Comprendere Correzione di errore in avanti in Integrity segnale CDMA

La Divisione Multiplo Access (CDMA) è una tecnologia di base che permette a più utenti di condividere la stessa banda di frequenza contemporaneamente attraverso codici di diffusione unici. Mentre CDMA offre un'efficienza e una resistenza eccezionali agli interferenze, i suoi segnali sono ancora vulnerabili ai benefici del rumore, agli sbiadimenti e ad altri difetti del canale.

I principi fondamentali della correzione degli errori in avanti

Correzione errori avanzata è una tecnica di codifica che aggiunge informazioni ridondanti, note come codici di correzione degli errori, ai dati originali prima della trasmissione.A differenza dei protocolli di ripetizione automatica (ARQ) che si basano sul mittente ritrasmettere pacchetti persi o corrotti, FEC consente al ricevitore di ricostruire il messaggio originale anche quando parti del segnale sono corrotte.

Il principio fondamentale consiste nel mappare i dati originali in uno spazio più ampio di codeword, in modo che anche se alcuni bit sono capovolti o persi, il ricevitore può recuperare il messaggio previsto trovando la parola chiave valida più vicina. La forza di uno schema FEC è misurata dalla sua velocità di codice (il rapporto di bit di dati a bit totali) e la sua capacità di correzione di errore.

Perché i sistemi CDMA hanno bisogno di una correzione di errore Robusto

I segnali CDMA sono intrinsecamente sensibili a diversi fenomeni che degradano la qualità del segnale:

  • Near-Far Problem:[] I segnali di un trasmettitore vicino possono sopraffare il segnale più debole di un trasmettitore lontano, causando interferenze gravi.
  • Multipath Fading:[] Le riflessioni da edifici e terreno creano copie multiple del segnale che arrivano in tempi diversi, portando a interferenze costruttive o distruttive.
  • Interferenza di Channel:[ Poiché tutti gli utenti condividono la stessa frequenza, il sistema è limitato da interferenze di altri utenti. Anche con codici di diffusione ortogonali, imperfezioni di correzione incrociata iniettano rumore.
  • Additive White Gaussian Noise (AWGN): Il rumore termico e altre fonti ambientali contribuiscono sempre ad una velocità di errore di base.

Senza FEC, questi difetti avrebbero forzato frequenti ritrasmissioni, riducendo i tassi di dati efficaci e aumentando la la latenza. In CDMA, dove la capacità è limitata alle interferenze, FEC fornisce uno strumento potente per tollerare livelli di interferenza più elevati, migliorando direttamente il throughput della rete e l'esperienza degli utenti.

Tipi di codici FEC utilizzati nelle reti CDMA

Gli standard CDMA come IS-95, CDMA2000 e WCDMA (3G/UMTS) hanno adottato una varietà di codici FEC, ciascuno adatto per diverse condizioni di canale e tassi di dati.

Codici convoluzionali

I codici convoluzionali sono il cavalletto di lavoro dei primi sistemi CDMA. Elaborano il flusso di dati in modo continuo, utilizzando una finestra scorrevole di lunghezza di costrizione K per generare bit di uscita. Un tasso 1/2, lunghezza di costrizione 9 codice convoluzionale è stato utilizzato in IS-95 per i canali di voce e di controllo. Questi codici eccellere a correggere errori bit casuali, indipendenti, ma sono meno efficaci contro i lunghi scoppi. La loro complessità di decodifica è moderata e la gestione delle prestazioni di potenza di Viterbi può raggiungere i consumi.

Codici Turbo

I sistemi CDMA di terza generazione (32G) come WCDMA e CDMA2000 1xEV-DO, i turbocodici si avvicinano al limite di Shannon, la capacità teorica massima del canale. Sono costituiti da due codificatori convoluzionali paralleli separati da un interleaver, e il decoder utilizza un processo iterativo per perfezionare le stime dei bitlink.

Codici di controllo di parità a bassa densità (LDPC)

Sebbene i codici LDPC abbiano ottenuto un'eccedenza nei sistemi Wi-Fi e 4G/5G successivi, sono stati utilizzati anche in alcune applicazioni satellitari e a Deep-space basate su CDMA. I codici LDPC offrono prestazioni paragonabili ai codici turbo con una minore complessità di decodifica, specialmente per le grandi dimensioni dei blocchi.

Codici Reed-Solomon

I codici Reed-Solomon sono codici di blocco che funzionano su gruppi di bit (simboli) piuttosto che singoli bit. Sono particolarmente efficaci contro gli errori di scoppio che corrompono più simboli consecutivi - comuni nei canali di sbiadimento. Nei sistemi CDMA, i codici Reed-Solomon sono stati utilizzati come codici esterni in schemi concatenati, dove un codice convoluzionale o turbo gestisce errori casuali e il Reed-Solomon sistema di trasmissione video.

Come FEC migliora l'integrità del segnale CDMA

FEC trasforma il ricevitore CDMA da un semplice rivelatore in un potente motore di correzione degli errori.

  1. Codifica:[] Al trasmettitore, i bit dei dati vengono alimentati nell'encoder FEC insieme al codice di diffusione.
  2. Trasmissione:[] Il segnale codificato passa attraverso la dissolvenza, l'interferenza e il canale del rumore.
  3. Demodulazione e disprecazione:[ Il ricevitore dispreads il segnale e produce metriche di soft-decision (come probabilità) per ogni bit codificato.
  4. Decodifica:[] Il decoder FEC utilizza le metriche morbide per trovare la parola chiave trasmessa più probabile. Se il rumore è all'interno della capacità di correzione del codice, i dati decodificati saranno senza errori.

Questa architettura permette ai sistemi CDMA di operare con minori rapporti di segnale-interferenza-plus-noise (SINR) che altrimenti sarebbe possibile. Il risultato è una drammatica riduzione della velocità di errore bit (BER) e della velocità di errore frame (FER), che si traduce direttamente in meno chiamate, più alti tassi di dati e una migliore soddisfazione dell'utente.

FEC migliora l'efficace link budget[]] dei sistemi CDMA. Il guadagno di codifica—la riduzione del Eb/N0 necessario per raggiungere un obiettivo BER—tipicamente varia da 3 a 8 dB a seconda del codice e della velocità.Per un operatore mobile, questo guadagno può essere utilizzato per estendere la copertura, ridurre la potenza del trasmettitore richiesta, o aumentare la capacità permettendo a più utenti di condividere lo stesso spettro.

Interferenza Mitigazione attraverso la Coding

Il guadagno di diffusione (radio del tasso di chip alla velocità dei dati) fornisce una prima linea di difesa contro le interferenze a banda stretta. Combinando con FEC, il sistema aumenta efficacemente la soglia di tolleranza di interferenza. Ciò è particolarmente importante in bande o ambienti non autorizzati con jamming intenzionale.

Realizzazioni pratiche in CDMA Standards

Per illustrare l'impatto del mondo reale, esaminiamo come FEC è distribuito nei principali standard CDMA:

IS-95 (2G CDMA)

IS-95, il primo standard CDMA ampiamente distribuito per cellulare, ha usato un codice convoluzionale di tasso 1/2 o 1/3 con lunghezza di costrizione 9 per canali di traffico in avanti e inverso. Servizi vocali operati a 8 kbps (QCELP codec) con FEC forte, consentendo la qualità delle chiamate che era spesso migliore rispetto AMPS analogico anche a punti di efficienza inferiori.

CDMA2000 1x e 1xEV-DO

1xEV-DO (Evolution Data Optimized) ha usato i codici turbo con i tassi da 1/5 a 1/3, raggiungendo i tassi di dati di picco fino a 3.1 Mbps sul collegamento in avanti. Il turbo decoder ha eseguito più iterations (di solito 8 a 18) per convergere sulla parola di codice corretta.

WCDMA/UMTS (3G)

WCDMA ha adottato un quadro flessibile FEC: codici convoluzionali (tasso 1/2 o 1/3, lunghezza di costrizione 9) per i canali di controllo e servizi a basso tasso di dati, e codici turbo (tasso da 1/3 a 1/4) per i canali di dati superiori a 32 kbps. Il turbo interleaver è stato progettato per massimizzare le prestazioni attraverso diverse dimensioni dei blocchi.

Scambi e considerazioni di design

Mentre FEC è indispensabile, introduce i trade-off che gli ingegneri devono bilanciare con attenzione:

  • Latency:[] I codici turbo e LDPC decodificano richiedono un trattamento iterativo, che aggiunge un ritardo. Per i servizi vocali, questo ritardo deve rimanere al di sotto dei 100 ms per mantenere la conversazione naturale. I codici convolutivi con decodifica Viterbi hanno una latenza inferiore, rendendoli adatti per la voce in tempo reale anche con una forte FEC.
  • Complexity and Power:[ I decoder sofisticati richiedono più cancelli e consumano più potenza. I dispositivi mobili funzionano con una capacità di batteria limitata, quindi il design FEC deve essere efficiente dall'energia.
  • Selezione del tasso di conversione:[] Una velocità di codice fisso non può servire in modo ottimale tutte le condizioni. La codifica e la modulazione adattiva (ACM) viene utilizzata in molti sistemi di dati basati su CDMA, la stazione di base sceglie una minore velocità di codice per gli utenti a bordo cellulare o in profondità, e una maggiore velocità per gli utenti vicini al sito cellulare.
  • Interleaving:[] Per combattere gli errori di scoppio, i codici FEC sono spesso abbinati a interleavers che diffondono i dati attraverso il tempo o la frequenza. In CDMA, l'interleaving del blocco è comune. La profondità del interleaver deve essere scelta per superare la tipica durata della dissolvenza, che aumenta i requisiti di memoria e la latenza.

Argomenti avanzati: FEC e MIMO in CDMA

La tecnologia multi-input (MIMO) che utilizza più antenne sia trasmettitore che ricevitore, è stata integrata con CDMA in standard come HSPA+ e LTE (anche se LTE utilizza OFDMA, il suo uplink mantiene i principi di tipo CDMA in SC-FDMA). La combinazione di MIMO e FEC fornisce un guadagno di multiplexing spaziale insieme al guadagno di codifica.

Tendenze future: FEC in 5G e oltre

Mentre 5G New Radio (NR) utilizza principalmente codici OFDM e LDPC per i dati e codici polari per il controllo, le lezioni apprese da FEC in sistemi CDMA informano direttamente questi disegni. La ricerca di prestazioni di prossimità è universale. Come reti wireless si sposta verso frequenze di onde millimetriche e MMO massiccio, i difetti di canale diventano più gravi.

Conclusioni

La correzione degli errori è un fattore essenziale dell'integrità del segnale CDMA, che consente alle reti di fornire servizi di voce e dati affidabili anche in condizioni difficili. Dai primi codici convoluzionali dell'IS-95 ai codici turbo quasi-Shannon-limit in 3G e oltre, FEC ha costantemente migliorato i bilanci dei collegamenti, aumentato la capacità del sistema e ridotto la necessità di ritrasmissioni.

Per ulteriori informazioni su queste tecnologie, vedere le 3GPP specifiche per CDMA2000 e WCDMA, un dettagliato [RFC sul controllo degli errori codifica, e una panoramica accademica di ] prestazioni del codice di registrazione nei canali di dissolvenza.