Moduł skramblowania i rozpraszania widma

Moduł skramblowania i rozpraszania widma, którego schemat przedstawiono na rysunku 4-2, jest zgodny z [3GP09] i składa się z: kodera modulatora, modułu

rozpraszania oraz modułu skramblowania zespolonego.

Strumień bitów w kanale fizycznym, pochodzący z bloku formowania ramek (rys. 4-1), po rozdzieleniu na gałęzie synfazową I (inphase) i kwadraturową Q (quadrature) trafia na wejście kodera modulatora (Modulation mapper).

Rysunek 4-2: Schemat modułu rozpraszania i skramblowania

Tryb pracy kodera modulatora zależy od wykorzystywanej modulacji. W systemie UMTS dopuszcza się stosowanie kilku rodzajów modulacji wielowartościowych, tj. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) [Pap92], 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) [Pap92] oraz 64QAM. Modulacja QPSK jest podstawową modulacją systemu UMTS przewidzianą do wykorzystania od samego początku prac standaryzacyjnych nad tym systemem. Stosuje się ją zarówno dla transmisji głosu, jak i strumieni danych oraz treści multimedialnych. Użycie modulacji o wyższej wartościowości niż 4 wprawdzie umożliwia osiąganie większych szybkości transmisji, jednak wymaga też większych wartości stosunku średniej energii sygnału, liczonej na jeden bit informacji, do widmowej gęstości mocy szumu i interferencji na wejściu odbiornika. Modulacje 16QAM i 64QAM znalazły zastosowanie w systemach szybkiej transmisji danych HSPA (High Speed Packet Access) [Koł09], pojawiając się sukcesywnie wraz z nowymi wersjami standardu. Było to związane głównie z pracami nad zwiększeniem szybkości transmisji danych bez konieczności poszerzania pasma częstotliwości kanału radiowego, a także z możliwościami technicznym, a więc rozwojem elektroniki oraz metod cyfrowego przetwarzania sygnałów. Modulacja 16QAM pojawiła się w wydaniu piątym (Release 5) standardu 3GPP [3GP03] natomiast 64QAM w wydaniu siódmym (Release 7) [3GP08].

W przypadku modulacji QPSK koder modulatora dokonuje przekształcenia bitu „0” na wartość 1 oraz bitu „1” na wartość minus 1. Działanie kodera modulatora w przypadku modulacji 16QAM jest zdecydowanie bardziej skomplikowane. Przede

wszystkim kodowana jest czwórka bitów i1q₁i₂q₂ odpowiednio w gałęziach I oraz Q,

którym przyporządkowane zostają wartości zgodnie z 3GPP TS 25.213 [3GP09]. Z kolei dla modulacji 64QAM działanie kodera modulatora jest podobne jak dla modulacji 16QAM, z tym, że kodowane jest nie cztery, a sześć bitów. Wartości przyporządkowywane poszczególnym „szóstkom” bitów można znaleźć w [3GP09].

Symulator opracowany na potrzeby niniejszej rozprawy, umożliwia implementację wszystkich modulacji przewidzianych w wydaniu siódmym.

Do implementacji kodera modulatora w symulatorze łącza „w dół”systemu UMTS wykorzystano obiekty modulatorów modem.pskmod oraz modem.qammod, stanowiące integralną część Communication Toolbox pakietu MATLAB.

W module rozpraszania do rozpraszania widma sygnałów, we wszystkich kanałach fizycznych interfejsu radiowego WCDMA systemu UMTS wybrano rodzinę ciągów OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) [3GP09]. W skład rodziny ciągów OVSF wchodzą ciągi o różnych długościach, co umożliwia uzyskanie różnych

wartości współczynnika rozpraszania SF. Każdy ciąg “+”,N€,6 zdefiniowany jest

jednoznacznie poprzez swoją długość hi oraz numer ciągu < ∈ < 0, hi − 1 >.

Sygnały z gałęzi synfazowej I oraz kwadraturowej Q kodera modulatora są rozpraszane za pomocą tego samego kodu OVSF, zgodnie z równaniami:

_B=
_B“_Cℎ,hi,<

_ˆ=
_ˆ“_Cℎ,hi,< ^(4-1) (4-2)

gdzie:
—,
˜ są sygnałami pochodzącymi z wyjścia kodera modulatora,

odpowiednio z gałęzi synfazowej i kwadraturowej, “+”,N€,6 jest ciągiem

rozpraszającym OVSF , a

_— i

˜ są sygnałami z poszerzonym widmem

(spread signal), odpowiednio w gałęzi synfazowej i kwadraturowej.

Rozpraszanie widma sygnału polega na prostym wymnożeniu każdego symbolu z wyjścia kodera modulatora przez sekwencje kodu rozpraszającego i jest operacją

niezależną od liczby poziomów modulacji. Zakodowane symbole sygnału


pojawiają się na wejściu układu rozpraszającego, w odstępach , równych czasowi

trwania pojedynczego symbolu. Czas ten zależy od przepływności bitowej kanału (Channel Bit Rate), i jest tym krótszy im większa jest wymagana przepływność kanału.

W systemie UMTS, dla danej modulacji, przepływność bitowa jest ustalana na etapie wyboru formatu szczeliny (Slot Format) ramki kanału fizycznego DPCH ( [3GP091] – Tabela 11). Format szczeliny definiuje również szereg innych parametrów, takich jak sekwencję ciągów pilota kanału DPCCH, liczbę bitów sterowania mocą TPC [nawr_06] [holm_04] [Koł09] czy wartość współczynnika rozpraszania SF.

Wartość współczynnika rozpraszania SF jest dobierana w taki sposób, aby zgodnie ze wzorem:

hi=

C (4-3)

czas trwania jednego czipu + był zawsze równy + = 2,6 ∙ 10Wl sekundy. Dzięki

temu czas trwania każdego sygnału po operacji rozpraszania jest jednakowy, co stanowi gwarancję stałej i ustalonej szerokości pasma sygnału z poszerzonym widmem , które ostatecznie jest formowane na etapie skramblowania zespolonego.

Wymnożenie bitów kanału fizycznego przez ciągi OVSF nie zapewnia sygnałowi wszystkich niezbędnych cech widma sygnału WCDMA, umożliwiających jego przesłanie drogą radiową. Wynika to z kilku powodów. Po pierwsze pasmo sygnału po operacji rozpraszania ciągiem OVSF nie zawsze poszerza się SF krotnie, bowiem

stopnień poszerzenia pasma silnie zależy od zastosowanego ciągu. Na przykład,

rozpraszanie ciągiem “+”,™,= 1,1,1,1 nie wpłynie na poszerzenie pasma, ponieważ

sygnał zostanie wymnożony przez jedynkę, a więc element neutralny dla operacji mnożenia. Kolejny powód jest związany z niekorzystnymi właściwościami autokorelacyjnymi sekwencji OVSF. Są one wrażliwe na wszelkie przesunięcia czasowe, które są zjawiskiem powszechnym podczas transmisji przez kanał w systemie łączności ruchomej. Dlatego niezbędne jest poprawienie właściwości widmowych oraz korelacyjnych sygnału, co jest realizowane na etapie skramblowania. W systemie UMTS stosowane są dwa rodzaje ciągów skramblujących:

• ciągi długie (Golda) hš, – 38 000 symboli

• ciągi krótkie S(2) – 256 symboli

Ponieważ w łączu „w dół” są stosowane tylko i wyłącznie ciągi długie, dlatego w symulatorze zaimplementowano jedynie generator ciągów Golda. Ciągi krótkie mogą być implementowane w łączu „w górę” w przypadku, gdy w stacji bazowej stosowane są algorytmy odbiorcze oparte na „detekcji łącznej” [Koł09]. Właściwości oraz metody generacji ciągów skramblujących można znaleźć w [Koł09] [holm_04] [3GP09].

W module skramblowania zespolonego następuje wymnożenie sygnału

zespolonego przez zespolony ciąg Golda hš,:

I =

B+ Œ

ˆ (4-4)

którego część rzeczywistą i zespoloną stanowią odpowiednio sygnały

— oraz

˜ opisane równaniami (4-1) i (4-2).

Operacji skramblowania są poddawane ramki kanału fizycznego DPCH, z których każda składa się dokładnie z 38 000 czipów. Dlatego też sekwencja skramblująca w łączu „w dół” systemu UMTS jest tworzona z pierwszych 38 000 zespolonych symboli ciągu Golda.