Multicarrier Cdma

Capitolul 3 Multicarrier CDMA

3.1 Accesul multiplu

În ultimii ani comunicațiile digitale au evoluat foarte mult. Posibilitățile oferite de telecomunicații precum internet, transfer fișiere, servicii multimedia, servicii de voce, email etc. au devenit din ce în ce mai căutate.

Comunicațiile s-au dezvoltat foarte mult iar tehnologiile de procesare a informației au permis apariția unor noi servicii de telecomunicații. Comunicațiile fără fir s-au dezvoltat încontinuu datorită cererii foarte mari.

Cerințele cele mai strigente ale sistemelor de comunicații au fost impuse de numărul de utilizatori ce pot fi deserviți simultan, adică posibilitatea transmiterii de cât mai multă informație simultan. Pentru a putea crește rata de date totală este necesară realizarea unei alocări eficiente a resurselor. În sistemele de comuncații mobile, apare cazul când un număr din ce în ce mai mare de utilizatori dorește să poată transmite și recepționa în același timp semnale de la mai multe stații de bază.

Folosirea simultană de către mai mulți utilizatori a resurselor de comunicații ale unui sistem , impune o modalitate prin care acestea să fie alocate în parte fiecărui utilizator. Pentru a realiza acest proces, canalul de comunicații va fi împărțit între utilizatorii multipli prin tehnica cunoscută sub numele de acces multiplu.

Figura 3.1 de mai jos prezintă schema bloc a unui sistem cu acces multiplu.

Figura 3.1 Sistem cu acces multiplu

Sistemul cu acces multiplu permite unui număr considerabil de utilizatori să împartă același canal de comunicație pentru a transmite informațiile de la emițător spre receptor. Un exemplu de canal comun se poate considera o bandă de frecvență din spectrul radio, folosită de utilizatori pentru comunicația cu receptorul.

Sistemele de comunicație au resurse limitate de spectru, prin urmare acestea trebuie utilizate cât mai eficient astfel încât toți utilizatorii sistemului să poată fi satisfăcuți. Accesul multiplu impune ca utilizatorii să fie diferențiati prin utilizarea de semnale diferite pentru fiecare în parte. Totodată este necesar ca semnalul unui utilizator să fie marcat printr-o etichetă pentru ca la recepție această etichetă să fie extrasă iar utilizatorul să fie identificat. Aceasta poate fi asignată fie în domeniul timp, în frecvență sau în cod.

Schemele de acces multiplu cele mai utilizate pentru generația a doua, respectiv a treia de comunicații mobile, se bazează pe una din următoarele tehnici:

Accesul multiplu cu diviziune în frecvență (Frequency Division Multiple Access – FDMA): fiecărui utilizator în parte îi este asignată o bandă de frecvență diferită.

Accesul multiplu cu diviziune în timp (Time Division Multiple Access – TDMA): fiecărui utilizator în parte îi este asignat un slot temporal diferit.

Accesul multiplu cu diviziune în cod (Code Division Multiple Access – CDMA): fiecărui utilizator în parte i se asignează o secvență de cod prin care aceștia se identifică.

3.1.1 Accesul multiplu cu diviziune în frecvență (FDMA)

FDMA este o tehnologie de acces multiplu folosită pe scară largă în sateliți, cablu și rețelele radio terestriale. FDMA împarte banda totală a canalului într-un număr N de subcanale înguste ce sunt disponibile pe tot parcursul timpului de transmisie. Acest lucru necesită filtre trece bandă cu suficientă atenuare în banda de oprire. În plus, între două subcanale adiacente este lăsat un interval de gardă pentru ca sistemul să poată face față deviațiilor de frecvență ale oscilatoarelor locale și pentru a minimiza interferența provenită de la canalele vecine. Figura 3.2 arată alocarea frecvențelor în tehnica FDMA.

Figura 3.2 Principiul FDMA

Fiecare subcanal din cele N formate dupa divizare, este asignat unui singur utilizator urmând ca acesta să il folosească pe toată durata comunicației. Banda de frecvență odată alocată utilizatorului, nu mai poate fi folosită de către altul chiar dacă acesta face o pauză.

Principalele avantaje ale accesului multiplu cu diviziune în frecvență sunt puterea de transmisie relativ scăzută precum și faptul că egalizarea canalului fie nu este necesară fie este mult mai ușor de obținut față de alte tehnici de acces multiplu.

Dezavantajul acestei tehnici este acela că resursele sunt utilizate în mod ineficient iar folosirea filtrelor trece bandă duce la costuri ridicate de implementare.

3.1.2 Accesul multiplu cu diviziune în timp (TDMA)

TDMA este o tehnică de acces multiplu foarte cunoscută ce se utilizează în mai multe standarde internationale. În sistemele bazate pe TDMA toți utilizatorii folosesc aceeași bandă de frecvență și sunt separați prin alocarea de sloturi de timp de durată scurtă și distincte, unul sau mai multe urmând a fi atribuite fiecărui utilizator. Acest lucru la eliminarea interferențelor cu alte semnale dar scade în același timp capacitatea legăturii. Figura 3.3 arată formarea sloturilor de timp în TDMA.

Figura 3.3 Principiul TDMA

Tehnica TDMA este ușor de implementat și în același timp foarte flexibilă în sensul ratei de bit. Astfel, crescând numărul de intervale temporale atribuite unui utilizator, cantitatea de informație transmisă va fi mai mare. Totodată, necesintând sincronizare, pe lângă cantitarea de informație utilă, se va mai transmite și informație suplimentară pentru a se putea realiza sincronizarea.

Un avantaj al tehnicii TDMA ar fi că transmisia nu se realizează în mod continuu, ci în pachete, ducând astfel la un consum mai scăzut la echimpamentului mobil. Costul de implementare nu este foarte ridicat deoarece sistemele TDMA se pot realiza complet digital.

3.1.3 Accesul multiplu cu diviziune în cod (CDMA)

Utilizarea din ce în ce mai mult a tehnicii CDMA se datorează meritelor sale distinctive. Ca tehnică de acces multiplu, CDMA are avantajul că poate suporta mai mulți utilizatori decât FDMA și TDMA cu prețul unei ușoare scăderi a performanței sistemului.

În sistemele CDMA toți utilizatorii transmit în același timp pe aceeași purtătoare dar folosesc o bandă mai mare decât in cazul tehnicii TDMA. Astfel, contrar tehnicilor de acces multiplu anterioare, partajarea resurselor în acest caz se face în cod. Semnalele utilizatorilor sunt departajate în funcție de secvența de cod atribuită fiecăruia. Figura 3.4 arată principiul CDMA.

Figura 3.4 Principiul CDMA

Accesul multiplu cu diviziune în cod se bazează pe tehnicile cu spectru împrăștiat deoarece acestea rezistă la bruiaj și prezintă o probabilitate de interceptare destul de mică. Semnalul de informație al fiecărui utilizator, ce este unul de bandă îngustă, este mărit folosind o secvență de împrăștiere ce are o perioadă (denumită perioadă de ”chip”) mult mai mică decăt cea a informației. La recepție, se face corelația cu secvența de cod alocată fiecărui utilizator și astfel datele sunt refăcute. Este foarte important ca secvența de cod folosită la emisie să fie aceeași cu cea de la recepție pentru a se realiza comunicația.

Numărul de utilizatori în sistemele CDMA nu este unul fix ci acesta depinde de calitatea legăturilor în sistem. Însă, dacă numărul de utilizatori este foarte mare pot apărea probleme în sensul apariției zgomotului la recepție. Totodată, crescând numărul de canale în sistem toți utilizatorii vor avea de suferit în aceeași proporție.

În sistemele bazate pe CDMA apar și probleme de bruiaj întrucât secvențele cod folosite nu sunt întotdeauna perfect ortogonale. Pe lângă aceste bruiaje, apariția efectului ”apropiat depărtat” provoacă deasemenea interferențe. Acest efect se manifestă atunci când semnalele slabe provenite de la utilizatori aflați la distanță mare de stația de bază sunt acoperite de cele care sunt mai puternice. Rezolvarea problemei constă în asigurarea faptului că semnalele utilizatorilor generează aceeași putere către stația de bază.

În funcție de tipul de împrăștiere a semnalului, există două categorii principale de spectre: spectru împrăștiat cu secvență directă (DS-SS) și spectru împrăștiat cu salt de frecvență (FH-SS). Prin urmare, există două tipuri de CDMA atunci când se folosește spectrul împrăștiat:

CDMA cu secvență directă (DS-CDMA): împrăștierea are loc prin modulația semnalului informațional cu o secvență de ”chip-uri” de perioadă mică.

CDMA cu salt de frecvență (FH-CDMA): realizarea transmisiei se face cu salturi de la o frecvență purtătoare la alta în cadrul unei benzi de frecvență.

Tehnica DS-CDMA este cea mai utilizată în aplicațiile comerciale urmând a fi studiată în detaliu în capitolul următor.

Tehnica de împrăștiere a spectrului multipurtătoare (Multicarrier Spread Spectrum MC-SS), deseori denumită MC-CDMA combină două dintre cele mai utilizate tehnici de modulație și anume: modulația OFDM și modulația cu spectru împrăștiat (de fapt DS-CDMA). În cadrul tehnicii MC-SS avem două tipuri principale:

MC-CDMA (Multicarrier Code Division Multiple Access)

MC-DS-CDMA (Multicarrier Direct Sequence Code Division Multiple Access)

Tehnica ce urmează a fi studiată în detaliu în capitolele următoare este MC-CDMA.

3.2 Principiile spectrului împrăștiat

Tehnicile de împrăștiere a spectrului sunt metode prin care energia generată pe o singură frecvență este împrăștiată pe o bandă largă de frecvențe. Acest lucru se întâmplă pentru a obține transmisii ce sunt rezistente la condiții precare ale canalului de comunicație, la interferențe sau bruiaje precum și pentru a preveni detectarea ostilă. Tehnica de bază a spectrului împrăștiat este prezentată în figura 3.5.

Figura 3.5 Modelul de bază al tehnicii de împrăștiere a spectrului

Aceste tehnici au fost dezvoltate inițial pentru comunicațiile militare. Cerințele pentru ca un sistem să folosească tehnica de împrăștiere a spectrului sunt:

Semnalul transmis trebuie să ocupe o bandă de frecvență mult mai mare decât banda minimă necesară pentru a transmite semnalul de informație.

Împrăștierea se realizează prin intermediul unui semnal cod de împrăștiere ce este independent de semnalul de date.

La receptor, deîmprăștierea este obținută corelând semnalul împrăștiat recepționat cu o replică sincronizată semnalului cod de împrăștiere folosit la transmisie pentru a împrăștia informația.

Modulația cu spectru împrăștiat transformă semnalul de informație ce urmează a fi transmis, de bandă îngustă, într-un semnal cu o lățime de bandă considerabil mai mare. Semnalul cod de împrăștiere cu care se realizează transformarea prezintă o lățime spectrală foarte mare, fiind în același timp independent de semnalul de date. În urma acestui proces, se urmărește câștigul de procesare al sistemului ce reprezintă raportul dintre lătimea de bandă a semnalului transmis și lățimea de bandă a semnalul de informație. Formula (3.1) reflectă acest raport.

(3.1)

Unde: reprezintă lătimea de bandă a semnalului tranmis iar reprezintă banda semnalului de informație.

Tehnicile de modulație convenționale cum ar fi modulația în frecvență sau modulația impulsurilor în cod, împrăștie spectrul semnalului informațional dar nu se clasifică ca fiind sisteme de împrăștiere a spectrului întrucât nu îndeplinesc condițiile subliniate mai sus. Tehnicile de împrăștiere a spectrului sunt puse în aplicare atunci când transmisia trebuie facută fără ca informația să fie detectată de către nimeni altcineva înafară de receptorul corespunzător.

Sistemele de comunicație concepute pentru această sarcină sunt cunoscute ca sisteme cu probabilitate de detecție scăzută. Totodată, aceste sisteme pot fi realizate în continuare pentru a avea o probabilitate de exploatare scăzută, ceea ce înseamnă că identitatea sursei este dificil de determinat. Scopul acestor sistem este de a duce la o probabilitate minimă de a fi detectate, interceptate sau demodulate.

Tehnicile de împrăștiere a spectrului folosesc semnale cod pentru a realiza împrăștierea și deîmprăștierea, acestea fiind adesea denumite pseudoaleatoare sau pseudo-zgomot. Aceste semnale nu sunt deloc aleatoare ci sunt periodice deterministe cunoscute doar de receptor și emițător și par aleatoare doar utilizatorilor neautorizați.

3.2.1 Proprietățile sistemelor cu spectru împrăștiat

Sistemele cu spectru împrăștiat prezintă următoarele proprietăți:

Probabilitatea de interceptare a informației este scăzută, fiind greu de interceptat datorită densității spectrale de putere scăzute.

Este asigurată secretizarea comunicației, tranmisia neputând fi decodată de către utilizatori neautorizați datorită necunoașterii secvenței de cod.

Este asigurat accesul multiplu. Datorită secvenței de cod unice alocate fiecărui utilizator, receptorul este capabil să îi distingă pe fiecare în parte deoarece detectează o corelație scăzută cu celelalte secvențe de cod. La recepție, doar semnalul transmis inițial va fi recomprimat restul rămânând de bandă largă.

Sistemele cu spectru împrăștiat sunt rezistente la bruiaj. Deoarece semnalul informațional, ce este unul bandă îngustă, este distribut într-un domeniu larg, bruiațiile pot să fie ori pe întreg domeniul în acest caz provocând o interferență mică pe fiecare porțiune, ori pe o porțiune mică restul semnalul rămânând neafectat.

Modulația cu spectru împrăștiat combate efectele interferenței multicale, în cazul tehnicii CDMA degradările de acest fel fiind împărțite între toți utilizatorii.

3.3 Coduri utilizate pentru împrăștierea spectrului

Separarea utilizatorilor în cadrul sistemului CDMA se realizează cu ajutorul secvențelor de împrăștiere ce se asignează în parte fiecărui utilizator din sistem. În acest fel, la recepție se pot identifica și reproduce semnalele utilizatorilor. Secvențele de împrăștiere se mai numesc și secvențe pseudo-zgomot și prezintă două proprietăți importante, autocorelația și intercorelația.

În cazul neideal, la receptor ajung mai multe copii întârziate ale semnalului transmis, acestea putând interfera unele cu altele. Pentru a evita degradarea comunicației, corelația între semnalul original tranmis și varianta sa întârziată trebuie să fie cât mai mică, adică autocorelația să tindă spre zero. Cu toate că fiecare utilizator are asignată propria secvență de cod, atunci când mediul este accesat simultan pot apărea interferențe între utilizatori, numite interferențe de acces multiplu (Multiple Access Interference – MAI). Pentru a fi eliminate, se urmărește ca intercorelația între secvențele de cod alese să fie cât mai mică.

Cele mai simple secvențe de cod utilizate sunt acelea în care fiecărui ”chip” îi corespunde aleator un +1 sau -1. Dezavantajele sunt acelea că se pot obține valori mari ale autocorelației sau intercorelației și nu sunt ușor de refăcut la recepție. Pentru acest motiv, s-a convenit utilizarea secvențelor de pseudo-zgomot. Acestea pot fi ortogonale: codurile Walsh-Hadamard și codurile ortogonale de lungime variabilă, precum și neortogonale: secvențele M, coduri Gold și Kasami.

3.3.1 Coduri ortogonale

3.3.1.1 Codurile Walsh-Hadamard

Avantajul principal al acestor coduri este că sunt ortogonale și pot elimina interferențele de acces multiplu. Secvențele Walsh sunt de fapt linii ale matricei Hadamard, matrice se poate construi recursiv urmând regula:

, pentru (3.2)

Matricea de la care se pornește este:

(3.3)

Lungimea codurilor Walsh este , numărul de ”chip-uri” într-o secvență fiind de lungime 2, 4, 8, 16 etc. Codurile Walsh-Hadamard sunt reprezentate prin liniile sau coloanele matricei Hadamard, întrucât aceasta este simetrică. Întrucât codurile generate sunt ortogonale, intercorelația între oricare două linii ale matricei este zero dacă sincronizarea este perfectă. Totuși, acest lucru nu se mai respectă când avem versiuni întârziate ale secvențelor.

Codurile Walsh-Hadamard de lungime 4 și 8 se obțin din matricile respectiv reprezentate mai jos:

(3.4)

(3.5)

3.3.1.2 Coduri ortogonale de lungime variabilă

Codurie ortogonale de lungime variabilă au avantajul de a lucra la rate de bit mari. Serviciile de comunicație având o gamă largă, ratele de bit variază între valori foarte mici și valori foarte mari în funcție de necesități. Întrucât banda semnalelor de împrăștiere este fixă și aceeași pentru toti utilizatorii, ratele de transmisie depind doar de factorii de împrăștiere ce diferă de la un canal fizic la altul.

Dacă considerăm că fiecare bit este împrăștiat la o rată de bit minimă, , folosind un cod de lungime , atunci pentru o rată dublă de va fi nevoie de o lungime dublă a codului de . Generalizând, unei rate de bit de îi va corespunde un cod de lungime . Structura arboreșcentă a codurilor ortogonale de lungime variabilă este prezentată în figura 3.6

Figura 3.6 Structura arboreșcentă a codurilor ortogonale de lungime variabilă

3.3.2 Coduri neortogonale

3.3.2.1 Secvențele M

Secvențele M deși sunt neortogonale, prezintă un maxim îngust al autocorelației. Ele sunt generate de regulă folosind un registru de deplasare. Lungimea secvenței M este de iar numărul de total de coduri ce se pot genera depinde de numărul de polinoame primitive existene pentru valoare m. Un polinom este primitiv atunci când coeficienții acestuia sunt primi.

Proprietățile acestor secvențe sunt:

Fiecare perioadă a secvenței de lungime maximă conține simboluri de ”1” și simboluri de ”0”.

Funcția de autorcorelație ia două valori și anume:

(3.6)

Regula de generare a simbolurilor identice dintr-o perioadă a secvenței este: jumătate din ele au lungimea egală cu 1, apoi o pătrime au lungimea egală cu 2, apoi o optime au lungimea egală cu 3 etc.

3.3.2.2 Secvențele Gold

Secvențele Gold reușesc să obțină valori mici pentru intercorelație și autocorelație. Acestea se generează adunând modulo 2 două secvențe de lungime maximă de aceeași lungime. Generarea unui set de coduri Gold se bazează pe un set de secvențe M. Funcția lor de autocorelație a setului de secvențe M ia 3 valori posibile.

Alegând două secvențe = [ … ] și = [ … ] unde N = , se obține un set de secvențe de lungime N, adunând modulo 2 prima secvență cu cea de-a doua permutată ciclic.

3.3.2.3 Secvențele Kasami

Procedura folosită pentru generarea secvențelor Kasami este asemănătoare cu cea folosită în cazul secvențelor Gold. Astfel, pornindu-se de la o secvență M de tipul , definită anterior, se va forma secvența selectând tot timpul cel de-al – lea bit din secvența . La final, setul de secvențe Kasami rezultă din adunarea modulo 2 a secvențelor cu și apoi cu toate secvențele binare obținute prin deplasarea ciclică a secvenței .