразно изменяется. Алгоритм переключения частоты несущей для каждого абонента индивидуален, благодаря чему возможна одновременная работа большого числа абонентов в общей полосе частот. Полный набор используемых частот (hop set) может быть достаточно велик, однако в каждый заданный алгоритмом интервал времени мобильная станция излучает только на одной частоте (рис. 2).

Частотно-временная диаграмма для FH-CDMA

По сравнению с классическим методом расширения спектра прямой последовательностью DS, в соответствии с которым сигнал передается в широкой полосе частот и имеет малый уровень мощности, при использовании FH-CDMA мощность излучения сигнала гораздо выше, а занимаемый в эфире участок спектра значительно уже. Это позволяет обеспечить лучшую, чем в системах DS-CDMA, защиту от узкополосных помех.

При наличии широкого набора рабочих частот вероятность одновременной передачи информации от двух абонентов на одной и той же частоте достаточно мала. Отсюда — и главные достоинства технологии FH-CDMA: более высокая помехоустойчивость и меньшая чувствительность к разбросу мощностей мобильных станций (см. «Сети», 2000, № 4, с.18). Кроме того, системам на базе FH-CDMA не нужен сплошной участок спектра: изменяя алгоритм перестройки, можно исключить из спектра те частоты, работа на которых запрещена.

Существуют два способа реализации FH-CDMA, основанных на разном соотношении между длительностью информационного символа Т_s и периодом перестройки частоты T_h. Если период перестройки частоты меньше, чем длительность информационного символа, т.е. T_h<Т_s, то говорят о способе быстрой перестройки (Fast Frequency Hopping — FFH), если же T_h>Т_s, то о способе медленной скачкообразной перестройки частоты (Slow Frequency Hopping — SSH).

Метод расширения спектра с временной перестройкой TH-CDMA состоит в следующем. Информационный сигнал сжимается во времени и передается в виде коротких пакетов в случайные моменты времени, определяемые специальной кодовой последовательностью. Временная ось при использовании TH-CDMA сегментируется на кадры длительностью T, каждый из которых состоит из M временных интервалов длительностью T/M. В течение одного кадра информация передается только в одном из временных интервалов (и этим TH-CDMA напоминает способ импульсной временной модуляции). Очевидно, что ширина полосы частот, необходимая для реализации TH-CDMA, должна быть гораздо шире, чем при DS-CDMA, а конкретно — в М раз.

Снижение взаимных помех в системах TH-CDMA достигается за счет выделения абонентам различных временных интервалов. Корректирующие коды, конечно, повышают помехоустойчивость, но не гарантируют правильного восстановления полезного сигнала. При попытке добиться лучших результатов за счет синхронизации работы абонентов эти интервалы придется задавать так, чтобы информацию в каждом из них передавал только один абонент, но тогда TH-CDMA выродится в обычную схему доступа TDMA, которой присуще использование не фиксированного, а изменяющегося от кадра к кадру временного интервала.

Защита систем TH-CDMA от внешних помех обеспечивается самой природой метода. Поскольку сигнал TH-CDMA сжат во времени, т.е. излучается лишь в интервале, равном 1/B (B — база сигнала), при приеме он обрабатывается в течение такого же короткого промежутка времени, поэтому мешающий сигнал будет уменьшен тоже в B раз. Что же касается защиты от перехвата, то хотя частота, на которой передаются данные, и является фиксированной, но сам момент начала передачи неизвестен, а потому приемнику перехвата трудно определить начало и конец этой передачи, а самое главное — выяснить, какому абоненту принадлежит излучаемый сигнал.

Проблема «ближний—дальний» в системах TH-CDMA стоит не так остро, как в DS-CDMA, так как среди множества временных интервалов легко выбрать те, которые могут задействоваться для работы удаленных станций. Данный метод наиболее предпочтителен в системах, в которых ограничена средняя, а не пиковая мощность передатчика.

SSMA: реализация

Известно, что выбор той или иной технологии SSMA зависит от требований к степени подавления различного вида помех, приводящих к снижению пропускной способности и отношения сигнал/шум. В системах CDMA обычно учитывают три вида мешающих воздействий:

• внутрисистемные помехи, т.е. сигналы от работающих передатчиков других абонентов системы, наложенные на полезный сигнал;
• помехи от внешних источников излучения (обычно мощные узкополосные помехи);
• мешающие сигналы собственного передатчика в виде «задержанных» на время многолучевого распространения радиоволн копий полезного сигнала.

Благодаря методам расширения спектра у технологии CDMA появляются новые свойства, которые зависят от структуры передаваемых сигналов и методов доступа. Отличительная особенность технологии DS-CDMA — использование двух методов модуляции (рис. 3,а). Модуляция данных, как правило, осуществляется с помощью QPSK, а в качестве расширяющих применяются BPSK, QPSK со сглаживанием и другие типы модуляции.

Упрощенные структурные схемы передатчиков и приемников для систем DS-CDMA (а), FH-CDMA (б) и TH-CDMA (в)

Системы на базе DS-CDMA позволяют организовать значительное адресное пространство и имеют высокую спектральную эффективность. Они обеспечивают устойчивую передачу по каналам с многолучевыми замираниями, а также повышенную защищенность транспортировки информации при малом уровне излучаемой мощности.

Данная технология получила наибольшее распространение за счет возможности использования когерентных методов демодуляции сигнала и простоте формирования ПСП, а поскольку сигналы излучаются в эфир на одной частоте, то отпадает необходимость в синтезаторе частот. Система может работать и в синхронном, и в асинхронном режимах. Что же касается недостатков, наиболее существенный из них — высокая чувствительность к разбросу мощностей абонентских станций.

Принцип реализации FH-CDMA достаточно прост (рис. 3,б). При передаче формируется ПСП, которая управляет перестройкой синтезатора частоты (СЧ) по заданному закону. Поскольку коды управления перестройкой частоты при передаче и приеме взаимосвязаны, то они однозначно идентифицируются приемником. Таким образом, если генератор кода синхронизирован со входным сигналом, то автоматически синхронизируется и СЧ, чей алгоритм точно соответствует тому, который был использован на передаче. Синхронизация выполняется в несколько этапов. Вначале осуществляется захват несущей и вхождение в синхронизм по коду, а затем — отслеживание закона перестройки СЧ.

К основным преимуществам FH-CDMA следует отнести более простой, по сравнению с DS-CDMA, способ синхронизации. При медленной перестройке частоты (SFH) синхронизация достигается за время передачи сигнала на одной частоте (hope time), которое значительно больше периода передачи элемента сигнала (chip time) при DS-CDMA. Высокая защищенность передачи обусловлена уже не низкой мощностью сигналов (как в случае DS-CDMA), а тем, что излучаемая частота заранее не известна.

Основные «минусы» FH-CDMA при реализации — сложность создания синтезатора частоты, а также ограничения, связанные с использованием когерентных методов демодуляции. Они вызваны проблемами, связанными с фазированием сигналов разных частот (чтобы избежать переходных процессов, при перестройке частоты сигнал обычно не излучается).

Принципы реализации систем TH-CDMA совершенно иные (рис. 3,в). На входе модулятора данных устанавливается буферная память, запись данных в которую осуществляется с малой скоростью, а считывание — с высокой, во много раз превышающей скорость информационного сигнала. Обычно применяется модулятор с неперестраиваемым генератором несущей частоты (в отличие от FH-CDMA, где необходим СЧ).

К числу основных недостатков этих систем следует отнести проблемы, возникающие при установлении синхронизации. Дело в том, что сигналы передаются относительно редко и время, необходимое для достижения синхронизации, тоже достаточно мало. Кроме того, пока не исследована эффективность использования в данной технологии и такого распространенного метода защиты от ошибок, как перемежение символов.

Краткий глоссарий