PG (Processing Gain, zisk zpracování) je v systému WCDMA poměr šířky rozprostřeného pásma k původní informační šířce pásma a poskytuje míru odolnosti vůči rušení a robustnosti signálu pro výpočet rozpočtu spoje v sítích 3G UMTS.

Popis

Processing Gain (PG, zisk zpracování) je klíčovým konceptem v systémech Code Division Multiple Access (CDMA) a Wideband CDMA (WCDMA), které tvoří základ 3G UMTS. Je definován jako poměr šířky pásma rozprostřeného signálu (rychlost čipů) k původní šířce pásma informačního signálu (bitová rychlost), často vyjádřený v decibelech jako PG (dB) = 10 * log10 (Rychlost čipů / Bitová rychlost). V režimu UTRA FDD podle 3GPP je rychlost čipů pevně nastavena na 3,84 Mcps. Proto je zisk zpracování nepřímo úměrný datové rychlosti uživatele; vyšší datové rychlosti vedou k nižšímu zisku zpracování a naopak. Tento parametr přímo ovlivňuje požadovaný poměr signálu k rušení na přijímači pro úspěšnou demodulaci.

Primární mechanismus za ziskem zpracování je rozprostření datového signálu uživatele pomocí pseudonáhodného kódu s vysokou rychlostí. Toto rozprostření distribuuje energii signálu přes mnohem širší pásmo, než je původní informační šířka pásma. Na přijímači je stejný kód použit k ‘složení’ signálu zpět do jeho původní šířky pásma. Klíčové je, že jakékoli rušení nebo šum, které nekoreluje s tímto konkrétním rozprostíracím kódem, zůstává rozprostřeno po širokém pásmu. Operace složení tedy koncentruje výkon požadovaného signálu, zatímco výkon rušení zůstává rozprostřen, čímž efektivně zvyšuje poměr signálu k rušení (SIR) pro detektor. Hodnota zisku zpracování kvantifikuje toto zlepšení SIR dosažené procesem rozprostření a složení.

V plánování sítí a řízení rádiových zdrojů je zisk zpracování klíčovým vstupem pro výpočty rozpočtu spoje. Určuje požadovaný Eb/N0 (poměr energie na bit k spektrální hustotě výkonu šumu) pro danou kvalitu služby, což následně ovlivňuje pokrytí buňky a kapacitu. Při pevné rychlosti čipů mají služby s nižší bitovou rychlostí (jako hlas) vysoký zisk zpracování, což je činí robustnějšími a umožňuje provoz ve větší vzdálenosti od základnové stanice nebo v horších podmínkách signálu. Vysokorychlostní datové služby s vyšší bitovou rychlostí a následně nižším ziskem zpracování vyžadují lepší podmínky signálu a typicky mají menší oblast pokrytí. Koncept je nedílnou součástí algoritmů řízení výkonu ve WCDMA, protože cílový SIR pro spojení je nastavován na základě požadované kvality služby a jejího inherentního zisku zpracování.

K čemu slouží

Processing Gain (zisk zpracování) existuje jako základní konstrukční princip, který umožňuje spolehlivou komunikaci ve sdíleném spektru za vysoké úrovně rušení, což je charakteristickým rysem systémů CDMA. Před CDMA používaly buněčné systémy jako GSM Time Division Multiple Access (TDMA) a Frequency Division Multiple Access (FDMA), které primárně oddělovaly uživatele v časových a frekvenčních slotech. Tyto systémy byly omezeny ve schopnosti zvládat rušení uvnitř stejné buňky a byly citlivé na frekvenční plánování. CDMA a koncept zisku zpracování byly zavedeny, aby umožnily všem uživatelům vysílat současně přes celé dostupné pásmo s využitím jedinečných kódů pro oddělení.

Problém, který řeší, je víceuživatelské rušení. V systému CDMA se více signálů překrývá v čase a frekvenci. Bez zisku zpracování by to vedlo k nepoužitelné úrovni šumu. Operace rozprostření, kvantifikovaná PG, poskytuje matematickou ‘výhodu’, která umožňuje přijímači izolovat požadovaný signál z celkového rušení. To umožňuje funkce jako měkká kapacita (postupné zhoršování s přidáváním uživatelů), frekvenční využití jedna (každá buňka používá stejnou frekvenci) a inherentní odolnost vůči úzkopásmovému rušení a vícestupňovému útlumu díky širokému pásmu. Jeho vznik byl motivován potřebou vyšší spektrální účinnosti, lepší kvality hovoru a plynulejšího přechodu k vyšším datovým rychlostem v rámci jednotného rádiového rozhraní, jak bylo zamýšleno pro sítě 3G v rámci standardu IMT-2000.

Klíčové vlastnosti

• Definován jako poměr rychlosti čipů k informační bitové rychlosti (PG = Rychlost čipů / Bitová rychlost).
• Poskytuje kvantitativní míru schopnosti potlačení rušení v systémech se šířeným spektrem.
• Nepřímo úměrný uživatelské datové rychlosti při pevné rychlosti čipů.
• Kritický parametr pro analýzu rozpočtu spoje a plánování pokrytí v sítích WCDMA.
• Umožňuje RAKE přijímači oddělit vícecestné složky a koherentně je zkombinovat.
• Základní pro mechanismus řízení výkonu, určuje cílový poměr signálu k rušení (SIR).

Související pojmy

• WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access

Definující specifikace

• TR 21.905 (Rel-19) — 3GPP Technical Terms and Definitions
• TS 23.050 (R99) — UMTS Network Principles and Architecture
• TS 24.501 (Rel-19) — 5G NAS Protocols Specification

📖 Anglický originál a plná specifikace: PG na 3GPP Explorer