Шумоподобные сигналы в радиосвязи

На сегодняшний день международными соглашениями определено пять стандартов подвижной связи третьего поколения, при этом три стандарта из пяти базируются на технологии CDMA, а фактически на технологии Direct Spread CDMA (DS-CDMA) [1]. Известно, что данная технология, обладает лучшей спектральной эффективностью и помехозащищенностью, чем другие способы многостанционного доступа (TDMA, FDMA, FH-CDMA) [2].

Несмотря на стремительное развитие услуг мобильной связи, потребность в фиксированном радиодоступе в ближайшее время не исчезнет, ввиду постоянно возрастающей потребности населения в передаче больших объемов данных (Internet, потоки мультимедиа) и относительно малой пропускной способности мобильных терминалов [3].

В области связи с неподвижным абонентом не существует жестких стандартов. И хотя в ближайшее время ожидается бум, связанный с появлением аппаратуры стандартов HiperMan и 802.16a, но говорить о доминировании на рынке именно этих стандартов пока рано. Действующие на сегодняшний день рекомендации к аппаратуре фиксированного доступа носят достаточно общий характер [4-6]. Как видно из данных рекомендаций значительная часть частотного ресурса выделена под системы связи, базирующиеся на технологии DS-CDMA.

Суть DS-CDMA системы связи состоит в том, что передаваемые для каждого абонента информационные символы расширяются соответствующим псевдослучайным шумоподобным сигналом длиной L отсчетов. Подобная операция увеличивает рабочую полосу частот в L раз, но позволяет L абонентам работать одновременно.

При этом, использование шумоподобных сигналов (ШПС) обеспечивает безопасность передачи  конфиденциальной информации ввиду невозможности приема сигналов без знания структуры псевдослучайных последовательностей, используемых при генерации шумоподобных сигналов. Второй мерой защиты информации в разработанной системе является скремблирование информации длинной псевдослучайной последовательностью, закон которой может меняться программно.

Применение ШПС повышает помехоустойчивость системы связи, так как благодаря свертке по спектру частот шумоподобного сигнала на приеме по своему собственному псевдослучайному закону, мешающие сигналы развертываются по спектру частот и слабо влияют на прием полезного.

ШПС имеют большую разрешающую способность и позволяют выделять отдельные лучи при многолучевом распространении радиоволн, предотвращая их интерференцию и не допуская замираний, и позволяют складывать когерентно отдельные лучи, увеличивая мощность принимаемого сигнала. Благодаря этому зона действия систем с ШПС увеличивается, что позволяет в 2 или 3 раза уменьшить число сот для тех же зон.

Применение специальных алгоритмов обработки ШПС (Rake алгоритмы) обеспечивает дополнительную защиту от замираний за счет разрешения сигналов по дальности при многолучевом распространении радиоволн и их сложении (в ряде случаев когерентном). Полученный от этого энергетический выигрыш облегчает построение передающего и приемного устройства, расширяет зону обслуживания, улучшает качество связи путем стабилизации остаточного затухания. При проектировании радиолиний с ШПС не требуется предусматривать огромные запасы мощности для борьбы с интерференцией сигналов из-за многолучевого распространения радиоволн.

Спектральная плотность мощности шумоподобного сигнала оказывается на уровне спектральной плотности мощности шума и ниже, что обеспечивает скрытность ШПС.

К основному недостатку систем с ШПС следует отнести их достаточно высокую сложность реализации, поэтому они применялись в основном в военной связи, однако в последние 10 лет началось их широкое применение для гражданских нужд.

Наиболее известная на сегодняшний день гражданская система с ШПС — это CDMA2000 (ранее IS95). Она проектировалась  изначально как система мобильной связи, поэтому не использует многих преимуществ ШПС сигналов, которые имеют место в фиксированных радиоканалах (в каналах, где задержка меняется медленно).

Поясним вышесказанное: в системах с низкой мобильностью абонентов возможно достичь одновременность прихода сигналов ото всех абонентов на базовую станцию, при этом сохраняется ортогональность сигналов разных абонентов и взаимное влияние абонентов друг на друга  пренебрежимо мало. Данное обстоятельство позволяет передавать в обратном канале значительно больше информации, чем в мобильных системах связи, где задержка не выравнивается.

Пожалуй единственным примером систем с ШПС, созданных специально для фиксированной связи являются системы ЗАО «СБТ»:

Эти системы обладаю всеми вышеперечисленными достоинствами систем с ШПС. Так используемые нелинейные ортогональные ШПС совместно со скремблирующими последовательностями обеспечивает повышенную безопасность передачи конфиденциальной информации. Системы имеют повышенную устойчивость  к воздействию преднамеренных и непреднамеренных помех и обеспечивают работу в сложной электромагнитной обстановке. Системы работоспособны при интерференционной помехе на 12 dB превышающей мощность ШПС, а использование в данных системах когерентного 3х лучевого Rake алгоритма позволяет эффективно бороться с замираниями сигнала.

  1. TR 101 458 V3.0.0. Future direction of standards work on UMTS/IMT-2000. — ETSI (2000-05).
  2. Варакин Л.Е., Анфилофьев С.А. Технология CDMA  в современных системах радиосвязи // Мобильные системы. — 1998. — Спецвыпуск по стандарту CDMA.
  3. Roy D. Yates, Narayan B. Mandayam. Challenges in Low-Cost Wireless Data Transmission // Wireless Information Network Laboratory, Rutgers University.- 1999.
  4. EN 301 460-5 V1.1.1. Fixed Radio Systems;Point-to-multipoint equipment; Part 5: Point-to-multipoint digital radio systems below 1 GHz — Additional parameters for DS-CDMA systems. — ETSI (2000-08).
  5. EN 301 055 V1.3.1. Fixed Radio Systems: Point to multipoint equipment; Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA); Point-to-multipoint digital radio systems in frequency bands inthe range 1 GHzto3 GHz. — ETSI (2000-03).
  6. EN 301 124 V1.2.1. Fixed Radio Systems; Point-to-multipoint equipement; Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA) point-to-multipoint digital radio systems in frequency bands in the range 3 GHz to 11 GHz. — ETSI (2000-10).

Зам. генерального директора по НИР
Иванов П.В.

Главный научный сотрудник
Мешковский К.А.