Process Gain in WCDMA
Wat betekent “process gain” in WCDMA en waarom is het zo belangrijk voor deze communicatietechnologie?
Process gain (verwerkingswinst) is een fundamenteel concept in spread spectrum communicatiesystemen zoals WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Het verwijst naar het vermogen van het systeem om het signaal dat is uitgezonden met een lage vermogensdichtheid te herstellen, zelfs in het bijzijn van sterke ruis of interferentie. In WCDMA, een vorm van directe-sequentie spread spectrum (DSSS), speelt process gain een essentiële rol in het waarborgen van de betrouwbaarheid en robuustheid van de communicatie.
Wat is Process Gain in technische termen?
Process gain wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de spreidingsbandbreedte en de informatiedatasnelheid. In formulevorm wordt het als volgt uitgedrukt:
Process Gain (dB) = 10 × log10(Spreading Bandwidth / Data Rate)
Bijvoorbeeld, als de spread spectrum bandbreedte 5 MHz is (zoals in WCDMA) en de datasnelheid 15 kbps is (een typische spraakkanaalbitrate), dan is de process gain:
10 × log10(5.000.000 / 15.000) ≈ 25.2 dB
Dit betekent dat het originele datasignaal een versterking krijgt van 25.2 dB ten opzichte van de achtergrondruis, wat resulteert in betere signaalherkenning en foutcorrectie.
Hoe werkt Process Gain in WCDMA?
WCDMA gebruikt DSSS waarbij elk databitsignaal wordt vermenigvuldigd met een pseudowillekeurige spreidingscode (chipping code) met een veel hogere snelheid dan de datasnelheid. Hierdoor wordt het signaal verspreid over een veel bredere frequentieband dan strikt nodig is. Aan de ontvangzijde wordt dezelfde code gebruikt om het originele signaal terug te reconstrueren en te onderscheiden van andere gebruikers of ruis.
- De spreidingscode heeft een hoge chipping rate (bijvoorbeeld 3.84 Mcps in WCDMA).
- De originele data wordt ‘gespreid’ over deze chipping rate.
- De ontvanger gebruikt dezelfde code om het gewenste signaal te ‘despreiden’.
Doordat ruis en interferentie normaal geen overeenkomstige codes hebben, worden zij bij het ‘despreiden’ niet versterkt en blijven dus grotendeels onder de detectiedrempel. Dit is waar de process gain tot zijn recht komt: het verbetert de signaal-ruisverhouding (SNR) van het gewenste signaal.
Belang van Process Gain in een CDMA-omgeving
In WCDMA kunnen meerdere gebruikers tegelijkertijd dezelfde frequentieband delen dankzij unieke spreidingscodes. Zonder process gain zou het praktisch onmogelijk zijn om individuele signalen correct te decoderen binnen het gedeelde spectrum. Process gain maakt het volgende mogelijk:
- Meerdere gelijktijdige gebruikers: Dankzij process gain kunnen signalen van verschillende gebruikers worden gescheiden en correct ontvangen.
- Verhoogde weerstand tegen interferentie: Zowel tegen andere gebruikers (multiple access interference) als tegen externe ruisbronnen.
- Verbeterde prestaties bij lage SNR: Belangrijk voor mobiele apparaten op grotere afstand van het basisstation of in omgevingen met obstakels.
Gerelateerde begrippen: Spreading Factor en Chipping Rate
De spreading factor (SF) is de verhouding tussen de chipping rate en de datasnelheid. In WCDMA is de standaard chipping rate 3.84 Mcps. Hogere SF’s resulteren in grotere process gain, maar lagere datasnelheden. Bijvoorbeeld:
| Spreading Factor (SF) | Datasnelheid | Process Gain (dB) |
|---|---|---|
| 256 | 15 kbps | ≈ 25.2 dB |
| 64 | 60 kbps | ≈ 18 dB |
| 16 | 240 kbps | ≈ 12 dB |
Process gain neemt dus af bij hogere datasnelheden. Dit betekent dat er een afweging bestaat tussen datasnelheid en robuustheid van het signaal.
Waarom is process gain belangrijk voor mobiele gebruikers?
Voor mobiele gebruikers, vooral aan de rand van een cel of in gebouwen met veel demping, zorgt process gain ervoor dat hun signalen correct worden ontvangen ondanks een lage SNR. Hierdoor kunnen mobiele telefoons gesprekken voeren en data verzenden zelfs bij moeilijke omstandigheden.
Wat is het effect van interferentie op process gain?
Hoewel process gain bescherming biedt tegen interferentie, is het niet oneindig. Als te veel gebruikers dezelfde band delen (hoge netwerkbelasting), neemt de interferentie toe en kan het effect van process gain afnemen. Dit noemt men vaak “self-jamming” in CDMA-systemen. WCDMA-netwerken gebruiken daarom geavanceerde vermogenscontrolemechanismen om het interferentieniveau onder controle te houden.
Wordt process gain ook in andere netwerken gebruikt?
Ja, elk spread spectrum-systeem heeft een vorm van process gain. Behalve WCDMA, wordt het gebruikt in andere CDMA-gebaseerde systemen zoals cdma2000. In OFDMA-gebaseerde systemen zoals LTE wordt geen klassieke process gain gebruikt, maar andere technieken zoals frequentiediversiteit en MIMO zorgen daar voor signaalbescherming.
Kan process gain verbeteren bij gebruik van lagere datasnelheid?
Ja. Bij lagere datasnelheden is de spreading factor groter, wat betekent dat elk bit meer chipping-pulsen krijgt toegewezen. Dit verhoogt de process gain, waardoor het systeem beter bestand is tegen fouten en storingen. Daarom worden in WCDMA spraakkanalen met lage bitrate zoals AMR vaak gekozen om een hogere betrouwbaarheid te bieden in slechtere radiocondities.