Принципы канального кодирования в UTRAN – ЧАСТЬ 1

6.3.4.1. Каналообразующие и скремблирующие коды в UTRAN. Для обе­спечения идентификации физических каналов разных пользователей каждому абонентскому терминалу в технологии WCDMA выделяется уникальный ка­нальный код. В случаях, когда для увеличения скорости передачи БС передает АС сообщение по нескольким каналам сразу, желательно использовать ортого­нальные между собой каналообразующие коды.

Возможность адаптации системы UMTS к различным потребностям абонентов в скоростях передачи данных обеспечивается кодированием ка- налообразующими кодами (channelization codes) с переменным коэффициен­том расширения спектра – Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) [14]. Особенностью схемы кодирования, реализованной в WCDMA, является воз­можность варьирования коэффициента расширения спектра через каждые 10 мс (от фрейма к фрейму) путем «скольжения» по дереву кодов влево/впра­во (см. п. 2.5.2.5.). Это обеспечивает значительную гибкость в организации физических каналов. Ортогональность сигналов разных пользователей со­блюдается в пределах соты, в то время как взаимные корреляции сигналов разных сот имеют случайный характер.

Гибкость в развертывании и эксплуатации сети UMTS обеспечивается схемой т.н. двухуровневого канального кодирования, путем последователь­ного выполнения двух операций. Сначала передаваемый информационный символ каждого абонента перемножается с «коротким» расширяющим кодом (например, последовательностью Уолша), который ортогонален коду любого другого пользователя той же соты. Затем этот же сигнал перемножается с фрагментом псевдослучайной последовательности, специфичной для соты (для данной БС) в прямом канале (и уникальной для каждого абонента в об­ратном канале). Эти коды, используемые для идентификации базовых станций (соты, сектора) называют кодами скремблирования, или скремблинг-кодами (scrambling codes). В качестве таковых в UMTS применяются последователь­ности Голда длиной 241. Эти последовательности усекаются, формируя цикл длиной по 216 бит (фрейм 10 мс). В UMTS используется асинхронная схема организации сотовой сети (глава 2), которая не требует синхронизации меж­ду базовыми станциями сети. Это повышает возможность быстрого развес тывания и гибкого планирования как на местности, так и внутри помещений В то же время, это же обстоятельство приводит к усложнению процедуры кодовой синхронизации и поиска соты.

В качестве альтернативы для мобильных станций предусмотрено примене­ние скремблирующих кодов из числа последовательностей большого семейства Касами длины 256. В этом множестве более миллиона кодовых последователь­ностей, что также исключает потребность в тщательном кодовом планировании сети. При этом каждой соте назначается предварительно отобранная группа по­следовательностей с наименьшими взаимными корреляциями. Канальный код (channel code) образуется путем комбинирования каналообразующего и скрем- блирующего кодов.

6.3.4.2. Канальное кодирование в восходящем направлении • Каналообразующее кодирование для линии «вверх». Для передачи дан­ных каждая АС может использовать несколько выделенных каналов DPDCH. Поэтому необходимы меры, гарантирующие их разделяемость в приемнике БС. Выделенный канал управления DPCCH формируется из одной кодовой после­довательности длиной N=256, состоящей из «единиц». В то же время каналы данных DPDCH могут формироваться на основе кодов различной длины в со­ответствии с реализованным в UTRAN механизмом динамического управления скоростью передачи. Временная протяженность элемента кода (чипа) имеет фиксированную величину, так что изменение скорости передачи приводит к из­менению длительности информационного бита с пропорциональным изменени­ем коэффициента расширения спектра.

Поскольку сигналы, передаваемые АС, привязаны к единой временной шка­ле, задаваемой ее стандартом частоты, разделение каналов реализуется на основе каналообразующих ортогональных кодов. Если пользователь задействует толь­ко один канал данных DPDCH, он может варьировать коэффициент расширения спектра в пределах от 256 до 4. При этом скорость передачи соответственно изменяется в пределах от (3.84/4)х106 до (3.84/256)х106, т.е. от 960 до 15 кбит/с (см. табл. 6.4). Минимальное расширение спектра (N=SF=^4) соответствует мак­симальной скорости передачи. При недостаточности этой скорости АС может использовать до 6 DPDCH с одинаковым коэффициентом расширения спектра «параллельно».

Идентификатором выделенного физического канала является его уни­кальный каналообразующий код. На рис. 6.13 символом cdJ обозначается код, формирующий /’-й выделенный канал данных, а символом с. – код, форми­рующий канал управления. Каналы данных и каналы управления мульти­плексируются перед поступлением в модулятор. Для этого битовые потоки перемножаются с весовыми коэффициентами регулировки мощности Pt/ (для DPDCH) и (5 (для DPCCH), а затем распределяются между ветвями модуля­тора. Эта процедура позволяет обеспечить разный уровень мощности в кана­лах данных и управления, удовлетворяя разным требованиям к качеству при­ема сообщения и служебной информации. Наибольший коэффициент (} равняется единице, а промежуточные значения изменяются от 0 до 1, с ша­гом 1/15. Изменение весовых коэффициентов может происходить с каждым новым фреймом.

Рис. 6.13. Мультиплексирование выделенных каналов в Uplink [10]

В UMTS предусмотрен также вариант мультиплексирования общих кана­лов, PRACH и РСРСН, с выделенными каналами DPDCH и DPCCH. Алгоритм выбора OVSF-кодов описан в [16].

• Скремблирующее кодирование для линии «вверх». Завершающим ша­гом в процедуре расширения спектра и реализации кодового разделения в вос­ходящем направлении является скремблирование, которое представляет собой перемножение мультиплексированного сигнала со скремблирующим кодом, выполняющим роль идентификатора АС. Повторяясь с каждым фреймом про­тяженностью 10 мс, эти коды предназначены для разделения сигналов АС при­емником БС, так что критерием для их отбора является малый уровень взаимной корреляции.

Зависимость скорости передачи данных по радиоинтерфейсу UMTS от коэффициента расширения спектра сигналов

I Коэффициент рас­ширения спектра

Скорость передачи, символов/с xlO3

Скорость передачи линия «вниз», кбит/с

Скорость передачи линия «вверх», кбит/с

4

960

1920

960

8

480

960

480

16

240

480

240

32

120

240

120

64

60

120

60

128

30

60

30

256

15

30

15

512*

7.5*

15

* Только в нисходящем направлении.

Как уже отмечалось, в UMTS предусмотрены два варианта реализации схе­мы скремблирования в линии «вверх». Их основное отличие состоит в исполь­зовании т.н. «длинных» или «коротких» кодов.

Применение длинных кодов предусмотрено при использовании обычного для CDMA RAKE-приема. Роль скремблирующих кодов при этом выполняют сегменты усеченной до 38400 чипов (длительность фрейма) последовательности Голда пери­ода 1=225-1. Формирование последовательностей Голда осуществляется суммиро­ванием по модулю два циклических сдвигов двух М-последовательностей длиной L=225-1, образующих т.н. предпочтительную пару (см. главу 2). Их порождающие полиномы, согласно [16]: Ввиду

усечения длины последовательностей Голда оптимальность периодических корре­ляционных свойств этих кодов утрачивается. Поэтому единственным основанием для их использования, по-видимому, является простота формирования большого количества различных последовательностей (225+1).

Скремблирующий код засинхронизирован с началом фрейма АС, совпадаю­щим по времени с первым чипом периодически повторяемой последователь­ности Голда. Для выравнивания мощности в квадратурных каналах модулятора она из двоичной преобразуется в четырехфазную. Необходимость этой процеду­ры объясняется тем, что квадратурное мультиплексирование каналов данных и управления производится с предварительным взвешиванием (рис. 6.13), вслед­ствие чего мощности компонентов в мультиплексированном сигнале могут мно­гократно отличаться [15].

В качестве примера на рис. 6.14 (а) показаны четыре фазовые состояния вектора сигналов, соответствующие четырем комбинациям знаков квадратур. Если такой сигнал перемножается со случайной четырехфазной последователь­ностью с постоянной амплитудой и равной вероятностью появления одного из четырех символов: ±1, ±/, то любая из четырех точек на рис. 6.14 (а) с равной вероятностью останется на месте, перейдет в себе противолежащую или совер­шит поворот на ±90°. В результате новая диаграмма состояний сигнального век­тора примет вид, показанный на рис. 6.14 (б). Вследствие балансировки, осу­ществляемой посредством подобного «комплексного» скремблирования, квадратурные компоненты имеют одинаковую (в статистическом смысле) энер­гетику [15].

Рис. 6.14. Эффект балансировки мощностей квадратур при комплексном (четырехфазном) скремблировании [15]

Комплексный (четырехфазный) скремблирующий код формируется из двух составных частей. Первая, «действительная» часть, представляет собой ни что иное, как усеченный до длины N=38400 начальный фрагмент последователь­ности Голда. Вторая, «мнимая», образуется путем сдвига той же последова­тельности Голда на 16 777 232 чипа, затем ее усечения до необходимой длины (N=38400), замены нечетных символов на инверсии предшествующих им чет­ных и, наконец, поэлементного перемножения полученного результата с дей­ствительной частью.

Целью такого явного усложнения процедуры построения скремблирующего кода было облегчение энергетического режима передатчика. В итоге формируе­мый сигнал оказывается аналогом модулированного (на уровне чипов) OQPSK- сигнала (offset QPSK), а не обычного QPSK. Достигаемое при этом преимуще­ство состоит в отсутствии одновременных изменений знаков действительной и мнимой компонент при переходе от четных позиций к нечетным [15]. Нетрудно убедиться, что смена любого текущего сигнального вектора на последующий может происходить только путем поворотов на угол ±90°.

Добавим, что короткие скремблирующие коды длины L=256 предусмотре­ны с точки зрения дальнейшей перспективы применения в БС UMTS т.н. много­пользовательского приема (Multiuser Detection). Использование этой технологии с длинными скремблирующими кодами существенно усложняет структуру при­емника, в связи с чем в стандарте UMTS была предусмотрена вышеуказанная альтернатива.

Кодовые последовательности коротких кодов С5 могут быть представлены в виде комплексной последовательности C=C+jCg, где С, и Сд – расширенные коды Касами, каждый длиной 256 символов. Короткий код может быть изменен в течение сеанса связи, хотя подобное может происходить лишь в исключительных ситуациях. Использование коротких кодов требует специального кодового планирования сети.

Роль скремблирующих кодов состоит не только в разделении между собой сигналов различных АС, но и в «отделении» каналов общего пользования (та­ких, как PRACH и РСРСН) от выделенных каналов (DPDCH, DPCCH).

В линии «вверх» одновременно передается один выделенный физический канал управления DPCCH и до шести параллельных выделенных каналов DPDCH. Действительные расширенные символы нормируются путем взвеши­вания амплитуд с коэффициентом рс для DPCCH и с коэффициентом (5 для всех каналов DPDCH. После нормировки по мощности поток действительных посы­лок чипов синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих суммируется и пре­образуется в комплексный поток. Затем сформированный комплексный сигнал скремблируется комплексным скремблирующим кодом Cs. При формировании физического канала случайного доступа PRACH процедуры кодирования и мо­дуляции в основном аналогичны.

6.3.4.3. Канальное кодирование в нисходящем направлении • Особенности каналообразующего кодирования для линии «вниз». Для разделения общих физических каналов с выделенными каналами, а также друг с другом применяют ортогональные каналообразующие коды OVSF.

Если базовая станция для связи с некоторой АС использует один выделен­ный канал данных, этот канал наряду с выделенным каналом управления опре­деляется соответствующим каналообразующим кодом. Если же в целях увели­чения скорости передачи информации БС передает данной АС сообщение по нескольким каналам одновременно, то командная составляющая DPCCH пере­дается лишь по одному из параллельно занятых физических каналов. При этом скорость передачи по DPDCH и, соответственно, расширение спектра во всех этих каналах одинаковы. В каналах с разными скоростями используют коды с разным значением коэффициента расширения. Диапазон возможных значений коэффициента расширения спектра в линии «вниз» – от 4 до 512.

В целом, в нисходящей линии процедура выделения физическим каналам кодов сложнее, чем в линии «вверх», где каждой АС на «монопольной» основе выделено все дерево кодов (поскольку каждая АС отделена от остальных уни­кальным скремблирующим кодом). В линии "вниз" скремблирующий код один и тот же для всех АС данной соты, и служит он только для разделения сигналов различных БС. Вся нагрузка, связанная с обеспечения внутрисотовой емкости, полностью ложится на каналообразующие коды, а задача управления кодовым ресурсом решается на уровне координации работы всей сети.

На рис. 6.15 показан принцип кодирования выделенного физического ка­нала DPCH в линии «вниз», при котором каждая пара передаваемых битов пре­образуется из последовательного формата в параллельный формат, разделяясь на синфазную (1) и квадратурную (Q) составляющие. Теоретически может быть обеспечена поддержка четырех пользователей со скоростью передачи 960 кбит/с каждый, 256-ти – по 15 кбит/с, и т.д. Кроме того, базовая станция может пре­доставить одному пользователю до 6 мультиплексированных кодовых каналов (при условии, что абонентский терминал способен демодулировать их одновре­менно). Аналогично, используя различные OVSF-коды, в линии «вверх» можно одновременно передавать до 6 потоков данных (зависимость скорости передачи от коэффициента расширения спектра см. в табл. 6.4).

Различия в битовой скорости в нисходящем и восходящем направлениях при одном и том же коэффициенте расширения спектра обусловлены применением разных схем модуляции. Символ, передаваемый по линии «вверх», содержит один бит информации, а по линии «вниз» – 2, за счет квадратурной фазовой мо­дуляции (QPSK). При этом пары битов входного потока данных отображаются в один символ, передаваемый в квадратурных I- и Q-каналах.

Канальное кодирование включает процедуру «комплексного» расширения спектра информационного символа каналообразующим кодом Cch (осущест­вляемую в квадратурных ветвях QPSK-модулятора) и затем скремблирование (кодом С ь). Принцип модуляции и расширения спектра в каналах DPDCH и DPCCH аналогичен.

При использовании в АС одного канала данных его объединение с кана­лом управления осуществляется в обычном квадратурном модуляторе. Каналу DPDCH отводится синфазная (7), а DPCCH-квадратурная (Q) ветвь модулятора.

Для широковещательного транспортного канала ВССН каналообразующие коды выбираются одинаковыми во всех сотах сети и не изменяются в процессе сеанса связи. В других случаях каналообразующий код может меняться, к при­меру, в процессе хэндовера.

Рис. 6.15. Принцип канального кодирования и мультиплексирования в нисходящем канале UMTS [13]

• Особенности скремблирующего кодирования в нисходящем канале

Скремблирующие коды в линии «вниз» используются для разделения сигналов различных базовых станций или секторов. Эти коды формируются на основе тех же последовательностей Голда, полученных на основе М-последовательностей одинаковой длины, описываемых полиномами:

Поэлементное суммирование по модулю 2 указанной пары последователь­ностей с взаимным сдвигом приводит к формированию одной из последователь­ностей Голда длины 1=1-1=262143. Хотя общее число последовательностей Голда составляет при этом Z,=218+l=262145, из них используются лишь 2 i3=8192 Из разрешенных последовательностей вырезают два сегмента длины 38 400: на­чальный и сдвинутый относительно первого на 2)7=131 072 чипа. Первый сег­мент используется в качестве действительной, второй – мнимой части четырех- фазного скремблирующего кода в модуляторе.

В целях обеспечения процедуры синхронизации (раздел 6.4) упомяну­тые выше 8192 последовательности разделены на 512 подмножеств. Каждое из них включает одну первичную и 15 вторичных последовательностей. В свою очередь, первичные последовательности разделены на 64 группы по 8 последовательностей в каждой. Каждой БС выделяется свой первичный код [16].

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100