Koodi Division Multiple Access (CDMA) tukee monia perinteisiä ja nykyaikaisia langattomia verkkoja, kuten IS-95, CDMA2000 ja WCDMA (UMTS). Määrittelevä innovaatio näissä järjestelmissä on rake-vastaanotin, erikoistunut arkkitehtuuri, joka muuttaa perinteisen langattoman vastuun . Multipath-production. Yhdistämällä johdonmukaisesti useita viivästyneitä kopioita samasta signaalista, rake-vastaanotin parantaa merkittävästi linkkiä luotettavuus, kapasiteetti ja datan kautta. Tässä artikkelissa tarkastellaan toimintaperiaatteita, toteutus yksityiskohtia, etuja ja nykyhetken relevanssia rake-vastaanotinten CDMA signaalivastaanotossa.

Mikä on Rake Receiler?

Rake-vastaanotin on radiovastaanotinrakenne, joka on suunniteltu hyödyntämään monisuuntaista leviämistä eikä kärsimään siitä. Tyypillisissä langattomissa ympäristöissä signaalit heijastuvat rakennusten, maaston ja liikkuvien esineiden ulkopuolelle, luoden useita kopioita, jotka saavuttavat vastaanottimen eri aikoina ja vaihtelevilla amplitudeilla ja vaiheilla. Ilman erityistä käsittelyä nämä viivästyneet kopiot aiheuttavat symbolien intersymbolin häiriöiden ja haalistumisen. Rake-vastaanotin, joka on nimetty muistuttamaan puutarharaketta monivärisillä, käyttää useita riippumattomia korinkorjaimia (kutsutaan ]fingers[])) kaapatakseen, yhdenmukaistaakseen ja yhdistääkseen viivästyneet replikaatit rakentavasti. Tuloksena on moninaisuusvoitto, joka parantaa signaali-kohina (SNR) ja vähentää virhetasoja.

Historiallinen tausta

Konseptin ehdottivat Robert Price ja Paul E. Green 1950-luvulla tutka- ja spread-spektriviestintään. Se tuli kaupallisesti käytännölliseksi, kun CDMA-solujärjestelmät tulivat 1990-luvulla, jossa laaja kaistanleveys ja orthogonaaliset koodit tekivät multipath-resoluutiosta toimivan. Tänään rake-vastaanottimet pysyvät kiinteänä 3G-verkkoihin ja vaikuttavat edelleen 4G- ja 5G-vastaanotinsuunnitteluun hybridiarkkitehtuurien kautta.

Miten Rake Receiler toimii?

Rake-vastaanotin toimii kolmessa perusvaiheessa: -monipaattinen havaitseminen[], synkronointi ja seuranta[] ja [-yhtenäinen yhdistäminen[[]]. Jokainen vastaanottimen sormi käsittelee tiettyä etenemispolkua. Tyypillisellä rake-vastaanottimella voi olla kolmesta kuuteen sormea, vaikka edistyneet implementaatiot käyttävätkin enemmän.

Multipath Detection and Finger Assignment

Vastaanotin käyttää ensin hakukoneen korrelaattoria, joka jatkuvasti skannaa aika-alueen vahvoille monipolkukomponenteille. CDMA:ssa käytettävä leviämiskoodi luo suuren autokorrelaation, joten täsmäytetty suodatus paljastaa erottuvan korrelaatiopiikit, jotka vastaavat eri polkuviiveitä. Vahvimmat piikit on osoitettu yksittäisille rake-sormille. Tämä prosessi on dynaaminen: kun liikkuva asema liikkuu, polku viivästyy ja sormet on ohjattava uudelleen .

Hajottaminen ja demodulointi per sormi

Jokainen sormi hajottaa sille annetun viivästyneen kopion käyttäen samaa pseudorandom-melujaksoa (PN), mutta siirtyy linjaamaan kyseisen polun . Hajottava toiminta pakkaa laajakaistasignaalin takaisin kapeakaistaiseen datasymboliin ja hylkää häiriön muilta käyttäjiltä. Hajotettuaan jokainen sormi suorittaa kanavan estimoinnin määrittääkseen etenemiskanavan tuoman amplitudin ja vaihekierron. Tämä tieto on ratkaisevan tärkeää johdonmukaisen yhdistämisen kannalta.

Yhdistämistekniikat

Rake-vastaanottimen suorituskyvyn avain on yhdistelmäalgoritmi. Yleisin on -maximaalinen suhde yhdistämällä (MRC)[], jossa jokainen sormi.Sormen ulostulo painotetaan sen arvioidun kanavan voitto ja sitten summataan vaiheessa. MRC maksimoi lähtö SNR, kun melu kussakin haarassa on ilman correlated.Vähän pätevä oletus monipolkukomponenttien erottaa yli sirun kesto. Muut menetelmät sisältävät tasavertainen voitto yhdistämällä (EGC)[] ja [ valinta yhdistämällä[]], mutta MRC tarjoaa erinomaisen suorituskyvyn käytännössä.

Yhdistetty signaali siirretään sitten dekooderille (esim. Viterbi-dekooderille) virhekorjaukseen. Koska rake-vastaanotin hyödyntää luonnostaan monimuotoisuutta, tehokas linkkibudjetti paranee, jolloin CDMA-järjestelmät toimivat pienemmällä lähetysteholla ja käyttäjätiheydellä.

Miksi CDMA-järjestelmät tarvitsevat Rake-vastaanottimia

CDMA.Signaalirakenne tekee siitä ainutlaatuisen sopivan rake-vastaanottoon. Toisin kuin kapeakaistaiset järjestelmät, joissa monipaatti aiheuttaa syvätaajuusselektiivisen haalistumisen, CDMA. Laajakaistanleveys ratkaisee yksittäiset kaikut yli yhden sirujakson viiveillä. Jokainen ratkaistu polku kuljettaa samaa tietoa, mutta riippumaton haalistumistilasto. Ilman rake-vastaanotinta, tavanomainen sovitettu suodatin kaappaisi vain vahvimman polun, tuhlaa energiaa muilla poluilla ja tekee järjestelmästä alttiin haalistumiselle.

Levityskoodit ja Orthogonaliteetti

Eteenpäin-linkissä (downlink) käytettävät leviämiskoodit on suunniteltu olemaan ortogonaalisia, jotta soluihin kohdistuva häiriö voidaan poistaa. Kuitenkin monipaatti tuhoaa ortogonaalisuuden, koska viivästyneet kopiot näyttävät häiritsevän signaalia. Rake-vastaanotin lieventää tätä suuntaamalla ja yhdistämällä suunniteltua signaalia ja käsittelemällä muita polkuja meluna vain, jos ne eivät liity toisiinsa. Uplinkissä, jossa jokaisella käyttäjällä on ainutlaatuinen scrambling-koodi, rake-vastaanotto on vielä kriittisempää, koska eri matkapuhelimista tulevat signaalit saapuvat satunnaisella ajoituksella ja on erotettava koodin korrelaatiolla.

Keskeiset edut Rake vastaanottajat CDMA

  • Moniarvoisuusvoitto haalistumista vastaan:[] Yhdistämällä useita itsenäisesti haalistuneita polkuja, todennäköisyys samanaikaisesta syvä haalistuminen kaikilla poluilla on huomattavasti pienempi. Tämä tuottaa linkin budjettiparannuksen 3.
  • Kiinteys häiriöihin:[] MRC estää melua ja häiriöitä muista soluista, koska painotus luonnollisesti antaa vähemmän merkitystä heikoille tai meluisille poluille. Yhdessä leviämisen tuoman jalostushyödyn kanssa rake-vastaanottimet voivat toimia negatiivisilla SNR-arvoilla hajallaan.
  • Lähetystuki:[] CDMA-verkoissa matkaviestinasemat kytkeytyvät useisiin tukiasemiin luovutuksen aikana. Rake-vastaanotin voi osoittaa sormia eri sektoreilta tai soluista tuleviin signaaleja, joissa ne yhdistyvät, jotta luovutuksesta tulee saumaton (pehmeä luovutus). Tämä vähentää merkittävästi puhelujen pudotusta.
  • Parempi kapasiteetti:[] Vähentämällä tietyn palvelun laadun edellyttämää lähetystehoa rake-vastaanottimet mahdollistavat enemmän samanaikaisia käyttäjiä solua kohti. Joissakin tutkimuksissa kapasiteetin lisäys on 30..50% verrattuna järjestelmiin, joissa ei ole multipatiaa.
  • Yhteensopivuus korkeampien tilausten modulaation kanssa:[] CDMA kehittyi tukemaan 16-QAM:ia ja 64-QAM:ia HSPA+:ssa, ja rake-vastaanottimet tarjosivat tarvittavan SNR-marginaalin, vaikka myöhemmin niitä täydennettiin tasauslaitteilla korkeampien tietomäärien käsittelemiseksi.

Rajoitukset ja nykyaikainen merkitys

Vahvuudestaan huolimatta rake-vastaanottimet ovat rajallisia 4G- ja 5G-verkoissa. Niiden suorituskyky heikkenee, kun moniportainen viive on lyhyempi kuin sirun kesto (esim. sisätiloissa, joissa heijastus on hyvin tiheä). Myös rake-vastaanottimet vaativat omaksi sormeksi per resoluutioisa polku, joka tulee laskennallisesti kalliiksi, kun viive on suuri. Moderneissa ortogonaalitaajuus-divisioona multiplexing (UWBM) -järjestelmissä, kuten LTE- ja 5G NR-järjestelmissä, vastaanotin käyttää syklisiä esiliitteitä ja taajuus- domain-yhtäläisiä käsittelemään moniportaista ilman rake-arkkitehtuuria. Kuitenkin monet 3G- ja perintö 2G-verkot ovat edelleen rakenteisia rake-vastaanottimia, ja ne ovat edelleen aktiivinen tutkimusalue uusissa skenaarioissa, kuten [milometri-aaltoviestintä[[[]] ja [[[FLT]]].

Hybridimenetelmät

Jotkut kehittyneet vastaanottimet yhdistävät rakeen -lineaarisiin tasauslaitteisiin[] (esim. LMMSE-sirun tasauslaitteet), jotka valkaisevat jäännöshäiriöt. Tämä on yleistä HSPA+-modeemien kohdalla, jossa tasauslaite vähentää symbolien välistä häiriötä ennen kuin rake-sormet yhdistävät jäljellä olevat polut. 5G:ssä rake-tyyppiset käsitteet näkyvät -aika-alueen kanavan estimoinnin ja kapeakaistaisen IoT[- tai [-täys-duplex-järjestelmissä [[]]-muodossa, jossa multipaattisen itse-inhibitionanssin on peruutettava.

Päätelmät

Rake-vastaanotin on CDMA-teknologian kulmakivi, joka muuttaa monitieteisen leviämisen vastuusta arvokkaaksi monimuotoisuuden lähteeksi. Yhdistämällä johdonmukaisesti useita viivästyneitä signaalikopioita se tarjoaa vankan ja laadukkaan vastaanoton jopa haastavissa häipymisympäristöissä. Vaikka uudemmat ilmaliitännät ovat siirtyneet kohti tasaus- ja OFDM-keskeisiä malleja, rake-vastaanoton periaatteet yhdistettynä ja häiriönestoononononon . Rake-vastaanotinroolin ymmärtäminen on olennaisen tärkeää kaikille langattoman viestinnän alalla työskenteleville verkkosuunnittelusta modeemisuunnitteluun.

Lisätietoja saa -kirjasta, joka on alkuperäinen hinta- ja vihreä kirja rake-vastaanotinten -asiakirjasta, -versiosta3GPP-katsaus CDMA-evoluutioon[], [-yliopistoluento rake-vastaanotinten toteuttamisesta[]-analyysistä ja [-rake-vastaanotinten suorituskyvyn analyysistä 5G-kontekstissa[.