Стандарты с кодовым разделением каналов позволили на порядок расширить полосу рабочих частот в радиоканале по сравнению с сетями стандарта GSM и тем самым на порядок увеличить скорости передачи данных. Широкие возможности в организации высокоскоростных каналов связи вместе с необходимостью адаптивного управления для достижения высокой эффективности работы CDMA сетей являются характерными чертами стандартов сотовой связи 3-го поколения.
При кодовом разделении каналов выделение (фильтрацию) конкретного канала производят в процессорном блоке приемника в результате математической обработки принятого сигнала. Для этого сигнал, передаваемый по радиоинтерфейсу, закрывают двумя кодами: скремблирующим и каналообразующим. Скремблирующие коды используют для выделения множества сигналов, излучаемых одним источником: конкретной базовой или абонентской станцией. Для расфильтровки сигналов соседние базовые станции имеют разные скремблирующие коды. Сигналы мобильных станций (UE ‒ User Equipment) также отличаются разными скремблирующими кодами. Каналообразующие коды позволяют разделить сигналы одного источника. Пример разделения сигналов 3-х UE, обслуживаемых одной базовой станцией, с помощью каналообразующих кодов поясняет рис.2.1.
Передаваемый на UE1 биполярный сигнал u (t) (рис.2.1,а), т.е. последовательность логических нулей и единиц с уровнями -1 и +1, умножают на биполярную кодовую последовательность с 1(t), такую, что на каждый информационный бит приходится SF бит (чипов) кодовой последовательности. На рис. 2.1,б эта последовательность состоит из 8 чипов; в стандарте UMTS SF = 4...256. В результате умножения получают последовательность v (t) = u (t) x c 1(t) (рис. 2.1,в), которую после наложения скремблирующего кода и передают по каналу связи.
Рис. 2.1. Принцип разделения сигналов с помощью каналообразующих кодов
В рассматриваемом примере каналообразующий код, выделенный UE1,
| -1 | -1 | -1 | -1 |
При передаче первого бита, после умножения на -1 получаем v(t) (рис. 2.1в):
| -1 | -1 | -1 | -1 |
Приём – когерентный и основан на вычислении корреляционной функции между принятым сигналом и выделенным кодом. Приемник UE запускает когерентно с принятым сигналом выделенным ему каналообразующий код и вычисляет корреляционную функцию для каждого переданного информационного бита. В приёмнике UE1 при приёме первого бита это будет следующая операция:
| -1 | -1 | -1 | -1 | |||||||
| Х | -1 | -1 | -1 | -1 | ||||||
| Σ | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | = | -8 |
На рис. 2.1,г эта операция показана пунктирной линией. В результате в конце каждого промежутка времени, соответствующего передаче одного бита, получают отрицательное или положительное число в соответствии с переданным информационным битом.
Приёмник станции UE2 также примет сигнал v(t) (рис. 2.1в), но он запустит другой код с2(t), который ему выделен (рис. 2.1д). В результате вычисления корреляционной функции между сигналом v(t) и кодом с2(t) получаем
| -1 | -1 | -1 | -1 | |||||||
| Х | -1 | -1 | -1 | -1 | ||||||
| Σ | -1 | -1 | -1 | -1 | = |
Таким образом на выходе приёмника UE2 напряжение будет равно 0. Иначе говоря, процессор приёмника UE2 фильтрует сигнал v(t). Аналогичную картину имеем при умножении сигнала v(t) в приемнике UE3 на кодовую последовательность с 3(t) (рис. 2.1,ж и рис. 2.1,з).
Кодовые последовательности с 1(t), с 2(t), с 3(t) образуют группу ортогональных последовательностей. Они обладают следующим свойством
Используя для каждого канала связи свою последовательность из набора ортогональных последовательностей, можно, передавая все каналы одновременно на одной частоте, выделить в приемнике определенный канал, фильтруя все остальные.
Использование каналообразующих кодов позволяет передавать в одной полосе сигналы множества пользователей, но не повышает эффективности использования частотного ресурса. Действительно, при заполнении битов сигнала n чипами полоса сигнала расширяется в n раз, поскольку Вчип = SF× Всимв. Выигрыш при переходе на CDMA получают из-за использования скремблирующих кодов, которыми закрывают каждую базовую станцию.
В качестве скремблирующих кодов в стандартах с кодовым разделением каналов используют m-последовательности. m-последовательность отличается тем, что ее автокорреляционная функция имеет один узкий максимум при нулевом сдвиге чипов (dk = 0). Если dk ¹ 0, то R(dk) = -1 (рис. 2.2). Обычная m-последовательность содержит L = 2m – 1 элементов, где m – число триггеров в генераторе кода. Меняя конфигурацию обратных связей в генераторе, можно получить до (L-1)/m различных m-последовательностей. Чиповые скорости каналообразующих и скремблирующих кодов одинаковы.
Рис. 2.2. Функция автокорреляции m-последовательности
В каждом стандарте с кодовым разделением каналов чиповая скорость Вчип является константой. В стандарте CDMA2000 Вчип = 1,2288 Мчип/с. В стандарте UMTS Вчип = 3,84 Мчип/с. Эффективная полоса частот, вырезаемая при приёме сигнала Пэфф = Вчип.
Чиповая скорость Вчип, коэффициент расширения спектра SF, число позиций сигнала при модуляции M и скорость избыточного кодирования Rкода однозначно определяют скорость передачи данных. Символьная скорость в радиоканале Bсимв = Вчип / SF,а скорость передачи информации B = Bсимв × log2M × Rкода = (Вчип / SF) × log2M × Rкода.