Table of Contents

Введение: Проблема межканального вмешательства в сотовые сети

Современные сотовые сети спроектированы для обслуживания миллионов одновременных соединений в ограниченных радиочастотных диапазонах. По мере того, как потребление мобильных данных растет экспоненциально, сетевые операторы сталкиваются с постоянным давлением, чтобы выжать больше емкости из того же спектра. Одним из наиболее постоянных препятствий для этой цели является перекрестное помехи каналам — нежелательная связь сигналов между соседними или близлежащими частотными каналами. Эта помеха ухудшает отношение сигнала к шуму, снижает пропускную способность данных, увеличивает частоту ошибок и может даже вызвать снижение вызовов в плотных городских условиях.

Для борьбы с этими проблемами инженеры приняли семейство методов, известных как технология широковещательного спектра . Первоначально разработанная для военных коммуникаций из-за ее устойчивости к помехам и перехвату, широковещательный спектр теперь является краеугольным камнем коммерческих беспроводных систем, включая 3G (CDMA), 4G LTE и 5G New Radio. В этой статье объясняется, как работает широковещательный спектр, почему он так эффективен при уменьшении помех поперечного канала и где он применяется в реальных сотовых развертываниях.

Понимание межканального вмешательства в деталях

Помехи поперечного канала возникают, когда энергия от передачи по одному частотному каналу перетекает в соседний канал. В сотовой сети базовым станциям и мобильным устройствам присваиваются конкретные частотные каналы в пределах лицензионной полосы. В идеале эти каналы изолируются полосами охраны и фильтрации. На практике утечка вызывает несколько факторов:

  • Несовершенная фильтрация в передатчиках и приемниках позволяет внеполосным выбросам достигать соседних каналов.
  • Нелинейные стадии усиления могут генерировать гармоники и продукты интермодуляции, которые приземляются на другие каналы.
  • Ближайший эффект — сильный сигнал от соседнего устройства может перегружать более слабый сигнал на соседнем канале от удаленного устройства, эффективно создавая помехи.
  • Частотные модели повторного использования в клеточных кластерах предназначены для минимизации помех, но помехи соканала и соседних каналов все еще происходят на краях ячеек.

Когда несколько операторов совместно используют соседние блоки спектра (или когда нелицензированные полосы пересекаются с лицензированными полосами), межканальные помехи становятся еще более острыми. Результатом является снижение пропускной способности сети: меньшее количество пользователей может обслуживаться с высокой скоростью передачи данных, а общая спектральная эффективность падает.

Измерение стоимости вмешательства

Помехи количественно оцениваются с использованием таких показателей, как отношение сигнала к помехе плюс шум (SINR) . В реальных развертываниях макросот улучшение SINR на 3 дБ может примерно удвоить достижимую скорость передачи данных при определенных условиях. И наоборот, чрезмерные помехи вынуждают сеть использовать модуляцию более низкого порядка (например, QPSK вместо 64-QAM), резко сокращая пропускную способность. Расширенный спектр напрямую решает эту проблему, делая каждую передачу менее уязвимой для узкополосных интерференторов и позволяя многим пользователям использовать одну и ту же широкую полосу пропускания с минимальными взаимными помехами.

Принципы технологии распространения спектра

Спектр распространения относится к любой технике передачи, в которой сигнал занимает полосу пропускания гораздо шире минимального необходимого для передачи информации. Ключевая идея заключается в распространении энергии сигнала по широкому частотному диапазону, чтобы он напоминал шум любому приемнику, не знающему кода распространения. В сотовых сетях используются две первичные формы:

Спектр прямого распространения последовательности (DSSS)

В DSSS поток данных умножается на высокоскоростной распространяющий код (часто псевдослучайную последовательность, называемую чип ] последовательность. Каждый бит данных представлен множеством чипов, которые распространяют сигнал по широкой полосе. Приемник коррелирует входящий сигнал с тем же кодом, чтобы пресечь его обратно к исходным узкополосным данным. Любые помехи, которые попадают в широкую полосу, также пресечены — но поскольку он не соответствует коду, он остается широкополосным и появляется как низкоуровневый шум после корреляции. Этот эффект называется усиление обработки . Математически, усиление обработки (в dB) = 10 log10 (скорость чипа ÷ скорость передачи данных). Типичные усиления 20–50 dB делают DSSS чрезвычайно надежным против узкополосных помех.

Спектр частотного скачка (FHSS)

FHSS быстро меняет несущую частоту передаваемого сигнала по псевдослучайному шаблону, известному как передатчику, так и приемнику. Время ожидания на каждой частоте короткое (например, несколько миллисекунд). Если конкретная частота страдает от помех, теряется только небольшая часть данных, которую можно исправить путем прямой коррекции ошибок или ретрансляции. FHSS менее распространен в сотовой связи, чем DSSS, но используется в некоторых IoT и военных приложениях. Bluetooth является хорошо известной системой FHSS, хотя и не для сотовой связи.

Другие вариации

Распределенный спектр с временным переключением и , охватывающий распределённый спектр, существует, но является нишевым.В сотовой связи доминирующим подходом является DSSS, часто в сочетании с , который присваивает уникальный распределённый код каждому пользователю, чтобы все могли передавать одновременно по одной и той же широкой полосе частот без вмешательства.

Как спектр распространения уменьшает поперечное вмешательство

Спектр распространения борется с межканальными помехами с помощью нескольких механизмов, которые работают вместе:

Обработка прибыли

Как описано, DSSS обеспечивает прирост обработки, который подавляет узкополосные интерфереры коэффициентом распространения. Если прилегающая к каналу передача утечка энергии в полосу пропускания приемника, процесс корреляции распространяется, что утечка по полосе пропускания скорости чипа, уменьшая его спектральную плотность мощности. Это непосредственно улучшает SINR. Поскольку прирост обработки является фундаментальным свойством операции распространения, даже сильные интерфераторы эффективно ослабляются.

Многократный доступ к кодовому разделению (CDMA)

В системах CDMA сигнал каждого пользователя распространяется с помощью уникального кода, который почти ортогонально относится к кодам всех других пользователей. Когда приемник распространяет сигнал своего целевого пользователя, сигналы от других пользователей остаются распространенными и появляются в виде низкоуровневого шума. Это позволяет многим пользователям совместно использовать один и тот же широкополосный канал без строгого планирования частоты, требуемого в системах FDMA или TDMA. Помехи поперечного канала уменьшаются, потому что нет смежных частотных каналов в традиционном смысле - все пользователи занимают одну и ту же широкую полосу, поэтому концепция «примыкающего канала» становится бессмысленной. Вместо этого остаточные помехи управляются ортогональностью кода и контролем мощности.

Частотное разнообразие

Распределенный спектр автоматически обеспечивает многообразие частот. Поскольку сигнал занимает широкую полосу пропускания, узкополосное затухание (вызванное многолучевыми нулями) влияет только на небольшую часть сигнала. Остальная часть передачи остается неповрежденной, а коды коррекции ошибок могут восстанавливать потерянные биты. Это снижает эффективное воздействие как ко-канальных, так и кросс-канальных помех, которые могут варьироваться с частотой.

Устойчивость к эффекту ближнего и дальнего

Ближайший эффект является основным источником помех поперечного канала: близлежащая мобильная передача на соседнем канале может насыщать приемник и десенсибилизировать его до слабого сигнала на желаемом канале. Спектр распространения смягчает это, потому что распространяющиеся коды позволяют одновременно передавать на одной полосе; сильный сигнал от близкого пользователя по-прежнему распространяется с его собственным кодом, в то время как слабый сигнал от дальнего пользователя по-прежнему распространяется отдельно. Однако CDMA требует тщательного управления мощностью, чтобы все сигналы были примерно равны по мощности на базовой станции, в противном случае сигнал близкого пользователя будет доминировать. На практике быстрое управление мощностью замкнутого цикла (800 Гц в IS-95) контролирует уровни помех.

Реальное применение: CDMA и 3G сотовые сети

Наиболее заметный коммерческий успех спред-спектра в сотовой связи — стандарты IS-95 (cdmaOne) и более поздних cdma2000 и WCDMA (UMTS). Все используют DSSS с CDMA. В сети 3G WCDMA каждый канал 5 МГц поддерживает множество пользователей одновременно. Коэффициент распространения (количество чипов на символ данных) может варьироваться от 4 до 512, адаптируясь к скорости передачи данных и условиям канала. Эта гибкость позволяет операторам отменять пропускную способность для помех иммунитета.

Измерения от реальных развертываний показывают, что сети WCDMA могут достигать спектральной эффективности 1-2 bps/Hz, что значительно выше, чем у предыдущих GSM (0,3 bps/Hz). Снижение помех поперечных каналов — поскольку смежные каналы больше не существуют в том же смысле — является ключевой причиной этого улучшения. Помехи от соседних клеток все еще присутствуют (называемые ] помехи других ячеек ), но управляются с помощью мягкой передачи и управления мощностью.

LTE и OFDMA: разные подходы

В то время как 4G LTE использует многократный доступ с ортогональным разделением частот (OFDMA), а не DSSS, он по-прежнему включает концепции спред-спектра. нисходящая линия OFDMA LTE разделяет полосу пропускания на многие ортогональные поднесущие; интерференция управляется тщательным планированием ресурсов и координацией интерференций между ячейками (ICIC). Однако LTE использует форму спектра спреда в своей восходящей линии связи: однонесущий частотный дивизион множественного доступа (SC-FDMA) распространяет данные каждого пользователя по набору смежных поднесущих, обеспечивая низкое отношение мощности к пику-среднему. Кроме того, планирование частотной области LTE по своей сути обеспечивает многообразие частот, аналогичное по духу распространению спектра.

5G: Расширение принципов

5G NR дополнительно совершенствует управление помехами. Он поддерживает масштабируемую нумерологию (расстояние поднесущей) для адаптации к различным ширинам канала. В то время как основная схема множественного доступа 5G остается OFDMA для нисходящей линии связи и DFT-s-OFDM для восходящей линии связи, изучаются такие методы, как безгрантовый доступ и неортогональный множественный доступ (NOMA) . Эти эффективно повторно используемые идеи широкого спектра: NOMA накладывает пользователей в область мощности и использует последовательное аннулирование помех на приемнике - опять же, форма кодоподобного разделения.

Практические преимущества: тематические исследования и метрики

Количественное определение пользы распределённого спектра в снижении помех поперечного канала может быть выполнено с помощью сетевого моделирования и полевых измерений. Например, исследование, опубликованное IEEE, показало, что в плотной городской макроячейке использование CDMA с приростом обработки 32 (15 дБ) снижает эффективную помеху поперечного канала примерно на 10 дБ по сравнению с эквивалентной системой FDMA с той же общей пропускной способностью. Это приводит к 50-процентному увеличению пропускной способности на краю ячейки.

Еще один реальный момент: во время раннего развертывания сетей CDMA в конце 1990-х годов операторы обнаружили, что они могут развертывать меньше базовых станций, чем GSM, из-за превосходной помехозащищенности. Снижение помех поперечных каналов означало, что один и тот же частотный диапазон можно использовать более агрессивно, снижая капитальные затраты.

Безопасность как побочная выгода

Хотя это не строго касается помех поперечным каналам, тот факт, что сигналы спред-спектра появляются в виде шума для непреднамеренных приемников, добавляет уровень безопасности. Подслушивающий, который не знает код распространения, не может легко восстановить сигнал. В сотовой связи это менее основная цель проектирования, чем в военных системах, но это снижает риск случайного перехвата, особенно в первые дни CDMA, когда шифрование было необязательным.

Проблемы и ограничения

Спектр распространения не панацея, он имеет компромиссы:

  • Требование к пропускной способности: Распространение сигнала требует большей пропускной способности, чем требуется только скорости передачи данных. В условиях ограниченного спектра это может быть дорогостоящим. В современных сетях операторы уравновешивают коэффициент распространения по емкости.
  • Сложность управления мощностью: Чтобы избежать проблемы ближнего расстояния, системы CDMA требуют жесткого управления мощностью. Это добавляет накладные расходы и может быть затруднено в сценариях высокой мобильности (например, быстрые поезда).
  • Многопользовательские помехи:] По мере увеличения числа пользователей остаточные помехи после деспрейдинга растут. Системы становятся помехо-ограниченными, а не шумо-ограниченными. Вот почему емкость CDMA мягкая — чем больше пользователей, тем ниже пропускная способность каждого пользователя.
  • Задержка: Обработка, необходимая для распространения, может добавить задержку, хотя современные цифровые процессоры сигналов обрабатывают её в микросекундах.

Несмотря на эти проблемы, распределённый спектр остаётся основополагающей концепцией.Даже в системах на основе OFDM принципы усиления обработки и многообразия частот косвенно применяются с помощью таких методов, как спарз кода множественного доступа (SCMA) и многократный доступ с разделением шаблонов (PDMA).

Внешние ресурсы

Для дальнейшего чтения следующие авторитетные источники предоставляют более подробную техническую информацию:

Впереди: Расширение спектра в 6G

По мере начала исследований 6G концепции спред-спектра пересматриваются. Терагерцовые коммуникации, которые страдают от высокой потери пути и поглощения атмосферы, могут извлечь выгоду из частотного переключения и очень широких полос пропускания. Неземные сети (спутники) также используют спред-спектр для совместного использования спектра с наземными системами. Фундаментальный принцип — торговая полоса пропускания для устойчивости к помехам — остается актуальным как никогда.

Таким образом, технология спред-спектра была и остается критически важным инструментом для снижения кросс-канальных помех в сотовых сетях. Используя преимущества обработки, частотное разнообразие и кодовый множественный доступ, она обеспечивает высокую пропускную способность и надежность, которые пользователи ожидают от современного мобильного широкополосного доступа. По мере того, как спектр становится еще более перегруженным, мудрость распространения сигналов шире, а не борьба за узкие срезы будет только становиться более важной.