Code Division Multiple Access (CDMA) лежит в основе многих устаревших и современных беспроводных сетей, включая IS-95, CDMA2000 и WCDMA (UMTS). Определяющей инновацией в этих системах является рейк-приемник, специализированная архитектура, которая превращает традиционную беспроводную ответственность - многолучевое распространение - в актив производительности. Благодаря последовательному объединению нескольких отложенных копий одного и того же сигнала рейк-приемники значительно улучшают надежность связи, пропускную способность и пропускную способность данных. В этой статье рассматриваются принципы работы, детали реализации, преимущества и актуальность рейк-приемников в приеме сигнала CDMA.

Что такое Rake Receiver?

Рейк-приемник — это радиоприемник, предназначенный для использования многолучевого распространения, а не страдать от него. В типичных беспроводных средах передаваемые сигналы отражаются от зданий, местности и движущихся объектов, создавая несколько копий, которые достигают приемника в разное время и с различными амплитудами и фазами. Без специальной обработки эти отложенные копии вызывают интерсимволические помехи и затухание. Рейк-приемник, названный по своему сходству с садовым рейком с несколькими зубцами, использует несколько независимых корреляторов (называемых ], чтобы захватывать, выравнивать и комбинировать эти отложенные реплики конструктивно. Результатом является увеличение разнообразия, которое увеличивает отношение сигнал-шум (SNR) и снижает частоту ошибок.

Исторический контекст

Концепция была впервые предложена Робертом Прайсом и Полом Э. Грином в 1950-х годах для радиолокационной и спред-спектральной связи. Она стала коммерчески практичной с появлением сотовых систем CDMA в 1990-х годах, где широкая полоса пропускания и ортогональные коды сделали многолучевые разрешимые. Сегодня рейк-приемники остаются неотъемлемой частью сетей 3G и продолжают влиять на дизайн приемников в 4G и 5G через гибридные архитектуры.

Как работает ресивер-рейк?

Ресивер рейка работает в три основных этапа: многолучевое обнаружение , синхронизация и отслеживание и когерентное объединение . Каждый палец ресивера обрабатывает конкретный путь распространения. Типичный рейк-приемник может иметь от трех до шести пальцев, хотя в продвинутых реализациях используется больше.

Многолучевое обнаружение и назначение пальцев

Приемник сначала использует поисковый коррелятор, который непрерывно сканирует временной домен для сильных многолучевых компонентов. Распределительный код, используемый в CDMA, создает высокую автокорреляцию, поэтому сопоставленная фильтрация показывает различные пики корреляции, соответствующие различным задержкам пути. Самые сильные пики назначаются отдельными граблями пальцев. Этот процесс динамичен: по мере движения мобильной станции задержки пути меняются, и пальцы должны быть переназначены - часто каждые несколько миллисекунд.

Демодуляции и демодуляции на палец

Каждый палец распускает свою назначенную отложенную копию с использованием той же последовательности псевдослучайного шума (PN), но смещается в соответствии со временем прибытия этого пути. Операция рассредоточения сжимает широкополосный сигнал обратно к символу данных узкополосного диапазона, отвергая помехи от других пользователей. После рассредоточения каждый палец выполняет оценку канала для определения амплитуды и фазового вращения, введенного каналом распространения. Эта информация имеет решающее значение для когерентного объединения.

Комбинация методов

Ключом к производительности рейк-приемника является алгоритм комбинирования. Наиболее распространенным является комбинирование максимального соотношения (MRC) , где выход каждого пальца взвешивается по его предполагаемому увеличению канала, а затем суммируется по фазе. MRC максимизирует выход SNR, когда шум в каждой ветви не коррелирует — обоснованное предположение для многолучевых компонентов, разделенных более чем продолжительностью чипа. Другие методы включают равное комбинирование усиления (EGC) и выбор комбинирования , но MRC предлагает превосходную производительность на практике.

Комбинированный сигнал затем передается декодеру (например, декодеру Витерби) для исправления ошибок. Поскольку рейк-приемник использует присущее ему разнообразие, эффективный бюджет канала связи улучшается, позволяя системам CDMA работать при меньшей мощности передачи и с более высокой плотностью пользователя.

Почему системам CDMA нужны ресиверы

Структура сигнала CDMA делает его уникальным для приема граблей. В отличие от узкополосных систем, где многолучевой путь вызывает глубокое частотно-селективное затухание, широкая полоса пропускания CDMA разрешает отдельные эхо с задержками, превышающими один период чипа. Каждый разрешенный путь несет те же данные, но с независимой статистикой затухания. Без рейкового приемника обычный согласованный фильтр захватывал бы только самый сильный путь, теряя энергию на других путях и делая систему уязвимой для затухания.

Распространение кодов и ортогональность

Распределительные коды, используемые в прямой линии связи (нижней линии связи), предназначены для ортогонального устранения внутриклеточных помех. Однако мультипат разрушает ортогональность, поскольку задерживающиеся реплики появляются в качестве мешающих сигналов. Ресивер грабежа смягчает это, выравнивая и комбинируя предполагаемый сигнал, рассматривая другие пути как шум только в том случае, если они не коррелируют. В восходящей линии связи, где каждый пользователь имеет уникальный код скремблирования, прием грабежа еще более важен, потому что сигналы от разных мобильных устройств поступают со случайным временем и должны быть разделены корреляцией кода.

Основные преимущества ресиверов в CDMA

  • Увеличение диверсификационных характеристик в отношении угасания: Благодаря объединению нескольких независимо выцветших путей вероятность одновременного глубокого выцветания на всех путях резко снижается. Это приводит к улучшению бюджета связи на 3-10 дБ в зависимости от окружающей среды.
  • Остойчивость к помехам: MRC подавляет шум и помехи от других клеток, потому что вес естественным образом придает меньшее значение слабым или шумным путям.В сочетании с выигрышем от обработки от распространения рейк-приемники могут работать при отрицательных SNR в рассредоточенном домене.
  • Поддержка мягкой передачи: В сетях CDMA мобильные станции подключаются к нескольким базовым станциям во время передачи. Ресивер грабежа может назначать пальцы сигналам из разных секторов или ячеек, комбинируя их, чтобы сделать передачу бесшовной (мягкая передача). Это резко снижает перепады вызовов.
  • Улучшенная емкость: Понижая требуемую мощность передачи для данного качества обслуживания, рейк-приемники позволяют больше одновременных пользователей на ячейку. Некоторые исследования показывают увеличение емкости на 30-50% по сравнению с системами без многолучевого объединения.
  • Совместимость с модуляцией более высокого порядка: По мере того, как CDMA развивалась для поддержки 16-QAM и 64-QAM в HSPA+, рейк-приемники обеспечивали необходимый запас SNR, хотя позже они были дополнены эквалайзерами для обработки более высоких скоростей передачи данных.

Ограничения и современная актуальность

Несмотря на свои сильные стороны, рейк-приемники имеют ограничения, которые становятся очевидными в сетях 4G и 5G. Их производительность ухудшается, когда задержки мультипутеводителей короче, чем продолжительность чипа (например, в закрытых средах с очень плотными отражениями). Кроме того, рейк-приемники требуют выделенного пальца на разрешимый путь, который становится вычислительно дорогим, когда спред задержки большой. В современных системах ортогонального мультиплексирования с частотным разделением (OFDM), таких как LTE и 5G NR, приемник использует циклические префиксы и эквалайзеры частотной области для обработки мультипатов без рейковой архитектуры. Однако многие 3G и устаревшие сети 2G по-прежнему полагаются на рейк-приемники, и они остаются активной областью исследований для новых сценариев, таких как и .

Гибридные подходы

Некоторые продвинутые приемники объединяют грабли с линейными эквалайзерами (например, эквалайзерами чипов LMMSE), которые отбеливают остаточные помехи. Это распространено в модемах HSPA+, где эквалайзер заранее уменьшает интерсимволические помехи, прежде чем грабли соединит оставшиеся пути. В 5G грабли-подобные концепции появляются в виде оценки канала во времени и объединения для узкополосных IoT или в полнодуплексных системах, где многолучевое самовмешательство должно быть отменено.

Заключение

Рецептор рейка является краеугольным камнем технологии CDMA, превращая многолучевое распространение из обязательства в ценный источник разнообразия. Благодаря последовательному объединению нескольких копий отложенного сигнала он обеспечивает надежный, высококачественный прием даже в сложных угасающих средах. В то время как новые воздушные интерфейсы перешли к конструкциям на основе эквалайзера и OFDM-центра, принципы рейка приема - сочетание разнообразия временных областей и отказ от помех - продолжают информировать передовые архитектуры рейка. Понимание роли рейка ресивера имеет важное значение для всех, кто работает в беспроводной связи, от сетевого планирования до современного дизайна.

Для дальнейшего чтения изучите оригинальную статью о ценах и зеленых рейк-приемниках , обзор 3GPP эволюции CDMA , лекцию в университете о реализации рейк-приемника и анализ производительности рейк-приемника в контекстах 5G .