Inleiding: De uitdaging van de interferentie tussen Cross-Channels in Cellulaire Netwerken

Moderne mobiele netwerken worden ontworpen om miljoenen gelijktijdige verbindingen te bedienen over beperkte radiofrequenties. Naarmate het mobiele dataverbruik exponentieel toeneemt, krijgen netwerkoperatoren voortdurend druk om meer capaciteit uit hetzelfde spectrum te persen. Een van de meest hardnekkige obstakels voor dat doel is interferentie tussen verschillende kanalen] de ongewenste koppeling van signalen tussen aangrenzende of nabijgelegen frequentiekanalen. Deze interferentie degradeert signaal-ruisverhoudingen, vermindert de gegevensdoorvoer, verhoogt foutenpercentages en kan zelfs leiden tot gedaalde oproepen in dichte stedelijke omgevingen.

Om deze problemen te bestrijden, hebben ingenieurs een groep technieken aangenomen die collectief bekend staan als spread spectrum technologie. Oorspronkelijk ontwikkeld voor militaire communicatie vanwege zijn weerstand tegen storen en interceptie, is spread spectrum nu een hoeksteen van commerciële draadloze systemen, waaronder 3G (CDMA), 4G LTE en 5G New Radio. Dit artikel legt uit hoe spread spectrum werkt, waarom het zo effectief is in het verminderen van cross-channel interferentie, en waar het wordt toegepast in real-world cellulaire implementaties.

Begrijpen van de interferentie tussen de kanalen in detail

Cross-channel interferentie treedt op wanneer energie van een transmissie op één frequentiekanaal overvloeit in een naastgelegen kanaal. In een mobiel netwerk worden basisstations en mobiele apparaten toegewezen aan specifieke frequentiekanalen binnen een gelicentieerde band. Idealiter worden deze kanalen geïsoleerd door bewakersbanden en filtering. In de praktijk veroorzaken verschillende factoren lekkage:

  • Imperfecte filtering in transmitters en ontvangers maakt het mogelijk emissies buiten de band te bereiken via naburige kanalen.
  • Niet-lineaire versterking stadia kunnen harmonischen en intermodulatieproducten genereren die op andere kanalen landen.
  • Nabij het effect]Een sterk signaal van een nabijgelegen apparaat kan een zwakker signaal overweldigen op een naastgelegen kanaal vanuit een vergelegen apparaat, waardoor er effectief interferentie ontstaat.
  • Frequentiehergebruikpatronen in celclusters zijn ontworpen om interferentie te minimaliseren, maar er is nog steeds sprake van interferentie tussen co-kanaal en aangrenzende kanaals aan de celranden.

Wanneer meerdere exploitanten aangrenzende spectrumblokken delen (of wanneer niet-gelicentieerde banden overlappen met gelicentieerde banden), wordt de interferentie tussen het kanaal nog acuuter. Het resultaat is een verminderde netwerkcapaciteit: minder gebruikers kunnen worden bediend met hoge datasnelheden, en de algehele spectrale efficiëntie daalt.

Meting van de kosten van interferentie

Interferentie wordt gekwantificeerd met behulp van metrics zoals de signaal-interferentie-plus-ruisverhouding (SINR). Bij macro-celimplementaties in de reële wereld kan een verbetering van 3 dB in SINR onder bepaalde omstandigheden de haalbare gegevenssnelheid ruwweg verdubbelen. Omgekeerd dwingt buitensporige interferentie het netwerk om lagere-ordemodulatie te gebruiken (bijvoorbeeld QPSK in plaats van 64‐QAM), waardoor de doorvoer drastisch wordt verminderd. Spreadspectrum pakt deze uitdaging direct aan door elke transmissie minder kwetsbaar te maken voor smalbandinterfereerders en door veel gebruikers de mogelijkheid te bieden dezelfde brede bandbreedte te delen met minimale wederzijdse interferentie.

De beginselen van Spectrum Spectrum Spectrumtechnologie

Spread spectrum verwijst naar elke transmissietechniek waarbij het signaal een bandbreedte bezet die veel breder is dan het minimum dat nodig is om de informatie te verzenden. Het belangrijkste idee is om de energie van het signaal over een breed frequentiebereik te verspreiden, zodat het lijkt op ruis voor elke ontvanger die de verspreidingscode niet kent. Er zijn twee primaire vormen gebruikt in cellulaire netwerken:

Direct sequentie Spread Spectrum (DSSS)

In DSSS wordt de datastroom vermenigvuldigd met een hoog-snelheids verspreidingscode (vaak een pseudo-willekeurige volgorde genaamd een chip-sequentie). Elke data bit wordt vertegenwoordigd door vele chips, die het signaal over een brede bandbreedte spreidt. De ontvanger correleert het binnenkomende signaal met dezelfde code om het terug te verspreiden naar de oorspronkelijke smalbandgegevens. Elke storing die binnen de brede band valt wordt ook verspreid maar omdat het niet overeenkomt met de code, blijft het breedband en verschijnt als laag-niveau geluid na correlatie. Dit effect heet procesgewin]. Wiskundig gezien, verwerking gain (in dB) = 10 log10(chip rate .

Frequentie Spectrum voor Hopping Spread (FHSS)

FHSS verandert snel de draagfrequentie van het uitgezonden signaal volgens een pseudo-random patroon dat zowel zender als ontvanger bekend is. De tijd waarin elke frequentie zich bevindt is kort (bijv. een paar milliseconden). Als een bepaalde frequentie storing ondergaat, gaat slechts een klein deel van de gegevens verloren, wat kan worden gecorrigeerd door voorwaartse foutcorrectie of doorgifte. FHSS komt minder vaak voor in cellulaire dan DSSS maar wordt gebruikt in sommige IoT en militaire toepassingen. Bluetooth is een bekend FHSS-systeem, maar niet voor cellulaire toepassingen.

Andere varianten

Tijd-hoppen spread spectrum en thirp spread spectrum bestaan maar zijn niche. In cellulaire, de dominante aanpak is DSSS, vaak gecombineerd met codedeling multiple access (CDMA) , die een unieke verspreiding code aan elke gebruiker toewijst zodat alle gelijktijdig kunnen verzenden over dezelfde brede frequentieband zonder interfereren.

Hoe Spectrum Spectrum verspreidt Vermindert Cross-Channel Interferentie

Spread spectrum bestrijdt cross-channel interferentie via verschillende mechanismen die samenwerken:

Verwerkingswinst

Zoals beschreven, biedt DSSS een verwerkingswinst die smalbandinterferers onderdrukt door de verspreidingsfactor. Als een aangrenzende kanaaltransmissie energie lekt in de pasband van de ontvanger, verspreidt het correlatieproces zich over de bandbreedte van de chipsnelheid, waardoor de vermogensspectraaldichtheid wordt verminderd. Dit verbetert direct de SINR. Omdat de verwerkingswinst een fundamentele eigenschap is van de verspreiding, worden zelfs sterke interferers effectief verzwakt.

Code-afdeling Meerdere toegang (CDMA)

In CDMA-systemen wordt het signaal van elke gebruiker verspreid met een unieke code die bijna orthogonaal is aan de codes van alle andere gebruikers. Wanneer de ontvanger zijn doelgebruiker signaal verspreidt, blijven de signalen van andere gebruikers verspreid en verschijnen als laag-niveau lawaai. Dit stelt veel gebruikers in staat om hetzelfde breedbandkanaal te delen zonder de strikte frequentieplanning vereist in FDMA of TDMA-systemen. Cross-kanaalinterferentie wordt verminderd omdat er geen aangrenzende frequentiekanalen in de traditionele zin van het woord zijn alle gebruikers bezetten dezelfde brede band, dus het concept van . .adjacent kanaal . In plaats daarvan, de restinterferentie wordt gecontroleerd door code orthogonaliteit en machtscontrole.

Frequentiediversiteit

Spread spectrum zorgt automatisch voor frequentiediversiteit. Omdat het signaal een grote bandbreedte heeft, vervagen smalband (veroorzaakt door multipath nulls) slechts een klein deel van het signaal. De rest van de transmissie blijft intact en fout-correctie codes kunnen de verloren bits herstellen. Dit vermindert de effectieve impact van zowel co-channel als cross-channel interferentie die kan variëren met frequentie.

Vriendheid aan het nabije vervaagde effect

Het bijna-verre effect is een belangrijke bron van dwarskanaalinterferentie: een nabijgelegen mobiele transmissie op een naastgelegen kanaal kan de ontvanger verzadigen en desensibiliseren tot een zwak signaal op het gewenste kanaal. Spreadspectrum vermindert dit omdat de verspreidingscodes gelijktijdige transmissie op dezelfde band mogelijk maken; het sterke signaal van de nabijgelegen gebruiker wordt nog steeds met zijn eigen code verspreid, terwijl het zwakke signaal van de verre gebruiker apart wordt verspreid. CDMA vereist echter een zorgvuldige stroomregeling om alle signalen op ongeveer gelijke kracht op het basisstation te houden, anders zou het signaal van de nabijgelegen gebruiker domineren. In de praktijk houdt snelle gesloten-lus-energieregeling (800 Hz in IS‐95) het storingsniveau in toom.

Real-World Application: CDMA en 3G Cellular Networks

Het meest prominente commerciële succes van spread spectrum in cellulaire is de IS‐95 (cdmaOne) en later cdma2000 en WCDMA (UMTS) standaarden. Allen DSSS gebruiken met CDMA. In een 3G WCDMA netwerk, elk 5-MHz kanaal ondersteunt veel gebruikers tegelijkertijd. De verspreidingsfactor (aantal chips per data symbool) kan variëren van 4 tot 512, aanpassing aan datasnelheid en kanaal omstandigheden. Deze flexibiliteit stelt operators in staat om af te wisselen doorvoer voor interferentie immuniteit.

Uit metingen van reële implementaties blijkt dat WCDMA-netwerken een spectrale efficiëntie van 1

LTE en OFDMA: een andere aanpak

Terwijl 4G LTE gebruik maakt van orthogonale frequentieverdelingsmultiple access (OFDMA) in plaats van DSSS, bevat het nog steeds spread-spectrumconcepten. LTE downlink OFDMA partitioneert de bandbreedte in veel orthogonale subcarriers; interferentie wordt beheerd door zorgvuldige resource-planning en intercell interferentie coördinatie (ICIC). LTE gebruikt echter een vorm van spread spectrum in zijn uplink: single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC‐FDMA) verspreidt elke gebruiker gegevens over een reeks aaneengesloten subcarriers, waardoor een lage piek-tot-gemiddelde vermogensratio wordt geboden. Bovendien biedt LTE.E.S frequency‐domain printing inherent aan frequentiediversiteit, vergelijkbaar met het spectrum.

5G Nieuwe radio: uitbreiding van de beginselen

5G NR verfijnt het interferentiebeheer verder. Het ondersteunt schaalbare numerologie (subcarrierafstand) om zich aan te passen aan verschillende kanaalbreedtes. Terwijl 5G. het primaire meervoudige toegangssysteem OFDMA blijft voor downlink en DFT‐s‐OFDM voor uplink, worden technieken als grant-free access[ en non-orthogonal multiple access (NOMA) ] onderzocht. Deze effectieve hergebruiks-spread-spectrum ideeën: NOMA superimponeert gebruikers in het power domein en maakt gebruik van opeenvolgende interferentie-annuleringen bij de ontvanger .

Praktische voordelen: Case Studies en Metrics

Het voordeel van het spreidspectrum in het verminderen van de dwarskanaalinterferentie kan worden gekwantificeerd via netwerksimulaties en veldmetingen. Zo blijkt uit een studie van de IEEE dat in een dichte stedelijke macrocel, met behulp van CDMA met een verwerkingswinst van 32 (15 dB) de effectieve cross-channelinterferentie met ongeveer 10 dB vermindert in vergelijking met een gelijkwaardig FDMA-systeem met dezelfde totale bandbreedte. Dit betekent een toename van 50 procent in cel-edge doorvoer.

Een ander datapunt in de reële wereld: tijdens de vroege uitrol van CDMA-netwerken eind jaren negentig, kwamen de exploitanten tot de conclusie dat zij vanwege de superieure interferentietolerantie minder basisstations konden inzetten dan GSM.De vermindering van de interchannelinterferentie betekende dat dezelfde frequentieband agressiever hergebruikt kon worden, waardoor de kapitaalgoederen zouden dalen.

Veiligheid als nevenvoordeel

Hoewel niet strikt over cross-channel interferentie, het feit dat spread-spectrum signalen verschijnen als lawaai aan onbedoelde ontvangers voegt een laag van beveiliging. Een afluisteraar die niet weet dat de verspreiding code kan niet gemakkelijk het signaal te herstellen. In cellulaire, dit is minder een primaire ontwerp doel dan in militaire systemen, maar het vermindert het risico van ongedwongen onderschepping vooral in de vroege CDMA dagen wanneer encryptie was optioneel.

Uitdagingen en beperkingen

Het verspreidingsspectrum is geen wondermiddel, maar een combinatie van:

  • Bandbreedtevereiste: Het verspreiden van het signaal vereist meer bandbreedte dan alleen de gegevenssnelheid nodig heeft. In een omgeving met een spectrumbeperking kan dit kostbaar zijn. In moderne netwerken balanceren exploitanten de spreidingsfactor tegen capaciteit.
  • Motorbesturingscomplex: Om het bijna-verre probleem te vermijden, hebben CDMA-systemen een strakke stroomregeling nodig. Dit voegt bovenbouw toe en kan moeilijk zijn in scenario's met hoge mobiliteit (bv. snelle treinen).
  • Multi-user interferentie: Naarmate het aantal gebruikers toeneemt, groeit de resterende interferentie na het uitspreiden. Systemen worden eerder beperkt tot interferentie dan tot ruis.Daarom is de capaciteit van de cDMA zwak [de gebruikers zijn minder afhankelijk van de doorvoer.
  • Latency: De verwerking die nodig is voor het ontspreiden kan latency toevoegen, hoewel moderne digitale signaalprocessors het in microseconden verwerken.

Ondanks deze uitdagingen blijft het spectrum een fundamenteel concept. Zelfs in OFDM-gebaseerde systemen worden de principes van de verwerkingswinst en frequentiediversiteit indirect toegepast door technieken als sparse code multiple access (SCMA) en pattern divisie multiple access (PDMA) .

Externe middelen

Voor nadere informatie, de volgende gezaghebbende bronnen verstrekken diepere technische details:

Vooruitblik: Spreiding Spectrum in 6G

Naarmate het onderzoek naar 6G begint, worden de spectrumconcepten van het spread spectrum opnieuw bekeken. Terahertz-communicatie, die lijdt aan een hoog baanverlies en atmosferische absorptie, kan profiteren van frequentie-hopping en zeer brede bandbreedtes. Niet-terrestriale netwerken (satellieten) gebruiken ook spread spectrum om spectrum te delen met terrestrische systemen. Het fundamentele principe .Trading bandbreedte voor interferentie robuustheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Samengevat is de spectrumtechnologie voor verspreiding een cruciaal instrument geweest en blijft zij een belangrijk instrument om de interchannelinterferentie in cellulaire netwerken te verminderen. Door de verwerking van de winst, de frequentiediversiteit en de op codes gebaseerde meervoudige toegang te benutten, kunnen gebruikers de hoge capaciteit en betrouwbaarheid van moderne mobiele breedband verwachten. Naarmate het spectrum nog meer wordt overbelast, zal de wijsheid van het verspreiden van signalen in plaats van het bestrijden van smalle sneetjes alleen maar belangrijker worden.