Обзор методов неортогонального множественного доступа (noma) для беспроводных сетей

Введение

CDMA One – это первый стандарт мобильной связи, который придал толчок повсеместному использованию сотовой связи и нашел широкое распространение в Северной Америке. CDMA One – это только брендовое имя стандарта, часто упоминаемого как IS-95. Первые спецификации стандарта IS-95 выпускались под аббревиатурой IS-95A, а более поздние, усовершенствованные релизы опубликовывались как IS-95B. Именно IS-95B обычно ассоциируют с CDMA One. Наряду с голосом системы сотовой связи этого стандарта могли передавать данные со скоростями: 14,4 кбит/сек для IS-95A и 115 кбит/сек — IS-95B.

CDMA One была первой системой сотовой связи, в которой использовался кодовый метод множественного доступа (CDMA — code division multiple access). Предшествующие системы использовали частотный (FDMA — frequency division multiple access) и временной (TDMA — time division multiple access) методы множественного доступа. Все последующие после IS-95 стандарты сотовой связи, включая стандарты третьего поколения — 3G использовали CDMA при построении радио интерфейса. Таким образом, CDMA One оказалась системой-пионером в этой области.

История CDMA One

Идея использовать распределение энергии сигнала в заданном частотном диапазоне с помощью специальной расширяющей последовательности (DSSS — direct sequence spread spectrum) для множественного доступа в мобильных системах связи пришла от калифорнийской компании Qualcomm в 1980 годах. Предыдущие DSSS – системы преимущественно использовались в военных системах связи и для спецслужб, т.к. они обладают высокой устойчивостью к обнаружению факта передачи, нарушению связи и подслушиванию разговоров.

Система предполагала перемножение (одновременную передачу в радио эфире в одном частотном диапазоне) данных с различными скоростями. Специальная последовательность, известная под названием расширяющий код (spreading code), использовалась для распределения энергии сигнала в широком частотном диапазоне = 1,25 МГц. Исходная информация может быть восстановлена лишь с использованием исходной последовательности. Таким образом, имея достаточное количество расширяющих кодов можно построить систему с множественным доступом.

С целью улучшения стандарта CDMA One был образован консорциум, в котором к компании Qualcomm присоединились два других крупнейших оператора сотовой связи Nynex и Ameritech с целью разработки первой CDMA-системы. Позднее этот союз был расширен компаниями Motorola и AT&T, которые внесли дополнительные ресурсы для ускорения разработки системы. Результатом их работы послужила публикация нового стандарта под аббревиатурой IS-95A в 1995 году под эгидой ассоциации индустрии сотовой связи (CTIA — Cellular Telecommunications Industry Association). В последствие была образована группа разработки CDMA (CDG — CDMA Development Group). Ее цель была продвигать CDMA и развивать технологии и стандарты, хотя в наши дни основные работы по стандартизации проводятся 3GPP2.

Спустя 3 года компанией Hutchison Telecom была запущена в эфир первая система сотовой связи стандарта CDMA One. Позднее сети IS-95 нашли широкое распространение в Северной Америке и странах Азии. Однако некоторые сети также были развернуты в Южной Америке, Африке, Среднем Востоке, также как и в некоторых странах Восточной Европы.

Опираясь на успех первого релиза стандарта CDMA One — IS-95A, была проведена работа по его улучшению. Основные изменения коснулись технологии передачи данных, и результатом стало увеличение максимальной скорости до 115 кбит/сек.

Система CDMA в дальнейшем была улучшена и преобразована в систему стандарта третьего поколения, которая предусматривала гораздо более высокие скорости передачи данных и новые услуги для абонентов. В результате перехода к 3G стандарт получил новое название CDMA2000, а после дальнейшего улучшения появились стандарты CDMA 2000 1x и CDMA 2000 1x ev-do (evolution data only or data optimised), которые предоставляли абонентам еще более высокие возможности, особенно в области передачи данных.

Смягчение

Замирание может привести к снижению производительности в системе связи, поскольку оно может привести к потере мощности сигнала без снижения мощности шума. Эта потеря сигнала может превышать часть или всю полосу пропускания сигнала. Затухание также может быть проблемой, поскольку оно меняется с течением времени: системы связи часто предназначены для адаптации к таким нарушениям, но затухание может измениться быстрее, чем может быть произведена адаптация. В таких случаях вероятность возникновения замирания (и связанных с ним ошибок в битах при падении отношения сигнал / шум ) на канале становится ограничивающим фактором в производительности канала.

С эффектами замирания можно бороться, используя разнесение для передачи сигнала по множеству каналов, которые испытывают независимые замирания, и их когерентного комбинирования в приемнике. Вероятность появления замирания в этом составном канале тогда пропорциональна вероятности того, что все составляющие каналы одновременно испытают замирание, что является гораздо более маловероятным событием.

Разнесение может быть достигнуто во времени, частоте или пространстве. Общие методы, используемые для преодоления замирания сигнала, включают:

• Разнесенный прием и передача
• MIMO
• OFDM
• Приемники Rake
• Пространственно-временные коды
• Прямая коррекция ошибок

Кроме того разнесения, такие методы, как применение циклического префикса (например, в OFDM ) и оценка канала и выравнивание, также могут использоваться для борьбы с замиранием.

Расширение и сжатие

Рисунок 7 5 Расширение и сжатие в DS-CDMA Полезный сигнал Сигнал другого пользователя Полезный расширенный сигнал Другой расширенный сигналКод расширенияДанные после расширенияДанные после интеграцииДругие данные после сжатия Рисунок 7 6 Принцип действия корреляционного приемника CDMA_10bbb

1. Выигрыш в отношении сигнал/помеха в совокупности с широкополосным характером сигнала предполагает возможность полного повторного использования частоты, коэффициент повтора равен 1, в различных сотовых ячейках беспроводной системы (т.е. частота повторно используется в каждой ячейке/секторе). Это свойство может использоваться для получения высокой эффективности использования спектра.
2. Совместное использование многими пользователями одной и той же широкополосной несущей для их связи обеспечивает разнесение по помехам, т.е. помехи при множественном доступе от многочисленных пользователей системы усредняются, и это снова приводит к повышению пропускной способности по сравнению с системами, где при планировании необходимо ориентироваться на помехи для худшего случая.
3. Однако, оба вышеуказанных преимущества требуют применения жесткого управления мощностью и мягкого хэндовера для того, чтобы избежать блокирования сигналом одного пользователя другим. Управление мощностью и мягкий хэндовер будут рассматриваться в этой главе далее.
4. При использовании широкополосного сигнала различные пути распространения беспроводного радиосигнала могут получать разрешение с более высокой точностью, чем сигналы с более узкой шириной полосы. Это ведет к получению более разнообразных возможностей борьбы с замираниями и, тем самым, к улучшению рабочих характеристик.

Самый простой канал с замираниями

Возможно, вы где-то уже встречали подобный способ моделирования плоского канала с замираниями:

Что подразумевается:

• отсутствие прямой видимости (вполне оправданный для наземной связи случай)
• узкополосный канал (narrowband channel) — вписались в когерентную полосу
• частотной селективности тоже нет — вписались в когерентное время
• отсутствие затенений и Допплеровских сдвигов частоты

То есть вот он собственной персоной: плоский канал с замираниями. Для случая без прямой видимости канал ещё называют к тому же рэлеевским.

Лорд Рэлей

Из чего проистекает такая модель?

11 будет соответствовать координата равная примерно 0,7+0,7i.

где и — это нормально распределенные случайные величины.

Чаще всего используется модель с нормированной средней мощностью:

А значит .

Если мы предполагаем независимые искажения составляющих огибающей сигнала: как синфазной (I — In-phase), так и квадратурной (Q — Quadrature), — то положение числа, на которое будет перемножен изначальный символ (отсюда мультипликативность помехи), в полярных координатах может быть вычислено буквально по теореме Пифагора:

где и — это тоже нормально распределенные случайные величины. Для нормированной мощности , .

Рис. 10. Гауссовские генераторы в квадратуре для моделирования замираний Рэлея и Райса . О райсовском канале мы поговорим чуть позже.

Если мы рассматриваем самый простой случай без какой-либо пространственной корреляции между каналами (допустим, что у нас есть несколько пространственных каналов — MIMO), то говорят, что канал пространственно белый — spatially white. А так как все каналы независимы, то, следовательно, и «генерить» можно не только случайные величины, распределенные по Рэлею, но и вектора, и матрицы, и тензоры :

где и — это матрицы, состоящие из нормально распределенных значений.

Подытожим:
Помеховая компонента при отсутствии прямой видимости может быть описана как n-мерный вектор (в зависимости от размерности канала) независимых идентично распределенных (IID — independent identically distributed) по комплексному гауссовскому закону с круговой симметрией и нулевым мат. ожиданием (ZMCSCG — zero-mean circularly symmetric complex Gaussian) чисел.

Целая скороговорка!

8.Список литературы

1. ChenHsiao-Hwa The Next Generation . — England : John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, 2007.
2. HarriHolmaAntiToskala WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications . —  : John Wiley & Sons, 2004.
3. БабковВ.ЮВознюкМ.А,НикитинА.Н,СиверсМ.А. Системы связи с кодовым разделением каналов . — Санкт-Петербург : СПбГУТ СПб, 2003.
4. НевдяевЛ.М. Мобильная связь 3-го поколения . — Москва : МЦНТИ — Международный центр научной и технической информации, 2000.
5. НикитинГИ Применение функций Уолша в сотовых системах связи с кодовым разделением каналов: Учеб. пособие . — Санкт-Петербург : СПбГУАП. СПб., 2003.

Москва 2011

О чем вообще идет речь?

Начнем с того, что в природе существуют, так называемые, мультипликативные помехи, влияющие на принимаемую мощность сигнала — замирания (fading).

Замирания бывают быстрыми и медленными (fast and slow fading).

Рис. 1. Колебания мощности сигнала в беспроводных каналах в зависимости от расстояния. Средний уровень потерь распространения монотонно увеличивается с увеличением дальности. Локальные отклонения могут возникать из-за макроскопических (медленных) и микроскопических (быстрых) замираний .

Сознаюсь сразу, сегодня с медленными замираниями мы работать не будем, а вот про быстрые поговорим достаточно подробно.

Быстрые замирания

Быстрые замирания возникают, как правило, по двум основным причинам:

• из-за уже упомянутого нами многолучевого распространения (multipath propagation) и/или
• из-за Допплеровских сдвигов частоты.

Но и это ещё далеко не всё.

Selective fading vs. Flat fading

Выше мы разделили наши помехи по характеру возникновения. Однако, помехи можно разделить ещё и по характеру воздействия на передаваемый сигнал. И здесь нам понадобится понятие избирательности канала.

Приведем небольшую классификацию по . Итак, быстрые замирания могут быть:

1. Избирательными (selective)
   а. Частотно избирательными (frequency selective)
   б. Избирательными во временной области (time selective)
   в. Пространственно избирательными (это относится к вопросу об углах прихода и отправки ЭМ волн — сегодня мы этот вопрос разбирать не будем)
2. Плоскими (flat) — тяготеющими больше к характеру медленных замираний (да, вот такой вот парадокс)

Что подразумевает последний термин, объясним от обратного.

Обратите внимание на переменную Delay spread — разброс задержек. Именно этот разброс в задержках между приходом разных копий одного сигнала и измеряют, когда определяют характеристики того или иного реального канала

Рис. 5. Типичный профиль задержки (мощности) — средняя мощность как функция задержки .

Рис. 7. Иллюстрация времени когерентности

Обратите внимание, здесь максимальная допплеровская частота отражает движение самого мобильного терминала

Ну, и соответственно, если нам удастся каким-то чудом избежать вышеперечисленного, то мы придем к самомому простому и удобному случаю — к плоским замираниям .

Структура OFDM передатчика

По формулам выше, сделав ряд преобразований пришли от непрерывной записи ofdm сигнала к дискретной и сделали вывод, что модулятор это и есть обратное ДПФ. За счет этого можно добиться большого количества поднесущих: десятки тысяч.

На схеме d(k) идёт поток бит, информационных символов, далее нужно их распараллелить. Если мы хотим 32 тыс поднесущих, соответственно мы должны распараллелить на 32 тыс параллельных каналов.

Формирователь созвездия для каждой поднесущей, там стоят КАМ модуляторы. Если рассматривать 4-ФМн (QPSK) соответственно, там приходится 2 бита на символ.

Допустим, каждая поднесущая будет модулирована QPSK. Идёт поток бит и мы разделяем их на группы по 2 бита (00, 01, 10 и 11). Эти коэффициенты определяют амплитуду и фазу каждой поднесущей. На выходе получаем две квадратуры I и Q. И эти коэффициенты подаются на блок обратного преобразования Фурье (FFT-1).

Блок обратного БПФ, он заменяет набор квадратурных модуляторов. Если на вход блока БПФ пришло N комплексных чисел, то на выходе тоже N комплексных чисел, только мы их разделяем на реальную часть и на мнимую.

ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь. Преобразует цифровой сигнал в аналоговый. И на выходе стоит модулятор.

Множественный доступ с сигнатурами, основанными на комплексных кодовых последовательностях

Рассмотрим класс методов, в которых расширяющие последовательности выбираются из множества комплексных чисел. В первую очередь, к этому классу принадлежит система многопользовательского общего доступа (multi-user shared access, MUSA). Здесь сигнатуры представляют собой комплексные псевдослучайные последовательности, действительная и мнимая части которых обычно выбираются из множества {−1, 0, 1}.

На рис. 7 показано, как для 6 пользователей образуется суммарный сигнал, который затем декодируется методом последовательной компенсации помех (SIC), подобно системе PD-NOMA (см. Часть 2). В приведённом примере длина кодового слова равна 4. Каждый элемент кодового слова может прини­мать одно из 9 комплексных значений, которые обозначены различными цветами. Кодовая книга содержит n специально выбранных кодовых слов. Каждый пользователь может случайным образом выбирать кодовое слово для расширения своего символа данных.

Рис. 7. Формирование суммарного сигнала в методе MUSA

Для обеспечения лучшей помехоустойчивости применяется декодирование методом SIC совместно с приёмником, минимизирующим средний квадрат ошибки (minimum mean square error, MMSE).

К этому же классу относятся ещё 3 метода: неортогональный кодированный множественный доступ (non-orthogonal coded multiple access, NCMA), неортогональный кодированный доступ (non-orthogonal coded access, NOCA) и групповой ортогональный кодированный доступ (group orthogonal coded access, GOCA), предложенные для использования в стандартах 5G. Несмотря на то, что в названии GOCA содержится слово “ортогональный”, в этой системе используются как ортогональные, так и неортогональные комплексные сигнатуры, которые в общем случае могут выбираться из произвольного комплексного алфавита. Здесь неортогональные последовательности применяются для разделения групп, а ортого­нальные – для разделения пользователей внутри группы. В этих систе­мах сигналы декодируются методом SIC в сочетании с MMSE.

Множественный доступ с сигнатурами, основанными на перемежении или скремблировании

Теперь рассмотрим ещё один класс методов множественного доступа с кодовым разделением – это методы, в кото­рых сигнатуры получены на основе перемежения или скремблирования битов или символов. Основная цель перемежения – борьба с пакетными ошибками путём распределения этих ошибок среди многих блоков данных. Эти распределённые биты ошибок получают свою идентификацию в соответствующих блоках и поэтому могут быть обнаружены и исправлены с помощью любых кодов с обнаружением и исправлением ошибок.

В системах такого типа используются достаточно длинные последовательности, тогда как в системах предыдущих типов используются короткие сигнатуры. Например, к данному классу относится система множественного доступа, основанного на перемежении (interleave division multiple access, IDMA). В методе IDMA, используя различные перемежители для различных пользователей, удаётся уменьшить помеху множественного доступа. Пример фактор-графа для случая двух пользователей приведён на рис. 8.

Рис. 8. Пример фактор-графа в методе IDMA

На приёмной стороне производится декодирование принятых сигналов с использованием многопользовательского приёмника. Ансамбль сигнатур в IDMA содержит большое число неортогональных последовательностей, позволяя таким образом обеспечить одновременный доступ для большого числа пользователей.

Разновидность метода IDMA – сгруппированный множественный доступ с разделением на основе перемежения (grouped-IDMA). Он отличается тем, что активные пользователи разбиваются на несколько групп и каждой группе присваивается свой ортогональный код. Эта схема сочетает в себе преимущества IDMA и ортого­нального CDMA. Производительность сгруппированного метода IDMA выше, чем простого IDMA, когда число пользователей относительно велико, особенно при низких или средних значе­ниях отношения сигнал/шум.

Для системы связи с K пользователями, разделёнными на G групп, сгруппированный IDMA можно рассматривать как простой IDMA при G = 1, как ортогональный CDMA при G = K или как собственно сгруппированный IDMA при .

К классу методов, основанных на перемежении, относятся также ещё несколько методов: множественный доступ с решётчатым перемежением (interleave grid multiple access, IGMA), множественный доступ с разделением на основе повторения (repetition division multiple access, RDMA) и множественный доступ с расширением ресурсов (resource spread multiple access, RSMA).

Методы перемежения, скремблирования и канального кодирования используются для уменьшения взаимной корреляции между сигнатурами, принадлежащими разным пользователям. Поток битов каждого пользователя сначала кодируется специальным канальным кодом переменной скорости, затем производится расширение спектра и скремблирование.

На приёмной стороне суммарный сигнал сначала проходит процедуру, обратную расширению спектра, затем процедуру, обратную скремблированию, после чего декодер вычисляет оценки битов пользователей и, наконец, происходит декодирование канального кода каждого пользователя. Декодирование в системах RDMA и RSMA осуществляется методом MMSE-SIC, а в системах IDMA и IGMA – методом оценки сигнала с параллельной компенсацией помех (elementary signal estimator-parallel interference cancellation,  ESE-PIC).

Все рассмотренные классы методов – потенциальные кандидаты для использования в новых системах радиосвязи.

Недостатки OFDM

Высокий ПИК фактор плох на стороне передающего устройства, например на стороне усилителя мощности. Рассмотрим усилитель мощности, у него есть ограничение по АЧХ. Максимальная средняя мощности и максимальная пиковая мощность.

Средняя мощность ограничена тем, что он нагревается, до определенного момента он терпит, а дальше сгорает. А пиковая мощность определяется искажениями. Если не превышать пиковую мощность, сигнал усиливается без искажений, если превышаем, то искажения возникают.

Чем выше пик фактор, тем нужно сделать меньше среднюю мощность, чтобы сигнал проходил без искажений, но уменьшая среднюю мощность, уменьшается и помехоустойчивость.

Чувствительность к доплеровскому сдвигу и частотному рассеянию.

Рассмотрим две спектра, спектр поднесущей OFDM и 2-ФМн сигнала, с одной несущей. Допустим, в результате эффекта Доплера возник сдвиг частот.

В OFDM будет сильнее проявляться эффект Доплера, чем в 2-ФМн. Потому что относительно длины спектра, в ofdm может быть подавлена целая поднесущая, а в 2-ФМн, малая часть.

Необходима высокая степень синхронизации по частоте.

Так как ofdm более чувствителен к любому сдвигу частот, соответственно для него необходимо применять более точные системы синхронизации с несущей.

Использование защитных интервалов снижает информационную скорость передачи данных.

Защитный интервал ставим, чтобы бороться с межсимвольной интерференцией (МСИ), но полезную информацию он не передает. Длительность полного символа мы увеличили, тем самым уменьшили информационную скорость.

Использование пилот-сигналов уменьшает энергетическую эффективность. На передачу немодулированных поднесущих тратится энергия, несмотря на то, что они не передают информацию.