Η Codation Multiple Access (CDMA) στηρίζει πολλά κληροδοτήματα και σύγχρονα ασύρματα δίκτυα, συμπεριλαμβανομένων των IS-95, CDMA2000 και WCDMA (UMTS). Μια καθοριστική καινοτομία μέσα σε αυτά τα συστήματα είναι ο δέκτης rake, μια εξειδικευμένη αρχιτεκτονική που μετατρέπει μια παραδοσιακή ασύρματη ευθύνη ⁇ πολλαπλών παθητικών πολλαπλών ⁇ διανομών ⁇ σε ένα περιουσιακό στοιχείο απόδοσης. Συνδυάζοντας συνεκτικά πολλαπλά καθυστερημένα αντίγραφα του ίδιου σήματος, δέκτες rake βελτιώνουν δραματικά την αξιοπιστία σύνδεσης, την ικανότητα και την διαπεραστική δεδομένων.

Τι Είναι ο Δέκτης της Ρακ;

Σε τυπικά ασύρματα περιβάλλοντα, τα μεταδιδόμενα σήματα αντανακλούν τα κτίρια, το έδαφος και τα κινούμενα αντικείμενα, δημιουργώντας πολλαπλά αντίγραφα που φτάνουν στον δέκτη σε διαφορετικές χρονικές στιγμές και με ποικίλα εύρος και φάσεις. Χωρίς ειδική επεξεργασία, αυτά τα καθυστερημένα αντίγραφα προκαλούν παρεμβολές και ξεθώριασμα των διασύρφων. Ο δέκτης, που ονομάζεται για την ομοιότητά του με μια τσουγκράνα κήπου με πολλαπλές τιράντες, χρησιμοποιεί αρκετούς ανεξάρτητους κορραφεκιοφόρους (που ονομάζονται ]δάχτυλα) για να συλλάβει, να ευθυγραμμίσει και να συνδυάσει τα καθυστερημένα αντίγραφα εποικοδομητικά. Το αποτέλεσμα είναι ένα κέρδος ποικιλομορφίας που ενισχύει την αναλογία σήματος-θορυσίου (SNR) και μειώνει τα ποσοστά σφάλματος.

Ιστορικό πλαίσιο

Η ιδέα προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Robert Price και Paul E. Green στη δεκαετία του 1950 για τις επικοινωνίες ραντάρ και spread-spectrum. Έγινε εμπορικά πρακτική με την έλευση των κυψελωτών συστημάτων CDMA τη δεκαετία του 1990, όπου το ευρύ εύρος ζώνης και ορθογωνικοί κώδικες έκαναν πολυπαθείς resolvable. Σήμερα, οι δέκτες τσουγκράνας παραμένουν αναπόσπαστοι σε δίκτυα 3G και συνεχίζουν να επηρεάζουν το σχεδιασμό του δέκτη σε 4G και 5G μέσω υβριδικών αρχιτεκτονικών.

Πώς Λειτουργεί ένας Δέκτης Σχοινιών;

Ο δέκτης ρέικ λειτουργεί σε τρία βασικά στάδια: ανίχνευση πολλαπλών διαδρομών, συγχρονισμός και παρακολούθηση, και συναρμογή συνδυάζοντας[]]. Κάθε δάχτυλο του δέκτη χειρίζεται μια συγκεκριμένη διαδρομή διάδοσης. Ένας τυπικός δέκτης ρέικ μπορεί να έχει τρία έως έξι δάχτυλα, αν και οι προηγμένες υλοποιήσεις χρησιμοποιούν περισσότερο.

Ανίχνευση πολλαπλών διαδρομών και διορισμός δαχτύλων

Ο δέκτης χρησιμοποιεί πρώτα έναν κορεσμό αναζήτησης που σαρώνει συνεχώς το πεδίο του χρόνου για ισχυρά πολυπαθητικά συστατικά. Ο κώδικας διάδοσης που χρησιμοποιείται στο CDMA δημιουργεί υψηλή αυτόματη διαβρωτική ικανότητα, έτσι ώστε το συνδυασμένο φιλτράρισμα αποκαλύπτει διακριτές κορυφές συσχέτισης που αντιστοιχούν σε διαφορετικές καθυστερήσεις διαδρομής. Οι ισχυρότερες κορυφές αποδίδονται σε μεμονωμένα δάκτυλα τσουγκράνας. Αυτή η διαδικασία είναι δυναμική: καθώς ο κινητός σταθμός κινείται, οι καθυστερήσεις διαδρομής αλλάζουν, και τα δάχτυλα πρέπει να επανατοποθετηθούν ⁇ συχνά κάθε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Απελπισμός και Υποβιβασμός ανά Δάχτυλο

Κάθε δάχτυλο επισπεύδει το εκχωρημένο καθυστερημένο αντίγραφό του χρησιμοποιώντας την ίδια ακολουθία ψευδοτυχαίων θορύβου (PN), αλλά μετατοπίστηκε για να ευθυγραμμιστεί με το χρόνο άφιξης του εν λόγω μονοπατιού. Η λειτουργία despreading συμπιέζει το σήμα ευρείας ζώνης πίσω σε ένα σύμβολο δεδομένων στενής ζώνης ενώ απορρίπτει παρεμβολές από άλλους χρήστες. Μετά την despreading, κάθε δάχτυλο εκτελεί εκτίμηση καναλιού για τον προσδιορισμό του πλάτους και της περιστροφής φάσης που εισήχθη από το κανάλι διάδοσης.

Τεχνικές συνδυασμού

Το κλειδί για την απόδοση του δέκτη είναι ο αλγόριθμος που συνδυάζει. Το πιο κοινό είναι maximal αναλογία που συνδυάζει (MRC), όπου κάθε δάχτυλο εξόδου σταθμίζεται με το εκτιμώμενο κέρδος καναλιού και στη συνέχεια συνοψίζεται σε φάση. MRC μεγιστοποιεί την έξοδο SNR όταν ο θόρυβος σε κάθε κλάδο είναι μη συνδεδεμένος ⁇ μια έγκυρη υπόθεση για πολυπαθητικά συστατικά που διαχωρίζονται με περισσότερο από μια διάρκεια τσιπ. Άλλες μέθοδοι περιλαμβάνουν ίσο κέρδος συνδυάζοντας (EGC)] και ] την επιλογή συνδυάζοντας, αλλά MRC προσφέρει ανώτερη απόδοση στην πράξη.

Το συνδυασμένο σήμα μεταβιβάζεται στη συνέχεια σε αποκωδικοποιητή (π.χ., αποκωδικοποιητή Viterbi) για διόρθωση σφαλμάτων. Επειδή ο δέκτης ρέικ εκμεταλλεύεται την εγγενή ποικιλομορφία, ο αποτελεσματικός προϋπολογισμός ζεύξης βελτιώνεται, επιτρέποντας στα συστήματα CDMA να λειτουργούν με χαμηλότερη ισχύ εκπομπής και με υψηλότερη πυκνότητα χρήστη.

Γιατί τα Συστήματα CDMA χρειάζονται δέκτες συρμού

Σε αντίθεση με τα συστήματα στενής ζώνης όπου τα συστήματα πολλαπλών διαδρομών προκαλούν βαθύ ξεθώριασμα-επιλεκτική συχνότητα, το ευρύ εύρος ζώνης της CDMA επιλύει τις ατομικές ηχώ με καθυστερήσεις μεγαλύτερες από μία περίοδο τσιπ. Κάθε λύση διαδρομή φέρει τα ίδια δεδομένα αλλά με ανεξάρτητη ξεθώριασμα στατιστικά. Χωρίς δέκτη ρέγγας, ένα συμβατικό φίλτρο που ταιριάζει θα συλλαμβάνει μόνο την ισχυρότερη διαδρομή, σπαταλώντας την ενέργεια σε άλλες διαδρομές και καθιστώντας το σύστημα ευάλωτο στο ξεθώριασμα.

Διαδίδοντας κωδικούς και Ορθογονικότητα

Οι κωδικοί διάδοσης που χρησιμοποιούνται στον εμπρόσθιο σύνδεσμο (downlink) έχουν σχεδιαστεί για να είναι ορθογωνικοί για την εξάλειψη ενδοκυτταρικών παρεμβολών. Ωστόσο, η πολυπαθητική καταστρέφει την ορθογονικότητα επειδή τα καθυστερημένα αντίγραφα εμφανίζονται ως παρεμβαλλόμενα σήματα. Ένας δέκτης rake το μετριάζει αυτό ευθυγραμμίζοντας και συνδυάζοντας το προβλεπόμενο σήμα ενώ αντιμετωπίζει άλλες διαδρομές ως θόρυβο μόνο αν δεν σχετίζονται. Στην ανοδική σύνδεση, όπου κάθε χρήστης έχει έναν μοναδικό κωδικό scramling, η λήψη rake είναι ακόμα πιο κρίσιμη, επειδή τα σήματα από διαφορετικά κινητά φθάνουν με τυχαίο συγχρονισμό και πρέπει να διαχωρίζονται από τη συσχέτιση κώδικα.

Βασικά πλεονεκτήματα των εισπρακτέων κορακιών σε CDMA

  • Αντίπτωση στο ξεθώριασμα: Συνδυάζοντας πολλαπλές ανεξάρτητα ξεθωριασμένες διαδρομές, η πιθανότητα ταυτόχρονης βαθιάς ξεθωρίασης σε όλες τις διαδρομές μειώνεται δραστικά.
  • ⁇ όβυστη σε παρεμβολές: Η MRC καταστέλλει το θόρυβο και τις παρεμβολές από άλλα κύτταρα, επειδή η στάθμιση φυσικά δίνει λιγότερη σημασία σε αδύναμες ή θορυβώδεις διαδρομές. Σε συνδυασμό με το κέρδος επεξεργασίας από την εξάπλωση, οι δέκτες τσουγκράνας μπορούν να λειτουργήσουν σε αρνητικά SNRs στον τομέα despread.
  • Η ελαφριά υποστήριξη παράδοσης: Στα δίκτυα CDMA, οι κινητές μονάδες συνδέουν σε πολλαπλούς σταθμούς βάσης κατά την διάρκεια της παράδοσης. Ένας δέκτης τσουγκράνας μπορεί να εκχωρήσει τα δάχτυλα σε σήματα από διαφορετικούς τομείς ή κύτταρα, συνδυάζοντάς τα για να κάνουν την παράδοση απρόσκοπτη (soft defoff).
  • Ελεγχόμενη χωρητικότητα: Με τη μείωση της απαιτούμενης ισχύος μετάδοσης για μια δεδομένη ποιότητα υπηρεσίας, οι δέκτες τσουγκράνας επιτρέπουν περισσότερο ταυτόχρονους χρήστες ανά κύτταρο. Ορισμένες μελέτες δείχνουν αύξηση χωρητικότητας 30 ⁇ 50% σε σύγκριση με συστήματα χωρίς πολυπαθητικούς συνδυασμούς.
  • Συμβατότητα με τη διαμόρφωση υψηλότερης τάξης: Καθώς το CDMA εξελίχθηκε για να υποστηρίξει το 16-QAM και το 64-QAM στο HSPA+, οι δέκτες τσουγκράνας παρείχαν το απαραίτητο περιθώριο SNR, αν και αργότερα συμπληρώθηκαν από ισοσταθμιστές για να χειριστούν υψηλότερα ποσοστά δεδομένων.

Περιορισμοί και Σύγχρονη Σχέση

Παρά τις δυνάμεις τους, οι δέκτες τσουγκράνας έχουν περιορισμούς που γίνονται εμφανείς σε δίκτυα 4G και 5G. Η απόδοσή τους υποβαθμίζεται όταν οι καθυστερήσεις πολλαπλών διαδρομών είναι μικρότερες από τη διάρκεια των τσιπ (π.χ. σε εσωτερικά περιβάλλοντα με πολύ πυκνές αντανακλάσεις). Επίσης, οι δέκτες τσουγκράνας απαιτούν ένα ειδικό δάχτυλο ανά λύση διαδρομή, η οποία γίνεται υπολογιστικά δαπανηρή όταν η εξάπλωση καθυστέρησης είναι μεγάλη. Στα σύγχρονα συστήματα πολλαπλών διαδρομών συχνότητας (OFDM), όπως LTE και 5G NR, ο δέκτης χρησιμοποιεί κυκλικά προθέματα και ισοσταθμιστές συχνότητας για να χειριστεί πολυπαθείς χωρίς αρχιτεκτονική rake. Ωστόσο, πολλά δίκτυα 3G και κληρονομιάς 2G εξακολουθούν να βασίζονται σε δέκτες ⁇ άκη, και παραμένουν ενεργός χώρος έρευνας για νέα σενάρια όπως millimeter-wave communications[FL:1] και [FLT2]]][FLTultrawide][B][B][B3][B][B][B][B][FT][F]]][FT]]]

Υβριδικές προσεγγίσεις

Μερικοί προηγμένοι δέκτες συνδυάζουν την παρεμβολή με γραμμικούς ισοσταθμιστές (π.χ., LMMSE chip saimizers) που λευκαίνουν την υπολειμματική παρεμβολή. Αυτό είναι κοινό στα μόντεμ HSPA+, όπου ο ισοσταθμιστής μειώνει την παρεμβολή intersymbol πριν τα δάχτυλα rake συνδυάζουν τις υπόλοιπες διαδρομές. Σε 5G, εμφανίζονται έννοιες σαν rake με τη μορφή [ εκτίμηση χρονο-domain καναλιού και συνδυασμός για στενή ζώνη IoT ή σε πλήρη-duplex συστήματα όπου πρέπει να ακυρωθεί η πολυπαθητική αυτο- παρεμβολή.

Συμπέρασμα

Ο δέκτης της τσουγκράνας είναι ένας ακρογωνιαίος λίθος της τεχνολογίας CDMA, μετατρέποντας την πολλαπλή διάδοση από μια ευθύνη σε μια πολύτιμη πηγή ποικιλομορφίας. Συνδυάζοντας με συνέπεια πολλαπλά καθυστερημένα αντίγραφα σήματος, παρέχει ισχυρή, υψηλής ποιότητας υποδοχή ακόμα και σε προκλητικά περιβάλλοντα που ξεθωριάζουν. Ενώ νεότερες διεπαφές αέρα έχουν μετατοπιστεί προς ισοσταθμιστές-based και ODM-κεντρικά σχέδια, τις αρχές της ρυμούλκησης-χρονική ποικιλομορφία που συνδυάζουν και απόρριψη παρεμβολών ⁇ συνεχίστε να ενημερώνετε προηγμένες αρχιτεκτονικές δέκτη. Κατανόηση του ρόλου του δέκτη είναι απαραίτητη για οποιονδήποτε εργάζεται σε ασύρματες επικοινωνίες, από σχεδιασμό δικτύου σε modem design.

Για περαιτέρω ανάγνωση, εξερευνήστε την αρχική τιμή και την πράσινη εργασία σε δέκτες τσουγκράνας, την 3GPP επισκόπηση της εξέλιξης CDMA, μια πανεπιστημιακή διάλεξη για την υλοποίηση του κορμού του κορμού [] και μια ανάλυση της απόδοσης του δέκτη σε 5G συμφραζόμενα].